富水軟巖隧道突泥塌方及地層沉降的模型試驗(yàn)

魏 星，沈 樂(lè)，陶志平

（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 巖土工程系，成都 610031）

1 前 言

在富水軟巖地層進(jìn)行隧道施工容易出現(xiàn)突泥涌水、圍巖坍塌，并可能導(dǎo)致地表沉降裂縫、地下水位下降等嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[1－4]，如北崗隧道[1]、崗城隧道[2]等。這些隧道由于圍巖強(qiáng)度低、地下水豐富，在施工中多次遇到突泥涌水導(dǎo)致的施工塌方問(wèn)題，這不僅對(duì)工程本身的安全、進(jìn)度和投資產(chǎn)生了重大影響，而且對(duì)周邊居民的生產(chǎn)、生活也造成了嚴(yán)重的影響。

已有不少學(xué)者對(duì)隧道施工導(dǎo)致的地層變形和破壞問(wèn)題展開(kāi)了研究。在變形規(guī)律方面，Peck[5]研究了隧道開(kāi)挖引起的地表沉降分布情況，他建議隧道橫斷面上地層的位移模式應(yīng)為正態(tài)分布曲線。這一變形模式得到了很多學(xué)者的認(rèn)可，獲得了廣泛的應(yīng)用。此后諸多學(xué)者，如O'Reilly 等[6]、Fujita[7]、Lee等[8]、周小文等[9]、Sterpi 等[10]、漆泰岳等[11]，分別通過(guò)數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)或原型觀測(cè)等手段驗(yàn)證了Peck 理論曲線的適用性，并對(duì)Peck 理論曲線公式中的參量表達(dá)式及取值等給出了建議。在變形破壞規(guī)律方面，張頂立等[12]根據(jù)深圳地鐵的實(shí)際變形情況，提出了地層整體下沉和抽冒式地層變形的模式，并分析了黏性土和砂性土地層條件下產(chǎn)生大變形及地面坍塌的機(jī)制；汪成兵等[13－14]采用數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的方法研究了隧道開(kāi)挖導(dǎo)致的圍巖的漸進(jìn)性破壞。

在富水軟巖地層進(jìn)行隧道開(kāi)挖，突泥涌水的出現(xiàn)將對(duì)圍巖產(chǎn)生沖刷作用并導(dǎo)致地層流失，這將顯著地影響圍巖的狀態(tài)和穩(wěn)定。隧道的變形和破壞情況也由此變得更加復(fù)雜、更為嚴(yán)重。為此，以北崗隧道為原型，開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，著重對(duì)比不同含水率的軟巖在隧道開(kāi)挖以后出現(xiàn)的變形、破壞現(xiàn)象和規(guī)律，分析突泥涌水對(duì)隧道塌方和地層變形、開(kāi)裂的影響。

2 北崗隧道施工塌方情況

北崗隧道位于洛湛線梧州－岑溪間，里程為DK462 km+235 m～DK464 km+366 m，全長(zhǎng)2 130 m。 隧道通過(guò)低山緩坡地帶，最大埋深為80 m，最小埋深為2 m。隧道最大開(kāi)挖高度為9.59 m，最大開(kāi)挖寬度為7.36 m。北崗隧道的地質(zhì)情況如圖1 所示，洞身周邊巖體受多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及巖漿侵入作用，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性極差，分布有較厚的全風(fēng)化花崗巖蝕變帶。在隧道的施工中，多次出現(xiàn)圍巖大變形、坍塌、突泥涌水等破壞現(xiàn)象，造成地下水位下降、泉水枯竭、地面塌陷開(kāi)裂等問(wèn)題。在DK462 km+527 m～537 m 段，出現(xiàn)多處股狀流水，圍巖遇水呈流砂狀或稀泥狀，并由流水帶出，在地表產(chǎn)生環(huán)向裂縫3 條，裂縫最寬處為5 cm，在線路左、右兩側(cè)10～30 m 范圍內(nèi)的地表沉降持續(xù)發(fā)展，日平均沉降約2～3 mm，裂縫寬度不斷增加，最大寬度最終達(dá)15 cm。在DK463 km+200 m～220 m 段施工中，大量涌水夾雜大量黃色泥沙涌入隧道，塌方不斷發(fā)展，在地表形成直徑6 m 的塌坑。

圖1 北崗隧道地質(zhì)縱斷面 Fig.1 Geological profile of Beigang tunnel along its longitudinal axis

3 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述情況，以北崗隧道DK462 km+527 m～537 m 段為原型展開(kāi)研究。該段隧道埋深約為55 m，隧道處于地下水位以下，圍巖富水。

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

合理地模擬地下水是模型試驗(yàn)最關(guān)鍵的問(wèn)題。原型隧道位于地下水位以下，施工中存在滲水、涌水和地下水的補(bǔ)給過(guò)程。限于試驗(yàn)條件，要完全模擬實(shí)際隧道施工過(guò)程中地下水的排滲和補(bǔ)給存在困難，在試驗(yàn)中只能有限程度地模擬地下水對(duì)隧道開(kāi)挖的影響。由于現(xiàn)場(chǎng)的坍方出現(xiàn)在已開(kāi)挖斷面，在未進(jìn)行支護(hù)或支護(hù)不足的情況下，滲流引發(fā)的土體流失及圍巖強(qiáng)度損傷導(dǎo)致了嚴(yán)重的圍巖塌方及地表裂縫。據(jù)此將試驗(yàn)設(shè)計(jì)成兩步走的方案，先在圍巖含水率較低的條件下進(jìn)行開(kāi)挖；待開(kāi)挖完成后，再進(jìn)行地下水的補(bǔ)給。模型試驗(yàn)分可為開(kāi)挖過(guò)程和加水過(guò)程。

在開(kāi)挖過(guò)程中圍巖材料的含水率較低，可以為分析開(kāi)挖過(guò)程中變形規(guī)律提供較好的基礎(chǔ)資料。此時(shí)模型圍巖的力學(xué)特性與原型材料的力學(xué)性質(zhì)并不滿足相似關(guān)系，但卻能為后續(xù)的試驗(yàn)提供對(duì)比分析的參考數(shù)據(jù)。

開(kāi)挖完成后加入一定量的水使圍巖達(dá)到飽和，此時(shí)圍巖的力學(xué)性質(zhì)與原型材料基本滿足相似關(guān)系，此過(guò)程旨在模擬圍巖出現(xiàn)位移劇增、突泥涌水和破壞的現(xiàn)象。為了減小加水過(guò)程對(duì)圍巖的影響，對(duì)加水方案進(jìn)行了詳細(xì)的討論，最終采用在貼近模型地表的四周對(duì)稱地緩慢加水，水通過(guò)滲流作用進(jìn)入地層，最終經(jīng)隧道流出。

3.2 模型試驗(yàn)比例

模型試驗(yàn)采用的幾何相似比為1：100。模型箱示意如圖2。模型箱框架為2 組180 號(hào)工字鋼，并由4組25號(hào)加勁槽鋼對(duì)模型箱的前后和側(cè)面進(jìn)行約束，底部為鋼板，模型箱的凈空尺寸為1.2 m× 1.0 m×0.5 m。為方便觀察，在模型箱的前后面采用了厚度為20 mm 的鋼化夾膠玻璃，玻璃的尺寸為1.0 m×1.2 m。其中一側(cè)玻璃的中下部預(yù)留開(kāi)挖孔，開(kāi)挖孔直徑為120 mm，開(kāi)挖孔中心距離底部鋼板上表面的距離為260 mm。

根據(jù)原型和模型的平衡方程、幾何方程、物理方程、應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件，確定模型試驗(yàn)相似關(guān)系如下：重度相似比 Cγ= 1；泊松比、應(yīng)變、內(nèi)摩擦角相似比 Cμ= Cε= Cφ= 1；強(qiáng)度、應(yīng)力、黏聚力、彈性模量相似比 CRc= Cσ= Cc= CE= 100。

在模型試驗(yàn)中，由于相似材料的各個(gè)力學(xué)指標(biāo)，如變形參數(shù)（彈性模量和泊松比）或強(qiáng)度指標(biāo)（黏聚力和內(nèi)摩擦角）很難同時(shí)滿足相似比的要求。在本試驗(yàn)中主要研究開(kāi)挖導(dǎo)致的大變形及破壞規(guī)律，尤其是破壞規(guī)律，因此，在選擇相似材料時(shí)，以強(qiáng)度參數(shù)作為控制指標(biāo)。

圖2 模型箱示意圖 Fig.2 Illustration of the model container box

3.3 相似材料的選擇

根據(jù)勘察資料，DK462 km+530 m 段附近隧道洞身位于全風(fēng)化花崗巖蝕變帶內(nèi)，圍巖由多種軟弱巖體組成。室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其中的主要組成巖體，全風(fēng)化蝕變砂巖、全風(fēng)化花崗巖和全風(fēng)化砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。由于巖體不均勻，試驗(yàn)確定的含水率、強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)較離散，其中全風(fēng)化蝕變砂巖的強(qiáng)度低且在圍巖中所占比例較高。為此采用含水率為70%的重塑飽和全風(fēng)化蝕變砂巖的物理力學(xué)特性代表原型材料，并假定圍巖體性質(zhì)均勻，其物理特性及強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)相似關(guān)系，經(jīng)過(guò)多次配合比嘗試，最終確定了材料1 和材料2 為模型的相似材料，它們具有相同的固體組成：80%的粗砂、15%的細(xì)砂和5%的全風(fēng)化蝕變砂巖經(jīng)過(guò)篩磨細(xì)的細(xì)顆粒部分。其中材料1 為非飽和狀態(tài)，用于模擬試驗(yàn)開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖；材料2 為飽和狀態(tài)，為模型試驗(yàn)中開(kāi)挖完成后加水飽和的土層，用于模擬原型隧道中的全風(fēng)化砂巖蝕變巖。它們的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 原型材料與相似材料的物理力學(xué)性質(zhì) Table 1 Parameters of prototype rock and simulation materials

3.4 位移測(cè)量系統(tǒng)

位移測(cè)量元件布置如圖3 所示。位移計(jì)均位于中間斷面處。具體為：隧道頂中軸線上方5 cm 處起每隔10 cm 埋設(shè)1 個(gè)位移計(jì)，用于測(cè)量土體內(nèi)部沉降；地表由中軸線起，地表每隔10 cm 設(shè)置一個(gè)位移計(jì)，用于測(cè)量地表沉降。共埋設(shè)位移計(jì)10 個(gè)。

同時(shí)，隧道圍巖填筑過(guò)程中，在模型箱前面的玻璃內(nèi)側(cè)土體埋設(shè)白色標(biāo)志物（如圖3 所示），在玻璃外側(cè)繪制參照線，通過(guò)數(shù)碼攝像和圖形處理技術(shù)來(lái)分析土層的沉降分布情況。

圖3 模型和位移測(cè)量示意圖（單位：cm） Fig.3 Sketch of model and settlement measuring system (unit: cm)

3.5 試驗(yàn)實(shí)施步驟

（1）圍巖填筑。圍巖總高為87 cm，采用分步填筑的方法，每部分填筑高度為10～20 cm。根據(jù)每步填筑的高度，按配合比例計(jì)算所需各種材料的重量，將上述材料均勻混合，配置成初始含水率為20%的混合土體；然后，將混合土體裝入模型箱中，并進(jìn)行夯實(shí)處理到預(yù)定的高度。

（2）分步開(kāi)挖。填筑完成后進(jìn)行隧道開(kāi)挖施工。開(kāi)挖采用全斷面法，整個(gè)開(kāi)挖長(zhǎng)度為50 cm，分5步進(jìn)行，每步進(jìn)尺10 cm。每步開(kāi)挖完成后靜置 20 min，測(cè)定地表和土層內(nèi)部位移。

（3）加水破壞。開(kāi)挖完成后將模型靜置20 min，然后加入30 kg 水，觀測(cè)土體內(nèi)的涌水涌泥過(guò)程及隧道坍塌、土層變形等現(xiàn)象，記錄地層裂縫情況。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 開(kāi)挖過(guò)程

（1）試驗(yàn)現(xiàn)象

開(kāi)挖過(guò)程各點(diǎn)的位移情況見(jiàn)圖4、5。

第1、2 步開(kāi)挖完成后，洞室基本保持穩(wěn)定，中間斷面各測(cè)點(diǎn)的沉降值均較小。在第3 步開(kāi)挖過(guò)程中，土體出現(xiàn)明顯變形，洞頂有巖體剝落。在第4 步開(kāi)挖中，洞頂上方5 cm 處的位移計(jì)塌落，形成局部破壞。整個(gè)開(kāi)挖完成后，可以觀察到少量水緩慢滲出，靜置一段時(shí)間后，圍巖沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞，整個(gè)洞室變形逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 的沉降曲線顯示隧道開(kāi)挖導(dǎo)致的水平地層變形在橫斷面方向形成一個(gè)明顯的“沉降槽”。圖5顯示地層的豎向變形在靠近隧道邊緣的區(qū)域較大，隨著與隧道邊緣距離的增加而迅速降低。

圖4 中斷面處的地表沉降 Fig.4 Surface settlements in middle section

圖5 中斷面處沿隧道軸線的地層沉降 Fig.5 Settlements of middle section along tunnel axis

（2）試驗(yàn)規(guī)律分析

Peck 最早提出由隧道開(kāi)挖導(dǎo)致的橫斷面上的地表沉降為一正態(tài)曲線。此后，學(xué)者們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，橫斷面上地層內(nèi)部的沉降也符合正態(tài)分布規(guī)律（如圖6 所示）[8，15]。地表或地層內(nèi)的沉降s 計(jì)算公式為

式中：maxs 為地表或一定深度處的中心最大沉降；x為沉降點(diǎn)距離中線的水平距離；i 為沉降曲線的拐點(diǎn)。不少學(xué)者對(duì)i 的影響參數(shù)及計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的研究[6－8]。O'Reilly 認(rèn)為，地表的i 值可以下式計(jì)算[6]：

式中：z 為隧道中點(diǎn)距離地表的垂直距離；參數(shù)K由土的性質(zhì)決定，與隧道幾何尺寸及施工方法無(wú)關(guān)。同時(shí)，O'Reilly 等[6]還建議黏性土K 值為0.50，砂土或礫石為0.25。Mair 等[15]則建議黏性土、砂土和礫石的K 值分別為0.50 和0.35。Lee 等[8]提出了地表和地層內(nèi)部沉降曲線的i 值計(jì)算公式為

式中：z0為沉降計(jì)算點(diǎn)距離地表的垂直距離；D 為隧道直徑。

圖6 地表沉降和地層內(nèi)部沉降型式[8] Fig.6 surface and subsurface settlement profiles[8]

圖7 試驗(yàn)結(jié)果與理論擬合曲線的對(duì)比 Fig.7 Comparison between test results and theoretical fitting curve

采用式（2）計(jì)算的中斷面上的地表位移曲線與實(shí)測(cè)位移對(duì)比如圖7 所示，其中理論計(jì)算K 取0.5。由圖可見(jiàn)，理論曲線與實(shí)測(cè)沉降十分吻合。通過(guò)對(duì)圍巖外側(cè)的白色標(biāo)志物的變形觀察，可以發(fā)現(xiàn)地層內(nèi)部的變形具有圖6 所示的規(guī)律，隨著z0的增加，中心沉降smax增大，i 值減小。

4.2 加水破壞過(guò)程

（1）試驗(yàn)現(xiàn)象

加水約20 min 后，洞口開(kāi)始濕潤(rùn)，有水流緩慢流出，隧道洞室附近的土體處于飽和狀態(tài)。洞頂上方與地表各處變形值緩慢增大，洞頂上方出現(xiàn)小范圍局部坍塌。

大約加水25～30 min 后，水流變得混濁，裹挾泥沙流出，流量有所增加。30 min 后，隧道頂部突然出現(xiàn)大范圍垮塌，隧道洞身堵塞，內(nèi)部出現(xiàn)空洞，土層位移迅速增大，地表出現(xiàn)裂縫，如圖8 所示。地表軸線兩側(cè)出現(xiàn)了兩條較大的環(huán)狀裂縫，為了方便描述，將這兩條裂縫稱為主裂縫。從后面的試驗(yàn)現(xiàn)象可見(jiàn)，主裂縫是整個(gè)破壞過(guò)程中的兩條最寬、最深的裂縫。其中左側(cè)裂縫距離隧道中軸線約 31 cm，右側(cè)約24 cm。

圖8 加水30 min 后模型的變形、裂縫和塌方情況 Fig.8 Deformations, cracks and collapse of the model (30 minutes after watering）

加水35 min 后垮塌現(xiàn)象更加嚴(yán)重，水流變?yōu)轲哪嗌沉?。主裂縫繼續(xù)變寬、變深，內(nèi)部空洞不斷擴(kuò)大，位移測(cè)點(diǎn)相繼脫落。在兩個(gè)主裂縫之間，細(xì)微裂縫明顯增多，地表沉降發(fā)展迅速，而之外的區(qū)域沉降發(fā)展緩慢，裂縫也不顯著。

嚴(yán)重的涌水、涌泥和圍巖塌方持續(xù)了近25 min。此后涌泥、涌水量逐漸減小，約3 h 后基本停止，圍巖變形逐漸穩(wěn)定，情況如圖9 所示。此時(shí)，塌方造成了一個(gè)幾乎延伸至地表的空洞，最大直徑約 27 cm，洞頂距離地表14 cm；主裂縫的最大開(kāi)裂寬度約0.4 cm，最下端深約為12 cm。

（2）試驗(yàn)規(guī)律分析

從模型試驗(yàn)的現(xiàn)象來(lái)看，圍巖破壞的主要原因是突泥涌水。由于涌水裹挾了大量的圍巖顆粒，導(dǎo)致了土層流失，圍巖內(nèi)部裂隙迅速發(fā)展，破壞了地層的穩(wěn)定，引發(fā)了顯著的地表沉降裂縫和大范圍的圍巖坍塌。

圍巖破壞呈典型的拱形破壞型式。坍塌首先發(fā)生在隧道的上方，并形成塌落拱。在后續(xù)的塌方中，塌落拱不斷擴(kuò)大并逐漸向上發(fā)展，與上部裂縫不斷靠近，并有可能產(chǎn)生塌穿型塌方。

地表的兩條主裂縫，是整個(gè)塌方過(guò)程中最寬、最深的兩條裂縫。整個(gè)突泥涌水過(guò)程，在兩條主裂縫之間的區(qū)域內(nèi)，地表沉降和裂縫的發(fā)展較其他區(qū)域更加迅速。該區(qū)域是隧道施工過(guò)程中突泥涌水及隧道塌方對(duì)地表產(chǎn)生影響的主要區(qū)域，在施工中應(yīng)予以重點(diǎn)監(jiān)控。

圖9 加水3 h 后模型的變形、裂縫和塌方情況 Fig.9 Deformations, cracks and collapse of the model ( three hours after watering)

5 結(jié) 論

（1）地表未出現(xiàn)裂縫時(shí)，橫斷面上地表和地層內(nèi)部變形規(guī)律可以用Peck 的正態(tài)分布曲線較好地描述。

（2）突泥涌水造成圍巖軟化，并帶走圍巖中的物質(zhì)，是引起隧道出現(xiàn)嚴(yán)重塌方的最重要因素。

（3）隧道塌方破壞從拱頂開(kāi)始，呈拱形區(qū)域逐漸向上發(fā)展，最終的塌落腔是一個(gè)典型的拱形承載結(jié)構(gòu)。

（4）地表兩條大裂縫（主裂縫）在隧道坍塌初期就形成了，由塌方引起的地表沉降和破壞的主要影響區(qū)域位于兩條主裂縫之間，變形和裂縫在這一區(qū)域的發(fā)展較其他區(qū)域更為嚴(yán)重。

（5）需要指出，本試驗(yàn)采用兩步走的試驗(yàn)方案與實(shí)際施工過(guò)程并不相同，盡管模型試驗(yàn)中的圍巖變形破壞及地表沉降開(kāi)裂的規(guī)律與北崗隧道的破壞現(xiàn)象十分相似，本試驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)際工程只有定性的參考意義。在后續(xù)的研究工作中應(yīng)注重模型試驗(yàn)技術(shù)的研究，更為合理地模擬地下水的滲流補(bǔ)給過(guò)程及隧道的分步開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程。

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