支護結構對富水軟巖隧道變形及應力影響的模型試驗

張 拳，劉彥玲，鄒 婷，陳橋楓

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031；2.四川路橋建設集團股份有限公司,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，主要有現場變形監測、數值模擬以及室內模型試驗等方法。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、地下水位下降等嚴重工程環境問題[2-5]進行了室內模型研究。孫鈞等[6]、劉志春等[7]對軟巖圍巖-支護結構之間的力學性狀進行了研究，認為在軟巖隧道中，作用在支護結構上的圍巖壓力主要是因圍巖蠕變增長發展的形變壓力，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場監測資料分析，認為圍巖-支護結構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力釋放規律所決定的，側墻處圍巖應力釋放時間效應明顯，塑性區不斷增長發展，形變壓力也隨時間增長難于穩定。拱頂處存在一定深度范圍內的圍巖整體下沉現象，圍巖壓力穩定時間短。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，認為圍巖變形分為3個階段，即應力集中引起的變形、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性能。

在富水軟巖地層進行隧道開挖，由于突泥涌水的出現將對圍巖產生沖刷作用并導致地層流失，這將顯著地影響圍巖的狀態和穩定，進而對支護結構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力的變化規律，以及支護結構的支護效果的研究。結合實際工程問題，設計不同的支護方案，并對試驗結果進行對比分析，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。整個隧道穿越的區域，圍巖水文地質情況較為復雜，圍巖級別為Ⅲ～Ⅵ級。隧洞大部分洞身為花崗巖、砂巖夾頁巖灰巖接觸帶，巖體十分破碎，節理裂隙發育；地表水、地下水發育。隧道在施工開挖過程中，多處出現隧道坍塌、地表嚴重塌陷及環狀裂縫等病害，導致已施作的初期支護被破壞、壓塌，給設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造運動及巖漿侵入作用，節理裂隙發育完全，完整性極差，并且有厚層全風化花崗巖蝕變帶分布。施工過程中，該段多處出現股狀流水，圍巖遇水軟化，呈現稀泥狀和流砂狀，且被水流帶出。

1.2 相似關系

為便于分析支護結構對隧洞開挖過程中變形和應力的影響，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、位移和破壞的關鍵因素為地層巖體的彈—塑性力學參數。根據相似第二定理(π定理)，彈性力學模型相關參數表達式為:

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

試驗以幾何相似比和容重相似比為基礎相似比，即CL=30,Cγ=1.

結合原型和模型的平衡方程、幾何方程、物理方程、應力邊界條件和位移邊界條件，推導各物理力學參數原型值與模型值的相似比為：泊松比、應變、摩擦角Cμ=Cε=Cφ=1；強度、應力、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和變形模量為控制參數。結合已知的材料參數和實際圍巖性質，選用清潔河砂(粗砂和細砂)以及現場取樣的蝕變巖的細粒部分(黏粒為主)的混合物作為圍巖的相似材料。細砂及粗砂的比例，主要用來調整相似材料的強度和彈性模量。在滲流的作用下，混合物中的細粒部分會隨水流被帶出，可模擬現場一系列破壞現象。由圍巖的參數調整模型材料的配比，根據多次配比調整結果，得到較理想的配比為：細砂60 %，粗砂25 %，蝕變巖細粒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參數見表1。

表1 圍巖和相似材料力學參數對比

1.4 支護結構

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

表2 模型和對應原型支護結構對比

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，支護結構對圍巖的變形、應力的影響；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，設計為兩種不同支護強度條件，共3組試驗。

2 模型試驗設計

2.1 模型制作

試驗在專門制作的試驗模型架中進行，試驗模型架后面為固定的鋼筋混凝土墻，前面為鋼架鑲鋼化玻璃，兩側分別用沙袋和活動木板隔開，具體尺寸為3 m×3 m×0.9 m。

試驗模型架要進行防水處理，鋪設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，在預設位置安設位移計和土壓力盒。

2.2 模型開挖與支護

開挖過程以及開挖速度會對圍巖產生擾動，改變圍巖的應力分布，故在3組不同支護條件下開挖，應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組設有支護結構的模型，開挖一段后要先對該部分隧道進行支護后再繼續下次開挖，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

模型量測項目包括圍巖應力、豎向位移、地表沉降。應力、位移和沉降測點均設置在距試驗臺架正面25 cm的橫斷面上，共設置7個豎向應力變化的測點、5個水平圍巖應力變化量測點、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 試驗現象與分析

3.1 試驗現象

3.1.1 毛洞開挖

開挖初期，洞室相對穩定，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生局部垮落；繼續開挖，則垮落區域明顯增大，洞周圍破壞情況加劇，直至洞室發生整體破壞，造成開挖斷面全被堵塞，開挖被迫結束。因此，所預設的位移和應力量測系統沒有采集到有效的數據。

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，隧道圍巖沒有發生圍巖大面積垮落，但在開挖后期，出現圍巖材料的部分掉落，支護結構多處變形顯著，地表產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，隧道圍巖沒有發生明顯的變形，支護結構也沒有明顯的變形，地表沒有明顯裂紋，只有局部滲水，并帶出少量泥砂。

3.2 結果分析

3.2.1 毛洞開挖

毛洞開挖模型試驗，出現開挖過程中，洞室圍巖的整體垮落，與現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，極易產生軟化，進一步降低了圍巖的強度；因此，發生洞室全斷面的垮塌。

3.2.2 支護結構下的位移分析

模型試驗由位移量測系統，測量開挖支護完成24 h后，圍巖的變形調整達到相對穩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，在施作支護結構后，距離隧道中心線越遠，地表沉降量越小；并且支護結構2的隧道中心線上的地表穩定沉降約為1.3 mm，比支護結構1的3 mm，減小了57 %。圖4表明，隧道拱頂上方豎向變形量，由拱頂向上呈現減小的變化趨勢。在隧道變形調整達到穩定后，拱頂上方5 cm處，支護結構2的變形值為2.9 mm，比支護結構1的9.9 mm減小了近70 %。

圖3 地表沉降

這是由于支護結構2的支護強度比支護結構1明顯增強所導致的；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，支護結構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。支護結構越強，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，這有利于洞室穩定。

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

3.2.3 支護結構下的應力分析

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

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

圖5 邊墻圍巖水平測點應力變化值

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

圖6 拱頂上方圍巖測點豎向應力變化值

4 結論

通過本模型試驗對所模擬的支護結構對富水軟巖隧道變形及應力的影響的分析可知：

(1)對富水軟巖隧道進行開挖，需設計有足夠強度的支護結構，本模擬工況下，支護結構的等效剛度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定；且支護結構越強，越有利于洞室保持整體穩定狀態。

(2)支護結構作用下，地表沉降量在距隧道中心線越遠處越小；拱頂上方圍巖豎向變形量在距離拱頂越遠處越小；且支護結構越強，能顯著減小洞室近處圍巖的變形量和地表沉降量。

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