富水软岩隧道突泥塌方及地层沉降的模型试验

魏 星，沈 乐，陶志平

（西南交通大学 土木工程学院 岩土工程系，成都 610031）

1 前 言

在富水软岩地层进行隧道施工容易出现突泥涌水、围岩坍塌，并可能导致地表沉降裂缝、地下水位下降等严重的环境问题[1－4]，如北岗隧道[1]、岗城隧道[2]等。这些隧道由于围岩强度低、地下水丰富，在施工中多次遇到突泥涌水导致的施工塌方问题，这不仅对工程本身的安全、进度和投资产生了重大影响，而且对周边居民的生产、生活也造成了严重的影响。

已有不少学者对隧道施工导致的地层变形和破坏问题展开了研究。在变形规律方面，Peck[5]研究了隧道开挖引起的地表沉降分布情况，他建议隧道横断面上地层的位移模式应为正态分布曲线。这一变形模式得到了很多学者的认可，获得了广泛的应用。此后诸多学者，如O'Reilly 等[6]、Fujita[7]、Lee等[8]、周小文等[9]、Sterpi 等[10]、漆泰岳等[11]，分别通过数值计算、模型试验或原型观测等手段验证了Peck 理论曲线的适用性，并对Peck 理论曲线公式中的参量表达式及取值等给出了建议。在变形破坏规律方面，张顶立等[12]根据深圳地铁的实际变形情况，提出了地层整体下沉和抽冒式地层变形的模式，并分析了黏性土和砂性土地层条件下产生大变形及地面坍塌的机制；汪成兵等[13－14]采用数值计算和模型试验的方法研究了隧道开挖导致的围岩的渐进性破坏。

在富水软岩地层进行隧道开挖，突泥涌水的出现将对围岩产生冲刷作用并导致地层流失，这将显著地影响围岩的状态和稳定。隧道的变形和破坏情况也由此变得更加复杂、更为严重。为此，以北岗隧道为原型，开展室内模型试验研究，着重对比不同含水率的软岩在隧道开挖以后出现的变形、破坏现象和规律，分析突泥涌水对隧道塌方和地层变形、开裂的影响。

2 北岗隧道施工塌方情况

北岗隧道位于洛湛线梧州－岑溪间，里程为DK462 km+235 m～DK464 km+366 m，全长2 130 m。 隧道通过低山缓坡地带，最大埋深为80 m，最小埋深为2 m。隧道最大开挖高度为9.59 m，最大开挖宽度为7.36 m。北岗隧道的地质情况如图1 所示，洞身周边岩体受多次构造运动及岩浆侵入作用，节理裂隙发育，完整性极差，分布有较厚的全风化花岗岩蚀变带。在隧道的施工中，多次出现围岩大变形、坍塌、突泥涌水等破坏现象，造成地下水位下降、泉水枯竭、地面塌陷开裂等问题。在DK462 km+527 m～537 m 段，出现多处股状流水，围岩遇水呈流砂状或稀泥状，并由流水带出，在地表产生环向裂缝3 条，裂缝最宽处为5 cm，在线路左、右两侧10～30 m 范围内的地表沉降持续发展，日平均沉降约2～3 mm，裂缝宽度不断增加，最大宽度最终达15 cm。在DK463 km+200 m～220 m 段施工中，大量涌水夹杂大量黄色泥沙涌入隧道，塌方不断发展，在地表形成直径6 m 的塌坑。

图1 北岗隧道地质纵断面 Fig.1 Geological profile of Beigang tunnel along its longitudinal axis

3 模型试验设计

根据上述情况，以北岗隧道DK462 km+527 m～537 m 段为原型展开研究。该段隧道埋深约为55 m，隧道处于地下水位以下，围岩富水。

3.1 试验方案设计

合理地模拟地下水是模型试验最关键的问题。原型隧道位于地下水位以下，施工中存在渗水、涌水和地下水的补给过程。限于试验条件，要完全模拟实际隧道施工过程中地下水的排渗和补给存在困难，在试验中只能有限程度地模拟地下水对隧道开挖的影响。由于现场的坍方出现在已开挖断面，在未进行支护或支护不足的情况下，渗流引发的土体流失及围岩强度损伤导致了严重的围岩塌方及地表裂缝。据此将试验设计成两步走的方案，先在围岩含水率较低的条件下进行开挖；待开挖完成后，再进行地下水的补给。模型试验分可为开挖过程和加水过程。

在开挖过程中围岩材料的含水率较低，可以为分析开挖过程中变形规律提供较好的基础资料。此时模型围岩的力学特性与原型材料的力学性质并不满足相似关系，但却能为后续的试验提供对比分析的参考数据。

开挖完成后加入一定量的水使围岩达到饱和，此时围岩的力学性质与原型材料基本满足相似关系，此过程旨在模拟围岩出现位移剧增、突泥涌水和破坏的现象。为了减小加水过程对围岩的影响，对加水方案进行了详细的讨论，最终采用在贴近模型地表的四周对称地缓慢加水，水通过渗流作用进入地层，最终经隧道流出。

3.2 模型试验比例

模型试验采用的几何相似比为1：100。模型箱示意如图2。模型箱框架为2 组180 号工字钢，并由4组25号加劲槽钢对模型箱的前后和侧面进行约束，底部为钢板，模型箱的净空尺寸为1.2 m× 1.0 m×0.5 m。为方便观察，在模型箱的前后面采用了厚度为20 mm 的钢化夹胶玻璃，玻璃的尺寸为1.0 m×1.2 m。其中一侧玻璃的中下部预留开挖孔，开挖孔直径为120 mm，开挖孔中心距离底部钢板上表面的距离为260 mm。

根据原型和模型的平衡方程、几何方程、物理方程、应力边界条件和位移边界条件，确定模型试验相似关系如下：重度相似比 Cγ= 1；泊松比、应变、内摩擦角相似比 Cμ= Cε= Cφ= 1；强度、应力、黏聚力、弹性模量相似比 CRc= Cσ= Cc= CE= 100。

在模型试验中，由于相似材料的各个力学指标，如变形参数（弹性模量和泊松比）或强度指标（黏聚力和内摩擦角）很难同时满足相似比的要求。在本试验中主要研究开挖导致的大变形及破坏规律，尤其是破坏规律，因此，在选择相似材料时，以强度参数作为控制指标。

图2 模型箱示意图 Fig.2 Illustration of the model container box

3.3 相似材料的选择

根据勘察资料，DK462 km+530 m 段附近隧道洞身位于全风化花岗岩蚀变带内，围岩由多种软弱岩体组成。室内试验对其中的主要组成岩体，全风化蚀变砂岩、全风化花岗岩和全风化砂岩的物理力学性质进行了详细的研究。由于岩体不均匀，试验确定的含水率、强度等物理力学参数较离散，其中全风化蚀变砂岩的强度低且在围岩中所占比例较高。为此采用含水率为70%的重塑饱和全风化蚀变砂岩的物理力学特性代表原型材料，并假定围岩体性质均匀，其物理特性及强度参数见表1。

根据相似关系，经过多次配合比尝试，最终确定了材料1 和材料2 为模型的相似材料，它们具有相同的固体组成：80%的粗砂、15%的细砂和5%的全风化蚀变砂岩经过筛磨细的细颗粒部分。其中材料1 为非饱和状态，用于模拟试验开挖过程中的围岩；材料2 为饱和状态，为模型试验中开挖完成后加水饱和的土层，用于模拟原型隧道中的全风化砂岩蚀变岩。它们的物理力学性质见表1。

表1 原型材料与相似材料的物理力学性质 Table 1 Parameters of prototype rock and simulation materials

3.4 位移测量系统

位移测量元件布置如图3 所示。位移计均位于中间断面处。具体为：隧道顶中轴线上方5 cm 处起每隔10 cm 埋设1 个位移计，用于测量土体内部沉降；地表由中轴线起，地表每隔10 cm 设置一个位移计，用于测量地表沉降。共埋设位移计10 个。

同时，隧道围岩填筑过程中，在模型箱前面的玻璃内侧土体埋设白色标志物（如图3 所示），在玻璃外侧绘制参照线，通过数码摄像和图形处理技术来分析土层的沉降分布情况。

图3 模型和位移测量示意图（单位：cm） Fig.3 Sketch of model and settlement measuring system (unit: cm)

3.5 试验实施步骤

（1）围岩填筑。围岩总高为87 cm，采用分步填筑的方法，每部分填筑高度为10～20 cm。根据每步填筑的高度，按配合比例计算所需各种材料的重量，将上述材料均匀混合，配置成初始含水率为20%的混合土体；然后，将混合土体装入模型箱中，并进行夯实处理到预定的高度。

（2）分步开挖。填筑完成后进行隧道开挖施工。开挖采用全断面法，整个开挖长度为50 cm，分5步进行，每步进尺10 cm。每步开挖完成后静置 20 min，测定地表和土层内部位移。

（3）加水破坏。开挖完成后将模型静置20 min，然后加入30 kg 水，观测土体内的涌水涌泥过程及隧道坍塌、土层变形等现象，记录地层裂缝情况。

4 试验结果及分析

4.1 开挖过程

（1）试验现象

开挖过程各点的位移情况见图4、5。

第1、2 步开挖完成后，洞室基本保持稳定，中间断面各测点的沉降值均较小。在第3 步开挖过程中，土体出现明显变形，洞顶有岩体剥落。在第4 步开挖中，洞顶上方5 cm 处的位移计塌落，形成局部破坏。整个开挖完成后，可以观察到少量水缓慢渗出，静置一段时间后，围岩没有出现明显的破坏，整个洞室变形逐渐趋于稳定。

图4 的沉降曲线显示隧道开挖导致的水平地层变形在横断面方向形成一个明显的“沉降槽”。图5显示地层的竖向变形在靠近隧道边缘的区域较大，随着与隧道边缘距离的增加而迅速降低。

图4 中断面处的地表沉降 Fig.4 Surface settlements in middle section

图5 中断面处沿隧道轴线的地层沉降 Fig.5 Settlements of middle section along tunnel axis

（2）试验规律分析

Peck 最早提出由隧道开挖导致的横断面上的地表沉降为一正态曲线。此后，学者们通过研究发现，横断面上地层内部的沉降也符合正态分布规律（如图6 所示）[8，15]。地表或地层内的沉降s 计算公式为

式中：maxs 为地表或一定深度处的中心最大沉降；x为沉降点距离中线的水平距离；i 为沉降曲线的拐点。不少学者对i 的影响参数及计算进行了详细的研究[6－8]。O'Reilly 认为，地表的i 值可以下式计算[6]：

式中：z 为隧道中点距离地表的垂直距离；参数K由土的性质决定，与隧道几何尺寸及施工方法无关。同时，O'Reilly 等[6]还建议黏性土K 值为0.50，砂土或砾石为0.25。Mair 等[15]则建议黏性土、砂土和砾石的K 值分别为0.50 和0.35。Lee 等[8]提出了地表和地层内部沉降曲线的i 值计算公式为

式中：z0为沉降计算点距离地表的垂直距离；D 为隧道直径。

图6 地表沉降和地层内部沉降型式[8] Fig.6 surface and subsurface settlement profiles[8]

图7 试验结果与理论拟合曲线的对比 Fig.7 Comparison between test results and theoretical fitting curve

采用式（2）计算的中断面上的地表位移曲线与实测位移对比如图7 所示，其中理论计算K 取0.5。由图可见，理论曲线与实测沉降十分吻合。通过对围岩外侧的白色标志物的变形观察，可以发现地层内部的变形具有图6 所示的规律，随着z0的增加，中心沉降smax增大，i 值减小。

4.2 加水破坏过程

（1）试验现象

加水约20 min 后，洞口开始湿润，有水流缓慢流出，隧道洞室附近的土体处于饱和状态。洞顶上方与地表各处变形值缓慢增大，洞顶上方出现小范围局部坍塌。

大约加水25～30 min 后，水流变得混浊，裹挟泥沙流出，流量有所增加。30 min 后，隧道顶部突然出现大范围垮塌，隧道洞身堵塞，内部出现空洞，土层位移迅速增大，地表出现裂缝，如图8 所示。地表轴线两侧出现了两条较大的环状裂缝，为了方便描述，将这两条裂缝称为主裂缝。从后面的试验现象可见，主裂缝是整个破坏过程中的两条最宽、最深的裂缝。其中左侧裂缝距离隧道中轴线约 31 cm，右侧约24 cm。

图8 加水30 min 后模型的变形、裂缝和塌方情况 Fig.8 Deformations, cracks and collapse of the model (30 minutes after watering）

加水35 min 后垮塌现象更加严重，水流变为黏滞的泥沙流。主裂缝继续变宽、变深，内部空洞不断扩大，位移测点相继脱落。在两个主裂缝之间，细微裂缝明显增多，地表沉降发展迅速，而之外的区域沉降发展缓慢，裂缝也不显著。

严重的涌水、涌泥和围岩塌方持续了近25 min。此后涌泥、涌水量逐渐减小，约3 h 后基本停止，围岩变形逐渐稳定，情况如图9 所示。此时，塌方造成了一个几乎延伸至地表的空洞，最大直径约 27 cm，洞顶距离地表14 cm；主裂缝的最大开裂宽度约0.4 cm，最下端深约为12 cm。

（2）试验规律分析

从模型试验的现象来看，围岩破坏的主要原因是突泥涌水。由于涌水裹挟了大量的围岩颗粒，导致了土层流失，围岩内部裂隙迅速发展，破坏了地层的稳定，引发了显著的地表沉降裂缝和大范围的围岩坍塌。

围岩破坏呈典型的拱形破坏型式。坍塌首先发生在隧道的上方，并形成塌落拱。在后续的塌方中，塌落拱不断扩大并逐渐向上发展，与上部裂缝不断靠近，并有可能产生塌穿型塌方。

地表的两条主裂缝，是整个塌方过程中最宽、最深的两条裂缝。整个突泥涌水过程，在两条主裂缝之间的区域内，地表沉降和裂缝的发展较其他区域更加迅速。该区域是隧道施工过程中突泥涌水及隧道塌方对地表产生影响的主要区域，在施工中应予以重点监控。

图9 加水3 h 后模型的变形、裂缝和塌方情况 Fig.9 Deformations, cracks and collapse of the model ( three hours after watering)

5 结 论

（1）地表未出现裂缝时，横断面上地表和地层内部变形规律可以用Peck 的正态分布曲线较好地描述。

（2）突泥涌水造成围岩软化，并带走围岩中的物质，是引起隧道出现严重塌方的最重要因素。

（3）隧道塌方破坏从拱顶开始，呈拱形区域逐渐向上发展，最终的塌落腔是一个典型的拱形承载结构。

（4）地表两条大裂缝（主裂缝）在隧道坍塌初期就形成了，由塌方引起的地表沉降和破坏的主要影响区域位于两条主裂缝之间，变形和裂缝在这一区域的发展较其他区域更为严重。

（5）需要指出，本试验采用两步走的试验方案与实际施工过程并不相同，尽管模型试验中的围岩变形破坏及地表沉降开裂的规律与北岗隧道的破坏现象十分相似，本试验结果对实际工程只有定性的参考意义。在后续的研究工作中应注重模型试验技术的研究，更为合理地模拟地下水的渗流补给过程及隧道的分步开挖支护过程。

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