不同溶腔-隧道间距对地铁隧道施工影响的模型试验研究

费富华, 何绪虎, 谢可为, 桑齐良, 王士民*

(1. 中铁开发投资集团有限公司, 昆明 650500; 2. 西南交通大学土木工程学院, 成都 610031; 3. 贵阳市公共交通投资运营集团有限公司, 贵阳 550081)

中国西南岩溶区是世界上最大的连续岩溶区之一[1],岩溶问题是可溶性岩地区修建隧道工程的突出问题,其危害大,教训深刻。施工过程中,开挖揭露遗漏岩溶易发生突泥涌水事故[2],造成人员伤亡,施工设备损坏,严重影响工期。城市环境下岩溶隧道施工还会引发上覆地层变形、不均匀沉降,甚至破坏上层建筑物的情况也经常发生。

在发育有岩溶地层对隧道施工及地表的影响方面,国内外学者主要采用理论分析、数值模拟及模型试验等方法开展了相关研究。在理论分析方面,邹洋等[3]为解决岩溶地区隧道安全施工的问题,采用突变理论建立了岩溶隧道顶板力学模型,提出了隧道顶板安全厚度计算公式,并以工程实例进行了应用分析。Wu等[4]建立了隧道与溶洞周围岩土体的可靠度性能函数。通过MATLAB软件编程,应用蒙特卡罗方法计算了隧道和溶洞周围岩土体的失稳概率和可靠性指标。赵勇[5]建立了基于突变理论的分析模型,采用尖点突变理论对安全距离进行了分析,并结合工程实例进行了研究。在数值模拟方面,杨坤等[6]以贵州岩溶发育区域的新街高速公路隧道为工程背景建立了有限元模型,研究了隧道与落水洞不同水平距离对隧道围岩的影响。闫明超等[7]采用数值模拟运用弹塑性有限单元法对迂回导洞施工全过程进行了分析。张京亮等[8]采用FLAC3D有限差分法和现场监测手段,探讨了隐伏溶洞尺寸、溶洞与隧道净距及溶洞位置对隧道开挖过程中围岩应力、应变及隧道变形的影响规律。在模型试验方面,李晓刚等[9]以广东省岩溶地区运营公路隧道为工程依托,基于室内模型试验研究了不同节理面倾角、溶洞直径、溶洞距隧道距离和溶洞纵向间距下的受力特性。吴庆华等[10]利用物理模型试验,采用恒压取样与剖面压力监测技术对岩溶塌陷机理进行了定量研究,为岩溶塌陷防治提供了理论支撑。刘扬等[11]依托武汉市和平大道南延线隧道工程,设计正交试验建立了下伏溶洞与隧道安全距离的预测模型,并结合典型断面的工程实例进行了验证。谭信荣等[12]以郑万线典型岩溶隧道为依托,研究了管道型岩溶对隧道衬砌结构的影响。此外,Zhang等[13]提出了一种在隧道施工前和施工过程中预测岩溶特征的方法。Tao等[14]依托贵阳地铁1号线研究分析了既有建筑物沉降、路基沉降、车站纵向位移变化的变化规律,以及衬砌安全性、稳定性、偏心率、压缩类型和内力的发展趋势。目前研究大多集中在岩溶自身发育形式及特征、地铁隧道施工扰动下地表环境响应、岩溶地层扰动及失稳机制及隧道穿越岩溶区施工处置技术等方面的研究。

鉴于城市岩溶区地铁隧道施工对周边环境影响大,处于繁华地带的建构筑物对地层扰动敏感,因此了解岩溶赋存情况下地铁隧道施工扰动规律及特征对控制地表沉降、保护上覆土层稳定具有重要意义。现依托贵阳城市地质及城市岩溶典型发育特征,采用模型试验对不同溶腔-隧道净距下的地铁隧道施工力学特性进行研究。通过不同溶腔-隧道净距对地铁隧道施工影响的模型试验,探究对围岩地层的扰动和结构的受力响应,揭示由于溶洞赋存对结构的影响范围、幅度、趋势。对支护结构的合理设计和施工过程中的安全控制具有一定的指导作用。

1 模型试验研究

1.1 模型试验相似关系

参考相似模型试验相似理论及方法,若原型物理量和模型试验物理量中的几何相似比和力学相似比满足相似理论,则该模型试验能够较为全面地反映实际工程状态。试验以几何相似比为20和容重相似比为l以及无量纲的物理量如应变、泊松比、内摩擦角相似比为1作为基础相似比,在弹性范围内实现各控制性物理力学参数的全相似性。根据相似理论求得各物理量相似比关系如表1所示。

1.2 模型试验原型隧道

贵阳市轨道交通3号线一期工程矿山法隧道段采用单洞单线型式。以单线Ⅳc型为例,隧道跨度6.52 m,高度7.068 m,采用复合式衬砌结构,其中初支喷混凝土采用C25早强混凝土,全环26 cm厚,钢拱架采用I18a钢全环设置,间距1.0 m。隧道横断面及初支设计如图1所示。

图1 Ⅳ级围岩单线Ⅳc型设计图Fig.1 Class IV surrounding rock single track Ⅳc design drawing

1.3 模型试验相似材料

1.3.1 围岩

围岩采用模型土模拟,模型土的配制如图2所示,以河砂为基材,添加一定比例的粉煤灰、机油及石英砂等。粉煤灰与机油、松香配合可调节模型土的黏聚力和摩擦角,石英砂用来控制模型土的强度和弹性模量。模型土物理参数通过土工试验获得,如图3所示。根据测试结果调节模型土的材料配比,直到满足试验所需的物理参数值。

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

实际工程中隧址围岩以Ⅳ级为主,Ⅳ级围岩物理力学参数按照《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)取值。经试验测试,按照表2中材料配比进行拌和得到的模型土体物理力学参数,对应的原型值如表3所示。

表2 Ⅳ级围岩相似材料质量比Table 2 Mass ratio of similar materials of Grade IV surrounding rock

表3 模型土体及对应原型土体物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of model soil and corresponding prototype soil

1.3.2 钢拱架

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

表4 钢拱架参数Table 4 Parameters of steel arch

1.3.3 喷混凝土

区间隧道采用C25喷射混凝土,其物理力学参数按《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)取值,轴心抗压强度设计值为25 MPa,弹性模量为28 GPa。以水∶石膏=1∶(1.5～1.6)作为初支喷混凝土相似配合比,取30 min后的力学指标试验值,单轴抗压强度1.11 MPa,对应原型值22.2 MPa;弹性模量1.27 GPa,对应原型值25.4 GPa。模型试验中按上述比例混合水和石膏,并人工喷涂于开挖隧道的土壁来模拟初支。

1.3.4 岩溶腔体

隧道工程领域中常常以各种材料的充气气囊模拟具备一定规模的岩溶腔体[15-17],也有学者以石蜡为材料,通过预埋石蜡模型与预留管道,填埋模型试验土后将加热融化的石蜡通过预留孔道流出,以此在土体中形成溶洞[18]。

本文中所研究溶腔大小为直径4 m,拱顶埋深18 m,根据试验相似比换算到模型试验中溶腔直径取值为20 cm。试验使用透明充气气囊待上覆土填满模型箱且稳定后放气形成的空间来模拟溶腔。用橡胶管连接气囊与充气泵,待气囊充气到试验需要的大小后做好密封处理,随后将气囊置于2.0 m深水下检查气囊承压强度及密封性。经反复检测,所用模拟方法其强度及密封性均能满足试验要求。考虑到土中气囊受力与水中的差异,经过采用模型土压缩模量进行计算,在上覆土的压力作用下,气囊理论最大横向变形小于5 mm,其试验误差基本可以忽略。充气气囊与采用此种充气气囊在地层中形成的溶腔如图5、图6所示。

图5 充气气囊Fig.5 Inflatable airbags

图6 地层中形成的岩溶腔体Fig.6 Karst cavity formed in the stratum

1.4 试验装置及量测项目

1.4.1 隧道开挖模型试验箱

试验在由格构式钢板制作的模型箱内进行。为减小模型槽边界效应对试验的影响,在整个模型槽的内表面粘一层厚1 mm的聚四氟乙烯板。为测量洞周位移,在模型箱的两侧开有若干孔洞,位移传导杆通过孔洞与磁力表座固定于孔洞周围的数显千分表连接。试验模型箱的尺寸为2.0 m×2.0 m×0.5 m,隧道洞室空间尺寸为0.326 m×0.354 m×0.50 m,试验装置如图7所示。模型土采用分层夯实铺设,每次铺设厚度为20 cm,共铺设10次。分层铺设模型土的过程中,将土压力盒及充气气囊计埋在预设的位置。

图7 隧道开挖试验模型箱Fig.7 Tunnel excavation test model box

1.4.2 围岩土压力及钢拱架内力量测

围岩土压力采用精度为0.1 kPa的土压力盒量测,土压力盒沿隧道环向布置,试验中采用7 mm×3 mm预制成特定形状的铝条来模拟钢拱架,在铝条相应位置处的内外两侧粘贴应变片用来量测铝条应变,再根据式(1)、式(2)算出相应位置处的弯矩和轴力即求出钢拱架的内力,应变片的布置及土压力盒埋设位置如图8所示。

钢拱架轴力、弯矩计算公式分别为

N=E(ε内+ε外)bh/2

(1)

M=E(ε内-ε外)bh2/12

(2)

式中:ε内为钢拱架内侧应变值;ε外为钢拱架外侧应变值;b为单位长度,取1 m;h为衬砌厚度;E为衬砌的弹性模量。

图8 应变片布置及土压力盒埋设位置示意图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顶沉降和水平收敛,由位移传导杆传至地表及模型箱侧部进行测量。测量仪器采用数显千分表测量,精度为0.001 mm。地表沉降使用磁力表座固定于模型箱侧边并使用不锈钢垫片置于千分表探头下,如图9所示。

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

1.5 模型试验工况设计

在溶腔大小与溶腔-隧道初支结构净距相同的情况下,溶腔位于拱顶处时隧道开挖对上覆地层的扰动最为显著。因此针对溶腔发育的最不利位置因素开展不同溶腔-隧道净距影响规律研究。表5为研究工况设置,其中,各工况溶腔直径D=4 m,球形腔体均位于开挖隧道拱顶侧。

模型试验中,在洞周左右边墙和拱顶处分别沿隧道纵向中间断面处布置位移传导杆监测隧道水平收敛和拱顶沉降,中间断面拱顶处竖向位移传导杆倾斜布置,从而避开拱顶溶腔。沿隧道环向围岩处布置8个土压力盒测量围岩压力,在隧道开挖至中间断面处共埋设3榀钢拱架,钢拱架沿环向同样布置8对应变片。各模型试验工况溶腔位置和测试原件布置分别如图10所示。

表5 试验研究工况Table 5 Test and research conditions

图10 各工况测试元件布置图Fig.10 Layout of test elements under various working conditions

1.6 试验开挖步序

依托工程段为四级围岩,设计资料中以超短台阶法为主要施工工法。模型试验开挖步序示意如图11所示,整个开挖过程共分12步进行,在上台阶开挖1、2步后,第3～10步上下台阶同时开挖。严格控制开挖进尺,每次进尺控制在一榀拱架并及时对初期支护进行断面封闭。考虑到隧道开挖后围岩的位移及应力释放随时间不断发展,模型试验中每相邻开挖步间隔时间设定为30 min。

图11 试验开挖步序示意Fig.11 Schematic diagram of test excavation steps

2 结果分析

2.1 隧道开挖过程洞周围岩位移分析

通过监测开挖过程围岩的位移情况,评价不同溶腔-隧道净距下隧道开挖对隧道围岩的扰动影响。图12所示为地层围岩中不同工况下隧道开挖过程洞周围岩位移变化曲线。

从图12可知,随着隧道掌子面的推进,监测断面拱顶围岩监测点发生竖向沉降、拱腰处监测点出现收敛变形,开挖掌子面远离监测断面后各监测点位移逐渐趋于平稳。一般来说,隧道围岩的最终位移(全位移量)包括掌子面到达前围岩的位移(先行位移)、掌子面通过时的位移(初始位移)和掌子面通过后的位移(量测位移)。工程中的容许值是针对全位移值而言的,但实际工程中对于全位移值的监测比较困难,而模型试验则相对容易实现。对比各阶段不同工况下拱顶沉降,其先行位移值分别为51.8、30.0、28.8、19.8 mm,分别占测量全位移的50.9%、50.2%、35.3%、19.3%;初始位移值分别为18.2、8.3、13.2、22.8 mm,分别占测量全位移的17.9%、13.9%、16.2%、22.2%;量测位移值分别为31.8、21.5、39.6、60.2 mm,分别占全位的移31.2%、36.0%、48.5%、58.6%。由以上分析知,当溶腔位于开挖隧道顶部时,溶腔与开挖隧道轮廓线净距影响各阶段拱顶沉降量值,表现为溶腔距离隧道越近其先行位移值越大,初始位移值与初期支护后的量测位移值越小。而各工况下左右拱腰水平位移值差异较小,说明拱顶溶腔对于隧道拱腰侧的影响不大。不同工况下拱顶及左右拱腰在初期支护完成后的最终位移量如表6所示。

图12 不同工况下隧道开挖过程洞周围岩位移Fig.12 Rock displacement around the tunnel during excavation under different working conditions

由表6中数据分析知,不同溶腔-隧道净距下对左右拱腰开挖位移影响较小,主要影响隧道拱顶的竖向沉降量,表现为溶腔距离隧道越远其拱顶围岩沉降量越大。净距为5 m时其最终沉降量与无溶腔时的差异十分微小,说明溶腔对原始地应力场的影响范围是有限的。溶腔直径为4 m、溶腔底部与隧道开挖轮廓线顶部净距为5 m时,隐伏溶腔的存在对隧顶围岩的沉降量影响则不太显著。

表6 不同工况下洞周最终位移汇总表Table 6 Summary of final displacement around tunnel under different working conditions

2.2 隧道开挖过程洞周围岩土压力释放分析

试验中土压力盒元件埋设位置距离隧道开挖轮廓线2 cm,对应工程原型为40 cm。通过监测开挖过程隧道围岩土压力变化情况,评价不同溶腔-隧道净距下隧道开挖对隧道围岩的扰动影响。图13所示为地层围岩中各工况下隧道开挖过程洞周围岩土压力变化曲线。

图13 不同溶腔-隧道净距开挖过程洞周围岩土压力释放曲线Fig.13 Release curve of rock and soil pressure around the tunnel during excavation of different karst cave tunnel clearance

由图13知,各工况下随着隧道的开挖洞周围岩土压力逐渐减小,在第9开挖步后其减小量逐渐减小并趋于平稳。单一工况下洞周不同位置监测量值有一定规律性,隧道洞周围岩附近无隐伏溶腔时其拱顶处的围岩压力变化量最大,而拱脚、拱底处围岩压力变化量值较小,拱顶岩溶空腔的存在减小了附近的围岩压力变化量值。图13(b)左右拱脚围岩土压力改变量在开挖步7开始发生突变,从图11可知开挖步7刚好下台阶开挖至模型箱中部(即溶腔正下方)。发生突变的原因为隧道距溶腔较近,溶腔对围岩土压力释放产生了影响。随着钢拱架支护和石膏变硬刚度提升对围岩的影响,在开挖步10以后回到正常。图13(c)左右拱腰土压力改变量在开挖步6发生突变也是同样的原因。在溶腔与隧道净距较远达到5 m即溶腔与隧道净距为0.77倍隧道跨度时土压力释放曲线将不会发生明显突变。

图14为初支完成后不同溶腔-隧道净距下隧道洞周各监测点最终土压力变化量。由图14知溶腔与开挖隧道净距为1、2、5 m时,拱顶围岩最终土压力变化分别为47.4、84.7、135.1 kPa,表现为溶腔底部距离隧道开挖轮廓线越近,拱顶围岩在隧道开挖后的土压力变化越小。围岩土压力这一变化规律揭示了岩溶地质现象对原始地应力场的影响表现为岩溶腔体对周边围岩的应力释放作用。

图14 不同溶腔-隧道净距洞周监测点最终土压力释放量Fig.14 Final earth pressure release of monitoring points around different karst caves tunnels with clear distance

2.3 隧道开挖过程地表沉降分析

为研究浅表地层中不同的溶腔-隧道净距下开挖对地面环境的影响规律及特点,通过设置不同的溶腔-隧道净距模型试验进行研究。试验中在溶腔中线垂直地表处布置横向监测断面,记录隧道开挖过程地表沉降变化规律,图15为各工况下地表监测断面地表沉降随隧道开挖变化曲线。

图15 各工况开挖过程溶腔中线地表沉降Fig.15 Surface settlement of karst cave centerline during excavation under various working conditions

由图15知随着隧道的开挖各监测点沉降值不断增大,增长速率大致呈先小后大最后又逐渐减小的规律,在第9开挖步后各监测点沉降变化微小。各工况下地表沉降曲线呈现出地中大、边侧小的现象,且靠近地中监测点各开挖步差异大、两侧差异逐渐减小,从曲线形态来看,各工况下地表最终沉降曲线大致符合U形。对比图15中各工况地表监测沉降曲线,其整体形态基本一致,各开挖步下地中沉降为曲线沉降峰值,向边侧逐渐减小且速度逐渐放缓,在距离隧道中心线15 m处各开挖步下沉降值差异已十分微小。

图16为不同工况下地表监测最终沉降曲线对比图,由图16可知,隧道拱部隐伏溶腔的存在对隧道施工后地表沉降影响显著,溶腔与隧道顶部净距为1、2、5 m时地中沉降峰值分别为25.7、32.8、38.8 mm,分别为无溶腔时的135.3%、172.6%、204.2%。由此可见隧道拱部隐伏溶腔与隧道净距并非越小对地表的沉降影响更大。考虑到溶腔与隧道净距越大时其与地层表面距离越近,在地表覆土厚度不是太大且溶腔尚处于隧道开挖影响范围内时,地表反而产生了更大的沉降。

2.4 隧道拱架最终内力分析

本次模型试验对初支拱架8个位置进行了支护后的应变监测,并将应变值换算为工程原型的内力值便于分析拱架的受力特征。溶腔影响开挖前的原始地应力场,其与开挖隧道的净距影响围岩的变形,进一步影响初支结构的受力,不同溶腔-隧道净距下隧道支护后拱架最终内力如图17所示。

从图17可以看出各工况下拱架最终轴力表现为全环受压,拱顶处与拱底处轴力值较小,而左右拱腰处及拱脚处轴力较大,对比各工况下各监测点,其轴力量值差异不大。各工况下拱架弯矩表现为拱顶、左右拱肩及拱底、左右拱脚内侧受拉,左右拱腰外侧受拉。无溶腔时隧道顶部轴力值为91.3 kN,弯矩值为30.0 kN·m。拱顶溶腔与隧道顶部净距为1、2、5 m时,隧道顶部轴力值分别为82.4、109.8、92.4 kN,分别为无溶腔时的90.3%、120.3%、101.2%,各工况轴力值差异不显著;隧道顶部弯矩值分别为8.7、16.0、26.9 kN·m,分别为无溶腔时的29.0%、53.3%、89.7%,弯矩值差异较轴力值更显著。

进一步分析知拱部隐伏溶腔的存在一定程度上会减小开挖后初期支护结构拱部的受力,且距离隧道开挖轮廓线越近其拱部弯矩值越小。从隧道支护结构及围岩受力角度分析,隧道开挖后洞周围岩向洞内发生挤出变形,拱部围岩土以荷载形式作用于初期支护结构;另一方面,围岩土的成拱效应使得产生这一“荷载”的围岩土仅限于拱部较小范围,而拱部发育的隐伏溶腔则减小了这一荷载,使得隐伏溶腔临近处的拱部初支内力较正常地层有所减小。尽管支护后初支结构受力较正常情况小,然而实际工程中,这种临近隧道开挖轮廓线的隐伏溶腔对于施工却有较大的安全隐患,隧道开挖后拱部顶板的垮塌及运营期溶腔围岩的坍塌会对施工及后期运营安全造成严重威胁。

3 结论

针对城市地铁隧道浅埋岩溶环境,通过相似模型试验研究了不同溶腔-隧道净距对隧道开挖过程的围岩扰动影响规律,主要得到以下结论。

(1)当溶腔位于开挖隧道顶部时,溶腔距离隧道越近其拱顶先行位移值越大,初始位移值与初期支护后的量测位移值越小。拱顶侧溶腔对拱腰水平位移影响较小,主要影响隧道拱顶的竖向沉降量。溶腔与隧道净距超过0.77倍隧道跨度时基本不影响隧道拱顶最终沉降量。

(2)当溶腔与隧道净距小于0.31倍隧道跨度,隧道开挖至临近溶腔正下方时需注意拱脚、拱腰的稳定,建议增设锁脚锚杆。拱顶侧溶腔对拱腰水平位移影响较小。拱顶侧围岩土压力在隧道开挖后变化量值随溶腔与隧道净距的减小而减小,溶腔与开挖隧道净距为1、2、5 m时,拱顶围岩最终土压力变化分别为47.4、84.7、135.1 kPa。

(3)溶腔与隧道顶部净距为1、2、5 m时地中沉降峰值分别为25.7、32.8、38.8 mm,分别为无溶腔时的135.3%、172.6%、204.2%。隧道拱部隐伏溶腔与隧道净距与溶腔上覆土层厚度都会影响隧道开挖后的地表沉降。当溶腔距离隧道较远时,尽管开挖对溶腔周边围岩影响减弱,但同时地层表面距离溶腔更近,溶腔周边围岩扰动对地表产生了更显著的影响。

(4)拱部隐伏溶腔的存在一定程度上会减小开挖后初期支护结构拱部的受力,且距离隧道开挖轮廓线越近其拱部弯矩值越小。溶腔与隧道净距达到0.77倍隧道跨度时,隧道顶部轴力为无溶腔时的101.2%,此时溶腔对隧道顶部轴力基本无影响;隧道顶部弯矩为无溶腔时的89.7%,对隧道顶部弯矩影响较小。