湖底明挖隧道兩側(cè)回填材料受力變形特性分析

李晉,石妍茹,左珅*,畢崇禎,朱莉,趙根生,劉憲

(1.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；2.山東魯橋建設(shè)有限公司)

1 引言

隨著城市交通壓力日益增加，城市地下隧道因能優(yōu)化利用城市空間而不斷受到重視。其中明挖隧道作為隧道施工中最基本、最常用的施工方法，若不能合理地選擇回填材料、控制回填質(zhì)量，將極易導(dǎo)致回填層破壞、隧道坍塌、漏水、道路塌陷等工程事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道開挖回填材料的類型、性能參數(shù)及變形等方面做了大量研究。吳娟娟等運(yùn)用數(shù)值模擬的方法,以三峽庫區(qū)實(shí)際工程為例,針對(duì)回填材料類型對(duì)回填效果的影響,提出了有效的回填建議；錢舟利用有限元軟件Ansys模擬各級(jí)圍巖下標(biāo)準(zhǔn)二車道公路隧道的受力和變形,將區(qū)間分析引入隧道工程用來研究隧道回填層材料的工程參數(shù)；楊耀然等運(yùn)用LS-DYNA動(dòng)力數(shù)值分析軟件分析了回填層對(duì)隧道襯砌豎向位移的影響規(guī)律；周德軍在沖擊荷載的基礎(chǔ)上，對(duì)隧道拱部不同溶洞高度下的護(hù)拱回填厚度進(jìn)行了計(jì)算分析；葛折圣運(yùn)用理論分析和優(yōu)化算法計(jì)算不同回填材料的土壓力；何曉勇基于重慶軌道交通某線路所涉及的回填土地層，對(duì)回填土的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；田建勃等通過對(duì)山西某輸煤暗道周邊土壓力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，得出了高填方輸煤暗道周邊土壓力分布和變化規(guī)律；陳京賢等對(duì)回填土隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變隨施工過程的變化規(guī)律進(jìn)行了初步研究；鄧超選擇二灰土作為回填材料，發(fā)現(xiàn)可以明顯減小新老路基的差異沉降。然而，對(duì)湖底明挖隧道回填材料在湖水壓力和隧道內(nèi)行車擾動(dòng)共同作用下的研究則很少。為保證湖底隧道工程的回填質(zhì)量和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，有必要對(duì)回填材料的受力變形特性開展系統(tǒng)研究。

該文依托墨子湖隧道工程開展明挖隧道回填材料受力特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)土壓力盒、滲水計(jì)，進(jìn)行為期2年多的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，對(duì)泥巖層、黏土層在不同埋深下的土壓力和孔隙水壓力進(jìn)行對(duì)比研究；并借助有限元軟件分析不同回填層的沉降變形規(guī)律，將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬兩種方法相結(jié)合，對(duì)隧道回填層受力與變形的統(tǒng)一性研究具有重要的理論與工程意義。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究

2.1 工程概況

墨子湖隧道位于山東省滕州市高鐵新區(qū)的墨子湖區(qū)，連接著整個(gè)墨子湖的東西兩岸和滕州新老城區(qū)，西起吉山路、下穿京臺(tái)高速公路、止于首善路，主車道總長(zhǎng)2 600 m，其中隧道總長(zhǎng)1 751 m。隧道所處空間位置關(guān)系如圖1所示。隧道封閉段采用折板拱形單箱雙室現(xiàn)澆混凝土閉合箱體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為1 304.1 m，隧道敞開段采用U形槽結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為447 m，城市道路全長(zhǎng)849 m。隧道位于墨子湖底部1.5 m處，均采用明挖法施工，箱體頂部設(shè)計(jì)有離水面7 m的高度。

圖1 隧道空間位置關(guān)系圖

經(jīng)勘察和室內(nèi)土工試驗(yàn)，將場(chǎng)地地基土劃分為7層，分層由上至下如表1所示?？紤]到明挖隧道的綜合防水、回填質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件選擇回填材料尤為重要。因此，采用“黏土+泥巖+黏土”外包層的回填方式，如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)回填采取機(jī)械碾壓，分層多階段完成，最終回填土的壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 場(chǎng)地地基土劃分

圖2 回填方式和元件埋設(shè)示意圖(單位:m)

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

如圖2所示，測(cè)試布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)各埋置一個(gè)土壓力盒、一個(gè)滲水計(jì)，埋置位置分別在埋深1 m處的泥巖層、埋深為1 m的黏土回填層、埋深5 m處的黏土回填層，通過所測(cè)土壓力值和孔隙水壓力值，研究其在水壓與行車擾動(dòng)長(zhǎng)期共同作用下隨時(shí)間的變化規(guī)律。選用雙膜土壓力盒，在埋設(shè)前對(duì)土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定、儀器防水性能測(cè)試。并在埋設(shè)前對(duì)儀器調(diào)零，確保讀數(shù)可靠穩(wěn)定。通過鉆孔埋設(shè)滲水計(jì)，使用智能綜合測(cè)試儀JMZX-3001采集儀檢查滲水計(jì)是否正常，直到讀數(shù)穩(wěn)定并且穩(wěn)定讀數(shù)用作初始讀數(shù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)自2017年9月底至2019年7月中旬。高水位壓力自2018年4月中旬施加，在此之前是施工回填土階段。受冬歇期影響自2017年11月中旬至2018年4月中旬、2018年11月中旬至2019年4月中旬的數(shù)據(jù)未能監(jiān)測(cè)。

3.1 土壓力分析

3.1.1 不同埋深下土壓力監(jiān)測(cè)情況

對(duì)埋深1、5 m的黏土回填層分別進(jìn)行了土壓力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出：兩測(cè)點(diǎn)土壓力曲線總體均呈上升趨勢(shì)，埋置深的測(cè)點(diǎn)土壓力值始終高于埋置淺的測(cè)點(diǎn)。施工回填土階段，由于施工填土不均等影響，土體存在移動(dòng)，土壓力值發(fā)生上下浮動(dòng)。當(dāng)施加高水位壓力后，由于壓力增大、土層被壓縮，土壓力值隨不同埋置深度發(fā)生不同幅度上升。相比較而言，埋置淺的土壓力值在施加水壓力后基本維持在0.06 MPa，埋置深的土壓力值在施加水壓力后上升幅度較大，最終達(dá)到0.12 MPa。表明隨回填層深度增加，高水位壓力對(duì)回填層土壓力的影響程度加劇。

3.1.2 不同回填材料土壓力監(jiān)測(cè)情況

對(duì)埋深1 m的黏土、泥巖回填層分別進(jìn)行了土壓力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖3 不同埋深土壓力-時(shí)間趨勢(shì)曲線圖

圖4 不同回填材料土壓力-時(shí)間趨勢(shì)曲線圖

從圖4可以看出：泥巖層的土壓力值始終低于黏土層，且兩測(cè)點(diǎn)土壓力最終均趨于穩(wěn)定值。與黏土層相比，施工回填土階段，泥巖層土壓力變化曲線更平穩(wěn)，維持在0.03 MPa左右。施加高水壓后，泥巖層和黏土層的土壓力曲線基本呈平行上升趨勢(shì)，泥巖層土壓力值幾乎始終低于黏土層0.02 MPa，說明高水壓作用下，同埋深的泥巖層較黏土層承受的土壓力更小。此時(shí)土壓力主要考慮由土的自重承擔(dān)，與土密實(shí)程度呈正相關(guān)。由于兩者物理性質(zhì)的不同，泥巖滲透性優(yōu)于黏土，即泥巖空隙率小于黏土，故泥巖更加密實(shí)，土壓力值較大。

據(jù)太沙基有效土壓力理論σ=σ′+u計(jì)算土壓力值，泥巖a點(diǎn)的值為0.017 MPa，黏土b點(diǎn)值為0.008 MPa，黏土c點(diǎn)值為0.039 MPa，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值相差較小，均在合理誤差范圍內(nèi)。

3.2 孔隙水壓力分析

3.2.1 不同埋深下孔隙水壓力監(jiān)測(cè)情況

對(duì)埋深1、5 m的黏土回填層分別進(jìn)行了孔隙水壓力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出：在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，兩種埋深下的孔隙水壓力呈現(xiàn)出明顯的起伏變化。施工回填土階段，兩種埋深下孔隙水壓力呈曲折上升后略有下降，這可能是因?yàn)槭┕がF(xiàn)場(chǎng)部分積水未清除干凈。施加高水位壓力后，兩種埋深下孔隙水壓力均出現(xiàn)不同幅度的起伏，且出現(xiàn)波動(dòng)的拐點(diǎn)日期十分接近，這是由于受自然水位升降的影響。在水位壓力變化下，埋置深的孔隙水壓力峰值達(dá)到0.14 MPa，埋置淺的峰值為0.06 MPa。說明在高水壓條件下孔隙水壓力隨土層深度增加而明顯增大。

圖5 不同埋深孔隙水壓力-時(shí)間趨勢(shì)曲線

3.2.2 不同回填材料孔隙水壓力監(jiān)測(cè)情況

對(duì)埋深1 m的黏土、泥巖回填層分別進(jìn)行了孔隙水壓力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同回填材料孔隙水壓力-時(shí)間趨勢(shì)曲線

從圖6可以看出：兩測(cè)點(diǎn)曲線均起伏變化明顯，埋于黏土層的孔隙水壓力值始終大于泥巖層。施工回填土階段，兩曲線均呈曲折上升趨勢(shì)，泥巖層較黏土層上升幅度偏小。施加高水位壓力后，泥巖層和黏土層出現(xiàn)不同幅度的波動(dòng)，泥巖層最大孔隙水壓力值為0.04 MPa，黏土層最大值為0.07 MPa。由此可知作為回填材料，黏土的滲透系數(shù)較泥巖滲透系數(shù)大，即泥巖孔隙比小，而滲透水實(shí)際上僅僅通過土體中孔隙流動(dòng)，故泥巖孔隙水壓力值比黏土孔隙水壓力值小。泥巖層的抗?jié)B性能較好，泥巖更加密實(shí)，水向泥巖層的滲流較小，其孔隙水壓力受水位升降的影響小。

據(jù)太沙基有效壓力理論σ=σ′+u計(jì)算孔隙水壓力值，泥巖a點(diǎn)的值為0.039 MPa，黏土b點(diǎn)值為0.039 MPa，黏土c點(diǎn)值為0.078 MPa，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值相差較小，均在合理誤差范圍內(nèi)。

4 數(shù)值模擬分析

由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜、隧道上覆湖水干擾，采用常規(guī)的埋設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)存在較大困難，所以借助數(shù)值模擬分析不同回填材料的沉降變形。

4.1 建立數(shù)值模型

對(duì)位移邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)固定邊界：對(duì)模型的左、右邊界施加約束，也即在水平方向位移為零，豎直方向上可自由變形；在幾何模型底部施加完全固定約束，即在任意方向上位移為零。

隧道本體混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型模擬，模型使用各向同性線彈性的Hooke定律。線彈性模型包括兩個(gè)彈性剛度參數(shù)，即彈性模量E和泊松比υ。泥巖(擾動(dòng)回填土)和黏土采用摩爾庫侖本構(gòu)模型，一般用于巖土性狀的初步近似，包括5個(gè)參數(shù)：彈性模量E、泊松比υ、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和剪脹角ψ。各模型參數(shù)取值見表2。

表2中黏土的滲透系數(shù)由室內(nèi)變水頭試驗(yàn)測(cè)定，采用環(huán)刀法取樣，用TST-55型土壤滲透儀進(jìn)行測(cè)定，具體試驗(yàn)操作依照J(rèn)TG E40—2007《土工試驗(yàn)規(guī)范》;泥巖滲透性試驗(yàn)按照TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》執(zhí)行。兩種材料的滲透系數(shù)均由4個(gè)允許差值符合規(guī)定的測(cè)值取平均而得。

表2 模型參數(shù)

對(duì)該湖底明挖隧道施工過程分4個(gè)工序進(jìn)行模擬，第一個(gè)工序開挖基坑，開挖深度9.5 m，第二個(gè)工序修筑混凝土隧道，第三個(gè)工序回填隧道左右兩側(cè)黏土，最后回填隧道上方的黏土和泥巖。基本工序如表3所示。所選模擬點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置近似，如圖7所示。為模擬隧道上方承受的長(zhǎng)期不同水位(3、5、7、9 m)的湖水壓力，相應(yīng)地在隧道上方1.5 m回填土處布置不同均布荷載，如表4所示。

表3 工序簡(jiǎn)表

圖7 模擬點(diǎn)位置圖

表4 施加均布荷載

4.2 數(shù)據(jù)分析

取與現(xiàn)場(chǎng)土壓力、孔隙水壓力監(jiān)測(cè)位置對(duì)應(yīng)的A、B、C3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，即A點(diǎn)為埋深1 m的泥巖層，B點(diǎn)為埋深1 m的黏土回填層，C點(diǎn)為埋深5 m的黏土回填層。測(cè)點(diǎn)曲線圖和部分計(jì)算結(jié)果的沉降云圖如圖8、9所示。

圖8 3 m水位下沉降云圖(單位：mm)

圖9 不同水位下測(cè)點(diǎn)的沉降圖

結(jié)合工序簡(jiǎn)表3和圖8可以看出：在各水位下，泥巖層監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、淺層黏土監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、深層黏土監(jiān)測(cè)點(diǎn)C3處沉降均從第一次回填土(第50 d)開始出現(xiàn)。在回填壓實(shí)土階段(50～70 d)的沉降增加速率明顯大于施加上覆水壓力階段(自70 d以后)。隨著水位從3 m增加到9 m，3處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降均隨之增大。測(cè)點(diǎn)不同，在不同水位下沉降趨于平穩(wěn)的時(shí)間點(diǎn)也不盡相同。

在同水位下深層黏土監(jiān)測(cè)點(diǎn)C的沉降在3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中均最小，在第60 d附近出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，正是第一次回填土完成點(diǎn)，在第70 d附近出現(xiàn)第二個(gè)拐點(diǎn)，沉降增加速率變緩，是因?yàn)榇藭r(shí)開始施加上覆水壓力，最后在高水位9 m處有0.006 m的沉降。淺層黏土監(jiān)測(cè)點(diǎn)B在各水位下的沉降量均最大，是由于該點(diǎn)以下土層沉降位移的累加結(jié)果，產(chǎn)生位移的時(shí)間較其他兩點(diǎn)較晚，原因是該部分土最后回填，自60 d開始沉降出現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)，70 d后出現(xiàn)拐點(diǎn)，沉降下降速率減小，并在9 m水位下達(dá)到最大值0.028 m。泥巖層監(jiān)測(cè)點(diǎn)A在各水位下的沉降量隨時(shí)間逐漸增加，70～270 d間施加上覆水壓力后曲線呈線性趨勢(shì)，隨著水位由3 m增加至9 m，沉降不斷增大，最大值達(dá)到0.017 m。

用分層總和法按水位最淺3 m時(shí)計(jì)算，泥巖A點(diǎn)值為0.028 m，黏土B點(diǎn)值為0.017 5 m，黏土C點(diǎn)值為0.005 m。計(jì)算值與有限元模擬值相差較小。以上分析可知，上覆荷載越大，土的壓縮性越大，壓縮層越厚，沉降則越大；在相同壓力、相同埋深下，泥巖較黏土產(chǎn)生沉降小，作為回填材料更利于工程穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過對(duì)墨子湖隧道的受力監(jiān)測(cè)、有限元模擬位移變化的分析，得到如下結(jié)論：

(1)在高水位壓力下，各現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壓力隨不同埋深、不同回填材料呈不同的變化趨勢(shì)。隨埋深增加，高水位壓力使回填層土壓力的上升程度加劇。同埋深下泥巖層較黏土層承受的土壓力更小。

(2)隨工程監(jiān)測(cè)期間的湖水位升降，各測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力表現(xiàn)出明顯波動(dòng)式變化。在高水壓作用下，孔隙水壓力隨土層深度增加而明顯增大。同埋深時(shí)，黏土層比泥巖層的孔隙水壓力值大，泥巖層抗?jié)B性更好。

(3)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬沉降值呈現(xiàn)位移累加式增大，隨上覆水位從3 m增至9 m，3處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降均不斷增大。淺層黏土層的沉降累計(jì)最大；在相同壓力和埋深下，泥巖較黏土產(chǎn)生沉降小，作為回填材料更具工程穩(wěn)定性。