含水軟弱夾層地下洞室穩定性模型試驗研究

李劍光， 周梓燚 ， 劉椿鵬 ， 鄒會松 ， 李紀偉

(青島科技大學機電工程學院， 青島 266061)

隨著中國基建能力的提升和長期戰略規劃的制定，越來越多的巖體工程項目在交通、水利、國防、采礦等行業展開，鑒于在“縮短行程，節約能源，規避滑坡，保護生態”等方面的優勢，洞室方案被廣泛采用，規模、廣度和速度超越以往幾十年，且正向世界延伸擴展。大量工程實踐表明，巖土工程不可避免地會遇到軟弱夾層，甚至超預期的軟弱夾層帶，層理的存在本身對工程圍巖的強度有弱化作用，作為導水通道，又進一步引起地下水的富集，水巖作用弱化圍巖強度，對洞室工程的安全穩定造成不利影響，設計和施工階段以各種方式對洞室工程進行穩定性分析和預測就顯得非常必要。模型試驗作為有效方式之一，已有學者從模擬材料、試驗系統、夾層特征等方面進行了大量探索。例如，孔令亞等[1]針對三峽庫區巴東組第三段泥灰巖和層間軟弱夾層，研究了含水率、夾層厚度及CaCO3含量對軟弱夾層抗剪強度的影響規律及動態特性。趙宏剛等[2]通過制作不同厚度的軟弱夾層復合巖樣，探討了軟弱夾層厚度對隧洞臨空面圍巖力學響應和破壞特征的影響。賈后省等[3]以南山礦回采巷道為工程背景，研究了含軟弱夾層頂板采動巷道圍巖破裂形態及冒頂機理。王思洋等[4]對成都地鐵7號線某標段軟弱圍巖隧道進行兩種開挖方式對比，為類似地質條件下的工程施工提供參考。唐林等[5]對不同含水率的含軟弱夾層巖體進行了試驗研究，并預測了含水率對其抗剪強度的影響。彭鵬等[6]對太焦鐵路五谷山1#隧道進行現場監測，分析了含軟弱夾層隧道圍巖變形特征。李劍光等[7]針對軟弱夾層傾角對巷道圍巖穩定性的影響，通過物理模型試驗模擬開挖得出軟弱夾層傾角嚴重影響巷道圍巖的穩定性。Nader等[8]針對低應力條件下層狀巖體隧道的穩定性受巖體結構(塊體)和開挖幾何尺寸的控制，建立了隧道的物理模型，研究了順層傾角、不連續面間距和隧道尺寸對隧道破壞機制的影響。Shi等[9]為分析TBM(tunnel boring machine)開挖擾動下復合地層圍巖的穩定性，以蘭州供水工程為研究對象，進行了巖土力學模型試驗。

不涉水的模型試驗研究，采用傳統固態的單相模擬試驗，涉水問題少數通過靜力等效的方式，如用彈簧[10]或者膠囊[11]模擬承壓水進行固體單相模擬，多數采用固液兩相模擬，流固耦合相似材料應運而生，同時因應各種涉水試驗需要的試驗系統也不斷涌現[12-13]。

總體上，直接涉水的模型試驗還不夠成熟。故現以含軟弱夾層的無支護地下洞室為研究對象，將軟弱夾層的含水狀態、厚度、位置作為因素，對地下洞室的開挖和開挖后兩個階段進行應力位移等監測，得出軟弱夾層不同因素對地下洞室穩定性的影響規律。

1 模型試驗

1.1 模型試驗系統

根據試驗需要，研發了杠桿式平面應力模型試驗系統，如圖1所示。該系統由模型架、加載系統、監測系統、注水裝置組成。杠桿式重力加載，壓力恒

圖1 模型試驗系統圖Fig.1 Model test system diagram

定，無需動力，適合長時試驗。模型架內側尺寸(長×寬×高)為1 300 mm×180 mm×1 000 mm，可開展大模型試驗，也可兩側同時獨立小模型對照試驗。注水裝置由外掛式水源和預埋式管路組成，可實現任意層位常水頭注水。

1.2 相似比確定及相似材料選取

模型試驗前，先根據目標巖體、模型架尺寸和工程規模，保證主要指標相似，忽略次要指標，設定模型與原型相似比。本次試驗中部分工況項目涉及含水，故相似比中也考慮水理性質的相似。最終相似比如下。

幾何相似比為

CL=50

(1)

密度相似比為

Cρ=1.5

(2)

應力、彈性模量相似比為

Cσ=CECρ=50×1.5=75

(3)

吸水率相似比為

Cω=1

(4)

軟化系數相似比為

Cη=1

(5)

滲透系數參數為

(6)

相似比確定后，相似材料是模型試驗成功的關鍵。參照其他文獻中流固耦合相似材料的選擇和配比，考慮本次試驗的特殊性。不含水的工況與其他單相模擬做法一致，含水工況下，夾層材料要體現遇水軟化，軟弱夾層上下兩側主巖體材料則不然，故設定軟弱夾層和主巖體為兩種不同的相似材料，主巖體隔水、較高強度、低滲透率，夾層指標性能則相反。

主巖體相似材料選取石英砂、石膏和有機硅，如圖2(a)所示；軟弱夾層相似材料選取石英砂、石膏和高嶺土，如圖2(b)所示。為了選定合適的配比，本次試驗根據工程巖體試驗方法標準(GB/T 50266—2013)，制作了φ50 mm×100 mm的標準圓柱試件，進行了抗壓強度及抗拉強度實驗(劈裂法)、吸水率實驗和滲透實驗，以測定力學和水理性質。最終，主巖體材料的質量比為石英砂∶石膏=0.772∶0.128，有機硅濃度為0.2%時隔水效果最好；軟弱夾層材料的質量比為石英砂∶石膏∶高嶺土= 0.8∶0.05∶0.05。主巖體與軟弱夾層的原型和模型的力學與水理性能參數，如表1所示。

圖2 試驗所選相似材料圖Fig.2 Similar materials selected for the test diagram

1.3 試驗設計

本研究不針對特定的工程項目，以含軟弱夾層的地下洞室作為模型原型。洞室埋深700 m，截面為圓形，直徑3 m，上方具有一條水平的軟弱夾層帶，主圍巖體為砂巖，軟弱夾層帶為泥巖。試驗設計采用正交試驗L4(23)方案，以軟弱夾層的厚度、位置和含水狀態為因素，每個因素2個水平。為全面反映各因素對地下洞室穩定性影響程度，在正交試驗的之外增設一組不含軟弱夾層的地下洞室試驗(工況5)，作為對照。模型試驗方案詳見表2。

軟弱夾層含水采用模型成型時在設定層位同步預埋多孔進水軟管的方式實現，由外掛式吊瓶提供水源補給，兩立柱內側做防滲處理，夾層材料含水率設定為同一數值，如圖3所示。

表1 主巖體與軟弱夾層的原型和模型的力學與水理參數Table 1 Mechanical and hydraulic parameters of prototype and model of main rock mass and weak interlayer

表2 模型試驗方案設計Table 2 Design of model test scheme

1.4 監測方案

圍巖應力和變形是研究地下洞室變形和破壞機理的關鍵監測信息，本試驗中對二者均進行監測。

模型鋪設成型時，在洞室上方固定高度處，沿水平線預埋土壓力盒。考慮到對稱性，只需記錄單側的3個測點，連接DM-YB1820型動靜態應變采集儀進行應力監測，采集間隔為2 h。位移監測為非接觸式方式，使用電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)相機對試驗中的模型表面進行拍照，通過GOM軟件進行數字圖像相關處理，重點對洞室周邊4個測點的位移變化進行跟蹤監測，如圖4所示。

圖3 軟弱夾層注水圖Fig.3 Weak interlayer filled with water diagram

圖4 位移測點布置圖Fig.4 Displacement measurement point layout diagram

1.5 試驗過程

試驗過程分為三個階段：試驗模型制備階段、開挖試驗階段和蠕變試驗階段，如圖5和圖6所示。

(1)試驗模型制備階段。根據所選取的相似材料成分及配比，進行相似材料混合、分層鋪筑、傳感器預埋等，成型后養護時，按照埋深700 m對應的地應力，折算模型的加載壓力。養護完成后，進行注水裝置布置、傳感器連接調試等監測前準備工作。

(2)開挖試驗階段。模擬洞室分步開挖過程，分6次開挖貫通，全斷面開挖，每次開挖30 mm，間隔1 h，每開挖步完成后進行應力和位移監測。

(3)蠕變試驗階段。模擬開挖后支護期，洞室貫通后，繼續保持地應力不變，進行蠕變試驗，持續監測應力和位移，監測時間為10 d。

圖5 試驗模型制備圖Fig.5 Test model preparation diagram

圖6 模型試驗開挖和蠕變試驗階段圖Fig.6 Model test excavation and creep test stage diagram

2 試驗結果及分析

2.1 開挖試驗階段地下洞室穩定性

開挖階段，由于開挖擾動，地應力有重新分布的過程，不同位置測點監測到的應力變化趨勢不同。如圖7所示為工況1下應力隨開挖步變化曲線，其他工況類同。隨著開挖的持續推進，開挖輪廓正上方3號測點的垂直應力呈下降趨勢，而1、2號測點為上升趨勢。分析原因：開挖過程中，洞室規劃位置形成了采空區，失去支撐后，應力傳遞路徑發生變化，重新分布，動態平衡，采空區正上方的3號測點承擔部分轉移到1號和2號，所以其數值逐漸減小，而1號和2號測點分擔并承接了本應由3號位置承擔的部分，所以數值增大。相較于2號測點，1號測點離洞室更遠，所受到的開挖影響相對較小。

洞室收斂變形監測是定量化判定洞室穩定性的有效依據。獲得隨著開挖推進模型表面洞周各測點的位移數值后，可進一步計算出測點間相對位移，或收斂變形。各工況下，隨開挖推進的洞室收斂變形曲線如圖8所示。可以看出，隨著開挖次數的增加，洞室的水平收斂變形在±0.005的小箱體內上下波動，變化不大，而豎直收斂變形變化較大，整體呈緩慢趨勢，開挖前半程增加較快，后半程增加趨緩。其原因為在垂直地應力大于水平地應力的賦存條件下，開挖過程中洞室的變形主要表現為豎直收斂，開挖的初始階段，指向采空區內部的豎直收斂(主要為頂板或拱頂下沉)較大，隨著開挖的持續深入，后續開挖對初始工作面所在剖面(洞室模型表面)的變形影響越來越小。此外，圖8(d)工況4的豎直收斂變形量最大，為0.043 mm；圖8(e)工況5的豎直收斂變形量最小，為0.029 mm。其余工況介于兩者之間，綜合對比，說明當洞室中含有軟弱夾層時，洞室收斂變形量會增大，且當軟弱夾層含水時會進一步增大。

圖7 應力隨開挖步變化曲線Fig.7 Stress change curve with excavation step diagram

圖8 洞室收斂變形隨開挖步變化曲線Fig.8 Convergent deformation of the cavern varies with the excavation step

為得出開挖試驗階段軟弱夾層特征對洞室穩定性的影響程度，此處對各測點的豎直收斂變形進行極差分析。工況1～工況5的豎直收斂變形量分別為0.032、0.034、0.038、0.043、0.028 mm。根據正交試驗極差分析法對軟弱夾層各因素水平進行分析，如表3所示。

從開挖試驗極差分析表的敏感性次序可以得出，軟弱夾層含水狀態大于軟弱夾層位置大于軟弱夾層厚度對洞室穩定性的影響，即：軟弱夾層含水狀態>軟弱夾層位置>軟弱夾層厚度。

表3 開挖試驗極差分析表Table 3 Range analysis table of excavation test

2.2 蠕變試驗階段地下洞室穩定性

洞室全部貫通成型后，保持載荷和邊界條件不變，繼續對模型進行為期10 d的蠕變試驗，應力采集間隔設定為2 h，不同工況下各測點應力隨時間變化規律均可得到，趨勢基本相同。圖9所示為工況1的情形。顯然，開挖完成后，應力的動態調整始終在進行，幅度越來越小，最終趨于穩定。但是，位于洞室周邊不同位置，應力變化不同，把最后一次開挖完成作為起始點，10 d后各點應力均有增加，遠離洞室的1號測點增幅最小，且最先趨于穩定(1～2 d)，接近洞室的2、3號測點增幅較大，增加幅度為15%～20%，6～7 d后趨于穩定。考慮到模型的時間相似比，實際工程中的應力穩定時間會更長，支護設計時應計入這部分附加載荷。

圖9 應力隨時間變化曲線圖Fig.9 Stress curve with time diagram

本階段所采用的位移監測方式及洞室收斂變形量計算與開挖試驗階段相同。各工況下，隨時間推移的洞室周邊關鍵測點的收斂變形曲線如圖10所示(為便于比較，最后一次開挖完成后，位移歸零)。可以看出，隨著時間的推移，洞室的水平收斂變形基本不變(工況5略有下降)，而豎直收斂變形變化較大，整體呈現先上升后趨穩趨勢。分析原因：垂直地應力大于水平地應力的試驗方案設計下，主要表現為豎直收斂，洞室貫通后，變形仍在持續增加，隨著時間推移，增幅越來越小，最終趨于穩定，不同工況下趨穩時間不同，為7～10 d，相較應力，趨穩時間會有滯后。此外，與第6次開挖完成時的數值相比，圖10(d)工況4的洞室收斂變形量最大，為0.157 mm，增幅365%；圖10(e)工況5的洞室收斂變形量最小，為0.094 mm，增幅336%。工況3和工況4高于工況1和工況2，工況5最小。顯然，本階段才是洞室變形的主要階段，考慮到變形量，宜在支護設計時，按照“先讓后抗，先柔后剛”的原則，聯合支護，持續觀測。實際施工中，分步開挖，及時支護后，洞室貫通后的變形量會少很多。

為得出蠕變試驗階段軟弱夾層特征對洞室穩定性的影響程度，此處對各測點的豎直收斂變形量進行極差分析。工況1～工況5的豎向收斂變形量分別為0.111、0.118、0.144、0.157、0.094 mm。根據正交實驗極差分析法對軟弱夾層各因素水平進行分析，如表4所示。

從蠕變試驗極差分析表的敏感性次序可以得出，軟弱夾層含水狀態大于軟弱夾層位置大于軟弱夾層厚度對洞室穩定性的影響，即：軟弱夾層含水狀態>軟弱夾層位置>軟弱夾層厚度。

表4 蠕變試驗極差分析表Table 4 Creep test range analysis table

3 結論

按照相似原理，配制了兩種不同力學和水理性能的相似材料，分別作為主巖體和軟弱夾層，并將夾層含水狀態、夾層位置和夾層厚度作為因素，按照正交試驗設計方案，在自研的杠桿式平面應力模型試驗系統上進行多工況對照的模型試驗，對無支護的含水軟弱夾層地下洞室的穩定性進行了研究。著重討論了開挖試驗階段和蠕變試驗階段洞周各測點的應力和表面收斂變形量的變化規律，得到如下結論。

圖10 洞室測點隨時間的收斂變形曲線Fig.10 Convergent deformation curve of measuring points in cavern with time

(1)隨著開挖的持續推進，應力傳遞路徑發生變化，動態重布，開挖輪廓正上方測點的垂直應力下降，臨近洞肩測點應力上升，離洞室越遠，所受到的開挖影響越小。臨時襯砌應多關注洞頂區域。開挖完成后，應力呈增加趨勢，動態調整幅度越來越小，最終趨穩，離開挖區域越近，趨穩時間越長。支護設計時應考慮開挖后的附加載荷。

(2)垂直地應力大于水平地應力的賦存環境中，隨著開挖的持續深入推進，模型表面洞周各測點主要表現為豎直收斂變形，持續增大，但逐漸趨緩；開挖貫通后，依然是豎直收斂變形為主，且隨時間逐漸趨穩，但變形比開挖過程大3倍左右。

(3)兩階段中，軟弱夾層特征對地下洞室穩定性的影響程度為：軟弱夾層含水狀態>軟弱夾層位置>軟弱夾層厚度。

(4)洞室工程中，應對含水頂板特別留意，通過疏排水等措施降低含水量，減少水害引發的次生災害。施工中，分步開挖后，應及時施作臨時支護，減少洞室貫通后的蠕變變形量。支護設計時，應遵循“先讓后抗，先柔后剛”的原則，聯合支護，持續觀測。

本文試驗設計中，分兩階段進行，全程無支護，雖與實際施工有差別，但便于觀測，尋找規律，后續可在支護設計方面改進。涉水設計也可進一步控制水壓、流量、區域等使得研究更貼近地下環境實際，均作為今后的展望。