軟弱富水地層淺埋暗挖隧道地表沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的模型試驗(yàn)

張 杰

(福州理工學(xué)院,福州 350000)

1 概述

隨著城市建設(shè)的進(jìn)行，城際間聯(lián)系愈加密切，城際軌道交通建設(shè)迅猛發(fā)展。由于客流量、投資造價(jià)、規(guī)范等限制，線路可能會(huì)穿過工程地質(zhì)比較復(fù)雜的地層。在復(fù)雜地層中進(jìn)行淺埋暗挖法隧道施工，理論上是可行的[1，2]，許多學(xué)者對(duì)施工所引起的地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形也進(jìn)行了大量的研究。姚宣德等[3]、王霆等[4]、李濤等[5]通過對(duì)眾多工程實(shí)例進(jìn)行整理并研究證實(shí)，淺埋暗挖隧道施工地表沉降可利用Peck公式[6]來模擬，對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，為隧道工程設(shè)計(jì)及施工提出了許多中肯的建議。Peck公式存在3個(gè)特征參數(shù)，即地層損失率、沉降槽寬度、地表最大沉降量，參數(shù)的選用一直是眾學(xué)者討論的要點(diǎn)。學(xué)者們利用理論方法[7，8]、反演分析法[9]、經(jīng)驗(yàn)法[10]等推導(dǎo)出了很多不同地質(zhì)情況下的經(jīng)驗(yàn)公式或估值。

超前注漿和拱架支護(hù)是淺埋暗挖隧道施工常用的且行之有效的施工方法[11-14]，其參數(shù)確定的相關(guān)研究也有很多。李術(shù)才等[15]基于廣義賓漢流體本構(gòu)方程，推導(dǎo)了考慮漿液流變特征的優(yōu)勢劈裂注漿擴(kuò)散控制方程，鄒金峰等[16]在塑性力學(xué)和大變形理論上推導(dǎo)出土體劈裂注漿理論公式。

以上研究成果多針對(duì)一般性軟弱地層，如果地層中含有豐富的地下水，施工時(shí)會(huì)帶來許多問題[17-20]，比如隧道開挖過程中出現(xiàn)嚴(yán)重滲水、拱架受力變形嚴(yán)重、地表沉降過大并出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重處甚至造成塌陷以及部分掌子面土體失穩(wěn)等，圍巖及拱架的受力變形規(guī)律也可能有所差異，而且由于地質(zhì)情況不同，土層所體現(xiàn)出來的物理力學(xué)性質(zhì)差別也很大[21]。因此，針對(duì)軟弱富水地層淺埋暗挖隧道地表沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可為同類軟弱富水地層淺埋暗挖隧道工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工提供參考。

2 工程概況

圖1 強(qiáng)風(fēng)化混合片麻巖

依托莞惠城際軌道交通工程項(xiàng)目GZH-5標(biāo)段中DK32+300～DK32+927.303段。試驗(yàn)段為軟弱富水地層段，施工前期采用淺埋暗挖法，埋深多為9～15 m；地下水初見水位3.1 m，穩(wěn)定水位3.4～7.5 m；隧洞多穿過風(fēng)化嚴(yán)重的Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖(圖1)。地層由上至下分別為：第四系全新統(tǒng)(Q4ml)人工素填土層；第四系沖積層(Q4al)粉質(zhì)黏土；第四系殘積層(Q4el)粉質(zhì)黏土；下古生界(Pzl)全、強(qiáng)風(fēng)化混合片麻巖。

取強(qiáng)風(fēng)化W3、全風(fēng)化W4兩組原狀土進(jìn)行物理、力學(xué)試驗(yàn)，可得到表1所列試驗(yàn)結(jié)果。

表1 混合片麻巖(W3、W4)主要物理、力學(xué)指標(biāo)匯總

隧道采用CD法施工(圖2)，步距0.5 m，上臺(tái)階5～7 m，左右導(dǎo)坑間距8～10 m，雙線施工時(shí)，開挖面間隔至少15 m，預(yù)留核心土2～3 m；超前支護(hù)采用3 m的φ42 mm超前小導(dǎo)管，縱距1 m，環(huán)距0.33 m；初期支護(hù)采用縱距0.5 m的I20a臨時(shí)鋼架，每拱設(shè)2根3 m的φ42 mm鎖腳錨桿，縱向每米設(shè)置1根長3.5 m的φ25 mm系統(tǒng)徑向砂漿錨桿，C20網(wǎng)噴混凝土(150 mm×150 mm的φ8 mm鋼筋網(wǎng))，厚度0.3 m；永久支護(hù)為0.55 m模筑襯砌。

圖2 CD法施工工法示意

3 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備的研制

根據(jù)實(shí)際情況及咨詢專家意見，試驗(yàn)幾何比尺確定為1∶25，地層材料(模型土)及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的相似比見表2。模型箱整體尺寸2.6 m×1.6 m×1.6 m，隧洞邊墻及拱底與模型箱邊界距離大于2倍隧洞寬(高)，前面由2塊10 mm厚鋼化玻璃板拼接而成(加工時(shí)已切割出開挖輪廓面，填土前需用擋土板堵住隧洞)，內(nèi)部左右兩側(cè)各設(shè)1個(gè)尺寸0.3 m×1.2 m×1.6 m的水槽，水槽外鋪設(shè)兩層細(xì)鐵絲網(wǎng)以防模型土進(jìn)入水槽，模型箱外兩側(cè)設(shè)排水孔，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)地下水的水位高度。注漿及噴混凝土試驗(yàn)采用一種自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置[22]，試驗(yàn)設(shè)備見圖3。

表2 地層材料和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的相似比

圖3 試驗(yàn)設(shè)備

3.2 相似材料

(1)模型土

本試驗(yàn)地層相似材料優(yōu)先考慮密度、強(qiáng)度特性、滲透性質(zhì)3個(gè)主要指標(biāo)，未將變形指標(biāo)作為控制指標(biāo)，是由于隧道開挖對(duì)其中的土(巖)體來說，是一個(gè)卸載過程，采用反映加載變形特性的指標(biāo)如壓縮模量等指標(biāo)反映卸載過程中的變形特性顯然是不合理的，且土為散體材料，其變形特性(特別是卸載時(shí))與連續(xù)體不同。考慮到尋找同時(shí)滿足多個(gè)相似要求的材料較困難，故實(shí)際配制時(shí)，采用0.2%的羥丙基甲基纖維素(HPMC)溶液增加水的黏滯性，降低模型土滲透性。

經(jīng)多次試驗(yàn)，最終選用某料場生產(chǎn)的粒徑≤0.075 mm的石英砂作為模型土。模型土的主要物理、力學(xué)指標(biāo)見表3。

表3 模型土的主要指標(biāo)

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)選用成都牛元建材有限公司生產(chǎn)的水泥堵漏劑配制模型試驗(yàn)用噴混凝土。該材料按1∶0.8的水灰比配制時(shí)，其初凝時(shí)間較短，通過單軸壓縮試驗(yàn)，可得其在不同凝固時(shí)間時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖4)。本次試驗(yàn)最終采用凝固時(shí)間為25 h時(shí)的彈性模量，其值為1.1 GPa。

圖4 噴混凝土模型材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為保證模型與原型的抗壓剛度、抗彎剛度的相似，按相似性原理，應(yīng)滿足下式

式中，E、A、I、l分別為彈性模量、截面積、慣性矩、拱架間距；下標(biāo)“p”和“m”分別表示“原型”和“模型”；n為幾何相似比。

按剛度相似的要求，可計(jì)算出模型試驗(yàn)噴混凝土的理論厚度為9.6 mm，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)取10 mm。

試驗(yàn)采用亞克力作為鋼拱架的相似材料，實(shí)測彈性模量2.79 GPa。設(shè)兩榀拱架間距為80 mm，采用高11.3 mm、寬6.8 mm的矩形截面可滿足上述要求。

3.3 測點(diǎn)布置及量測方法

地表位移使用廣陸數(shù)字測控股份有限公司生產(chǎn)的精密百分表(防震)量測，測量范圍0～10 mm，測量精度0.01 mm。量測項(xiàng)目包括超前注漿時(shí)及開挖時(shí)地表位移，測點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 地表沉降測點(diǎn)布置示意(單位：mm)

超前注漿深度取400 mm，模型試驗(yàn)注漿孔面積按原型面積的1/252計(jì)算，注漿孔設(shè)置于擋土板上，擋板分為4塊，注漿孔布置方式及擋板編號(hào)如圖6所示。注漿漿液配比為：水泥堵漏劑∶水=1∶0.8。按相似性要求，注漿壓力采用30～50 kPa。

圖6 注漿孔布置方式

拱架內(nèi)力量測斷面為開挖深度200 mm處，使用型號(hào)為BX120-3AA的應(yīng)變片進(jìn)行量測，應(yīng)變量測儀器采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試儀。測點(diǎn)布置見圖7，共布置16個(gè)量測點(diǎn)，每個(gè)量測點(diǎn)斷面上、下各布置2個(gè)應(yīng)變片。

圖7 內(nèi)力測點(diǎn)及應(yīng)變片布置

3.4 試驗(yàn)過程及方法

本文共進(jìn)行2組模型試驗(yàn)，第1組未進(jìn)行全斷面超前注漿，第2組進(jìn)行超前注漿，以對(duì)比注漿對(duì)地表沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形造成的影響。試驗(yàn)主要工作內(nèi)容如下。

(1)試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

堵住所有排水孔，并將擋土板固定在開挖洞口處；將應(yīng)變片粘貼于拱架上；配制濃度為0.2%的纖維素飽和溶液。

(2)模型箱填土

按要求的密實(shí)度，分層填土并在鐵絲網(wǎng)外側(cè)加鋪一層厚10 cm的中粗砂；填筑完畢后，向兩側(cè)水箱倒入纖維素飽和溶液至第一排排水孔處；靜置一段時(shí)間，使之進(jìn)行自然沉降；安裝地表百分表，讀取初始值，準(zhǔn)備量測地表因注漿引起的地表豎向位移；進(jìn)行壓力注漿，穩(wěn)定后量測地表隆起量。圖8為注漿后在土中形成的漿液柱和漿脈；重新布置地表百分表，準(zhǔn)備量測因開挖造成的地表沉降。

圖8 注漿后形成的漿脈

(3)CD法施工

①隧道分區(qū)、開挖進(jìn)尺及深度

隧道橫斷面分為4個(gè)區(qū)，拱架間距8 cm，前、后區(qū)的開挖深度相差4 cm，隧道總開挖深度為44 cm。斷面分區(qū)及拱架編號(hào)見圖9。拱架安裝斷面見圖10，圖中加粗線為安裝拱架斷面。

圖9 隧道分區(qū)及拱架編號(hào)

圖10 拱架安裝位置(單位：mm)

②隧道開挖及量測

拼接①區(qū)拱架與中隔墻上部拱架(拱架1)，并在接頭處包裹一層塑料薄膜；記錄地表百分表初始讀數(shù)；取下?lián)醢?并開挖5 cm(含1 cm鋼化玻璃)；安裝拱架1，拱架底部用墊塊支撐；①區(qū)噴混凝土支護(hù)；沉降穩(wěn)定后，記錄地表沉降值；因前一區(qū)開挖深度比后一區(qū)多4 cm，故繼續(xù)開挖①區(qū)，方法同前；循環(huán)以上過程，每開挖一次，穩(wěn)定后記錄地表沉降值，當(dāng)開挖到安裝拱架的斷面時(shí)安裝模型拱架，安裝好量測斷面拱架后(開挖深度20 cm處)，還要記錄拱架的內(nèi)力值；按以上方式開挖，直至開挖深度44 cm，穩(wěn)定后記錄量測結(jié)果；拆除中隔墻并噴射混凝土封閉襯砌，進(jìn)行相應(yīng)的量測工作直到沉降穩(wěn)定。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)隧道超前注漿對(duì)地表的影響

根據(jù)開挖時(shí)觀察到的漿脈及漿液柱(圖8)，判定本試驗(yàn)注漿為劈裂注漿。利用鄒金峰等[16]推導(dǎo)的土體劈裂注漿理論公式

(1)

(2)

式中，Δμzhu為柱形孔擴(kuò)張漿液產(chǎn)生的初始超孔隙水壓力；Pshu1為柱形孔擴(kuò)張漿液豎向劈裂土體時(shí)的壓力；cu為土的不排水強(qiáng)度；rp為塑性區(qū)半徑；au為擴(kuò)孔后孔半徑；Af為孔隙壓力系數(shù)；σt為土體抗拉強(qiáng)度；φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力；P0為土體初始應(yīng)力。

將原狀土參數(shù)(見表1)代入上式，計(jì)算可得漿液豎向劈裂原狀土?xí)r的壓力Pshu1=75.4～138.6 kPa，遠(yuǎn)小于實(shí)際工程采用的注漿技術(shù)規(guī)程建議的壓力值750～1 250 kPa(即對(duì)應(yīng)模型試驗(yàn)注漿壓力30～50 kPa)。

由模型試驗(yàn)地表縱向和橫向隆起位移圖(圖11，縱向分布曲線圖例中數(shù)字表示與隧道軸線的水平距離，沿開挖向左側(cè)為“-”，橫向分布曲線圖例中數(shù)字表示與注漿斷面的水平距離)可知，超前注漿導(dǎo)致地表最大隆起值約1.8 mm(相當(dāng)于實(shí)際工程45 mm)，超過淺埋暗挖法施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30 mm，地表隆起影響范圍也較大，約1.5D(D為隧道寬度)。因此，采用注漿技術(shù)規(guī)程建議的注漿壓力值并不適用于軟弱富水地層施工，實(shí)際施工時(shí)需注意控制注漿壓力，建議注漿壓力值為0.5～1.0 MPa。

圖11 地表隆起位移曲線

(2)開挖引起的地表沉降

繪制兩組模型試驗(yàn)每個(gè)開挖循環(huán)橫向沉降曲線(圖12，圖例中數(shù)字表示每個(gè)開挖循環(huán))。由圖12可知，無超前注漿時(shí)的地表最大沉降為2.6 mm，進(jìn)行超前注漿可顯著改善地表沉降過大問題，最大沉降值降為0.84 mm，減少了67.7%，而且由于進(jìn)行超前注漿造成模型土更加密實(shí)，地表沉降較無超前注漿時(shí)變化更均勻。由于采用CD法開挖，左側(cè)土體更早釋放土壓力，最大沉降并非對(duì)應(yīng)于隧洞的中心線位置，而是偏向先開挖側(cè)。第2、4、6循環(huán)步沉降有突然增大趨勢,是由于拱架的安裝導(dǎo)致開挖面封閉歷時(shí)過長，之后循環(huán)步中安裝拱架對(duì)量測斷面沉降影響較小。

圖12 地表沉降橫向分布曲線

利用Peck公式對(duì)兩組試驗(yàn)最終沉降值進(jìn)行擬合(圖13)，2條曲線決定系數(shù)分別為0.973、0.968，由此可見，軟弱富水地層淺埋暗挖隧道施工反應(yīng)的地表沉降規(guī)律同一般地層條件下施工所反映出的地表沉降規(guī)律是一致的，符合Peck公式描述的正態(tài)分布曲線。經(jīng)計(jì)算，擬合曲線(第1組)地層損失率Vl為0.67%，寬度系數(shù)K為0.3。與文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)所得的Vl值0.22%～6.90%和K值0.34～0.80進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)值基本相符。類比同類軟弱富水地層工程研究結(jié)果，K值基本相符情況下，Vl值應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般地層[23]，本文Vl值偏小是因?yàn)槟Ｐ驮囼?yàn)未模擬施工排水情況，因此，軟弱富水地層進(jìn)行淺埋暗挖隧道施工時(shí)，排水會(huì)造成很大的地層損失，施工時(shí)應(yīng)盡量“擋水為主、排水為輔”。

圖13 地表最終沉降橫向分布曲線

取隧道中心線左側(cè)測點(diǎn)沉降值(第1組地表最大沉降點(diǎn))繪制沉降歷時(shí)關(guān)系曲線圖(圖14)。可以看出，與一般地層中進(jìn)行淺埋暗挖隧道施工時(shí)的地表沉降規(guī)律基本一致，分為4個(gè)階段，即微小沉降階段、沉降劇增階段、緩慢沉降階段和沉降穩(wěn)定階段。沉降開挖至測點(diǎn)對(duì)應(yīng)斷面前，無超前注漿、進(jìn)行超前注漿的沉降值分別為2.5、0.9 mm，分別占最終沉降量的83%、90%，通過測點(diǎn)對(duì)應(yīng)斷面之后沉降逐漸趨于穩(wěn)定，因此，同類工程施工時(shí)，應(yīng)采用較強(qiáng)的超前支護(hù)手段。

統(tǒng)計(jì)第1組地表最大沉降點(diǎn)4個(gè)分區(qū)開挖所引起的地表沉降量(表4)。可以看出，①區(qū)開挖卸荷會(huì)對(duì)圍巖造成較大的影響，引起的地表沉降量最大，占最終沉降的34.2%，②區(qū)次之，占最終沉降的23.4%，由于中隔墻的支擋作用，③區(qū)、④區(qū)開挖影響較小，拆除中隔墻后還會(huì)產(chǎn)生一定量的地表沉降。因此，開挖①區(qū)時(shí)應(yīng)施作較強(qiáng)的支護(hù)，開挖后應(yīng)立即封閉工作面。

圖14 地表沉降歷時(shí)關(guān)系曲線

(3)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力

開挖過程中，拱架彎矩及軸力最大值、最小值及出現(xiàn)位置見表5。拱架橫斷面彎矩當(dāng)外側(cè)受拉時(shí)為“+”，內(nèi)側(cè)受拉時(shí)為“-”，截面受壓時(shí)為“+”，受拉時(shí)為“-”。

表5 鋼拱架最大彎矩及軸力

由表5可知，開挖過程中，無超前注漿最大彎矩為16.00×10-6kN·m，進(jìn)行超前注漿后為-5.95×10-6kN·m，均位于④區(qū)，超前注漿對(duì)最大彎矩的量值影響較大，但最大受力分區(qū)并未改變。無超前注漿最大軸力為4.34×10-2kN，進(jìn)行超前注漿后為2.40×10-2kN，分別位于①區(qū)和④區(qū)，超前注漿對(duì)最大軸力的量值影響不大，但改變了最大受力分區(qū)。

試驗(yàn)最終的彎矩圖及軸力圖如圖15、圖16所示。比較兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從形態(tài)上看，由于采用CD法開挖導(dǎo)致受力圖表現(xiàn)出不對(duì)稱性。超前注漿對(duì)彎矩分布形態(tài)影響很大，相同位置所受彎矩甚至反向，軸力圖變化卻不大，從量值上看，進(jìn)行超前注漿后，受力明顯減小且逐步趨于均勻。整體上看，拱架①區(qū)及④區(qū)的軸力及彎矩較大，且軸力為壓力；②區(qū)、③區(qū)的較小，且會(huì)出現(xiàn)拉力，超前注漿可有效減小拱架內(nèi)力且受力趨于均勻。

圖15 拱架彎矩圖(單位:10-6 kN·m)

圖16 拱架軸力圖(單位：10-2 kN)

拱架穩(wěn)定性如何取決于其所承受的彎矩及軸力，彎矩與軸力之比(偏心距)是描述拱架穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[24]，其值越大，結(jié)構(gòu)越容易失穩(wěn)。將拱架最大偏心距處的彎矩、軸力計(jì)算匯總成表6。

由表6可知，無超前注漿時(shí)最大偏心距位于測點(diǎn)11，值為-8.74 mm，進(jìn)行超前注漿后最大偏心距出現(xiàn)在測點(diǎn)14，值為-2.70 mm。在其他條件相同時(shí)，進(jìn)行超前注漿后的拱架偏心距水平總體小于超前注漿前，拱架受力顯然更加合理，說明超前注漿有助于提高拱架穩(wěn)定性。鑒于拱架多處出現(xiàn)偏心距大于鋼拱架截面尺寸的情況，因此對(duì)于同類工程施工時(shí)，建議提高初期支護(hù)剛度，適當(dāng)調(diào)整拱架參數(shù)，其間距應(yīng)不大于0.5 m。

表6 拱架偏心距

5 結(jié)論

(1)采用注漿技術(shù)規(guī)程建議的壓力值對(duì)軟弱富水地層進(jìn)行超前注漿加固，注漿類型表現(xiàn)為劈裂注漿，地表隆起較大，最大隆起值超過淺埋暗挖法施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30 mm，地表隆起影響范圍約1.5D(D為隧道寬度)。

(2)地表沉降可很好地與Peck公式進(jìn)行擬合。K值基本相符情況下，所得Vl值遠(yuǎn)小于同類軟弱富水地層，是因?yàn)楸敬文Ｐ驮囼?yàn)未模擬施工排水情況，因此，軟弱富水地層進(jìn)行淺埋暗挖隧道施工時(shí)，排水會(huì)造成很大的地層損失。

(3)軟弱富水地層淺埋暗挖隧道施工地表沉降歷時(shí)曲線規(guī)律與一般地層基本一致，分為4個(gè)階段，即微小沉降階段、沉降劇增階段、緩慢沉降階段和沉降穩(wěn)定階段。地表沉降值主要發(fā)生在開挖至測點(diǎn)對(duì)應(yīng)斷面之前，無超前注漿、進(jìn)行超前注漿時(shí)沉降分別占最終沉降量的83%、90%。

(4)①區(qū)和④區(qū)拱架的軸力及彎矩較大且軸力為壓力，②區(qū)和③區(qū)的較小且會(huì)出現(xiàn)拉力。超前注漿對(duì)最大彎矩的量值影響較大，但彎矩最大受力分區(qū)并未改變，對(duì)最大軸力的量值影響不大，但改變了軸力最大受力分區(qū)，且注漿后受力趨于均勻。在其他條件相同時(shí)，進(jìn)行超前注漿后拱架偏心距水平總體小于超前注漿前，拱架受力更加合理，說明超前注漿有助于提高拱架穩(wěn)定性。

軟弱富水地層采用淺埋暗挖法進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工時(shí)，建議如下：(1)為防止超前注漿造成地表隆起值過大，需注意控制注漿壓力，建議值為0.5～1.0 MPa；(2)排水會(huì)造成很大的地層損失，施工時(shí)應(yīng)盡量以“擋水為主、排水為輔”；(3)應(yīng)采用較強(qiáng)的超前支護(hù)手段，其中超前注漿是一種有效的措施；(4)開挖①區(qū)時(shí)應(yīng)施作較強(qiáng)的支護(hù)手段，開挖后應(yīng)立即封閉工作面；(5)同類工程施工時(shí)，建議提高初期支護(hù)剛度，適當(dāng)調(diào)整拱架參數(shù)，其間距應(yīng)不大于0.5 m。

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