含水软弱夹层地下洞室稳定性模型试验研究

2022-09-30李剑光周梓燚刘椿鹏邹会松李纪伟

科学技术与工程 2022年23期

李剑光，周梓燚，刘椿鹏，邹会松，李纪伟

(青岛科技大学机电工程学院，青岛 266061)

随着中国基建能力的提升和长期战略规划的制定，越来越多的岩体工程项目在交通、水利、国防、采矿等行业展开，鉴于在“缩短行程，节约能源，规避滑坡，保护生态”等方面的优势，洞室方案被广泛采用，规模、广度和速度超越以往几十年，且正向世界延伸扩展。大量工程实践表明，岩土工程不可避免地会遇到软弱夹层，甚至超预期的软弱夹层带，层理的存在本身对工程围岩的强度有弱化作用，作为导水通道，又进一步引起地下水的富集，水岩作用弱化围岩强度，对洞室工程的安全稳定造成不利影响，设计和施工阶段以各种方式对洞室工程进行稳定性分析和预测就显得非常必要。模型试验作为有效方式之一，已有学者从模拟材料、试验系统、夹层特征等方面进行了大量探索。例如，孔令亚等[1]针对三峡库区巴东组第三段泥灰岩和层间软弱夹层，研究了含水率、夹层厚度及CaCO3含量对软弱夹层抗剪强度的影响规律及动态特性。赵宏刚等[2]通过制作不同厚度的软弱夹层复合岩样，探讨了软弱夹层厚度对隧洞临空面围岩力学响应和破坏特征的影响。贾后省等[3]以南山矿回采巷道为工程背景，研究了含软弱夹层顶板采动巷道围岩破裂形态及冒顶机理。王思洋等[4]对成都地铁7号线某标段软弱围岩隧道进行两种开挖方式对比，为类似地质条件下的工程施工提供参考。唐林等[5]对不同含水率的含软弱夹层岩体进行了试验研究，并预测了含水率对其抗剪强度的影响。彭鹏等[6]对太焦铁路五谷山1#隧道进行现场监测，分析了含软弱夹层隧道围岩变形特征。李剑光等[7]针对软弱夹层倾角对巷道围岩稳定性的影响，通过物理模型试验模拟开挖得出软弱夹层倾角严重影响巷道围岩的稳定性。Nader等[8]针对低应力条件下层状岩体隧道的稳定性受岩体结构(块体)和开挖几何尺寸的控制，建立了隧道的物理模型，研究了顺层倾角、不连续面间距和隧道尺寸对隧道破坏机制的影响。Shi等[9]为分析TBM(tunnel boring machine)开挖扰动下复合地层围岩的稳定性，以兰州供水工程为研究对象，进行了岩土力学模型试验。

不涉水的模型试验研究，采用传统固态的单相模拟试验，涉水问题少数通过静力等效的方式，如用弹簧[10]或者胶囊[11]模拟承压水进行固体单相模拟，多数采用固液两相模拟，流固耦合相似材料应运而生，同时因应各种涉水试验需要的试验系统也不断涌现[12-13]。

总体上，直接涉水的模型试验还不够成熟。故现以含软弱夹层的无支护地下洞室为研究对象，将软弱夹层的含水状态、厚度、位置作为因素，对地下洞室的开挖和开挖后两个阶段进行应力位移等监测，得出软弱夹层不同因素对地下洞室稳定性的影响规律。

1 模型试验

1.1 模型试验系统

根据试验需要，研发了杠杆式平面应力模型试验系统，如图1所示。该系统由模型架、加载系统、监测系统、注水装置组成。杠杆式重力加载，压力恒

图1 模型试验系统图Fig.1 Model test system diagram

定，无需动力，适合长时试验。模型架内侧尺寸(长×宽×高)为1 300 mm×180 mm×1 000 mm，可开展大模型试验，也可两侧同时独立小模型对照试验。注水装置由外挂式水源和预埋式管路组成，可实现任意层位常水头注水。

1.2 相似比确定及相似材料选取

模型试验前，先根据目标岩体、模型架尺寸和工程规模，保证主要指标相似，忽略次要指标，设定模型与原型相似比。本次试验中部分工况项目涉及含水，故相似比中也考虑水理性质的相似。最终相似比如下。

几何相似比为

CL=50

(1)

密度相似比为

Cρ=1.5

(2)

应力、弹性模量相似比为

Cσ=CECρ=50×1.5=75

(3)

吸水率相似比为

Cω=1

(4)

软化系数相似比为

Cη=1

(5)

渗透系数参数为

(6)

相似比确定后，相似材料是模型试验成功的关键。参照其他文献中流固耦合相似材料的选择和配比，考虑本次试验的特殊性。不含水的工况与其他单相模拟做法一致，含水工况下，夹层材料要体现遇水软化，软弱夹层上下两侧主岩体材料则不然，故设定软弱夹层和主岩体为两种不同的相似材料，主岩体隔水、较高强度、低渗透率，夹层指标性能则相反。

主岩体相似材料选取石英砂、石膏和有机硅，如图2(a)所示；软弱夹层相似材料选取石英砂、石膏和高岭土，如图2(b)所示。为了选定合适的配比，本次试验根据工程岩体试验方法标准(GB/T 50266—2013)，制作了φ50 mm×100 mm的标准圆柱试件，进行了抗压强度及抗拉强度实验(劈裂法)、吸水率实验和渗透实验，以测定力学和水理性质。最终，主岩体材料的质量比为石英砂∶石膏=0.772∶0.128，有机硅浓度为0.2%时隔水效果最好；软弱夹层材料的质量比为石英砂∶石膏∶高岭土= 0.8∶0.05∶0.05。主岩体与软弱夹层的原型和模型的力学与水理性能参数，如表1所示。

图2 试验所选相似材料图Fig.2 Similar materials selected for the test diagram

1.3 试验设计

本研究不针对特定的工程项目，以含软弱夹层的地下洞室作为模型原型。洞室埋深700 m，截面为圆形，直径3 m，上方具有一条水平的软弱夹层带，主围岩体为砂岩，软弱夹层带为泥岩。试验设计采用正交试验L4(23)方案，以软弱夹层的厚度、位置和含水状态为因素，每个因素2个水平。为全面反映各因素对地下洞室稳定性影响程度，在正交试验的之外增设一组不含软弱夹层的地下洞室试验(工况5)，作为对照。模型试验方案详见表2。

软弱夹层含水采用模型成型时在设定层位同步预埋多孔进水软管的方式实现，由外挂式吊瓶提供水源补给，两立柱内侧做防渗处理，夹层材料含水率设定为同一数值，如图3所示。

表1 主岩体与软弱夹层的原型和模型的力学与水理参数Table 1 Mechanical and hydraulic parameters of prototype and model of main rock mass and weak interlayer

表2 模型试验方案设计Table 2 Design of model test scheme

1.4 监测方案

围岩应力和变形是研究地下洞室变形和破坏机理的关键监测信息，本试验中对二者均进行监测。

模型铺设成型时，在洞室上方固定高度处，沿水平线预埋土压力盒。考虑到对称性，只需记录单侧的3个测点，连接DM-YB1820型动静态应变采集仪进行应力监测，采集间隔为2 h。位移监测为非接触式方式，使用电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)相机对试验中的模型表面进行拍照，通过GOM软件进行数字图像相关处理，重点对洞室周边4个测点的位移变化进行跟踪监测，如图4所示。

图3 软弱夹层注水图Fig.3 Weak interlayer filled with water diagram

图4 位移测点布置图Fig.4 Displacement measurement point layout diagram

1.5 试验过程

试验过程分为三个阶段：试验模型制备阶段、开挖试验阶段和蠕变试验阶段，如图5和图6所示。

(1)试验模型制备阶段。根据所选取的相似材料成分及配比，进行相似材料混合、分层铺筑、传感器预埋等，成型后养护时，按照埋深700 m对应的地应力，折算模型的加载压力。养护完成后，进行注水装置布置、传感器连接调试等监测前准备工作。

(2)开挖试验阶段。模拟洞室分步开挖过程，分6次开挖贯通，全断面开挖，每次开挖30 mm，间隔1 h，每开挖步完成后进行应力和位移监测。

(3)蠕变试验阶段。模拟开挖后支护期，洞室贯通后，继续保持地应力不变，进行蠕变试验，持续监测应力和位移，监测时间为10 d。

图5 试验模型制备图Fig.5 Test model preparation diagram

图6 模型试验开挖和蠕变试验阶段图Fig.6 Model test excavation and creep test stage diagram

2 试验结果及分析

2.1 开挖试验阶段地下洞室稳定性

开挖阶段，由于开挖扰动，地应力有重新分布的过程，不同位置测点监测到的应力变化趋势不同。如图7所示为工况1下应力随开挖步变化曲线，其他工况类同。随着开挖的持续推进，开挖轮廓正上方3号测点的垂直应力呈下降趋势，而1、2号测点为上升趋势。分析原因：开挖过程中，洞室规划位置形成了采空区，失去支撑后，应力传递路径发生变化，重新分布，动态平衡，采空区正上方的3号测点承担部分转移到1号和2号，所以其数值逐渐减小，而1号和2号测点分担并承接了本应由3号位置承担的部分，所以数值增大。相较于2号测点，1号测点离洞室更远，所受到的开挖影响相对较小。

洞室收敛变形监测是定量化判定洞室稳定性的有效依据。获得随着开挖推进模型表面洞周各测点的位移数值后，可进一步计算出测点间相对位移，或收敛变形。各工况下，随开挖推进的洞室收敛变形曲线如图8所示。可以看出，随着开挖次数的增加，洞室的水平收敛变形在±0.005的小箱体内上下波动，变化不大，而竖直收敛变形变化较大，整体呈缓慢趋势，开挖前半程增加较快，后半程增加趋缓。其原因为在垂直地应力大于水平地应力的赋存条件下，开挖过程中洞室的变形主要表现为竖直收敛，开挖的初始阶段，指向采空区内部的竖直收敛(主要为顶板或拱顶下沉)较大，随着开挖的持续深入，后续开挖对初始工作面所在剖面(洞室模型表面)的变形影响越来越小。此外，图8(d)工况4的竖直收敛变形量最大，为0.043 mm；图8(e)工况5的竖直收敛变形量最小，为0.029 mm。其余工况介于两者之间，综合对比，说明当洞室中含有软弱夹层时，洞室收敛变形量会增大，且当软弱夹层含水时会进一步增大。

图7 应力随开挖步变化曲线Fig.7 Stress change curve with excavation step diagram

图8 洞室收敛变形随开挖步变化曲线Fig.8 Convergent deformation of the cavern varies with the excavation step

为得出开挖试验阶段软弱夹层特征对洞室稳定性的影响程度，此处对各测点的竖直收敛变形进行极差分析。工况1～工况5的竖直收敛变形量分别为0.032、0.034、0.038、0.043、0.028 mm。根据正交试验极差分析法对软弱夹层各因素水平进行分析，如表3所示。

从开挖试验极差分析表的敏感性次序可以得出，软弱夹层含水状态大于软弱夹层位置大于软弱夹层厚度对洞室稳定性的影响，即：软弱夹层含水状态>软弱夹层位置>软弱夹层厚度。

表3 开挖试验极差分析表Table 3 Range analysis table of excavation test

2.2 蠕变试验阶段地下洞室稳定性

洞室全部贯通成型后，保持载荷和边界条件不变，继续对模型进行为期10 d的蠕变试验，应力采集间隔设定为2 h，不同工况下各测点应力随时间变化规律均可得到，趋势基本相同。图9所示为工况1的情形。显然，开挖完成后，应力的动态调整始终在进行，幅度越来越小，最终趋于稳定。但是，位于洞室周边不同位置，应力变化不同，把最后一次开挖完成作为起始点，10 d后各点应力均有增加，远离洞室的1号测点增幅最小，且最先趋于稳定(1～2 d)，接近洞室的2、3号测点增幅较大，增加幅度为15%～20%，6～7 d后趋于稳定。考虑到模型的时间相似比，实际工程中的应力稳定时间会更长，支护设计时应计入这部分附加载荷。

图9 应力随时间变化曲线图Fig.9 Stress curve with time diagram

本阶段所采用的位移监测方式及洞室收敛变形量计算与开挖试验阶段相同。各工况下，随时间推移的洞室周边关键测点的收敛变形曲线如图10所示(为便于比较，最后一次开挖完成后，位移归零)。可以看出，随着时间的推移，洞室的水平收敛变形基本不变(工况5略有下降)，而竖直收敛变形变化较大，整体呈现先上升后趋稳趋势。分析原因：垂直地应力大于水平地应力的试验方案设计下，主要表现为竖直收敛，洞室贯通后，变形仍在持续增加，随着时间推移，增幅越来越小，最终趋于稳定，不同工况下趋稳时间不同，为7～10 d，相较应力，趋稳时间会有滞后。此外，与第6次开挖完成时的数值相比，图10(d)工况4的洞室收敛变形量最大，为0.157 mm，增幅365%；图10(e)工况5的洞室收敛变形量最小，为0.094 mm，增幅336%。工况3和工况4高于工况1和工况2，工况5最小。显然，本阶段才是洞室变形的主要阶段，考虑到变形量，宜在支护设计时，按照“先让后抗，先柔后刚”的原则，联合支护，持续观测。实际施工中，分步开挖，及时支护后，洞室贯通后的变形量会少很多。

为得出蠕变试验阶段软弱夹层特征对洞室稳定性的影响程度，此处对各测点的竖直收敛变形量进行极差分析。工况1～工况5的竖向收敛变形量分别为0.111、0.118、0.144、0.157、0.094 mm。根据正交实验极差分析法对软弱夹层各因素水平进行分析，如表4所示。

从蠕变试验极差分析表的敏感性次序可以得出，软弱夹层含水状态大于软弱夹层位置大于软弱夹层厚度对洞室稳定性的影响，即：软弱夹层含水状态>软弱夹层位置>软弱夹层厚度。

表4 蠕变试验极差分析表Table 4 Creep test range analysis table

3 结论

按照相似原理，配制了两种不同力学和水理性能的相似材料，分别作为主岩体和软弱夹层，并将夹层含水状态、夹层位置和夹层厚度作为因素，按照正交试验设计方案，在自研的杠杆式平面应力模型试验系统上进行多工况对照的模型试验，对无支护的含水软弱夹层地下洞室的稳定性进行了研究。着重讨论了开挖试验阶段和蠕变试验阶段洞周各测点的应力和表面收敛变形量的变化规律，得到如下结论。