軟弱富水地層淺埋暗挖隧道地表沉降和支護結構受力的模型試驗

張 杰

(福州理工學院,福州 350000)

1 概述

隨著城市建設的進行，城際間聯系愈加密切，城際軌道交通建設迅猛發展。由于客流量、投資造價、規范等限制，線路可能會穿過工程地質比較復雜的地層。在復雜地層中進行淺埋暗挖法隧道施工，理論上是可行的[1，2]，許多學者對施工所引起的地層及支護結構受力變形也進行了大量的研究。姚宣德等[3]、王霆等[4]、李濤等[5]通過對眾多工程實例進行整理并研究證實，淺埋暗挖隧道施工地表沉降可利用Peck公式[6]來模擬，對擬合結果進行統計分析后，為隧道工程設計及施工提出了許多中肯的建議。Peck公式存在3個特征參數，即地層損失率、沉降槽寬度、地表最大沉降量，參數的選用一直是眾學者討論的要點。學者們利用理論方法[7，8]、反演分析法[9]、經驗法[10]等推導出了很多不同地質情況下的經驗公式或估值。

超前注漿和拱架支護是淺埋暗挖隧道施工常用的且行之有效的施工方法[11-14]，其參數確定的相關研究也有很多。李術才等[15]基于廣義賓漢流體本構方程，推導了考慮漿液流變特征的優勢劈裂注漿擴散控制方程，鄒金峰等[16]在塑性力學和大變形理論上推導出土體劈裂注漿理論公式。

以上研究成果多針對一般性軟弱地層，如果地層中含有豐富的地下水，施工時會帶來許多問題[17-20]，比如隧道開挖過程中出現嚴重滲水、拱架受力變形嚴重、地表沉降過大并出現裂縫，嚴重處甚至造成塌陷以及部分掌子面土體失穩等，圍巖及拱架的受力變形規律也可能有所差異，而且由于地質情況不同，土層所體現出來的物理力學性質差別也很大[21]。因此，針對軟弱富水地層淺埋暗挖隧道地表沉降和支護結構受力研究具有重要的現實意義，可為同類軟弱富水地層淺埋暗挖隧道工程項目設計、施工提供參考。

2 工程概況

圖1 強風化混合片麻巖

依托莞惠城際軌道交通工程項目GZH-5標段中DK32+300～DK32+927.303段。試驗段為軟弱富水地層段，施工前期采用淺埋暗挖法，埋深多為9～15 m；地下水初見水位3.1 m，穩定水位3.4～7.5 m；隧洞多穿過風化嚴重的Ⅳ級和Ⅴ級圍巖(圖1)。地層由上至下分別為：第四系全新統(Q4ml)人工素填土層；第四系沖積層(Q4al)粉質黏土；第四系殘積層(Q4el)粉質黏土；下古生界(Pzl)全、強風化混合片麻巖。

取強風化W3、全風化W4兩組原狀土進行物理、力學試驗，可得到表1所列試驗結果。

表1 混合片麻巖(W3、W4)主要物理、力學指標匯總

隧道采用CD法施工(圖2)，步距0.5 m，上臺階5～7 m，左右導坑間距8～10 m，雙線施工時，開挖面間隔至少15 m，預留核心土2～3 m；超前支護采用3 m的φ42 mm超前小導管，縱距1 m，環距0.33 m；初期支護采用縱距0.5 m的I20a臨時鋼架，每拱設2根3 m的φ42 mm鎖腳錨桿，縱向每米設置1根長3.5 m的φ25 mm系統徑向砂漿錨桿，C20網噴混凝土(150 mm×150 mm的φ8 mm鋼筋網)，厚度0.3 m；永久支護為0.55 m模筑襯砌。

圖2 CD法施工工法示意

3 模型試驗設計

3.1 試驗設備的研制

根據實際情況及咨詢專家意見，試驗幾何比尺確定為1∶25，地層材料(模型土)及支護結構應滿足的相似比見表2。模型箱整體尺寸2.6 m×1.6 m×1.6 m，隧洞邊墻及拱底與模型箱邊界距離大于2倍隧洞寬(高)，前面由2塊10 mm厚鋼化玻璃板拼接而成(加工時已切割出開挖輪廓面，填土前需用擋土板堵住隧洞)，內部左右兩側各設1個尺寸0.3 m×1.2 m×1.6 m的水槽，水槽外鋪設兩層細鐵絲網以防模型土進入水槽，模型箱外兩側設排水孔，可根據需要調節地下水的水位高度。注漿及噴混凝土試驗采用一種自主研發的試驗裝置[22]，試驗設備見圖3。

表2 地層材料和支護結構應滿足的相似比

圖3 試驗設備

3.2 相似材料

(1)模型土

本試驗地層相似材料優先考慮密度、強度特性、滲透性質3個主要指標，未將變形指標作為控制指標，是由于隧道開挖對其中的土(巖)體來說，是一個卸載過程，采用反映加載變形特性的指標如壓縮模量等指標反映卸載過程中的變形特性顯然是不合理的，且土為散體材料，其變形特性(特別是卸載時)與連續體不同。考慮到尋找同時滿足多個相似要求的材料較困難，故實際配制時，采用0.2%的羥丙基甲基纖維素(HPMC)溶液增加水的黏滯性，降低模型土滲透性。

經多次試驗，最終選用某料場生產的粒徑≤0.075 mm的石英砂作為模型土。模型土的主要物理、力學指標見表3。

表3 模型土的主要指標

(2)支護結構

試驗選用成都牛元建材有限公司生產的水泥堵漏劑配制模型試驗用噴混凝土。該材料按1∶0.8的水灰比配制時，其初凝時間較短，通過單軸壓縮試驗，可得其在不同凝固時間時的應力-應變曲線(圖4)。本次試驗最終采用凝固時間為25 h時的彈性模量，其值為1.1 GPa。

圖4 噴混凝土模型材料應力-應變曲線

為保證模型與原型的抗壓剛度、抗彎剛度的相似，按相似性原理，應滿足下式

式中，E、A、I、l分別為彈性模量、截面積、慣性矩、拱架間距；下標“p”和“m”分別表示“原型”和“模型”；n為幾何相似比。

按剛度相似的要求，可計算出模型試驗噴混凝土的理論厚度為9.6 mm，實際試驗時取10 mm。

試驗采用亞克力作為鋼拱架的相似材料，實測彈性模量2.79 GPa。設兩榀拱架間距為80 mm，采用高11.3 mm、寬6.8 mm的矩形截面可滿足上述要求。

3.3 測點布置及量測方法

地表位移使用廣陸數字測控股份有限公司生產的精密百分表(防震)量測，測量范圍0～10 mm，測量精度0.01 mm。量測項目包括超前注漿時及開挖時地表位移，測點布置如圖5所示。

圖5 地表沉降測點布置示意(單位：mm)

超前注漿深度取400 mm，模型試驗注漿孔面積按原型面積的1/252計算，注漿孔設置于擋土板上，擋板分為4塊，注漿孔布置方式及擋板編號如圖6所示。注漿漿液配比為：水泥堵漏劑∶水=1∶0.8。按相似性要求，注漿壓力采用30～50 kPa。

圖6 注漿孔布置方式

拱架內力量測斷面為開挖深度200 mm處，使用型號為BX120-3AA的應變片進行量測，應變量測儀器采用DH3816靜態應變測試儀。測點布置見圖7，共布置16個量測點，每個量測點斷面上、下各布置2個應變片。

圖7 內力測點及應變片布置

3.4 試驗過程及方法

本文共進行2組模型試驗，第1組未進行全斷面超前注漿，第2組進行超前注漿，以對比注漿對地表沉降和支護結構受力變形造成的影響。試驗主要工作內容如下。

(1)試驗前準備工作

堵住所有排水孔，并將擋土板固定在開挖洞口處；將應變片粘貼于拱架上；配制濃度為0.2%的纖維素飽和溶液。

(2)模型箱填土

按要求的密實度，分層填土并在鐵絲網外側加鋪一層厚10 cm的中粗砂；填筑完畢后，向兩側水箱倒入纖維素飽和溶液至第一排排水孔處；靜置一段時間，使之進行自然沉降；安裝地表百分表，讀取初始值，準備量測地表因注漿引起的地表豎向位移；進行壓力注漿，穩定后量測地表隆起量。圖8為注漿后在土中形成的漿液柱和漿脈；重新布置地表百分表，準備量測因開挖造成的地表沉降。

圖8 注漿后形成的漿脈

(3)CD法施工

①隧道分區、開挖進尺及深度

隧道橫斷面分為4個區，拱架間距8 cm，前、后區的開挖深度相差4 cm，隧道總開挖深度為44 cm。斷面分區及拱架編號見圖9。拱架安裝斷面見圖10，圖中加粗線為安裝拱架斷面。

圖9 隧道分區及拱架編號

圖10 拱架安裝位置(單位：mm)

②隧道開挖及量測

拼接①區拱架與中隔墻上部拱架(拱架1)，并在接頭處包裹一層塑料薄膜；記錄地表百分表初始讀數；取下擋板1并開挖5 cm(含1 cm鋼化玻璃)；安裝拱架1，拱架底部用墊塊支撐；①區噴混凝土支護；沉降穩定后，記錄地表沉降值；因前一區開挖深度比后一區多4 cm，故繼續開挖①區，方法同前；循環以上過程，每開挖一次，穩定后記錄地表沉降值，當開挖到安裝拱架的斷面時安裝模型拱架，安裝好量測斷面拱架后(開挖深度20 cm處)，還要記錄拱架的內力值；按以上方式開挖，直至開挖深度44 cm，穩定后記錄量測結果；拆除中隔墻并噴射混凝土封閉襯砌，進行相應的量測工作直到沉降穩定。

4 試驗結果及分析

(1)隧道超前注漿對地表的影響

根據開挖時觀察到的漿脈及漿液柱(圖8)，判定本試驗注漿為劈裂注漿。利用鄒金峰等[16]推導的土體劈裂注漿理論公式

(1)

(2)

式中，Δμzhu為柱形孔擴張漿液產生的初始超孔隙水壓力；Pshu1為柱形孔擴張漿液豎向劈裂土體時的壓力；cu為土的不排水強度；rp為塑性區半徑；au為擴孔后孔半徑；Af為孔隙壓力系數；σt為土體抗拉強度；φ為內摩擦角；c為黏聚力；P0為土體初始應力。

將原狀土參數(見表1)代入上式，計算可得漿液豎向劈裂原狀土時的壓力Pshu1=75.4～138.6 kPa，遠小于實際工程采用的注漿技術規程建議的壓力值750～1 250 kPa(即對應模型試驗注漿壓力30～50 kPa)。

由模型試驗地表縱向和橫向隆起位移圖(圖11，縱向分布曲線圖例中數字表示與隧道軸線的水平距離，沿開挖向左側為“-”，橫向分布曲線圖例中數字表示與注漿斷面的水平距離)可知，超前注漿導致地表最大隆起值約1.8 mm(相當于實際工程45 mm)，超過淺埋暗挖法施工質量控制標準規定的30 mm，地表隆起影響范圍也較大，約1.5D(D為隧道寬度)。因此，采用注漿技術規程建議的注漿壓力值并不適用于軟弱富水地層施工，實際施工時需注意控制注漿壓力，建議注漿壓力值為0.5～1.0 MPa。

圖11 地表隆起位移曲線

(2)開挖引起的地表沉降

繪制兩組模型試驗每個開挖循環橫向沉降曲線(圖12，圖例中數字表示每個開挖循環)。由圖12可知，無超前注漿時的地表最大沉降為2.6 mm，進行超前注漿可顯著改善地表沉降過大問題，最大沉降值降為0.84 mm，減少了67.7%，而且由于進行超前注漿造成模型土更加密實，地表沉降較無超前注漿時變化更均勻。由于采用CD法開挖，左側土體更早釋放土壓力，最大沉降并非對應于隧洞的中心線位置，而是偏向先開挖側。第2、4、6循環步沉降有突然增大趨勢,是由于拱架的安裝導致開挖面封閉歷時過長，之后循環步中安裝拱架對量測斷面沉降影響較小。

圖12 地表沉降橫向分布曲線

利用Peck公式對兩組試驗最終沉降值進行擬合(圖13)，2條曲線決定系數分別為0.973、0.968，由此可見，軟弱富水地層淺埋暗挖隧道施工反應的地表沉降規律同一般地層條件下施工所反映出的地表沉降規律是一致的，符合Peck公式描述的正態分布曲線。經計算，擬合曲線(第1組)地層損失率Vl為0.67%，寬度系數K為0.3。與文獻[10]試驗所得的Vl值0.22%～6.90%和K值0.34～0.80進行對比后發現，兩個值基本相符。類比同類軟弱富水地層工程研究結果，K值基本相符情況下，Vl值應遠遠高于一般地層[23]，本文Vl值偏小是因為模型試驗未模擬施工排水情況，因此，軟弱富水地層進行淺埋暗挖隧道施工時，排水會造成很大的地層損失，施工時應盡量“擋水為主、排水為輔”。

圖13 地表最終沉降橫向分布曲線

取隧道中心線左側測點沉降值(第1組地表最大沉降點)繪制沉降歷時關系曲線圖(圖14)。可以看出，與一般地層中進行淺埋暗挖隧道施工時的地表沉降規律基本一致，分為4個階段，即微小沉降階段、沉降劇增階段、緩慢沉降階段和沉降穩定階段。沉降開挖至測點對應斷面前，無超前注漿、進行超前注漿的沉降值分別為2.5、0.9 mm，分別占最終沉降量的83%、90%，通過測點對應斷面之后沉降逐漸趨于穩定，因此，同類工程施工時，應采用較強的超前支護手段。

統計第1組地表最大沉降點4個分區開挖所引起的地表沉降量(表4)。可以看出，①區開挖卸荷會對圍巖造成較大的影響，引起的地表沉降量最大，占最終沉降的34.2%，②區次之，占最終沉降的23.4%，由于中隔墻的支擋作用，③區、④區開挖影響較小，拆除中隔墻后還會產生一定量的地表沉降。因此，開挖①區時應施作較強的支護，開挖后應立即封閉工作面。

圖14 地表沉降歷時關系曲線

(3)支護結構的受力

開挖過程中，拱架彎矩及軸力最大值、最小值及出現位置見表5。拱架橫斷面彎矩當外側受拉時為“+”，內側受拉時為“-”，截面受壓時為“+”，受拉時為“-”。

表5 鋼拱架最大彎矩及軸力

由表5可知，開挖過程中，無超前注漿最大彎矩為16.00×10-6kN·m，進行超前注漿后為-5.95×10-6kN·m，均位于④區，超前注漿對最大彎矩的量值影響較大，但最大受力分區并未改變。無超前注漿最大軸力為4.34×10-2kN，進行超前注漿后為2.40×10-2kN，分別位于①區和④區，超前注漿對最大軸力的量值影響不大，但改變了最大受力分區。

試驗最終的彎矩圖及軸力圖如圖15、圖16所示。比較兩組試驗數據，從形態上看，由于采用CD法開挖導致受力圖表現出不對稱性。超前注漿對彎矩分布形態影響很大，相同位置所受彎矩甚至反向，軸力圖變化卻不大，從量值上看，進行超前注漿后，受力明顯減小且逐步趨于均勻。整體上看，拱架①區及④區的軸力及彎矩較大，且軸力為壓力；②區、③區的較小，且會出現拉力，超前注漿可有效減小拱架內力且受力趨于均勻。

圖15 拱架彎矩圖(單位:10-6 kN·m)

圖16 拱架軸力圖(單位：10-2 kN)

拱架穩定性如何取決于其所承受的彎矩及軸力，彎矩與軸力之比(偏心距)是描述拱架穩定性的重要指標[24]，其值越大，結構越容易失穩。將拱架最大偏心距處的彎矩、軸力計算匯總成表6。

由表6可知，無超前注漿時最大偏心距位于測點11，值為-8.74 mm，進行超前注漿后最大偏心距出現在測點14，值為-2.70 mm。在其他條件相同時，進行超前注漿后的拱架偏心距水平總體小于超前注漿前，拱架受力顯然更加合理，說明超前注漿有助于提高拱架穩定性。鑒于拱架多處出現偏心距大于鋼拱架截面尺寸的情況，因此對于同類工程施工時，建議提高初期支護剛度，適當調整拱架參數，其間距應不大于0.5 m。

表6 拱架偏心距

5 結論

(1)采用注漿技術規程建議的壓力值對軟弱富水地層進行超前注漿加固，注漿類型表現為劈裂注漿，地表隆起較大，最大隆起值超過淺埋暗挖法施工質量控制標準規定的30 mm，地表隆起影響范圍約1.5D(D為隧道寬度)。

(2)地表沉降可很好地與Peck公式進行擬合。K值基本相符情況下，所得Vl值遠小于同類軟弱富水地層，是因為本次模型試驗未模擬施工排水情況，因此，軟弱富水地層進行淺埋暗挖隧道施工時，排水會造成很大的地層損失。

(3)軟弱富水地層淺埋暗挖隧道施工地表沉降歷時曲線規律與一般地層基本一致，分為4個階段，即微小沉降階段、沉降劇增階段、緩慢沉降階段和沉降穩定階段。地表沉降值主要發生在開挖至測點對應斷面之前，無超前注漿、進行超前注漿時沉降分別占最終沉降量的83%、90%。

(4)①區和④區拱架的軸力及彎矩較大且軸力為壓力，②區和③區的較小且會出現拉力。超前注漿對最大彎矩的量值影響較大，但彎矩最大受力分區并未改變，對最大軸力的量值影響不大，但改變了軸力最大受力分區，且注漿后受力趨于均勻。在其他條件相同時，進行超前注漿后拱架偏心距水平總體小于超前注漿前，拱架受力更加合理，說明超前注漿有助于提高拱架穩定性。

軟弱富水地層采用淺埋暗挖法進行設計和施工時，建議如下：(1)為防止超前注漿造成地表隆起值過大，需注意控制注漿壓力，建議值為0.5～1.0 MPa；(2)排水會造成很大的地層損失，施工時應盡量以“擋水為主、排水為輔”；(3)應采用較強的超前支護手段，其中超前注漿是一種有效的措施；(4)開挖①區時應施作較強的支護手段，開挖后應立即封閉工作面；(5)同類工程施工時，建議提高初期支護剛度，適當調整拱架參數，其間距應不大于0.5 m。

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