支護結(jié)構(gòu)對富水軟巖隧道變形及應(yīng)力影響的模型試驗

張 拳，劉彥玲，鄒 婷，陳橋楓

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031；2.四川路橋建設(shè)集團股份有限公司,四川成都610041；3.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610015)

近年來，我國在水利、道路以及礦山建設(shè)中，越來越多地涉及到富水軟巖工程問題。針對軟巖隧道的研究，主要有現(xiàn)場變形監(jiān)測、數(shù)值模擬以及室內(nèi)模型試驗等方法。魏星[1]等對富水軟巖地層進行隧道施工容易出現(xiàn)突泥涌水、圍巖坍塌，并可能引起地表沉降裂縫、地下水位下降等嚴(yán)重工程環(huán)境問題[2-5]進行了室內(nèi)模型研究。孫鈞等[6]、劉志春等[7]對軟巖圍巖-支護結(jié)構(gòu)之間的力學(xué)性狀進行了研究，認(rèn)為在軟巖隧道中，作用在支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力主要是因圍巖蠕變增長發(fā)展的形變壓力，松動壓力占有的比例非常小。張青龍等[8]通過對庫尉引水隧洞現(xiàn)場監(jiān)測資料分析，認(rèn)為圍巖-支護結(jié)構(gòu)的變形在不同部位的特性主要是由各部位的圍巖變形方式和應(yīng)力釋放規(guī)律所決定的，側(cè)墻處圍巖應(yīng)力釋放時間效應(yīng)明顯，塑性區(qū)不斷增長發(fā)展，形變壓力也隨時間增長難于穩(wěn)定。拱頂處存在一定深度范圍內(nèi)的圍巖整體下沉現(xiàn)象，圍巖壓力穩(wěn)定時間短。J.X.Wang等[9]通過相似材料模型試驗對軟巖巷道的圍巖變形特性進行了研究，認(rèn)為圍巖變形分為3個階段，即應(yīng)力集中引起的變形、流變變形、支護反力引起的變形。王抒等[10]通過試驗研究了隧道軟弱圍巖相似材料的力學(xué)性能。

在富水軟巖地層進行隧道開挖，由于突泥涌水的出現(xiàn)將對圍巖產(chǎn)生沖刷作用并導(dǎo)致地層流失，這將顯著地影響圍巖的狀態(tài)和穩(wěn)定，進而對支護結(jié)構(gòu)的選擇和效果起著重要影響。為此，以北崗隧道為原型，開展室內(nèi)模型試驗研究，著重用于研究隧道開挖及支護后，圍巖及地表的變形和應(yīng)力的變化規(guī)律，以及支護結(jié)構(gòu)的支護效果的研究。結(jié)合實際工程問題，設(shè)計不同的支護方案，并對試驗結(jié)果進行對比分析，尋求合理的支護形式和強度，為類似隧道工程的開挖支護提供參考。

1 試驗材料配制

1.1 依托工程背景

洛(陽)至湛(江)線中的北崗隧道DK462+235～DK464+366，位于永岑段岑溪糯洞車站與岑溪北車站之間，全長2 131 m。整個隧道穿越的區(qū)域，圍巖水文地質(zhì)情況較為復(fù)雜，圍巖級別為Ⅲ～Ⅵ級。隧洞大部分洞身為花崗巖、砂巖夾頁巖灰?guī)r接觸帶，巖體十分破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育；地表水、地下水發(fā)育。隧道在施工開挖過程中，多處出現(xiàn)隧道坍塌、地表嚴(yán)重塌陷及環(huán)狀裂縫等病害，導(dǎo)致已施作的初期支護被破壞、壓塌，給設(shè)計和施工帶來了極大的困難。

本文選取DK462+527～DK462+537段為原型，開展室內(nèi)模型試驗研究。此段隧洞位于地下水位以下，圍巖富含水份；埋深約為55 m。洞身巖體受到多次構(gòu)造運動及巖漿侵入作用，節(jié)理裂隙發(fā)育完全，完整性極差，并且有厚層全風(fēng)化花崗巖蝕變帶分布。施工過程中，該段多處出現(xiàn)股狀流水，圍巖遇水軟化，呈現(xiàn)稀泥狀和流砂狀，且被水流帶出。

1.2 相似關(guān)系

為便于分析支護結(jié)構(gòu)對隧洞開挖過程中變形和應(yīng)力的影響，考慮實際試驗條件，本模型試驗只考慮隧洞圍巖為單一蝕變巖的情況。決定地層巖體的變形、位移和破壞的關(guān)鍵因素為地層巖體的彈—塑性力學(xué)參數(shù)。根據(jù)相似第二定理(π定理)，彈性力學(xué)模型相關(guān)參數(shù)表達式為:

上式中共有10個參數(shù)，以體力X和長度L為基本量綱的物理量，對應(yīng)的量綱分別為FL-3和L。

試驗以幾何相似比和容重相似比為基礎(chǔ)相似比，即CL=30,Cγ=1.

結(jié)合原型和模型的平衡方程、幾何方程、物理方程、應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件，推導(dǎo)各物理力學(xué)參數(shù)原型值與模型值的相似比為：泊松比、應(yīng)變、摩擦角Cμ=Cε=Cφ=1；強度、應(yīng)力、黏聚力、彈性模量CRC=Cσ=Cc=CE=30；抗彎剛度CEI=24 300 000，抗拉剛度CEA=27 000。

1.3 相似材料

模型試驗中，圍巖相似材料以強度參數(shù)和變形模量為控制參數(shù)。結(jié)合已知的材料參數(shù)和實際圍巖性質(zhì)，選用清潔河砂(粗砂和細(xì)砂)以及現(xiàn)場取樣的蝕變巖的細(xì)粒部分(黏粒為主)的混合物作為圍巖的相似材料。細(xì)砂及粗砂的比例，主要用來調(diào)整相似材料的強度和彈性模量。在滲流的作用下，混合物中的細(xì)粒部分會隨水流被帶出，可模擬現(xiàn)場一系列破壞現(xiàn)象。由圍巖的參數(shù)調(diào)整模型材料的配比，根據(jù)多次配比調(diào)整結(jié)果，得到較理想的配比為：細(xì)砂60 %，粗砂25 %，蝕變巖細(xì)粒15 %，外加一定量的水，達到含水量約為29 %。圍巖和相似材料的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖和相似材料力學(xué)參數(shù)對比

1.4 支護結(jié)構(gòu)

隧洞施工過程，采用“噴射混凝土+工字鋼+鋼筋網(wǎng)”作為支護結(jié)構(gòu)；在模型試驗中，根據(jù)抗彎剛度EI等效相似的原則，采用“鐵皮+石膏+鋼絲網(wǎng)”來模擬，鋼筋網(wǎng)采用鋼絲φ1@100 mm×100 mm來模擬(表2)。

表2 模型和對應(yīng)原型支護結(jié)構(gòu)對比

注：試驗中毛洞開挖方案，未進行支護，用于對比分析；石膏的水膏比為1.2∶1。

本模型試驗主要研究隧洞開挖，并對其支護后，支護結(jié)構(gòu)對圍巖的變形、應(yīng)力的影響；為更好地對比分析，試驗分為毛洞開挖和有支護開挖兩種方式，且有支護開挖，設(shè)計為兩種不同支護強度條件，共3組試驗。

2 模型試驗設(shè)計

2.1 模型制作

試驗在專門制作的試驗?zāi)Ｐ图苤羞M行，試驗?zāi)Ｐ图芎竺鏋楣潭ǖ匿摻罨炷翂?，前面為鋼架鑲鋼化玻璃，兩?cè)分別用沙袋和活動木板隔開，具體尺寸為3 m×3 m×0.9 m。

試驗?zāi)Ｐ图芤M行防水處理，鋪設(shè)防水卷材或塑料薄膜，并在接縫處涂玻璃膠，完成后靜置一段時間。將按前述相似比配置好的材料，進行分層填筑，并夯實，使每層高度為30 cm；同時按前述含水量的要求加入定量的水。填筑過程中，在預(yù)設(shè)位置安設(shè)位移計和土壓力盒。

2.2 模型開挖與支護

開挖過程以及開挖速度會對圍巖產(chǎn)生擾動，改變圍巖的應(yīng)力分布，故在3組不同支護條件下開挖，應(yīng)盡量注意減小擾動并控制每段的開挖速度相同。具體為：3組模型試驗均采用全段面開挖，開挖的總長度均為50 cm，每段開挖長度為12.5 cm。其中毛洞每段開挖時間為10 min；另2組設(shè)有支護結(jié)構(gòu)的模型，開挖一段后要先對該部分隧道進行支護后再繼續(xù)下次開挖，每段開挖的時間仍為10 min，且支護開始到下次開挖的時間也為10 min，開挖與支護如此交替進行，直到開挖長度達到50 cm。

2.3 模型量測系統(tǒng)

模型量測項目包括圍巖應(yīng)力、豎向位移、地表沉降。應(yīng)力、位移和沉降測點均設(shè)置在距試驗臺架正面25 cm的橫斷面上，共設(shè)置7個豎向應(yīng)力變化的測點、5個水平圍巖應(yīng)力變化量測點、6個豎向位移測點和7個地表沉降測點(圖1、圖2)。

圖1 地表沉降與隧道上方位移測點布置(單位:mm)

圖2 土壓力測點布置(單位:mm)

3 試驗現(xiàn)象與分析

3.1 試驗現(xiàn)象

3.1.1 毛洞開挖

開挖初期，洞室相對穩(wěn)定，未有明顯的變形破壞，但洞周圍開始變得濕潤。隨著開挖面向前推進，已開挖段洞口部分材料發(fā)生局部垮落；繼續(xù)開挖，則垮落區(qū)域明顯增大，洞周圍破壞情況加劇，直至洞室發(fā)生整體破壞，造成開挖斷面全被堵塞，開挖被迫結(jié)束。因此，所預(yù)設(shè)的位移和應(yīng)力量測系統(tǒng)沒有采集到有效的數(shù)據(jù)。

3.1.2 支護方案一

本方案中所采用的支護為：7 mm加鋼絲石膏+0.8 mm鐵皮。開挖過程中，隧道圍巖沒有發(fā)生圍巖大面積垮落，但在開挖后期，出現(xiàn)圍巖材料的部分掉落，支護結(jié)構(gòu)多處變形顯著，地表產(chǎn)生多條近似弧形裂紋，并且多處有滲流夾帶泥砂流出。

3.1.3 支護方案二

本方案中所采用的支護為：10 mm加鋼絲石膏+0.8 mm鐵皮。整個開挖過程中，隧道圍巖沒有發(fā)生明顯的變形，支護結(jié)構(gòu)也沒有明顯的變形，地表沒有明顯裂紋，只有局部滲水，并帶出少量泥砂。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 毛洞開挖

毛洞開挖模型試驗，出現(xiàn)開挖過程中，洞室圍巖的整體垮落，與現(xiàn)場圍巖開挖過程中的實際情況相似。因為本試驗所模擬的為富水軟巖隧道的開挖，圍巖自身強度低，并且在富水條件下，極易產(chǎn)生軟化，進一步降低了圍巖的強度；因此，發(fā)生洞室全斷面的垮塌。

3.2.2 支護結(jié)構(gòu)下的位移分析

模型試驗由位移量測系統(tǒng)，測量開挖支護完成24 h后，圍巖的變形調(diào)整達到相對穩(wěn)定時的地表沉降以及拱頂上方各測點的豎向位移。

圖3表明，在施作支護結(jié)構(gòu)后，距離隧道中心線越遠，地表沉降量越??；并且支護結(jié)構(gòu)2的隧道中心線上的地表穩(wěn)定沉降約為1.3 mm，比支護結(jié)構(gòu)1的3 mm，減小了57 %。圖4表明，隧道拱頂上方豎向變形量，由拱頂向上呈現(xiàn)減小的變化趨勢。在隧道變形調(diào)整達到穩(wěn)定后，拱頂上方5 cm處，支護結(jié)構(gòu)2的變形值為2.9 mm，比支護結(jié)構(gòu)1的9.9 mm減小了近70 %。

圖3 地表沉降

這是由于支護結(jié)構(gòu)2的支護強度比支護結(jié)構(gòu)1明顯增強所導(dǎo)致的；并且圖3中各測點的沉降值在強支護下，都有大幅度的減小，呈現(xiàn)離隧道中心線越近，沉降減小量越大的變化趨勢；圖4中的各測點的豎向變形量，在距離拱頂越低的測點，在強支護下，變形量減小的越多。

圖4 拱頂上方圍巖測點豎向位移

隧道開挖支護完成后，支護結(jié)構(gòu)的強弱對本模型試驗的富水軟巖洞室圍巖的變形有顯著影響。支護結(jié)構(gòu)越強，能明顯減小洞室近處圍巖的變形量，也能明顯降低洞室上方的地表沉降量，這有利于洞室穩(wěn)定。

通過計算，支護結(jié)構(gòu)1的拱頂變形值9.9 mm，已經(jīng)超過隧洞斷面高度的3 %；表明拱頂變形過大，所采用的支護結(jié)構(gòu)1，強度不足以使洞室保持良好的穩(wěn)定狀態(tài)。支護結(jié)構(gòu)2的拱頂變形值比支護結(jié)構(gòu)1的減小了約70 %，表明支護結(jié)構(gòu)2能較好的保持洞室的穩(wěn)定性。

3.2.3 支護結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力分析

模型試驗由土壓力量測系統(tǒng)，測量開挖支護完成24 h后，圍巖的應(yīng)力調(diào)整至相對穩(wěn)定時，邊墻外水平測點與拱頂上方測點應(yīng)力的變化情況。

圖5為邊墻圍巖水平測點應(yīng)力變化曲線，不同支護作用下，圍巖的水平應(yīng)力變化值與距隧道邊墻的距離均呈反向增長的關(guān)系，即洞室開挖后，洞室近處的圍巖水平應(yīng)力衰減的程度明顯大于遠處。在距洞室邊墻5 cm處；支護結(jié)構(gòu)1作用下，圍巖水平應(yīng)力減小16.1 kPa，在距邊墻40 cm處，圍巖水平應(yīng)力基本沒有變化；支護結(jié)構(gòu)2所對應(yīng)的圍巖水平應(yīng)力減小6.3 kPa，在距邊墻30 cm處，圍巖水平應(yīng)力基本沒有變化。圖6為拱頂上方圍巖測點豎向應(yīng)力變化曲線，不同支護結(jié)構(gòu)作用下，圍巖的豎向應(yīng)力變化值與距隧道拱頂?shù)木嚯x均呈反向增長關(guān)系，即洞室開挖后，洞室近處的圍巖的豎向應(yīng)力衰減明顯大于遠處。在拱頂上方5 cm處；支護結(jié)構(gòu)1作用下，圍巖豎向應(yīng)力減小18.8 kPa，在距拱頂60 cm處，圍巖豎向應(yīng)力基本沒有變化；支護結(jié)構(gòu)2對應(yīng)的圍巖豎向應(yīng)力減小10.5 kPa，在距拱頂約53 cm處，圍巖豎向應(yīng)力基本沒有變化。

圖5 邊墻圍巖水平測點應(yīng)力變化值

分別對比不同支護結(jié)構(gòu)下，圍巖的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力，可得：在距邊墻5 cm處，支護結(jié)構(gòu)2作用下，洞室的水平應(yīng)力變化值約為支護結(jié)構(gòu)1的39 %，豎向應(yīng)力變化值約為支護結(jié)構(gòu)1的56 %。因此，支護結(jié)構(gòu)越強，開挖支護后引起的圍巖應(yīng)力變化越小，且應(yīng)力變化的影響范圍越小，由60 cm減小至約53 cm。這是由于支護結(jié)構(gòu)越強，能有效的平衡因開挖引起的圍巖應(yīng)力釋放，這有利于洞室保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 拱頂上方圍巖測點豎向應(yīng)力變化值

4 結(jié)論

通過本模型試驗對所模擬的支護結(jié)構(gòu)對富水軟巖隧道變形及應(yīng)力的影響的分析可知：

(1)對富水軟巖隧道進行開挖，需設(shè)計有足夠強度的支護結(jié)構(gòu)，本模擬工況下，支護結(jié)構(gòu)的等效剛度EI達到6.76×107N·m2，即達到支護方案二的支護強度，施工過程中能較好的維持洞室的穩(wěn)定；且支護結(jié)構(gòu)越強，越有利于洞室保持整體穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)支護結(jié)構(gòu)作用下，地表沉降量在距隧道中心線越遠處越?。还绊斏戏絿鷰r豎向變形量在距離拱頂越遠處越?。磺抑ёo結(jié)構(gòu)越強，能顯著減小洞室近處圍巖的變形量和地表沉降量。

(3)支護結(jié)構(gòu)作用下，在洞室近處，圍巖應(yīng)力減小值較遠處明顯；且支護結(jié)構(gòu)越強，開挖支護后引起的圍巖應(yīng)力變化越小，應(yīng)力變化的影響范圍也越小。