不同溶腔-隧道間距對地鐵隧道施工影響的模型試驗研究

費富華, 何緒虎, 謝可為, 桑齊良, 王士民*

(1. 中鐵開發投資集團有限公司, 昆明 650500; 2. 西南交通大學土木工程學院, 成都 610031; 3. 貴陽市公共交通投資運營集團有限公司, 貴陽 550081)

中國西南巖溶區是世界上最大的連續巖溶區之一[1],巖溶問題是可溶性巖地區修建隧道工程的突出問題,其危害大,教訓深刻。施工過程中,開挖揭露遺漏巖溶易發生突泥涌水事故[2],造成人員傷亡,施工設備損壞,嚴重影響工期。城市環境下巖溶隧道施工還會引發上覆地層變形、不均勻沉降,甚至破壞上層建筑物的情況也經常發生。

在發育有巖溶地層對隧道施工及地表的影響方面,國內外學者主要采用理論分析、數值模擬及模型試驗等方法開展了相關研究。在理論分析方面,鄒洋等[3]為解決巖溶地區隧道安全施工的問題,采用突變理論建立了巖溶隧道頂板力學模型,提出了隧道頂板安全厚度計算公式,并以工程實例進行了應用分析。Wu等[4]建立了隧道與溶洞周圍巖土體的可靠度性能函數。通過MATLAB軟件編程,應用蒙特卡羅方法計算了隧道和溶洞周圍巖土體的失穩概率和可靠性指標。趙勇[5]建立了基于突變理論的分析模型,采用尖點突變理論對安全距離進行了分析,并結合工程實例進行了研究。在數值模擬方面,楊坤等[6]以貴州巖溶發育區域的新街高速公路隧道為工程背景建立了有限元模型,研究了隧道與落水洞不同水平距離對隧道圍巖的影響。閆明超等[7]采用數值模擬運用彈塑性有限單元法對迂回導洞施工全過程進行了分析。張京亮等[8]采用FLAC3D有限差分法和現場監測手段,探討了隱伏溶洞尺寸、溶洞與隧道凈距及溶洞位置對隧道開挖過程中圍巖應力、應變及隧道變形的影響規律。在模型試驗方面,李曉剛等[9]以廣東省巖溶地區運營公路隧道為工程依托,基于室內模型試驗研究了不同節理面傾角、溶洞直徑、溶洞距隧道距離和溶洞縱向間距下的受力特性。吳慶華等[10]利用物理模型試驗,采用恒壓取樣與剖面壓力監測技術對巖溶塌陷機理進行了定量研究,為巖溶塌陷防治提供了理論支撐。劉揚等[11]依托武漢市和平大道南延線隧道工程,設計正交試驗建立了下伏溶洞與隧道安全距離的預測模型,并結合典型斷面的工程實例進行了驗證。譚信榮等[12]以鄭萬線典型巖溶隧道為依托,研究了管道型巖溶對隧道襯砌結構的影響。此外,Zhang等[13]提出了一種在隧道施工前和施工過程中預測巖溶特征的方法。Tao等[14]依托貴陽地鐵1號線研究分析了既有建筑物沉降、路基沉降、車站縱向位移變化的變化規律,以及襯砌安全性、穩定性、偏心率、壓縮類型和內力的發展趨勢。目前研究大多集中在巖溶自身發育形式及特征、地鐵隧道施工擾動下地表環境響應、巖溶地層擾動及失穩機制及隧道穿越巖溶區施工處置技術等方面的研究。

鑒于城市巖溶區地鐵隧道施工對周邊環境影響大,處于繁華地帶的建構筑物對地層擾動敏感,因此了解巖溶賦存情況下地鐵隧道施工擾動規律及特征對控制地表沉降、保護上覆土層穩定具有重要意義。現依托貴陽城市地質及城市巖溶典型發育特征,采用模型試驗對不同溶腔-隧道凈距下的地鐵隧道施工力學特性進行研究。通過不同溶腔-隧道凈距對地鐵隧道施工影響的模型試驗,探究對圍巖地層的擾動和結構的受力響應,揭示由于溶洞賦存對結構的影響范圍、幅度、趨勢。對支護結構的合理設計和施工過程中的安全控制具有一定的指導作用。

1 模型試驗研究

1.1 模型試驗相似關系

參考相似模型試驗相似理論及方法,若原型物理量和模型試驗物理量中的幾何相似比和力學相似比滿足相似理論,則該模型試驗能夠較為全面地反映實際工程狀態。試驗以幾何相似比為20和容重相似比為l以及無量綱的物理量如應變、泊松比、內摩擦角相似比為1作為基礎相似比,在彈性范圍內實現各控制性物理力學參數的全相似性。根據相似理論求得各物理量相似比關系如表1所示。

1.2 模型試驗原型隧道

貴陽市軌道交通3號線一期工程礦山法隧道段采用單洞單線型式。以單線Ⅳc型為例,隧道跨度6.52 m,高度7.068 m,采用復合式襯砌結構,其中初支噴混凝土采用C25早強混凝土,全環26 cm厚,鋼拱架采用I18a鋼全環設置,間距1.0 m。隧道橫斷面及初支設計如圖1所示。

圖1 Ⅳ級圍巖單線Ⅳc型設計圖Fig.1 Class IV surrounding rock single track Ⅳc design drawing

1.3 模型試驗相似材料

1.3.1 圍巖

圍巖采用模型土模擬,模型土的配制如圖2所示,以河砂為基材,添加一定比例的粉煤灰、機油及石英砂等。粉煤灰與機油、松香配合可調節模型土的黏聚力和摩擦角,石英砂用來控制模型土的強度和彈性模量。模型土物理參數通過土工試驗獲得,如圖3所示。根據測試結果調節模型土的材料配比,直到滿足試驗所需的物理參數值。

圖2 模型土材料配制Fig.2 Preparation of model soil materials

實際工程中隧址圍巖以Ⅳ級為主,Ⅳ級圍巖物理力學參數按照《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2016)取值。經試驗測試,按照表2中材料配比進行拌和得到的模型土體物理力學參數,對應的原型值如表3所示。

表2 Ⅳ級圍巖相似材料質量比Table 2 Mass ratio of similar materials of Grade IV surrounding rock

表3 模型土體及對應原型土體物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of model soil and corresponding prototype soil

1.3.2 鋼拱架

圖4 拱架相似材料Fig.4 Steel arch similar materials

表4 鋼拱架參數Table 4 Parameters of steel arch

1.3.3 噴混凝土

區間隧道采用C25噴射混凝土,其物理力學參數按《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2016)取值,軸心抗壓強度設計值為25 MPa,彈性模量為28 GPa。以水∶石膏=1∶(1.5～1.6)作為初支噴混凝土相似配合比,取30 min后的力學指標試驗值,單軸抗壓強度1.11 MPa,對應原型值22.2 MPa;彈性模量1.27 GPa,對應原型值25.4 GPa。模型試驗中按上述比例混合水和石膏,并人工噴涂于開挖隧道的土壁來模擬初支。

1.3.4 巖溶腔體

隧道工程領域中常常以各種材料的充氣氣囊模擬具備一定規模的巖溶腔體[15-17],也有學者以石蠟為材料,通過預埋石蠟模型與預留管道,填埋模型試驗土后將加熱融化的石蠟通過預留孔道流出,以此在土體中形成溶洞[18]。

本文中所研究溶腔大小為直徑4 m,拱頂埋深18 m,根據試驗相似比換算到模型試驗中溶腔直徑取值為20 cm。試驗使用透明充氣氣囊待上覆土填滿模型箱且穩定后放氣形成的空間來模擬溶腔。用橡膠管連接氣囊與充氣泵,待氣囊充氣到試驗需要的大小后做好密封處理,隨后將氣囊置于2.0 m深水下檢查氣囊承壓強度及密封性。經反復檢測,所用模擬方法其強度及密封性均能滿足試驗要求。考慮到土中氣囊受力與水中的差異,經過采用模型土壓縮模量進行計算,在上覆土的壓力作用下,氣囊理論最大橫向變形小于5 mm,其試驗誤差基本可以忽略。充氣氣囊與采用此種充氣氣囊在地層中形成的溶腔如圖5、圖6所示。

圖5 充氣氣囊Fig.5 Inflatable airbags

圖6 地層中形成的巖溶腔體Fig.6 Karst cavity formed in the stratum

1.4 試驗裝置及量測項目

1.4.1 隧道開挖模型試驗箱

試驗在由格構式鋼板制作的模型箱內進行。為減小模型槽邊界效應對試驗的影響,在整個模型槽的內表面粘一層厚1 mm的聚四氟乙烯板。為測量洞周位移,在模型箱的兩側開有若干孔洞,位移傳導桿通過孔洞與磁力表座固定于孔洞周圍的數顯千分表連接。試驗模型箱的尺寸為2.0 m×2.0 m×0.5 m,隧道洞室空間尺寸為0.326 m×0.354 m×0.50 m,試驗裝置如圖7所示。模型土采用分層夯實鋪設,每次鋪設厚度為20 cm,共鋪設10次。分層鋪設模型土的過程中,將土壓力盒及充氣氣囊計埋在預設的位置。

圖7 隧道開挖試驗模型箱Fig.7 Tunnel excavation test model box

1.4.2 圍巖土壓力及鋼拱架內力量測

圍巖土壓力采用精度為0.1 kPa的土壓力盒量測,土壓力盒沿隧道環向布置,試驗中采用7 mm×3 mm預制成特定形狀的鋁條來模擬鋼拱架,在鋁條相應位置處的內外兩側粘貼應變片用來量測鋁條應變,再根據式(1)、式(2)算出相應位置處的彎矩和軸力即求出鋼拱架的內力,應變片的布置及土壓力盒埋設位置如圖8所示。

鋼拱架軸力、彎矩計算公式分別為

N=E(ε內+ε外)bh/2

(1)

M=E(ε內-ε外)bh2/12

(2)

式中:ε內為鋼拱架內側應變值;ε外為鋼拱架外側應變值;b為單位長度,取1 m;h為襯砌厚度;E為襯砌的彈性模量。

圖8 應變片布置及土壓力盒埋設位置示意圖Fig.8 Schematic diagram of strain gauge arrangement and earth pressure box embedding position

1.4.3 洞周位移及地表沉降

隧道洞周位移包括拱頂沉降和水平收斂,由位移傳導桿傳至地表及模型箱側部進行測量。測量儀器采用數顯千分表測量,精度為0.001 mm。地表沉降使用磁力表座固定于模型箱側邊并使用不銹鋼墊片置于千分表探頭下,如圖9所示。

圖9 洞周位移及地表沉降量測Fig.9 Measurement of tunnel surrounding displacement and surface settlement

1.5 模型試驗工況設計

在溶腔大小與溶腔-隧道初支結構凈距相同的情況下,溶腔位于拱頂處時隧道開挖對上覆地層的擾動最為顯著。因此針對溶腔發育的最不利位置因素開展不同溶腔-隧道凈距影響規律研究。表5為研究工況設置,其中,各工況溶腔直徑D=4 m,球形腔體均位于開挖隧道拱頂側。

模型試驗中,在洞周左右邊墻和拱頂處分別沿隧道縱向中間斷面處布置位移傳導桿監測隧道水平收斂和拱頂沉降,中間斷面拱頂處豎向位移傳導桿傾斜布置,從而避開拱頂溶腔。沿隧道環向圍巖處布置8個土壓力盒測量圍巖壓力,在隧道開挖至中間斷面處共埋設3榀鋼拱架,鋼拱架沿環向同樣布置8對應變片。各模型試驗工況溶腔位置和測試原件布置分別如圖10所示。

表5 試驗研究工況Table 5 Test and research conditions

圖10 各工況測試元件布置圖Fig.10 Layout of test elements under various working conditions

1.6 試驗開挖步序

依托工程段為四級圍巖,設計資料中以超短臺階法為主要施工工法。模型試驗開挖步序示意如圖11所示,整個開挖過程共分12步進行,在上臺階開挖1、2步后,第3～10步上下臺階同時開挖。嚴格控制開挖進尺,每次進尺控制在一榀拱架并及時對初期支護進行斷面封閉。考慮到隧道開挖后圍巖的位移及應力釋放隨時間不斷發展,模型試驗中每相鄰開挖步間隔時間設定為30 min。

圖11 試驗開挖步序示意Fig.11 Schematic diagram of test excavation steps

2 結果分析

2.1 隧道開挖過程洞周圍巖位移分析

通過監測開挖過程圍巖的位移情況,評價不同溶腔-隧道凈距下隧道開挖對隧道圍巖的擾動影響。圖12所示為地層圍巖中不同工況下隧道開挖過程洞周圍巖位移變化曲線。

從圖12可知,隨著隧道掌子面的推進,監測斷面拱頂圍巖監測點發生豎向沉降、拱腰處監測點出現收斂變形,開挖掌子面遠離監測斷面后各監測點位移逐漸趨于平穩。一般來說,隧道圍巖的最終位移(全位移量)包括掌子面到達前圍巖的位移(先行位移)、掌子面通過時的位移(初始位移)和掌子面通過后的位移(量測位移)。工程中的容許值是針對全位移值而言的,但實際工程中對于全位移值的監測比較困難,而模型試驗則相對容易實現。對比各階段不同工況下拱頂沉降,其先行位移值分別為51.8、30.0、28.8、19.8 mm,分別占測量全位移的50.9%、50.2%、35.3%、19.3%;初始位移值分別為18.2、8.3、13.2、22.8 mm,分別占測量全位移的17.9%、13.9%、16.2%、22.2%;量測位移值分別為31.8、21.5、39.6、60.2 mm,分別占全位的移31.2%、36.0%、48.5%、58.6%。由以上分析知,當溶腔位于開挖隧道頂部時,溶腔與開挖隧道輪廓線凈距影響各階段拱頂沉降量值,表現為溶腔距離隧道越近其先行位移值越大,初始位移值與初期支護后的量測位移值越小。而各工況下左右拱腰水平位移值差異較小,說明拱頂溶腔對于隧道拱腰側的影響不大。不同工況下拱頂及左右拱腰在初期支護完成后的最終位移量如表6所示。

圖12 不同工況下隧道開挖過程洞周圍巖位移Fig.12 Rock displacement around the tunnel during excavation under different working conditions

由表6中數據分析知,不同溶腔-隧道凈距下對左右拱腰開挖位移影響較小,主要影響隧道拱頂的豎向沉降量,表現為溶腔距離隧道越遠其拱頂圍巖沉降量越大。凈距為5 m時其最終沉降量與無溶腔時的差異十分微小,說明溶腔對原始地應力場的影響范圍是有限的。溶腔直徑為4 m、溶腔底部與隧道開挖輪廓線頂部凈距為5 m時,隱伏溶腔的存在對隧頂圍巖的沉降量影響則不太顯著。

表6 不同工況下洞周最終位移匯總表Table 6 Summary of final displacement around tunnel under different working conditions

2.2 隧道開挖過程洞周圍巖土壓力釋放分析

試驗中土壓力盒元件埋設位置距離隧道開挖輪廓線2 cm,對應工程原型為40 cm。通過監測開挖過程隧道圍巖土壓力變化情況,評價不同溶腔-隧道凈距下隧道開挖對隧道圍巖的擾動影響。圖13所示為地層圍巖中各工況下隧道開挖過程洞周圍巖土壓力變化曲線。

圖13 不同溶腔-隧道凈距開挖過程洞周圍巖土壓力釋放曲線Fig.13 Release curve of rock and soil pressure around the tunnel during excavation of different karst cave tunnel clearance

由圖13知,各工況下隨著隧道的開挖洞周圍巖土壓力逐漸減小,在第9開挖步后其減小量逐漸減小并趨于平穩。單一工況下洞周不同位置監測量值有一定規律性,隧道洞周圍巖附近無隱伏溶腔時其拱頂處的圍巖壓力變化量最大,而拱腳、拱底處圍巖壓力變化量值較小,拱頂巖溶空腔的存在減小了附近的圍巖壓力變化量值。圖13(b)左右拱腳圍巖土壓力改變量在開挖步7開始發生突變,從圖11可知開挖步7剛好下臺階開挖至模型箱中部(即溶腔正下方)。發生突變的原因為隧道距溶腔較近,溶腔對圍巖土壓力釋放產生了影響。隨著鋼拱架支護和石膏變硬剛度提升對圍巖的影響,在開挖步10以后回到正常。圖13(c)左右拱腰土壓力改變量在開挖步6發生突變也是同樣的原因。在溶腔與隧道凈距較遠達到5 m即溶腔與隧道凈距為0.77倍隧道跨度時土壓力釋放曲線將不會發生明顯突變。

圖14為初支完成后不同溶腔-隧道凈距下隧道洞周各監測點最終土壓力變化量。由圖14知溶腔與開挖隧道凈距為1、2、5 m時,拱頂圍巖最終土壓力變化分別為47.4、84.7、135.1 kPa,表現為溶腔底部距離隧道開挖輪廓線越近,拱頂圍巖在隧道開挖后的土壓力變化越小。圍巖土壓力這一變化規律揭示了巖溶地質現象對原始地應力場的影響表現為巖溶腔體對周邊圍巖的應力釋放作用。

圖14 不同溶腔-隧道凈距洞周監測點最終土壓力釋放量Fig.14 Final earth pressure release of monitoring points around different karst caves tunnels with clear distance

2.3 隧道開挖過程地表沉降分析

為研究淺表地層中不同的溶腔-隧道凈距下開挖對地面環境的影響規律及特點,通過設置不同的溶腔-隧道凈距模型試驗進行研究。試驗中在溶腔中線垂直地表處布置橫向監測斷面,記錄隧道開挖過程地表沉降變化規律,圖15為各工況下地表監測斷面地表沉降隨隧道開挖變化曲線。

圖15 各工況開挖過程溶腔中線地表沉降Fig.15 Surface settlement of karst cave centerline during excavation under various working conditions

由圖15知隨著隧道的開挖各監測點沉降值不斷增大,增長速率大致呈先小后大最后又逐漸減小的規律,在第9開挖步后各監測點沉降變化微小。各工況下地表沉降曲線呈現出地中大、邊側小的現象,且靠近地中監測點各開挖步差異大、兩側差異逐漸減小,從曲線形態來看,各工況下地表最終沉降曲線大致符合U形。對比圖15中各工況地表監測沉降曲線,其整體形態基本一致,各開挖步下地中沉降為曲線沉降峰值,向邊側逐漸減小且速度逐漸放緩,在距離隧道中心線15 m處各開挖步下沉降值差異已十分微小。

圖16為不同工況下地表監測最終沉降曲線對比圖,由圖16可知,隧道拱部隱伏溶腔的存在對隧道施工后地表沉降影響顯著,溶腔與隧道頂部凈距為1、2、5 m時地中沉降峰值分別為25.7、32.8、38.8 mm,分別為無溶腔時的135.3%、172.6%、204.2%。由此可見隧道拱部隱伏溶腔與隧道凈距并非越小對地表的沉降影響更大。考慮到溶腔與隧道凈距越大時其與地層表面距離越近,在地表覆土厚度不是太大且溶腔尚處于隧道開挖影響范圍內時,地表反而產生了更大的沉降。

2.4 隧道拱架最終內力分析

本次模型試驗對初支拱架8個位置進行了支護后的應變監測,并將應變值換算為工程原型的內力值便于分析拱架的受力特征。溶腔影響開挖前的原始地應力場,其與開挖隧道的凈距影響圍巖的變形,進一步影響初支結構的受力,不同溶腔-隧道凈距下隧道支護后拱架最終內力如圖17所示。

從圖17可以看出各工況下拱架最終軸力表現為全環受壓,拱頂處與拱底處軸力值較小,而左右拱腰處及拱腳處軸力較大,對比各工況下各監測點,其軸力量值差異不大。各工況下拱架彎矩表現為拱頂、左右拱肩及拱底、左右拱腳內側受拉,左右拱腰外側受拉。無溶腔時隧道頂部軸力值為91.3 kN,彎矩值為30.0 kN·m。拱頂溶腔與隧道頂部凈距為1、2、5 m時,隧道頂部軸力值分別為82.4、109.8、92.4 kN,分別為無溶腔時的90.3%、120.3%、101.2%,各工況軸力值差異不顯著;隧道頂部彎矩值分別為8.7、16.0、26.9 kN·m,分別為無溶腔時的29.0%、53.3%、89.7%,彎矩值差異較軸力值更顯著。

進一步分析知拱部隱伏溶腔的存在一定程度上會減小開挖后初期支護結構拱部的受力,且距離隧道開挖輪廓線越近其拱部彎矩值越小。從隧道支護結構及圍巖受力角度分析,隧道開挖后洞周圍巖向洞內發生擠出變形,拱部圍巖土以荷載形式作用于初期支護結構;另一方面,圍巖土的成拱效應使得產生這一“荷載”的圍巖土僅限于拱部較小范圍,而拱部發育的隱伏溶腔則減小了這一荷載,使得隱伏溶腔臨近處的拱部初支內力較正常地層有所減小。盡管支護后初支結構受力較正常情況小,然而實際工程中,這種臨近隧道開挖輪廓線的隱伏溶腔對于施工卻有較大的安全隱患,隧道開挖后拱部頂板的垮塌及運營期溶腔圍巖的坍塌會對施工及后期運營安全造成嚴重威脅。

3 結論

針對城市地鐵隧道淺埋巖溶環境,通過相似模型試驗研究了不同溶腔-隧道凈距對隧道開挖過程的圍巖擾動影響規律,主要得到以下結論。

(1)當溶腔位于開挖隧道頂部時,溶腔距離隧道越近其拱頂先行位移值越大,初始位移值與初期支護后的量測位移值越小。拱頂側溶腔對拱腰水平位移影響較小,主要影響隧道拱頂的豎向沉降量。溶腔與隧道凈距超過0.77倍隧道跨度時基本不影響隧道拱頂最終沉降量。

(2)當溶腔與隧道凈距小于0.31倍隧道跨度,隧道開挖至臨近溶腔正下方時需注意拱腳、拱腰的穩定,建議增設鎖腳錨桿。拱頂側溶腔對拱腰水平位移影響較小。拱頂側圍巖土壓力在隧道開挖后變化量值隨溶腔與隧道凈距的減小而減小,溶腔與開挖隧道凈距為1、2、5 m時,拱頂圍巖最終土壓力變化分別為47.4、84.7、135.1 kPa。

(3)溶腔與隧道頂部凈距為1、2、5 m時地中沉降峰值分別為25.7、32.8、38.8 mm,分別為無溶腔時的135.3%、172.6%、204.2%。隧道拱部隱伏溶腔與隧道凈距與溶腔上覆土層厚度都會影響隧道開挖后的地表沉降。當溶腔距離隧道較遠時,盡管開挖對溶腔周邊圍巖影響減弱,但同時地層表面距離溶腔更近,溶腔周邊圍巖擾動對地表產生了更顯著的影響。

(4)拱部隱伏溶腔的存在一定程度上會減小開挖后初期支護結構拱部的受力,且距離隧道開挖輪廓線越近其拱部彎矩值越小。溶腔與隧道凈距達到0.77倍隧道跨度時,隧道頂部軸力為無溶腔時的101.2%,此時溶腔對隧道頂部軸力基本無影響;隧道頂部彎矩為無溶腔時的89.7%,對隧道頂部彎矩影響較小。