随着经济的快速发展, 大量人流、车流及物流涌入城市, 并且贵阳老城区早些年规划的道路狭窄, 房屋建筑密度大。加上贵阳地区地质构造复杂, 全市山地和丘陵面积比例高达88%, 贵州省地处云贵高原, 同时也是我国喀斯特地貌最集中的地区之一。上班早晚高峰期, 城区道路的车辆几乎处于缓行状态, 甚至有些道路交通瘫痪, 不仅耽误上班时间、引发交通事故、增加汽车燃料费, 还因汽车长期处于低速运转状态, 燃料未充分燃烧而加大环境污染, 影响整个城市的健康发展和危害人们身体健康。

在此背景下, 贵阳市政府按照国务院46号文件关于“优先发展城市公共交通”意见的通知, 编制了《贵阳市轨道交通建设规划》, 贵阳市城市轨道交通远景规划由9条线路组成, 线路长度总计467km。其中1号线线路全长33.60 km, 共设车站23座, 2009-09-29贵阳轨道交通1号线开工。本文以贵阳轨道交通1号线地铁隧道某区间为研究背景, 全长5.7km, 此区间Ⅳ级围岩占有率64.8%, 根据铁路隧道Ⅳ级围岩力学参数进行设定。

本着高效、便捷、经济、环保的试验目的, 试验模型箱采用自制模型箱 (见图1) , 采用自制的相似材料模拟Ⅳ级围岩。其中模型箱设计和相似材料的调配是以贵阳轨道交通1号线地铁隧道某区间围岩 (Ⅳ级围岩为主) 为依据, 具体相似比如下:几何相似比C_l=40;容重相似比C_γ=1;应变、泊松比、内摩擦角相似比C_ε=C_μ=C_φ=1;应力、黏聚力、位移、弹性模量相似比C_σ=C_c=C_δ=C_E=40。

进行系列试验后, 最终确定模型材料的原材料为重晶石粉、石英砂和凡士林, 质量比为12∶5.5∶1, 能满足贵阳轨道交通1号线地铁隧道某区间Ⅳ级围岩力学参数的要求, 试验所得的力学指标与铁路隧道规范力学指标如表1所示。

为简化计算, 将马蹄形隧道断面近似为圆形断面, 便于测点压力盒的布置, 根据计算将测点分为3个区域布置:松动区、塑性区、弹性区, 具体布置如图2所示。侧壁左侧布置T1~T8号测点, 拱顶布置T9~T16号测点, 奇数号测点为竖直应力测点, 偶数号测点为水平应力测点。图2中L为测点布置距离, 由计算所得, T1和T2在同一水平面上, 其他测点情况相同。

影响隧道围岩稳定性的因素众多, 如隧洞埋深、隧洞跨度、断面形式、施工方法、围岩级别、地质情况等。研究方法和思路是先简单后复杂、先单一因素后综合研究多因素, 并结合贵阳轨道交通1号线地铁隧道某区间实际情况 (单车道以Ⅳ级围岩为主、埋深20~40m、开挖采用掘进机, 应用矿山法) 。因此, 本文的试验内容主要是埋深, 具体模型试验内容如表2所示, 表中埋深均已换算成实际埋深。

隧道每次开挖掌子面推进5cm, 相似比为40, 相当于实际开挖进尺2m, 与实际开挖进尺1.5~2m较吻合。从开始开挖到最终结束分为8个阶段, 每阶段又分为开挖阶段和基本稳定阶段, 待数据和围岩坍落 (有坍落现象时) 基本稳定再进行下一阶段开挖。

隧道第1循环开挖瞬间, 应力有较大变化, 随后直到第4循环应力变化都较稳定, 围岩也未发现异常现象。第4循环结束后, 围岩整体有一定的下沉, 隧洞围岩收敛, 但仍未出现坍落和开裂现象。随着掌子面的推进, 第5循环隧道拱肩围岩出现局部坍落, 应力也急剧减小随后增加, 紧接着围岩坍落越来越快, 中途有短暂的稳定期, 但由于开挖继续, 隧道拱顶围岩逐渐以拱形向上发展破坏, 越到后面围岩破坏越激烈, 坍落瞬间发展至地表, 形成塌穿型塌方, 隧道地表左、右两侧有裂缝, 并且逐渐形成贯通裂缝, 随后左、右两侧围岩整体滑落, 最终形成倒锥形破坏, 此过程中隧道地表围岩的沉降也在增加。

试验过程及步骤同上。隧道围岩未出现坍落前, 情况和埋深20m基本一致, 开挖进尺到30cm时, 隧洞拱顶围岩出现裂纹并逐渐发展成裂缝直到坍落。受开挖、清渣及围岩自身坍落的影响, 中途围岩短暂的稳定未能使隧道围岩长时间稳定, 而是随开挖的继续, 围岩破坏逐渐向上及四周发展, 坍落速度也不断加快, 由局部到拱形最后发展为整体坍塌, 地表围岩的沉降也逐渐增加。最终破坏形式和埋深20m基本相同, 但破坏的发展速度较埋深20m慢, 并且破坏范围、破裂角和地表沉降值都较小。

隧道埋深30m, 在开挖进尺到18cm左右时, 部分测点应力数值突然增加, 但围岩并未出现裂纹和坍落现象, 出现这种情况可能是由电钻转速过快对围岩体扰动引起的, 整个开挖过程除了拱肩局部有小范围坍落外, 围岩长时间处于稳定状态直到隧道贯通, 但隧洞四周围岩向隧洞收敛, 地表围岩沉降值也在增加。隧道贯通20min后围岩再次出现坍落, 但持续时间较短, 随后对其观察48h, 围岩仍有小范围的坍落, 只是持续时间短、范围也小。

随着埋深的增加, 隧道在开挖过程中, 应力变化相对之前较迟缓, 幅度也较小, 并且围岩的稳定性也较好。从开挖开始到隧道贯通, 除了有一段小裂纹外, 没有任何坍落现象, 隧道围岩均处于稳定状态。直到开挖结束后20min左右, 隧道右拱肩局部裂纹增大, 逐渐贯穿隧道整个进程方向, 随后隧道左拱肩也出现类似裂纹, 接着出现第1次围岩坍落, 但坍落持续时间较短。100min后, 围岩第2次出现小范围坍落, 持续时间10s左右。再经过100min, 围岩第3次坍落, 但持续时间均不长。直到48h后围岩均未出现较大坍落, 但隧道围岩整体沉降量增加。

隧道在开挖过程中稳定性较埋深较浅的好, 整个开挖过程围岩无坍落现象, 直到隧道贯通后, 清除局部渣土和局部欠挖部分时, 隧道右侧拱肩开始出现裂纹, 逐渐发展成裂缝, 随后隧道围岩出现小范围塌方, 但地表沉降随开挖的进行逐渐增大, 只是增加的值小于埋深较浅的。大约经过13min, 隧道拱肩右侧出现第2次坍落, 持续时间8s左右, 随后即停止, 稳定保持12min后, 隧道拱肩左侧出现裂缝, 随后有少量围岩坍落, 19min后出现第3次坍落, 41min后出现第4次坍落, 但坍落量和坍落范围均不大, 并且持续时间较短。从整个开挖过程来看右侧岩体坍落略微超前于左侧, 坍落量也略大于左侧。

试验过程中, 不同埋深隧道拱顶上方地表测点沉降情况如图3所示。由图3可知: (1) 随着隧道掌子面的推进, 地表沉降越来越大, 并且变化也越来越快, 说明在开挖过程中, 未对隧道进行支护时, 隧道围岩的坍落促进地表沉降, 对地表影响较大; (2) 随着隧道埋深的增加, 隧道地表围岩沉降位移减小, 说明深埋隧道开挖对地表的影响相对较小; (3) 隧道埋深20~40m, 每增加5m, 隧道地表沉降分别增加-14.56%, -40.68%, -7.47%, -31.68%。

不同埋深条件下, 拱顶同一位置测点的竖向应力变化如图4所示。由图4可知: (1) 隧道围岩受到开挖的影响, 原有平衡状态被打破, 造成围岩应力重分布, 并且相对于初始应力均在减小, 且埋深越大, 受到开挖影响应力变化值越大, 开挖卸荷效应越明显; (2) 由图4b可知, 随着埋深的增加, 隧道开挖围岩应力变化整体趋势有所减小, 说明隧道开挖引起围岩变形而围岩应力减小。但个别曲线出现了应力增加现象, 可能是土压力盒的埋设、电钻开挖扰动和埋深的影响; (3) 埋深20, 25m时, 后期开挖出现应力增大随后减小并平稳, 主要是受开挖过程中围岩坍落影响, 开挖至31cm左右, 压力盒掉落; (4) 测点距离开挖半径越远, 围岩应力的变化逐渐平缓, 说明距离隧道开挖区越远的围岩, 受隧道开挖扰动的影响越小。

不同埋深条件下, 拱顶同一位置测点的水平应力变化如图5所示, 由图5可知: (1) 随着隧道的开挖, 隧道拱顶水平应力相对于初始应力总体有所增加, 与竖向应力相反, 说明开挖导致围岩应力发生重分布, 最大主应力方向发生偏转; (2) 图5中曲线出现了局部跳跃点, 可能是试验过程中采用电钻开挖扰动和岩体坍塌过程影响土压力测点数据, 特别是10号测点因距离开挖区最近而影响较大。

由图6拱腰竖向应力变化曲线可知: (1) 隧道开挖拱腰竖向应力有所增加, 且同一位置测点埋深越大围岩应力越大; (2) 根据应力变化曲线, 除埋深20, 25m外, 开挖引起的拱腰应力基本均出现逐渐增加的趋势, 且埋深越大应力增加越明显, 可能是埋深20, 25m开挖导致围岩出现贯穿至地表的坍塌, 上部岩体坍落导致相对原测点出现卸载过程, 从而出现应力值减小; (3) 大部分曲线出现局部跳跃点, 可能是受试验开挖因素的影响。

由图7拱腰水平应力变化曲线可知: (1) 受开挖影响, 隧道拱腰水平应力与竖向应力变化规律相似, 埋深越大应力越大; (2) 埋深30~40m开挖后应力有所增加而埋深20~25m开挖后应力有所减小; (3) 个别曲线因土压力盒测量和开挖试验过程影响, 规律不明显, 但总体符合一般规律。

应用有限差分软件FLAC3D分别对埋深20, 25, 30, 35, 40m隧道进行毛洞开挖计算。考虑隧道开挖的影响范围, 建模在宽度方向取120m, 向下取25m, 在隧道长度方向取16m, 每次循环开挖进尺为2m。

隧道围岩的物理力学计算参数取值如表3所示。

在FLAC3D围岩稳定性分析中, 岩体变形参数采用体积模量 (K) 和剪切模量 (G) , 将弹性模量 (E) 和泊松比 (μ) 通过下列公式转化成体积模量 (K) 和剪切模量 (G) 。

根据需要选取隧道拱顶上方中线和水平轴线进行分析, 监测点布置如图8和表4~5所示。

由图9可知, 在隧道拱顶与开挖掌子面有一定距离时, 拱顶沉降量一直在增加, 埋深20~40m, 埋深每增加5m, 拱顶沉降量依次增加25.8%, 21.9%, 19.1%, 16.7%。这是由于未考虑支护, 随着掌子面的推进, 拱顶沉降变化越来越缓慢, 但沉降仍在增加。说明隧道向前方开挖一定范围对后方围岩的变形仍有影响但影响逐渐减小。

隧道开挖无支护时, 不同埋深条件下拱腰收敛曲线如图10所示。隧道在开挖过程中受上覆土埋深的影响, 埋深由20m增至40m, 埋深每增加5m, 拱腰收敛值依次增加33.2%, 32.2%, 30.5%, 27.5%, 随着埋深的增大, 拱腰收敛值也越大。

由图10可知, 随着掌子面的推进, 拱腰收敛一直在增加且逐渐变缓, 埋深越浅拱腰收敛变化越缓, 说明隧道前方开挖对后方围岩变形影响减弱。

随着埋深的增大, 隧道围岩初始应力增大, 在掘进过程中, 由于开挖卸荷效应, 应力释放使拱顶上方竖向应力均减小, 特别是靠近拱顶边缘的塑性区应力随第1循环开挖后急剧减小, 而处于塑性区外的区域应力变化较缓, 但随着掌子面的推进, 对其后方围岩应力影响逐渐减小。

相比隧道围岩初始应力状态, 隧道开挖后, 测线1上测点 (即拱顶上方) 水平应力增大, 而竖向应力减小, 刚开始开挖时, 隧道周边围岩应力重分布影响较大, 塑性区围岩应力变化较大, 但随着掌子面的推进, 对其后方围岩应力影响逐渐减小。测线1围岩竖向应力和水平应力变化如图11所示。

随着埋深的增大, 初始应力增大, 隧道刚开挖时, 应力重分布对拱腰边缘测点应力影响明显。拱腰边缘应力随着掌子面的推进, 不同埋深相同部位应力相差很小, 相对于初始应力竖向应力增大而水平应力有所减小, 但距离拱腰边缘6m和10m测点位置, 埋深越大, 应力越大, 开挖卸荷效应对其后方围岩应力影响逐渐减小。

由图12可知, 隧道开挖后周边围岩测线2上测点一定范围内竖向应力减小而水平应力增大, 即竖向应力被转移至水平方向, 在同一埋深下, 相同位置竖向应力远大于水平应力, 随着埋深的增大, 竖向应力和水平应力均增大。

不同埋深条件下围岩塑性区分布如图13所示。由图13可知, 不同埋深条件下隧道开挖对围岩的扰动范围不同, 随着埋深的增大, 塑性区半径也逐渐增大。埋深20m塑性区最大深度为1.1m, 塑性区面积为13.62m²。埋深40m塑性区最大深度达2.2m, 塑性区面积为34.01m²。埋深20~40m, 每增加5m, 塑性区面积增量依次为33.72%, 23.31%, 27.61%, 18.63%。这是由于隧道开挖后围岩应力重新分布, 局部区域拉应力达到抗拉强度或剪应力达到岩土体的抗剪强度, 使该部分围岩进入塑性状态。受剪破坏主要分布在隧道两侧, 受拉破坏则主要集中在隧道顶部和底部。

以相似原理及工程调研为基础, 通过系列试验调试出能满足贵阳轨道交通1号线地铁隧道某区间Ⅳ级围岩力学参数要求的模型材料, 配合比为重晶石粉∶石英砂∶凡士林=12∶5.5∶1 (质量比) 。

在系统分析和参考对比的基础上, 设计并制作隧道围岩模型试验装置, 研究隧道围岩压力拱模型试验的试验方法, 进行系列试验, 并得出以下规律。

1) 在一定范围内随着隧道埋深的增加, 开挖过程中围岩的破坏从塌穿型塌方到拱形塌方再到局部坍落, 并且埋深越大隧道围岩的坍落速率越慢, 最终围岩的破坏范围也越小。当埋深超过某临界值后, 围岩坍落现象较少并较长时间内处于相对稳定状态。

2) 隧道埋深从20~40m, 埋深每增加5m, 隧道地表围岩体沉降增量分别为-14.56%, -40.68%, -7.47%, -31.68%。并且隧道埋深越大地表沉降反而越小, 围岩的稳定性也越好。

3) 隧道开挖过程中, 围岩原有平衡状态被打破, 隧道拱顶竖向应力变小, 因此相对于初始应力减小, 并且埋深越大这种开挖导致竖向应力减小的效果越明显。由于拱顶水平应力发生应力重分布, 最大主应力方向发生偏转, 因此应力相对于初始应力增加。

4) 隧道埋深越大拱腰应力也越大, 隧道开挖过程中拱腰竖向应力有所增加, 并且埋深越大增量也越大, 但埋深20, 25m拱腰竖向应力受到围岩体坍落卸荷的影响应力有所减小。拱腰水平应力变化基本和竖向应力相似, 但没有竖向应力变化明显。

采用有限差分软件FLAC3D对隧道进行模拟试验, 模拟隧道在不同埋深下全断面开挖, 隧道围岩压力拱力学特征及围岩体发展破坏规律与物理模型试验对比分析, 分析结果如下。

1) 隧道埋深越大, 围岩应力越大, 应力释放减小的绝对值也越大, 围岩的变形量也越大。隧道拱顶距开挖掌子面一定距离时, 拱顶沉降量和拱腰收敛值一直增加, 但增速越来越小, 说明隧道向前方开挖一定范围对后方围岩变形仍有影响但影响逐渐减小, 同时也说明围岩自身也在进行调节。

2) 埋深越大, 初始应力越大, 离隧洞开挖半径越近的拱顶竖向塑性区应力变化越明显。隧道刚开挖时, 应力重分布对拱腰边缘测点应力影响明显, 拱腰边缘应力随着掌子面的推进, 不同埋深相同部位的应力相差很小, 相对于初始应力竖向应力增大而水平应力有所减小, 但随着掌子面的推进, 对其后方围岩应力影响逐渐减小。

3) 埋深不同, 开挖时对围岩体的扰动也不同, 随着埋深增加, 塑性区半径和塑性区面积也逐渐增加。