硬巖地區(qū)淺埋暗挖隧道施工地表沉降特征模型試驗研究

王昊統(tǒng), 吳雪峰, 楊忠年, 劉 嘉, 王 勇, 劉 威, 劉 濤*

(1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院， 青島 266100； 2.青島市地鐵一號線有限公司， 青島 266041；3.青島理工大學土木工程學院， 青島 266011)

截至2018年7月，中國已有35座城市開通地鐵建設，這在緩解地面交通壓力的同時也給人們出行帶來便捷。然而，隨著淺埋暗挖法在地鐵隧道施工中的普及，開挖過程不可避免地會對地層形成擾動并破壞圍巖穩(wěn)定性[1-2]，甚至會導致地層因失穩(wěn)而造成地面塌陷事故。

鑒于城市地鐵隧道開挖過程中地層失穩(wěn)問題的嚴重性，中國很多學者都對相關內(nèi)容進行了研究。李濤等[3]依托深圳地鐵5號線工程實例，通過數(shù)理統(tǒng)計方法對18個暗挖區(qū)間的地表橫、縱向沉降的大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了分析研究，得出了富水復合地層變形規(guī)律?？笛┸姷萚4]通過FLAC3D對石家莊1號線留火區(qū)間大斷面暗挖隧道地層變形規(guī)律進行了數(shù)值模擬分析，提出了不同施工階段隧道沉降規(guī)律的差異性。王霆等[5]通過大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對北京黏砂土互層地質條件下淺埋暗挖隧道地表沉降的一般規(guī)律進行了歸納總結，提出洞樁法與中洞法地表沉降槽寬度系數(shù)的取值范圍及其對施工的影響。漆泰岳等[6]對富水軟土地層的隧道開挖過程展開了離心模型試驗，并將降水、動態(tài)降水與非降水3種工法進行對比分析，認為非降水施工能有效控制地表沉降。杜子建[7]對青島“上軟下硬”地層大跨度隧道拱蓋法不同步序施工條件下地表沉降規(guī)律進行數(shù)值模擬分析，其規(guī)律對各施工階段產(chǎn)生良好的指導作用。王正興等[8]以自制室內(nèi)模型試驗系統(tǒng)對砂土隧道施工引起的地層變形進行了研究，得出了地層內(nèi)部土體沉降分布規(guī)律以及地層損失量與埋深的關系。

通過以上文獻調(diào)研可知，目前對淺埋暗挖隧道開挖所引起地層變形特征的研究多數(shù)集中在現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬和理論分析上，鮮有涉及物理模型試驗。故此以青島硬巖(花崗巖)地層為研究對象，通過室內(nèi)三維模型試驗對地鐵隧道動態(tài)開挖過程進行模擬，提出與離心模型試驗等不同的研究思路，旨在對青島地區(qū)隧道施工擾動下地層變形特征展開系統(tǒng)研究，并為類似工程實踐提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程背景

本次模型試驗以青島地區(qū)某淺埋暗挖車站為工程背景，該車站為地下10.5 m的島式車站，所處場地為中等復雜場地，采用暗挖法進行施工。車站主體結構類型為單拱大跨結構，結構的底板、拱頂埋深分別為28.5、13.4 m。

1.2 工程地質與水文地質條件

青島地區(qū)是典型的“上土下巖”地層，即土體覆于花崗巖之上，且青島地鐵隧道多置于中風化花崗巖層里，其上覆層為強風化花崗巖層與第四系土層[9]。如圖1所示，本文所選取的試驗斷面具有一定代表性，該斷面中設計隧道基本位于中風化粗?；◢弾r層里，僅局部(隧道拱部開挖層)位于強風化粗?；◢弾r層，隧道上覆第四系土層為含黏性土粗砂。

圖1 試驗車站地層縱剖面示意圖Fig.1 Schematic map of longitudinal section of station stratum

2 室內(nèi)模型試驗

2.1 模型試驗系統(tǒng)

本模型試驗系統(tǒng)包括：模型土箱、隧道氣囊模型及加卸壓系統(tǒng)、地層變形監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖2所示。其中，試驗模型土箱采用亞克力材料制作而成，規(guī)格為800 mm(長)×600 mm(寬)×600 mm(高)；隧道氣囊模型及加卸壓系統(tǒng)則包括由聚氨酯材料加工而成的5段可單獨充放氣的連體圓形斷面隧道氣囊模型(φ200 mm)和功率為800 W的空氣壓縮機兩個部分；地層變形位移監(jiān)測系統(tǒng)包括全站儀、自貼式反射片、箔式微型土壓力盒；監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則由計算機、多通道數(shù)據(jù)采集儀和相關數(shù)據(jù)采集軟件組成。

圖2 室內(nèi)三維模型試驗系統(tǒng)Fig.2 Indoor 3D model test system

2.2 相似材料的選取

根據(jù)相似理論[10]，結合所選模型箱與試驗對象的實際尺寸，本試驗采用幾何相似比CL=1/75進行隧道覆土層厚度與隧道洞徑的模擬。對于上覆土層，試驗選取20～40目的普通河砂模擬含黏性土粗砂。由于花崗巖地層的特殊性[11]和試驗條件的限制，本試驗制備相似材料時選定的物理力學參數(shù)如下：重度γ相似比Cγ=1，抗壓強度σ相似比Cσ=1/75。通常來講，若要使模型材料與試驗原型的應力應變關系曲線、邊界條件等完全相似是很難做到的[12]，亦即模型試驗相似比設定值基本難以實現(xiàn)，但其卻可以盡可能達到相似條件，也能反映出特定地質條件下地層變形規(guī)律。

關于模型試驗中地層相似材料的選取，前人已經(jīng)進行了大量研究[13-17]，主要基于以下原則：①相似材料的主要物理力學性質應與原型材料相似；②凝固前和易性良好，自然屬性不受時間、溫度等因素的影響；③相似材料的配比可變，便于調(diào)節(jié)其力學性能以更好地適應相似條件；④材料易成型，制作便捷且可短時間凝固；⑤相似材料可輕易獲得，成本低廉且無毒副作用。綜上所述，為實現(xiàn)對不同風化程度粗?；◢弾r的模擬，本試驗選取普通硅酸鹽水泥(42.5)為膠結劑，特級熟石膏粉為調(diào)節(jié)劑，清潔河砂(50～100目)為骨料，前期進行了大量的配比試驗[18-19]與抗壓試驗，為減少偶然性因素對試驗結果的影響，3種相似材料的每種配比都做成3個試塊，然后將試塊放在20 ℃恒溫箱內(nèi)養(yǎng)護1～3 d后進行抗壓試驗，具體過程見圖3。

通過上述相似材料配比與抗壓試驗，最終確定A組(中風化粗?；◢弾r層)的相似材料配比，河砂∶水泥∶石膏=70∶7∶11；B組(強風化粗?；◢弾r層)的相似材料配比，河砂∶水泥∶石膏=90∶1∶9。不同風化程度的粗粒花崗巖相似材料與原型的物理力學參數(shù)對比見表1。

圖3 相似材料制備過程Fig.3 Similar material preparation process

表1 花崗巖層相似材料物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of similar materials in granite layer

2.3 試驗步驟與方案

本試驗中，隧道氣囊模型總長800 mm，每160 mm分為一個隔段，每個隔段都分別有軟質導管與其相連以便實現(xiàn)各段氣囊的單獨充氣與放氣。5根軟質導管沿著模型土箱洞頸至帶孔封口鋼板后穿出進而跟空氣壓縮機相連，通過氣囊的逐段放氣卸載來模擬淺埋暗挖隧道不斷向前開挖的過程。此外，試驗用氣囊的材質輕薄，其卸載后的體積可忽略不計。為方便試驗的后續(xù)描述，將隧道氣囊的各隔段一次編為1～5號，詳見圖4。

圖4 隧道開挖模擬示意圖Fig.4 Tunnel excavation simulation diagram

試驗采用徠卡全站儀進行地表位移量的監(jiān)測，而測點則用自貼式反射片(30 mm×30 mm)貼在薄原木片(93 mm×10 mm×2 mm)一端組合后布設在上覆土體表層。具體布點方案如下：本試驗共設置5個監(jiān)測斷面，分別垂直于每個隔段氣囊的中心處(圖4)，每個監(jiān)測斷面布設7個測點且中間的測點位于隧道中軸線的正上方，同一監(jiān)測斷面上測點之間的間距為80 mm，見圖5。

圖5 模型土箱內(nèi)沉降監(jiān)測點布設俯視圖Fig.5 Top view of the settlement monitoring point in the model box

主要試驗步驟如下：

(1)按照既定相似材料配比，將河砂、水泥和石膏進行加水拌勻，以落雨法將相似材料填入模型土箱內(nèi)并踩實，不同地層之間撒上少許生石灰以形成分界面效果。

(2)根據(jù)本試驗幾何相似比CL=1/75，當中風化粗?；◢弾r相似層填實至對應深度后，分別將充足氣的隧道氣囊模型以及箔式微型土壓力盒按設計埋置在相應位置，再進行上覆巖土體的繼續(xù)填實，待各地層相似材料填畢靜置24 h后再進行下一步操作。

(3)將自貼式反射片與薄原木片組合件按上文要求布設在上覆含黏性土粗砂相似層(河砂)之上，形成布滿模型土箱表面的監(jiān)測點[圖5(b)]，然后調(diào)試徠卡全站儀。

(4)檢查空氣壓縮機與連通各隔段氣囊的5根軟質導管連接處，確認無漏氣等故障后，由氣囊1至氣囊5依次卸載模擬隧道逐段開挖過程。每個隔段氣囊均是緩慢逐級卸載，以此來模擬隧道開挖擾動下圍巖應力的釋放，待先行卸載的氣囊穩(wěn)定30 min后，接著再啟動下一隔段氣囊的卸載，以此類推。

(5)從氣囊1至氣囊5，每隔段氣囊卸載后及時進行人工操作全站儀測讀地表沉降量，并將所得監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入試驗計算機記錄下來。

(6)數(shù)據(jù)后期處理與分析。

具體試驗流程見圖6。

圖6 室內(nèi)模型試驗流程Fig.6 Indoor model test process

3 數(shù)值模擬

基于模型試驗圍巖受力與地層變形數(shù)據(jù)采集點位的特定性，其分析結果無法準確反映出整體模型各個點位的受力、變形情況。而三維數(shù)值模擬軟件恰好彌補了室內(nèi)模型試驗的局限性，它不僅能對模型試驗所測結果進行驗證，還能起到對其的補充作用。因此，采用MIDAS GTS/NX三維數(shù)值模擬軟件對5種開挖工況進行了模擬，且建模過程所采用的參數(shù)均為試驗車站的原型地層參數(shù)，其計數(shù)值算模型見圖7。

圖7 數(shù)值計算模型Fig.7 Numerical calculation model

該計算模型尺寸為121 m(長)×50 m(寬)×68 m(高)，它采用與室內(nèi)試驗一致的圓形斷面隧道，其直徑、上覆土體及圍巖厚度等參數(shù)均為試驗車站的原型尺寸，即隧道直徑15.1 m，埋深(地表至隧道軸線距離)23.5 m。數(shù)值計算時，采用鈍化與激活隧道處單元網(wǎng)格的方法來模擬隧道開挖、支護的過程，由于實際施工工法多樣，工況又復雜，且這些并非本文研究的重點，為簡化計算模型使其與室內(nèi)試驗結果對應起來，計算時采用全斷面開挖的方式，隧道沿軸向分5步進行開挖，將每一步分別定義為工況1至工況5，基于上文幾何相似比CL=1/75，將每步開挖進尺設置為12 m，每個工況開挖時采取鈍化隧道處單元網(wǎng)格的方式來實現(xiàn)開挖卸載作用。

4 結果分析

通過上述室內(nèi)三維模型試驗，將每隔段隧道氣囊模型的分級卸載過程依次定義為工況1至工況5，然后對不同工況條件下5個監(jiān)測斷面上測點的沉降曲線進行了分析，結果如圖8和圖9所示。結果表明：

圖8 模型試驗橫向沉降變化曲線Fig.8 Model test lateral settlement curve

(1)隨著隧道氣囊模型的逐級卸載，每個監(jiān)測斷面上測點的沉降值都漸次增大，且其值整體呈現(xiàn)出“兩側小中間大”的地表沉降槽趨勢，符合Peck[20]對地表沉降槽概念的描述，即越偏離隧道中軸線其地表沉降量越小，且距隧道中軸線距離為0處為沉降槽的底部，也是每個監(jiān)測斷面沉降值最大的地方。

(2)從圖8中可以看出，工況1至工況5依次下穿相應監(jiān)測斷面時都會使其沉降值出現(xiàn)驟然下降，及至工況5時，各監(jiān)測斷面(1～5)的最大地表沉降值分別是2.25、2.10、2.0、1.90、1.76 mm，這表明：隨著氣囊的不斷向前推進其沉降值變化量也相應減小并趨于接近。

圖9 模型試驗縱向沉降時程曲線Fig.9 Model test longitudinal settlement curve

(3)以監(jiān)測斷面3為例，選取其上DC-1、DC-2、DC-3、DC-4四個測點[圖5(a)]，將這些測點在工況1至工況5條件下地表沉降量的時程曲線繪制，見圖9。從圖9中可以看出，監(jiān)測斷面所在地表基本經(jīng)歷了“緩慢變形”“劇烈變形”及“變形穩(wěn)定”三個階段，其結論可結合圖8推及其他4個監(jiān)測斷面，這說明隨著開挖掌子面的逐漸遠離，地表受開挖擾動的影響愈來愈小，直至趨于穩(wěn)定。

(4)選取圖9中DC-4為研究對象，本試驗中隧道氣囊模型直徑即遂道洞徑(D)為200 mm，而每隔段氣囊長度為160 mm，當掌子面開挖初始(工況1)至下穿測點DC-4(工況3)再至遠離監(jiān)測斷面3(工況5)時，地表沉降最大值出現(xiàn)在掌子面下穿時，此后逐漸穩(wěn)定，據(jù)此可基本判斷監(jiān)測斷面所處地層變形主要出現(xiàn)在距掌子面-1.6D～1.6D時，該范圍以外地表受開挖擾動的影響則逐漸變小。

圖10 模型試驗沉降槽對比結果Fig.10 Model test Settling tank comparison result

通過對圖10中室內(nèi)模型試驗結果與數(shù)值模擬結果的對比分析，可以得出有關沉降槽的以下規(guī)律：

(1)數(shù)值模擬結果與室內(nèi)試驗所得地表沉降槽整體形態(tài)相似，兩者所得沉降槽曲線形狀上的差異可以歸結為試驗測點相對于數(shù)值計算測點布置過疏引起的。

(2)模型試驗中5種不同工況下監(jiān)測斷面1在距隧道中軸線距離為0處的沉降值分別是1.7、1.9、2.05、2.15、2.25 mm，而相同條件下數(shù)值模擬所得沉降值依次為2.6、2.9、3.1、3.26、3.37 mm，室內(nèi)試驗所測數(shù)據(jù)明顯小于數(shù)值模擬結果，究其原因，主要在于數(shù)值模擬所設置條件過于理想化，而室內(nèi)試驗具體過程所受客觀因素影響較多。

5 結論

通過室內(nèi)三維模型試驗，研究了青島硬巖(花崗巖)地區(qū)淺埋暗挖隧道施工擾動下地層變形特征，對試驗所測數(shù)據(jù)進行了綜合分析，并采用MIDAS GTS/NX三維數(shù)值模擬軟件對5種開挖工況進行了模擬，得出如下結論。

(1)隧道開挖會引起以沉降為主的地層變形并形成沉降值分布“兩側小中間大”的地表沉降槽，這與數(shù)值模擬結果較為相符，即隧道正上方是整個沉降槽的最底部，也是地層變形最嚴重的地方，而越偏離隧道中軸線則受開挖擾動產(chǎn)生的地表沉降量越小，這表明實際施工階段應加強對隧道正上方所引發(fā)沉降的實時監(jiān)測。

(2)在隧道開挖擾動下，地表沉降變形會經(jīng)歷三個階段，即“緩慢變形”“劇烈變形”以及“變形穩(wěn)定”，這說明隨著開挖掌子面的逐漸遠離，地表受開挖擾動的影響愈來愈小，直至趨于穩(wěn)定。

(3)當掌子面下穿某特定監(jiān)測斷面時，由其產(chǎn)生的地表沉降變形是最大的，但該影響基本維持在距掌子面-1.6D～1.6D，該距離范圍以外地表受開挖擾動的影響則逐漸變小，這表明施工階段應對這一范圍內(nèi)的隧道進行加強支護。