大斷面地鐵車站隧道軟弱圍巖漸進(jìn)破壞規(guī)律模型試驗(yàn)研究

孔 超，侯志強(qiáng), 朱曉雨，姚 勇，王海彥，張俊儒

(1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010；3.中國中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000； 4.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；5.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 成都 610031；6.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，為了滿足車站功能，暗挖地鐵車站多設(shè)置為大跨拱形斷面。但是，由于城市地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，周邊既有建(構(gòu))筑物眾多，施工工藝復(fù)雜等因素，若施工不當(dāng)，極易出現(xiàn)因隧道結(jié)構(gòu)及圍巖失穩(wěn)而造成的隧道塌方事故[1-4]，不僅造成人員和財物的極大損失，還會產(chǎn)生嚴(yán)重的社會不良影響。

通過對大跨隧道塌方機(jī)理的研究[5-7]，已經(jīng)明確隧道塌方是一個漸進(jìn)性破壞過程，即由于隧道開挖卸載導(dǎo)致應(yīng)力重分布，使應(yīng)力集中區(qū)域圍巖破壞，隨著隧道分部開挖，圍巖產(chǎn)生漸進(jìn)破壞，最終由于支護(hù)的漸進(jìn)破壞而產(chǎn)生塌方。隧道塌方是圍巖漸進(jìn)破壞以及支護(hù)漸進(jìn)破壞相互耦合作用的結(jié)果，但在實(shí)際施工中所能觀察到的現(xiàn)象只有支護(hù)的漸進(jìn)破壞過程，即支護(hù)變形—開裂—失穩(wěn)塌方(支護(hù)及圍巖)。目前，隧道圍巖漸進(jìn)破壞研究主要通過模型試驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算。模型試驗(yàn)為實(shí)現(xiàn)隧道漸進(jìn)破壞一般采用2種方法：一種是采用參數(shù)較弱的相似材料，不設(shè)置支護(hù)[8]，但該方法圍巖漸進(jìn)破壞過程極快，圍巖破壞發(fā)展過程不易觀察且無法模擬圍巖與支護(hù)的相互作用；另一種是設(shè)置支護(hù)后，通過加載模擬隧道漸進(jìn)破壞[9-13]，該方法雖然能夠模擬支護(hù)與圍巖相互作用的漸進(jìn)破壞過程，但由于圍巖破壞是通過外部荷載加載實(shí)現(xiàn)的，圍巖及支護(hù)始終處于超載狀態(tài)，圍巖受力及破壞狀態(tài)無法與實(shí)際完全吻合，且無法模擬隧道施工過程中的漸進(jìn)破壞。

本文以貴陽市軌道交通2號線陽明祠車站為工程案例，通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M大跨車站施工過程，在施工過程中僅通過圍巖自重，實(shí)現(xiàn)圍巖漸進(jìn)破壞以及支護(hù)漸進(jìn)破壞的模擬；通過施工漸進(jìn)破壞過程，明確施工期間大跨隧道塌方破壞過程機(jī)制，為隧道塌方的預(yù)防與治理提供理論基礎(chǔ)；研究圍巖與支護(hù)漸進(jìn)破壞過程的相互作用規(guī)律，探討圍巖塌落荷載與施工過程的相關(guān)性，為支護(hù)荷載設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

1 工程背景

陽明祠站位于寶山北路與東山路的十字交叉路口北側(cè)道路下方，沿寶山北路呈南北向布置。車站周邊環(huán)境復(fù)雜，車站正上方寶山北路為貴陽市市中心主干道，雙向6車道，車流量大且擁堵。車站起止里程為YCK34+371.496—YCK34+637.700，長266.204 m，寬19.9 m，設(shè)計(jì)為暗挖2層島式車站，最大開挖寬度26.35 m，埋深18.7 m。開挖標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：mm)

陽明祠站區(qū)間范圍內(nèi)上覆地層為第四系人工填土、紅黏土，第四系覆蓋層厚度約2.2～13.0 m，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)安順組白云巖，是典型的上層為軟土，下層為硬巖的地層。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報告，上層軟土和下層硬巖的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2 隧道施工漸進(jìn)破壞的模擬試驗(yàn)

2.1 相似比與模型材料

為了真實(shí)準(zhǔn)確地反映隧道開挖過程中圍巖和支護(hù)的變形特征及影響，必須考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原結(jié)構(gòu)之間的相似關(guān)系，主要包括模型材料、模型形狀以及荷載等[14-15]。

根據(jù)模型箱尺寸大小，并考慮模型試驗(yàn)成本與操作性，取幾何相似比Cl=50，推算出隧道模型寬度為470 mm，高度為350 mm。將幾何相似比作為基礎(chǔ)相似比，推導(dǎo)得出其它物理力學(xué)參數(shù)相似比分別為：材料泊松比、材料應(yīng)變、材料摩擦角相似比Cз=Cφ=Cμ=1∶1，材料彈性模量、模型變形、材料黏聚力Cχ=Cе=Cс=50∶1。依據(jù)該相似比，經(jīng)過大量的配比試驗(yàn)，確定軟土層材料的質(zhì)量配合比見表2，含水率為15%；硬巖土層骨料由鐵礦粉∶晶石粉∶英砂按照1.00∶0.67∶0.29的質(zhì)量配比制成，松香酒精溶液摩爾濃度為7.5 mol·L-1，材料的質(zhì)量配合比見表3，含石英砂數(shù)20～40目；最終選取模型圍巖的力學(xué)參數(shù)見表4。

表2 地鐵車站上層軟土模型材料的質(zhì)量配合比 單位：%

表3 地鐵車站下層硬巖(中風(fēng)化白云巖)模型材料的質(zhì)量配合比

單位：%

表4 模型圍巖的力學(xué)參數(shù)

2.2 模型試驗(yàn)裝置

模型箱以鋼架為基本組成單元，鋼架與鋼架的連接處由高強(qiáng)度螺栓固定而成，其封閉穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)能夠很好地滿足本試驗(yàn)所需要的圍巖邊界條件，確保與實(shí)際工況一致；整個模型箱的尺寸為3 000 mm×3 000 mm×1 000 mm，中間放置隧道處的尺寸為600 mm×600 mm；考慮隧道上方道路及車輛荷載，道路采用有機(jī)玻璃模擬，在路面放置一定數(shù)量的鐵塊模擬車輛荷載對隧道的影響；根據(jù)現(xiàn)場上下地層實(shí)際分布情況，以地鐵車站拱腳以上鋪設(shè)軟土相似材料，拱腳以下鋪設(shè)硬巖相似材料；模型箱前側(cè)為厚20 mm的有機(jī)玻璃構(gòu)成，可以清晰觀測到圍巖的變化情況；整個模型試驗(yàn)裝置如圖2所示。

2.3 測點(diǎn)布置及測試方法

試驗(yàn)中主要對路面變形、隧道拱部變形進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)分別見圖3(a)和(b)。路面變形采用可自動監(jiān)測的位移計(jì)監(jiān)測，隧道拱部變形，采用預(yù)埋的拱部位移計(jì)監(jiān)測裝置進(jìn)行監(jiān)測，埋設(shè)位移測量裝置位置需高于隧道拱部10 mm左右，防止在開挖隧道模型時位移稈滑落，以記錄隧道拱頂、左拱腰和右拱腰3個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)的變形情況。為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，縱向設(shè)置2個監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面布置見圖3(c)。

圖2 模型試驗(yàn)裝置

圖3 測試斷面及測點(diǎn)布置 (單位：mm)

2.4 試驗(yàn)過程

為了真實(shí)模擬隧道開挖的過程，嚴(yán)格按照現(xiàn)場施工方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)開挖方案。具體開挖方案為：左右導(dǎo)洞上側(cè)開挖100 mm，及時設(shè)置初支和臨時支撐；待初支成型后左右導(dǎo)洞下側(cè)開挖各100 mm，設(shè)置初支和臨時支撐；穩(wěn)定后開挖中導(dǎo)洞上部100 mm，并設(shè)置初支和臨時支撐；導(dǎo)洞開挖100 mm，對拱頂進(jìn)行初支；開挖中導(dǎo)洞下部100 mm，預(yù)留核心土，第1個斷面開挖結(jié)束；以此循環(huán)開挖，待所有支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后逐段拆除臨時橫撐。上拱部具體開挖方式如圖4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 圍巖及初支的漸進(jìn)破壞過程

隧道模型開挖至第2個斷面中導(dǎo)洞左右兩側(cè)時，在隧道拱頂上方和右拱腰圍巖出現(xiàn)了較大的裂縫，如圖5所示。對比開挖前后可以發(fā)現(xiàn)，在開挖前，右拱腰上方軟土圍巖完整，無明顯裂縫，初期支護(hù)與前板玻璃連接完好；開挖后，隧道右拱腰上側(cè)出現(xiàn)1條較大的裂縫(紅線標(biāo)注)，裂縫起于鄰近拱頂側(cè)，終于右側(cè)拱腰處，并且右側(cè)拱腰處臨時橫撐與前板玻璃之間出現(xiàn)裂縫，此處的初期支護(hù)有明顯下沉的現(xiàn)象，上方軟土圍巖開始出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象；繼續(xù)開挖隧道，圍巖裂縫逐步發(fā)展。裂縫發(fā)展的趨勢如圖6所示。

圖4 隧道開挖過程圖

圖5 圍巖裂隙初始發(fā)展

圖6 圍巖漸進(jìn)破壞過程

當(dāng)開挖至300 mm斷面時，支護(hù)拱頂出現(xiàn)1條細(xì)小的裂縫；隨著隧道開挖，支護(hù)拱頂和右拱腰裂縫寬度不斷增加，2處裂縫逐漸連接。觀察初支與前板玻璃連接狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，圍巖裂縫增大，支護(hù)下沉量也越明顯增加。左拱腰至右拱腰處都發(fā)生了分離現(xiàn)象，產(chǎn)生了較大的沉降，狀態(tài)極不穩(wěn)定。靜置約20 min后，隧道拱頂至右拱腰支護(hù)脫落，并牽連壓壞左側(cè)拱腰，整個隧道發(fā)生崩塌。隧道崩塌時的狀態(tài)如圖7所示。

圖7 隧道塌方形態(tài)

隧道崩塌后，在隧道拱頂附近形成1個不穩(wěn)定塌落拱，塌落拱的整體形狀與圖7(c)裂隙發(fā)展的形態(tài)基本一致，塌落范圍如圖8所示，塌落拱隨著放置時間不斷向下塌方，但隧道的塌方并未導(dǎo)致隧道正上方路面塌陷，路面僅發(fā)生少量變形。

3.2 初期支護(hù)及路面沉降演變

初期支護(hù)拱頂、左右拱腰及路面隨圍巖漸進(jìn)破壞過程變形變化曲線分別如圖9及圖10所示。

由圖9以及對比圍巖漸進(jìn)破壞過程可知：圍巖漸進(jìn)破壞與支護(hù)漸進(jìn)破壞過程相輔相成，相互影響；當(dāng)隧道右拱腰及拱部出現(xiàn)少量裂隙時，支護(hù)受力增加，致使變形開始增大，在圍巖拱部裂隙逐漸發(fā)展過程中，支護(hù)變形出現(xiàn)快速增加現(xiàn)象；但當(dāng)圍巖拱部裂隙貫通后(此時圍巖塌落拱已基本成型)，支護(hù)并未立即破壞，變形增幅變緩且支護(hù)裂縫開始發(fā)展，最后支護(hù)破壞與圍巖塌方。

圖8 塌落拱形態(tài)示意圖(單位：mm)

圖9 支護(hù)變形隨圍巖漸進(jìn)破壞過程變化曲線

圖10 路面變形隨圍巖漸進(jìn)破壞過程變化曲線(同樣)

由圖10可知：由于圍巖為塌落拱式破壞且路面結(jié)構(gòu)的支撐作用，路面位移并未出現(xiàn)較大位移，且路面的位移變化過程與圍巖漸進(jìn)破壞過程也有相似的對應(yīng)關(guān)系。這也與現(xiàn)場施工情況相對應(yīng)，現(xiàn)場施工過程中導(dǎo)洞曾發(fā)生過塌方，但并未影響至路面運(yùn)營。

3.3 支護(hù)裂隙發(fā)展規(guī)律

隨著隧道開挖，支護(hù)內(nèi)部裂隙發(fā)展情況如圖11所示。由支護(hù)裂隙發(fā)展過程可知：支護(hù)破壞也是漸進(jìn)破壞過程，其與圍巖漸進(jìn)破壞過程相對應(yīng)，隨著圍巖漸進(jìn)破壞，支護(hù)所承受圍巖荷載逐漸增加，支護(hù)裂隙從單一裂隙逐漸發(fā)展至貫通，最終導(dǎo)致支護(hù)破壞，圍巖塌方。

圖11 支護(hù)裂隙隨圍巖漸進(jìn)破壞發(fā)展過程

3.4 圍巖及支護(hù)相互作用機(jī)理

支護(hù)漸進(jìn)破壞過程為：變形緩慢增加—變形快速增加—變形緩慢增加但裂隙快速發(fā)展—支護(hù)破壞，這一過程在隧道施工以及其他試驗(yàn)中也得到了證明[5-6，12-15]。而在支護(hù)變形破壞過程中對應(yīng)的圍巖漸進(jìn)破壞過程為：裂隙出現(xiàn)—裂隙發(fā)展—裂隙貫通—圍巖塌方。兩者共同發(fā)展相互作用：圍巖裂隙出現(xiàn)使支護(hù)荷載增加，支護(hù)變形增大，進(jìn)一步使圍巖裂隙發(fā)展貫通，支護(hù)荷載再次增加，支護(hù)屈服，裂隙發(fā)展進(jìn)而整體塌方。

施工塌方主要由于圍巖軟弱及支護(hù)設(shè)置不當(dāng)造成的。在實(shí)際施工過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)支護(hù)變形大幅增加時，不僅要注意增加支護(hù)強(qiáng)度還應(yīng)通過及時注漿、打設(shè)長錨桿等措施減緩圍巖裂隙發(fā)展，阻斷圍巖漸進(jìn)破壞過程。

4 結(jié) 論

(1)本試驗(yàn)方法能夠有效模擬圍巖及支護(hù)在隧道施工過程中的漸進(jìn)破壞過程，與實(shí)際較為吻合，且彌補(bǔ)了傳統(tǒng)圍巖漸進(jìn)破壞試驗(yàn)的不足之處。

(2)圍巖變形破壞由右側(cè)拱腰破壞帶動拱頂破壞，并傳遞到左側(cè)拱腰，直至隧道崩塌形成與裂縫形狀一致的塌落拱。圍巖漸進(jìn)破壞過程為：裂隙出現(xiàn)—裂隙發(fā)展—裂隙貫通—圍巖塌方。

(3)隧道支護(hù)主要承受來自上方圍巖破壞的松動壓力，支護(hù)漸進(jìn)破壞過程為：變形緩慢增加—變形快速增加—變形緩慢增加但裂隙快速發(fā)展—支護(hù)破壞，與實(shí)際破壞基本吻合。

(4)實(shí)際施工過程中，圍巖漸進(jìn)破壞與支護(hù)受力狀態(tài)是相互影響作用的：圍巖裂隙出現(xiàn)使支護(hù)荷載增加，支護(hù)變形增大，進(jìn)一步使圍巖裂隙發(fā)展貫通，支護(hù)荷載再次增加，支護(hù)屈服，裂隙發(fā)展進(jìn)而整體塌方。

(5)施工塌方主要由于圍巖軟弱及支護(hù)設(shè)置不當(dāng)造成的。在實(shí)際施工過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)支護(hù)變形大幅增加時，不僅要注意增加支護(hù)剛度，還應(yīng)通過及時注漿、打設(shè)長錨桿等措施減緩圍巖裂隙發(fā)展，阻斷圍巖漸進(jìn)破壞過程。