支护结构对富水软岩隧道变形及应力影响的模型试验

2018-09-14刘彦玲陈桥枫

四川建筑 2018年4期

张拳，刘彦玲，邹婷，陈桥枫

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；2.四川路桥建设集团股份有限公司,四川成都610041；3.国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都610015)

近年来，我国在水利、道路以及矿山建设中，越来越多地涉及到富水软岩工程问题。针对软岩隧道的研究，主要有现场变形监测、数值模拟以及室内模型试验等方法。魏星[1]等对富水软岩地层进行隧道施工容易出现突泥涌水、围岩坍塌，并可能引起地表沉降裂缝、地下水位下降等严重工程环境问题[2-5]进行了室内模型研究。孙钧等[6]、刘志春等[7]对软岩围岩-支护结构之间的力学性状进行了研究，认为在软岩隧道中，作用在支护结构上的围岩压力主要是因围岩蠕变增长发展的形变压力，松动压力占有的比例非常小。张青龙等[8]通过对库尉引水隧洞现场监测资料分析，认为围岩-支护结构的变形在不同部位的特性主要是由各部位的围岩变形方式和应力释放规律所决定的，侧墙处围岩应力释放时间效应明显，塑性区不断增长发展，形变压力也随时间增长难于稳定。拱顶处存在一定深度范围内的围岩整体下沉现象，围岩压力稳定时间短。J.X.Wang等[9]通过相似材料模型试验对软岩巷道的围岩变形特性进行了研究，认为围岩变形分为3个阶段，即应力集中引起的变形、流变变形、支护反力引起的变形。王抒等[10]通过试验研究了隧道软弱围岩相似材料的力学性能。

在富水软岩地层进行隧道开挖，由于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，进而对支护结构的选择和效果起着重要影响。为此，以北岗隧道为原型，开展室内模型试验研究，着重用于研究隧道开挖及支护后，围岩及地表的变形和应力的变化规律，以及支护结构的支护效果的研究。结合实际工程问题，设计不同的支护方案，并对试验结果进行对比分析，寻求合理的支护形式和强度，为类似隧道工程的开挖支护提供参考。

1 试验材料配制

1.1 依托工程背景

洛(阳)至湛(江)线中的北岗隧道DK462+235～DK464+366，位于永岑段岑溪糯洞车站与岑溪北车站之间，全长2 131 m。整个隧道穿越的区域，围岩水文地质情况较为复杂，围岩级别为Ⅲ～Ⅵ级。隧洞大部分洞身为花岗岩、砂岩夹页岩灰岩接触带，岩体十分破碎，节理裂隙发育；地表水、地下水发育。隧道在施工开挖过程中，多处出现隧道坍塌、地表严重塌陷及环状裂缝等病害，导致已施作的初期支护被破坏、压塌，给设计和施工带来了极大的困难。

本文选取DK462+527～DK462+537段为原型，开展室内模型试验研究。此段隧洞位于地下水位以下，围岩富含水份；埋深约为55 m。洞身岩体受到多次构造运动及岩浆侵入作用，节理裂隙发育完全，完整性极差，并且有厚层全风化花岗岩蚀变带分布。施工过程中，该段多处出现股状流水，围岩遇水软化，呈现稀泥状和流砂状，且被水流带出。

1.2 相似关系

为便于分析支护结构对隧洞开挖过程中变形和应力的影响，考虑实际试验条件，本模型试验只考虑隧洞围岩为单一蚀变岩的情况。决定地层岩体的变形、位移和破坏的关键因素为地层岩体的弹—塑性力学参数。根据相似第二定理(π定理)，弹性力学模型相关参数表达式为:

上式中共有10个参数，以体力X和长度L为基本量纲的物理量，对应的量纲分别为FL-3和L。

试验以几何相似比和容重相似比为基础相似比，即CL=30,Cγ=1.

结合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，推导各物理力学参数原型值与模型值的相似比为：泊松比、应变、摩擦角Cμ=Cε=Cφ=1；强度、应力、黏聚力、弹性模量CRC=Cσ=Cc=CE=30；抗弯刚度CEI=24 300 000，抗拉刚度CEA=27 000。

1.3 相似材料

模型试验中，围岩相似材料以强度参数和变形模量为控制参数。结合已知的材料参数和实际围岩性质，选用清洁河砂(粗砂和细砂)以及现场取样的蚀变岩的细粒部分(黏粒为主)的混合物作为围岩的相似材料。细砂及粗砂的比例，主要用来调整相似材料的强度和弹性模量。在渗流的作用下，混合物中的细粒部分会随水流被带出，可模拟现场一系列破坏现象。由围岩的参数调整模型材料的配比，根据多次配比调整结果，得到较理想的配比为：细砂60 %，粗砂25 %，蚀变岩细粒15 %，外加一定量的水，达到含水量约为29 %。围岩和相似材料的力学参数见表1。

表1 围岩和相似材料力学参数对比

1.4 支护结构

隧洞施工过程，采用“喷射混凝土+工字钢+钢筋网”作为支护结构；在模型试验中，根据抗弯刚度EI等效相似的原则，采用“铁皮+石膏+钢丝网”来模拟，钢筋网采用钢丝φ1@100 mm×100 mm来模拟(表2)。

表2 模型和对应原型支护结构对比

注：试验中毛洞开挖方案，未进行支护，用于对比分析；石膏的水膏比为1.2∶1。

本模型试验主要研究隧洞开挖，并对其支护后，支护结构对围岩的变形、应力的影响；为更好地对比分析，试验分为毛洞开挖和有支护开挖两种方式，且有支护开挖，设计为两种不同支护强度条件，共3组试验。

2 模型试验设计

2.1 模型制作

试验在专门制作的试验模型架中进行，试验模型架后面为固定的钢筋混凝土墙，前面为钢架镶钢化玻璃，两侧分别用沙袋和活动木板隔开，具体尺寸为3 m×3 m×0.9 m。

试验模型架要进行防水处理，铺设防水卷材或塑料薄膜，并在接缝处涂玻璃胶，完成后静置一段时间。将按前述相似比配置好的材料，进行分层填筑，并夯实，使每层高度为30 cm；同时按前述含水量的要求加入定量的水。填筑过程中，在预设位置安设位移计和土压力盒。

2.2 模型开挖与支护

开挖过程以及开挖速度会对围岩产生扰动，改变围岩的应力分布，故在3组不同支护条件下开挖，应尽量注意减小扰动并控制每段的开挖速度相同。具体为：3组模型试验均采用全段面开挖，开挖的总长度均为50 cm，每段开挖长度为12.5 cm。其中毛洞每段开挖时间为10 min；另2组设有支护结构的模型，开挖一段后要先对该部分隧道进行支护后再继续下次开挖，每段开挖的时间仍为10 min，且支护开始到下次开挖的时间也为10 min，开挖与支护如此交替进行，直到开挖长度达到50 cm。

2.3 模型量测系统

模型量测项目包括围岩应力、竖向位移、地表沉降。应力、位移和沉降测点均设置在距试验台架正面25 cm的横断面上，共设置7个竖向应力变化的测点、5个水平围岩应力变化量测点、6个竖向位移测点和7个地表沉降测点(图1、图2)。

图1 地表沉降与隧道上方位移测点布置(单位:mm)

图2 土压力测点布置(单位:mm)

3 试验现象与分析

3.1 试验现象

3.1.1 毛洞开挖

开挖初期，洞室相对稳定，未有明显的变形破坏，但洞周围开始变得湿润。随着开挖面向前推进，已开挖段洞口部分材料发生局部垮落；继续开挖，则垮落区域明显增大，洞周围破坏情况加剧，直至洞室发生整体破坏，造成开挖断面全被堵塞，开挖被迫结束。因此，所预设的位移和应力量测系统没有采集到有效的数据。

3.1.2 支护方案一

本方案中所采用的支护为：7 mm加钢丝石膏+0.8 mm铁皮。开挖过程中，隧道围岩没有发生围岩大面积垮落，但在开挖后期，出现围岩材料的部分掉落，支护结构多处变形显著，地表产生多条近似弧形裂纹，并且多处有渗流夹带泥砂流出。

3.1.3 支护方案二

本方案中所采用的支护为：10 mm加钢丝石膏+0.8 mm铁皮。整个开挖过程中，隧道围岩没有发生明显的变形，支护结构也没有明显的变形，地表没有明显裂纹，只有局部渗水，并带出少量泥砂。

3.2 结果分析

3.2.1 毛洞开挖

毛洞开挖模型试验，出现开挖过程中，洞室围岩的整体垮落，与现场围岩开挖过程中的实际情况相似。因为本试验所模拟的为富水软岩隧道的开挖，围岩自身强度低，并且在富水条件下，极易产生软化，进一步降低了围岩的强度；因此，发生洞室全断面的垮塌。

3.2.2 支护结构下的位移分析

模型试验由位移量测系统，测量开挖支护完成24 h后，围岩的变形调整达到相对稳定时的地表沉降以及拱顶上方各测点的竖向位移。

图3表明，在施作支护结构后，距离隧道中心线越远，地表沉降量越小；并且支护结构2的隧道中心线上的地表稳定沉降约为1.3 mm，比支护结构1的3 mm，减小了57 %。图4表明，隧道拱顶上方竖向变形量，由拱顶向上呈现减小的变化趋势。在隧道变形调整达到稳定后，拱顶上方5 cm处，支护结构2的变形值为2.9 mm，比支护结构1的9.9 mm减小了近70 %。

图3 地表沉降

这是由于支护结构2的支护强度比支护结构1明显增强所导致的；并且图3中各测点的沉降值在强支护下，都有大幅度的减小，呈现离隧道中心线越近，沉降减小量越大的变化趋势；图4中的各测点的竖向变形量，在距离拱顶越低的测点，在强支护下，变形量减小的越多。

图4 拱顶上方围岩测点竖向位移

隧道开挖支护完成后，支护结构的强弱对本模型试验的富水软岩洞室围岩的变形有显著影响。支护结构越强，能明显减小洞室近处围岩的变形量，也能明显降低洞室上方的地表沉降量，这有利于洞室稳定。

通过计算，支护结构1的拱顶变形值9.9 mm，已经超过隧洞断面高度的3 %；表明拱顶变形过大，所采用的支护结构1，强度不足以使洞室保持良好的稳定状态。支护结构2的拱顶变形值比支护结构1的减小了约70 %，表明支护结构2能较好的保持洞室的稳定性。

3.2.3 支护结构下的应力分析

模型试验由土压力量测系统，测量开挖支护完成24 h后，围岩的应力调整至相对稳定时，边墙外水平测点与拱顶上方测点应力的变化情况。

图5为边墙围岩水平测点应力变化曲线，不同支护作用下，围岩的水平应力变化值与距隧道边墙的距离均呈反向增长的关系，即洞室开挖后，洞室近处的围岩水平应力衰减的程度明显大于远处。在距洞室边墙5 cm处；支护结构1作用下，围岩水平应力减小16.1 kPa，在距边墙40 cm处，围岩水平应力基本没有变化；支护结构2所对应的围岩水平应力减小6.3 kPa，在距边墙30 cm处，围岩水平应力基本没有变化。图6为拱顶上方围岩测点竖向应力变化曲线，不同支护结构作用下，围岩的竖向应力变化值与距隧道拱顶的距离均呈反向增长关系，即洞室开挖后，洞室近处的围岩的竖向应力衰减明显大于远处。在拱顶上方5 cm处；支护结构1作用下，围岩竖向应力减小18.8 kPa，在距拱顶60 cm处，围岩竖向应力基本没有变化；支护结构2对应的围岩竖向应力减小10.5 kPa，在距拱顶约53 cm处，围岩竖向应力基本没有变化。

图5 边墙围岩水平测点应力变化值

分别对比不同支护结构下，围岩的水平应力和竖向应力，可得：在距边墙5 cm处，支护结构2作用下，洞室的水平应力变化值约为支护结构1的39 %，竖向应力变化值约为支护结构1的56 %。因此，支护结构越强，开挖支护后引起的围岩应力变化越小，且应力变化的影响范围越小，由60 cm减小至约53 cm。这是由于支护结构越强，能有效的平衡因开挖引起的围岩应力释放，这有利于洞室保持稳定状态。