基于模型試驗(yàn)的富水砂層新意法變形控制研究*

劉 濤，孫文景，龔旭東，楊忠年，張 瑾

(1.中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；3.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，陜西 西安 710073;4.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與進(jìn)步，中國(guó)進(jìn)入了地鐵建設(shè)的高峰期，隨之面臨的困難則是各種復(fù)雜地質(zhì)條件。尤其在大斷面隧道施工時(shí)，還需結(jié)合分層分部等限挖措施，減小臨空面積，以保證掌子面的穩(wěn)定。相比全斷面開挖，限挖法(分層分部開挖等) 的成本要高很多，因此，意大利學(xué)者Pietro Lunardi提出一種替代思路，即通過(guò)加固超前核心土，人為地改善掌子面的自穩(wěn)能力，從而創(chuàng)造出全斷面開挖條件，這就是新意法(巖土控制變形分析ADECO-RS)的主要思想[1]。

根據(jù)前人的研究[2-7]，新意法更重視隧道加固措施，把隧道加固措施視為調(diào)控隧道變形不可或缺的工具，這對(duì)于加固軟弱地層具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。但由于新意法施工高度突出機(jī)械化的理念，在國(guó)內(nèi)并未廣泛應(yīng)用。

在過(guò)去的10多年中，新意法不僅在國(guó)外得到了廣泛的研究及工程應(yīng)用[8-12]，在我國(guó)也有一些工程嘗試性的對(duì)新意法進(jìn)行了應(yīng)用與研討，如曠文濤等[13]以瀏陽(yáng)河隧道為研究對(duì)象，通過(guò)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)分析等，對(duì)隧道新意法施工的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究；王克忠等[14]以野豬山隧道為研究對(duì)象，采用數(shù)值仿真模擬分析了新意法和臺(tái)階法開挖時(shí)掌子面的變形特點(diǎn)，驗(yàn)證了新意法施工可有效抑制掌子面變形；張?jiān)屎５萚15]進(jìn)行了新意法在卵形大斷面富水全風(fēng)化凝灰?guī)r隧道中應(yīng)用的研究。

盡管國(guó)內(nèi)學(xué)者近年來(lái)的研究為新意法的引進(jìn)提供了有力的技術(shù)支撐[16-20]，但由于我國(guó)對(duì)新意法全斷面開挖的實(shí)踐尚處于起步階段，工程經(jīng)驗(yàn)較少、沒(méi)有形成相應(yīng)的技術(shù)指南，因此，有必要對(duì)新意法施工效果及其優(yōu)化進(jìn)行力學(xué)研究，從而為示范性工程的實(shí)施提供支撐。

青島地鐵3號(hào)線保兒～河西區(qū)間隧道開挖標(biāo)準(zhǔn)面高6.65 m，寬6.35 m，埋深8.15～13.0 m。該施工段靠近張村河，圍巖為Ⅵ級(jí)圍巖富水砂層段。隧道由河西站作為起始點(diǎn)進(jìn)行開挖，開挖進(jìn)洞后穿越富水的粗砂～礫砂層，隧道主體91%位于富水砂層中。開挖顯示，隧道進(jìn)洞后穿越富水的層粗砂～礫砂層，該砂土層呈中密～密實(shí)狀，以粗礫砂為主，含約5%～30%粘性土，部分呈粘性土膠結(jié)狀，混有較多圓角礫和Ф1～8 cm卵碎石，局部混有風(fēng)化碎屑。

本文以青島地鐵保兒～河西區(qū)間隧道為研究對(duì)象，基于自行設(shè)計(jì)的模型試驗(yàn)，驗(yàn)證新意法在富水砂層隧道開挖中的適用性，以及研究施工過(guò)程中的變形機(jī)理，以期對(duì)新意法施工工藝、關(guān)鍵控制技術(shù)等進(jìn)行充分的認(rèn)識(shí)，供后續(xù)類似工程提供參考。

1 模型材料

1.1 模型材料參數(shù)

試驗(yàn)研究區(qū)地質(zhì)剖面圖如圖1所示。以青島地鐵保爾兒～河西區(qū)間隧道富水砂層段土體力學(xué)參數(shù)為對(duì)比基礎(chǔ)，確定模型材料力學(xué)參數(shù)(見表1)。

圖1 保河區(qū)間砂層段地質(zhì)縱斷面圖Fig.1 Geological profile map of sand bed in Baohe section

表1 富水砂層地層原型與模型物理力學(xué)參數(shù)對(duì)照表Table 1 Comparison of physical and mechanical parameters between prototype and model of water-rich sand bed

注漿加固體模擬材料的選取，根據(jù)相似準(zhǔn)則推導(dǎo)出所建地層模型與施工現(xiàn)場(chǎng)地層條件的相似比1∶25，并通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的注漿及旋噴樁加固體的抗壓強(qiáng)度，來(lái)確定所選材料的力學(xué)參數(shù)(見表2)。

表2 加固材料原型與模型參數(shù)對(duì)照表Table 2 Comparison table between prototype and model parameters of reinforced materials

1.2 模型材料選取

選取依托工程附近河流中粘粒含量較小的清潔河砂(粒度0.15～0.5 mm)做為模型材料配比的骨料。

1.2.1 模型砂土三軸強(qiáng)度試驗(yàn) 對(duì)選用砂土進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)材料滿足強(qiáng)度相似比，采用試驗(yàn)指標(biāo)評(píng)估注漿加固體材料抗剪切破壞強(qiáng)度。不同圍壓條件下，測(cè)試砂樣及注漿模擬加固體試樣的飽和不排水三軸抗剪強(qiáng)度應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。

圖2 砂樣及注漿加固體模擬試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.2 Stress-strain relationship of sand sample and grouting plus solid simulated sample

根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論，計(jì)算得出相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)?？箟簭?qiáng)度計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中：c為粘聚力(kPa)；φ為內(nèi)摩擦角(°)。

砂土試樣的粘聚力為1.18 kPa，內(nèi)摩擦角為38°，計(jì)算得出其抗壓強(qiáng)度為4.839 kPa，滿足試驗(yàn)要求強(qiáng)度。

在所用砂土中按比例加入石膏、石灰和膨潤(rùn)土，用于模擬實(shí)驗(yàn)用注漿加固體，其比例為砂土∶石膏∶石灰∶膨潤(rùn)土=3∶0.7∶0.3∶0.1。注漿加固體試樣粘聚力為5.5 kPa，內(nèi)摩擦角為31°，可得其抗壓強(qiáng)度為19.44 kPa，滿足試驗(yàn)強(qiáng)度要求。

1.2.2 旋噴樁模擬材料抗壓試驗(yàn) 模擬旋噴樁加固體的材料需要具有強(qiáng)度低、性能穩(wěn)定、非親水性等特征，要求其在試驗(yàn)過(guò)程中不能遇水分解，以此來(lái)分析水在加固體中的滲流規(guī)律?；诖?，本文選用外涂有機(jī)油的石膏作為旋噴樁加固體的模擬材料。

2 模型試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的模型箱進(jìn)行，總體示意圖如圖3所示，模型箱尺寸為1 150 mm×1 150 mm×1 800 mm。其主體由厚度為20 mm的有機(jī)玻璃板焊接而成，為保證其擁有足夠的剛度，用三角鋼設(shè)置了橫向和縱向的鋼肋。上覆自制PVC蓋板，用于固定測(cè)點(diǎn)，便于測(cè)量地表沉降。

圖3 模型箱總體示意圖Fig.3 Overall diagram of the model box

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖Fig.4 Layout of monitoring points

2.1 孔土壓傳感器布設(shè)

根據(jù)模型箱的尺寸，將孔土壓力傳感器布設(shè)于模擬掌子面上方100和200 mm的位置，預(yù)先將其放入相應(yīng)地層位置。

2.2 核心土位移測(cè)量

采用端頭被擴(kuò)大的位移傳感器進(jìn)行核心土位移測(cè)量，消除傳感器作用力對(duì)土體變形產(chǎn)生影響的可能。采用內(nèi)置傳感器測(cè)量土體收斂變形情況，使位移傳感器端頭位于土體內(nèi)部，通過(guò)差值測(cè)量土體變形，如圖5所示。

圖5 地表觀測(cè)點(diǎn)斷面分布圖Fig.5 Surface observation point cross-section distribution map

2.3 地表變形測(cè)量

試驗(yàn)中為了保證所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，地表沉降位移變形采用高精度激光測(cè)距儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，將尺寸為1 200 mm×120 mm的PVC蓋板(如圖5(a)所示)置放于模型箱頂部，在蓋板上設(shè)計(jì)有觀測(cè)孔對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)位置。地表沉降變形監(jiān)測(cè)共布設(shè)5個(gè)間距為200 mm的監(jiān)測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)數(shù)量為16(見圖5(b))，其中斷面C為隧道開挖方向縱線，包括8個(gè)測(cè)點(diǎn)，并將靠近開挖方向的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加密布設(shè)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將測(cè)距儀緊貼于蓋板觀測(cè)孔之上進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.4 模型箱注水、排水裝置

為保證水流的暢通，避免排水閥堵塞，在模型箱底部放置厚度為100 mm的礫石過(guò)濾層，用以阻擋砂土堆積在排水閥進(jìn)水口，如圖6所示，并在砂層中預(yù)先放置3根PVC花管，以正三角形均勻地布設(shè)在隧道上方，保證砂層土體充分飽和。此外，為模擬實(shí)際存在的滲漏水情況，在砂土中埋入漏水軟管，如圖7所示。

圖6 過(guò)濾層Fig.6 Filter layer

圖7 模擬滲漏水裝置Fig.7 Simulated leakage devic

2.5 加固土體配置

(1)選用低溶水性的優(yōu)質(zhì)石膏作為膠凝劑制作模型試件，并在表面涂一層機(jī)油，使其具有良好的非親水性，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，該材料制作的模型適合于模擬“固-液”兩相耦合場(chǎng)。

(2)全斷面注漿部分材料強(qiáng)度要求低，采用石膏作為粘結(jié)劑，石灰作為松散劑，膨潤(rùn)土作為非親水性物質(zhì)，為原材料進(jìn)行模型材料的配比試驗(yàn)。以石灰粉作為分層材料，每隔100 mm鋪設(shè)石灰粉，按1∶25建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

(3)旋噴樁相似材料除必須具有容重大、強(qiáng)度低、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)外，還必須同時(shí)具備非親水性(模型遇水不崩解，可以觀察水的滲流過(guò)程)，因此采用石膏制作模具，并涂機(jī)油，以提高其隔水性能。

3 試驗(yàn)步驟

模型試驗(yàn)實(shí)施步驟如下：

(1)傳感器率定；

(2)在模型箱內(nèi)填砂，進(jìn)行分層夯實(shí)，以100 mm為一層，每層間用石灰隔斷；

(3)布設(shè)傳感器，將水土壓力計(jì)置于固定位置處；

(4)將預(yù)先完成的模擬旋噴樁進(jìn)行埋設(shè)，并使用小導(dǎo)管注漿對(duì)空隙進(jìn)行填實(shí)，

(5)繼續(xù)填砂至距離模擬隧道拱頂500 mm處；

(6)使用預(yù)埋的PVC花管調(diào)節(jié)水頭高度；

(7)等待24 h，使砂層飽和固結(jié)；

(8)確保模型箱密封情況后，以每循環(huán)進(jìn)尺為40 mm，使用鐵鏟人工進(jìn)行開挖；

(9)開挖完成后，涂抹10 mm石膏模擬混凝土噴層，并將預(yù)先做好的鋼拱架放入以作支護(hù)；

(10)將位移計(jì)按照設(shè)計(jì)埋設(shè)于開挖面土體中，監(jiān)測(cè)掌子面的位移變形情況。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

4.1.1第一環(huán)開挖 開挖過(guò)程中，滲漏水現(xiàn)象明顯，土體發(fā)生微量變形，周邊圍巖變形幅度較小，表明旋噴樁及小導(dǎo)管加固對(duì)土體穩(wěn)定性具有很好的控制作用，在施做鋼拱架后，土體變形趨于穩(wěn)定。

在保持水位的前提下，掌子面的開挖依舊造成涌水量較大、水位下降的現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)量，水位一直處于掌子面腰線位置，且開挖過(guò)程中，水流一般會(huì)由加固體潛在縫隙出現(xiàn)滲漏情況，若加固體受水流侵蝕過(guò)強(qiáng)，容易產(chǎn)生管涌現(xiàn)象，對(duì)加固體與隧道開挖的安全性造成較大的影響。

第一環(huán)開挖總用時(shí)90 min，在此過(guò)程中，地面沉降保持良好，未出現(xiàn)明顯變形，這說(shuō)明在富水且有補(bǔ)充水源的地層中開挖時(shí)，新意法施工控制變形效果較好。

4.1.2第二環(huán)開挖 第二環(huán)開挖掌子面保持情況較好，表明加固對(duì)于掌子面核心土的控制具有較好的效果。由于拱腳處加固不夠，在較強(qiáng)的水土壓力影響下，發(fā)生了涌水冒砂現(xiàn)象，沙土以流塑態(tài)迅速進(jìn)入隧道內(nèi)部(見圖8)。

圖8 涌水冒砂現(xiàn)象Fig.8 Water and sand gushing phenomenon

停止水位維持后，隧道壁上留下涌水通道(見圖9)，表明沙土在無(wú)滲透力的作用下具有一定的成拱能力。試驗(yàn)現(xiàn)象表明：富水砂層開挖時(shí)，在注意加固拱頂?shù)耐瑫r(shí)，對(duì)拱腳位置應(yīng)做全面的防護(hù)；加固體應(yīng)注意連接性，每一環(huán)加固應(yīng)注意搭接處的密封性，以防止地下水的侵入而造成管涌現(xiàn)象。

圖9 加固體薄弱環(huán)節(jié)Fig.9 Solid weakness

4.1.3 極限狀態(tài)實(shí)驗(yàn) 第二環(huán)開挖完成后，繼續(xù)循環(huán)開挖，采取不做噴層及鋼拱架支護(hù)且增大水壓的方法來(lái)確定加固體的極限狀態(tài)。

開挖3～5循環(huán)過(guò)程中沒(méi)有異常，開挖至第6循環(huán)時(shí)突然出現(xiàn)土體坍塌(見圖10)。破壞發(fā)生位置靠近小導(dǎo)管加固體尾端，由于模擬隧道上方還有旋噴樁支護(hù)，并沒(méi)有引起較大的地面沉降。待穩(wěn)定后，繼續(xù)在無(wú)任何支護(hù)的狀況下進(jìn)行開挖。

圖10 隧道坍塌Fig.10 Tunnel collapse

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.2.1 核心土變形分析 對(duì)第一環(huán)開挖和第二環(huán)開挖后掌子面核心土和拱頂?shù)氖諗孔冃芜M(jìn)行分析(見圖11，12)。

圖11 第一環(huán)開挖位移Fig.11 Excavation displacement of the first ring

可看出，模擬隧道開挖過(guò)程中掌子面位移和拱頂收斂變形較小，在該試驗(yàn)中掌子面核心土位移最大為6 mm，隧道內(nèi)收斂變形最大為10 mm，說(shuō)明控制核心土起到了較好的支護(hù)效果。

4.2.2 孔隙水壓力和土壓力 在極限破壞狀態(tài)試驗(yàn)中，孔隙水壓力和土壓力的變化如圖13所示。

圖12 第二環(huán)開挖位移Fig.12 Excavation displacement of the second ring

圖13 極限破壞狀態(tài)試驗(yàn)孔壓與土壓變化Fig.13 Change of pore pressure and soil pressure in ultimate failure state test

孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)與土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于旋噴樁加固體模型材料上方，在出現(xiàn)極限破壞前，掌子面上方土壓力下降迅速，孔隙水壓力和土壓力都不斷波動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)土體出現(xiàn)滑動(dòng)破壞。

4.2.3地表沉降分析 試驗(yàn)過(guò)程中，取與設(shè)計(jì)蓋板相對(duì)應(yīng)的縱斷面C和橫斷面2、4來(lái)反映地表沉降的變化情況，縱斷面C不同工況下沉降槽曲線如圖14所示，橫斷面2、4不同工況下沉降槽曲線如圖15所示，圖16為地面塌陷時(shí)的地表形態(tài)。

圖14 縱斷面C不同工況下沉降槽曲線Fig.14 Surface settlement section location

圖15 橫斷面不同工況下的沉降槽曲線Fig.15 Settlement trough curve under different working conditions of cross-section

圖16 塌陷后地表形態(tài)Fig.16 Surface morphology after collapse

從圖中可以看出，地表變形沉降值最大的位置一般都位于隧道掌子面上方。在前兩環(huán)開挖過(guò)程中，因?yàn)橛懈鞣N加固支護(hù)措施的存在，地表沉降值變化幅度較小，表明加固體具有較好的支護(hù)作用。在前兩環(huán)開挖結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)行極限狀態(tài)試驗(yàn)，在缺少噴層及鋼拱架支撐的情況下，模擬隧道內(nèi)部出現(xiàn)了較小程度的坍塌，地表沉降受到的影響較小。在隨后的無(wú)支護(hù)模擬隧道開挖破壞試驗(yàn)中，一開始洞內(nèi)出現(xiàn)坍塌的預(yù)兆時(shí)，地表沉降并沒(méi)有受到較大的影響，但當(dāng)水壓力增加到一定程度后，地表在瞬間發(fā)生激烈沉降，隧道拱頂上方形成貫穿坍塌。

5 結(jié)論

本文以青島地鐵3號(hào)線保兒—河西區(qū)間隧道為依托，模擬新意法在富水砂層隧道中施工的過(guò)程，得出四個(gè)施工注意要點(diǎn)：

(1)在隧道開挖地層含水量較高的情況下，砂土層圍巖發(fā)生的變形不屬于彈塑性變形，因此砂土層圍巖僅通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算不足以判斷其穩(wěn)定性；

(2)在含水量較高的情況下，砂土和地下水的壓力基本作用于加固體之上，地表變形仍然很小，可為加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)；

(3)新意法在施工中，應(yīng)注意加固體的搭接，保持加固體的連續(xù)性與完整性，同時(shí)由于水壓力的作用，拱腳處易受破壞，因此需進(jìn)行一定厚度的加固，防止管涌現(xiàn)象。

(4)富水砂層中，由于砂土性質(zhì)非常不穩(wěn)定，必須嚴(yán)密監(jiān)測(cè)掌子面核心土的變形位移，因?yàn)楫?dāng)存在滲漏水情況時(shí)，砂土層很可能發(fā)生瞬時(shí)變形。