李劍光， 周梓燚 ， 劉椿鵬 ， 鄒會松 ， 李紀(jì)偉

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 青島 266061)

隨著中國基建能力的提升和長期戰(zhàn)略規(guī)劃的制定，越來越多的巖體工程項(xiàng)目在交通、水利、國防、采礦等行業(yè)展開，鑒于在“縮短行程，節(jié)約能源，規(guī)避滑坡，保護(hù)生態(tài)”等方面的優(yōu)勢，洞室方案被廣泛采用，規(guī)模、廣度和速度超越以往幾十年，且正向世界延伸擴(kuò)展。大量工程實(shí)踐表明，巖土工程不可避免地會遇到軟弱夾層，甚至超預(yù)期的軟弱夾層帶，層理的存在本身對工程圍巖的強(qiáng)度有弱化作用，作為導(dǎo)水通道，又進(jìn)一步引起地下水的富集，水巖作用弱化圍巖強(qiáng)度，對洞室工程的安全穩(wěn)定造成不利影響，設(shè)計(jì)和施工階段以各種方式對洞室工程進(jìn)行穩(wěn)定性分析和預(yù)測就顯得非常必要。模型試驗(yàn)作為有效方式之一，已有學(xué)者從模擬材料、試驗(yàn)系統(tǒng)、夾層特征等方面進(jìn)行了大量探索。例如，孔令亞等[1]針對三峽庫區(qū)巴東組第三段泥灰?guī)r和層間軟弱夾層，研究了含水率、夾層厚度及CaCO3含量對軟弱夾層抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律及動態(tài)特性。趙宏剛等[2]通過制作不同厚度的軟弱夾層復(fù)合巖樣，探討了軟弱夾層厚度對隧洞臨空面圍巖力學(xué)響應(yīng)和破壞特征的影響。賈后省等[3]以南山礦回采巷道為工程背景，研究了含軟弱夾層頂板采動巷道圍巖破裂形態(tài)及冒頂機(jī)理。王思洋等[4]對成都地鐵7號線某標(biāo)段軟弱圍巖隧道進(jìn)行兩種開挖方式對比，為類似地質(zhì)條件下的工程施工提供參考。唐林等[5]對不同含水率的含軟弱夾層巖體進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并預(yù)測了含水率對其抗剪強(qiáng)度的影響。彭鵬等[6]對太焦鐵路五谷山1#隧道進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，分析了含軟弱夾層隧道圍巖變形特征。李劍光等[7]針對軟弱夾層傾角對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，通過物理模型試驗(yàn)?zāi)M開挖得出軟弱夾層傾角嚴(yán)重影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。Nader等[8]針對低應(yīng)力條件下層狀巖體隧道的穩(wěn)定性受巖體結(jié)構(gòu)(塊體)和開挖幾何尺寸的控制，建立了隧道的物理模型，研究了順層傾角、不連續(xù)面間距和隧道尺寸對隧道破壞機(jī)制的影響。Shi等[9]為分析TBM(tunnel boring machine)開挖擾動下復(fù)合地層圍巖的穩(wěn)定性，以蘭州供水工程為研究對象，進(jìn)行了巖土力學(xué)模型試驗(yàn)。

不涉水的模型試驗(yàn)研究，采用傳統(tǒng)固態(tài)的單相模擬試驗(yàn)，涉水問題少數(shù)通過靜力等效的方式，如用彈簧[10]或者膠囊[11]模擬承壓水進(jìn)行固體單相模擬，多數(shù)采用固液兩相模擬，流固耦合相似材料應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)因應(yīng)各種涉水試驗(yàn)需要的試驗(yàn)系統(tǒng)也不斷涌現(xiàn)[12-13]。

總體上，直接涉水的模型試驗(yàn)還不夠成熟。故現(xiàn)以含軟弱夾層的無支護(hù)地下洞室為研究對象，將軟弱夾層的含水狀態(tài)、厚度、位置作為因素，對地下洞室的開挖和開挖后兩個(gè)階段進(jìn)行應(yīng)力位移等監(jiān)測，得出軟弱夾層不同因素對地下洞室穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)試驗(yàn)需要，研發(fā)了杠桿式平面應(yīng)力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)由模型架、加載系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、注水裝置組成。杠桿式重力加載，壓力恒

圖1 模型試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Model test system diagram

定，無需動力，適合長時(shí)試驗(yàn)。模型架內(nèi)側(cè)尺寸(長×寬×高)為1 300 mm×180 mm×1 000 mm，可開展大模型試驗(yàn)，也可兩側(cè)同時(shí)獨(dú)立小模型對照試驗(yàn)。注水裝置由外掛式水源和預(yù)埋式管路組成，可實(shí)現(xiàn)任意層位常水頭注水。

1.2 相似比確定及相似材料選取

模型試驗(yàn)前，先根據(jù)目標(biāo)巖體、模型架尺寸和工程規(guī)模，保證主要指標(biāo)相似，忽略次要指標(biāo)，設(shè)定模型與原型相似比。本次試驗(yàn)中部分工況項(xiàng)目涉及含水，故相似比中也考慮水理性質(zhì)的相似。最終相似比如下。

幾何相似比為

CL=50

(1)

密度相似比為

Cρ=1.5

(2)

應(yīng)力、彈性模量相似比為

Cσ=CECρ=50×1.5=75

(3)

吸水率相似比為

Cω=1

(4)

軟化系數(shù)相似比為

Cη=1

(5)

滲透系數(shù)參數(shù)為

(6)

相似比確定后，相似材料是模型試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。參照其他文獻(xiàn)中流固耦合相似材料的選擇和配比，考慮本次試驗(yàn)的特殊性。不含水的工況與其他單相模擬做法一致，含水工況下，夾層材料要體現(xiàn)遇水軟化，軟弱夾層上下兩側(cè)主巖體材料則不然，故設(shè)定軟弱夾層和主巖體為兩種不同的相似材料，主巖體隔水、較高強(qiáng)度、低滲透率，夾層指標(biāo)性能則相反。

主巖體相似材料選取石英砂、石膏和有機(jī)硅，如圖2(a)所示；軟弱夾層相似材料選取石英砂、石膏和高嶺土，如圖2(b)所示。為了選定合適的配比，本次試驗(yàn)根據(jù)工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50266—2013)，制作了φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件，進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)(劈裂法)、吸水率實(shí)驗(yàn)和滲透實(shí)驗(yàn)，以測定力學(xué)和水理性質(zhì)。最終，主巖體材料的質(zhì)量比為石英砂∶石膏=0.772∶0.128，有機(jī)硅濃度為0.2%時(shí)隔水效果最好；軟弱夾層材料的質(zhì)量比為石英砂∶石膏∶高嶺土= 0.8∶0.05∶0.05。主巖體與軟弱夾層的原型和模型的力學(xué)與水理性能參數(shù)，如表1所示。

圖2 試驗(yàn)所選相似材料圖Fig.2 Similar materials selected for the test diagram

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究不針對特定的工程項(xiàng)目，以含軟弱夾層的地下洞室作為模型原型。洞室埋深700 m，截面為圓形，直徑3 m，上方具有一條水平的軟弱夾層帶，主圍巖體為砂巖，軟弱夾層帶為泥巖。試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用正交試驗(yàn)L4(23)方案，以軟弱夾層的厚度、位置和含水狀態(tài)為因素，每個(gè)因素2個(gè)水平。為全面反映各因素對地下洞室穩(wěn)定性影響程度，在正交試驗(yàn)的之外增設(shè)一組不含軟弱夾層的地下洞室試驗(yàn)(工況5)，作為對照。模型試驗(yàn)方案詳見表2。

軟弱夾層含水采用模型成型時(shí)在設(shè)定層位同步預(yù)埋多孔進(jìn)水軟管的方式實(shí)現(xiàn)，由外掛式吊瓶提供水源補(bǔ)給，兩立柱內(nèi)側(cè)做防滲處理，夾層材料含水率設(shè)定為同一數(shù)值，如圖3所示。

表1 主巖體與軟弱夾層的原型和模型的力學(xué)與水理參數(shù)Table 1 Mechanical and hydraulic parameters of prototype and model of main rock mass and weak interlayer

表2 模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 2 Design of model test scheme

1.4 監(jiān)測方案

圍巖應(yīng)力和變形是研究地下洞室變形和破壞機(jī)理的關(guān)鍵監(jiān)測信息，本試驗(yàn)中對二者均進(jìn)行監(jiān)測。

模型鋪設(shè)成型時(shí)，在洞室上方固定高度處，沿水平線預(yù)埋土壓力盒?？紤]到對稱性，只需記錄單側(cè)的3個(gè)測點(diǎn)，連接DM-YB1820型動靜態(tài)應(yīng)變采集儀進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，采集間隔為2 h。位移監(jiān)測為非接觸式方式，使用電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)相機(jī)對試驗(yàn)中的模型表面進(jìn)行拍照，通過GOM軟件進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)處理，重點(diǎn)對洞室周邊4個(gè)測點(diǎn)的位移變化進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，如圖4所示。

圖3 軟弱夾層注水圖Fig.3 Weak interlayer filled with water diagram

圖4 位移測點(diǎn)布置圖Fig.4 Displacement measurement point layout diagram

1.5 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程分為三個(gè)階段：試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苽潆A段、開挖試驗(yàn)階段和蠕變試驗(yàn)階段，如圖5和圖6所示。

(1)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苽潆A段。根據(jù)所選取的相似材料成分及配比，進(jìn)行相似材料混合、分層鋪筑、傳感器預(yù)埋等，成型后養(yǎng)護(hù)時(shí)，按照埋深700 m對應(yīng)的地應(yīng)力，折算模型的加載壓力。養(yǎng)護(hù)完成后，進(jìn)行注水裝置布置、傳感器連接調(diào)試等監(jiān)測前準(zhǔn)備工作。

(2)開挖試驗(yàn)階段。模擬洞室分步開挖過程，分6次開挖貫通，全斷面開挖，每次開挖30 mm，間隔1 h，每開挖步完成后進(jìn)行應(yīng)力和位移監(jiān)測。

(3)蠕變試驗(yàn)階段。模擬開挖后支護(hù)期，洞室貫通后，繼續(xù)保持地應(yīng)力不變，進(jìn)行蠕變試驗(yàn)，持續(xù)監(jiān)測應(yīng)力和位移，監(jiān)測時(shí)間為10 d。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苽鋱DFig.5 Test model preparation diagram

圖6 模型試驗(yàn)開挖和蠕變試驗(yàn)階段圖Fig.6 Model test excavation and creep test stage diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 開挖試驗(yàn)階段地下洞室穩(wěn)定性

開挖階段，由于開挖擾動，地應(yīng)力有重新分布的過程，不同位置測點(diǎn)監(jiān)測到的應(yīng)力變化趨勢不同。如圖7所示為工況1下應(yīng)力隨開挖步變化曲線，其他工況類同。隨著開挖的持續(xù)推進(jìn)，開挖輪廓正上方3號測點(diǎn)的垂直應(yīng)力呈下降趨勢，而1、2號測點(diǎn)為上升趨勢。分析原因：開挖過程中，洞室規(guī)劃位置形成了采空區(qū)，失去支撐后，應(yīng)力傳遞路徑發(fā)生變化，重新分布，動態(tài)平衡，采空區(qū)正上方的3號測點(diǎn)承擔(dān)部分轉(zhuǎn)移到1號和2號，所以其數(shù)值逐漸減小，而1號和2號測點(diǎn)分擔(dān)并承接了本應(yīng)由3號位置承擔(dān)的部分，所以數(shù)值增大。相較于2號測點(diǎn)，1號測點(diǎn)離洞室更遠(yuǎn)，所受到的開挖影響相對較小。

洞室收斂變形監(jiān)測是定量化判定洞室穩(wěn)定性的有效依據(jù)。獲得隨著開挖推進(jìn)模型表面洞周各測點(diǎn)的位移數(shù)值后，可進(jìn)一步計(jì)算出測點(diǎn)間相對位移，或收斂變形。各工況下，隨開挖推進(jìn)的洞室收斂變形曲線如圖8所示?？梢钥闯?，隨著開挖次數(shù)的增加，洞室的水平收斂變形在±0.005的小箱體內(nèi)上下波動，變化不大，而豎直收斂變形變化較大，整體呈緩慢趨勢，開挖前半程增加較快，后半程增加趨緩。其原因?yàn)樵诖怪钡貞?yīng)力大于水平地應(yīng)力的賦存條件下，開挖過程中洞室的變形主要表現(xiàn)為豎直收斂，開挖的初始階段，指向采空區(qū)內(nèi)部的豎直收斂(主要為頂板或拱頂下沉)較大，隨著開挖的持續(xù)深入，后續(xù)開挖對初始工作面所在剖面(洞室模型表面)的變形影響越來越小。此外，圖8(d)工況4的豎直收斂變形量最大，為0.043 mm；圖8(e)工況5的豎直收斂變形量最小，為0.029 mm。其余工況介于兩者之間，綜合對比，說明當(dāng)洞室中含有軟弱夾層時(shí)，洞室收斂變形量會增大，且當(dāng)軟弱夾層含水時(shí)會進(jìn)一步增大。

圖7 應(yīng)力隨開挖步變化曲線Fig.7 Stress change curve with excavation step diagram

圖8 洞室收斂變形隨開挖步變化曲線Fig.8 Convergent deformation of the cavern varies with the excavation step

為得出開挖試驗(yàn)階段軟弱夾層特征對洞室穩(wěn)定性的影響程度，此處對各測點(diǎn)的豎直收斂變形進(jìn)行極差分析。工況1～工況5的豎直收斂變形量分別為0.032、0.034、0.038、0.043、0.028 mm。根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析法對軟弱夾層各因素水平進(jìn)行分析，如表3所示。

從開挖試驗(yàn)極差分析表的敏感性次序可以得出，軟弱夾層含水狀態(tài)大于軟弱夾層位置大于軟弱夾層厚度對洞室穩(wěn)定性的影響，即：軟弱夾層含水狀態(tài)>軟弱夾層位置>軟弱夾層厚度。

表3 開挖試驗(yàn)極差分析表Table 3 Range analysis table of excavation test

2.2 蠕變試驗(yàn)階段地下洞室穩(wěn)定性

洞室全部貫通成型后，保持載荷和邊界條件不變，繼續(xù)對模型進(jìn)行為期10 d的蠕變試驗(yàn)，應(yīng)力采集間隔設(shè)定為2 h，不同工況下各測點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律均可得到，趨勢基本相同。圖9所示為工況1的情形。顯然，開挖完成后，應(yīng)力的動態(tài)調(diào)整始終在進(jìn)行，幅度越來越小，最終趨于穩(wěn)定。但是，位于洞室周邊不同位置，應(yīng)力變化不同，把最后一次開挖完成作為起始點(diǎn)，10 d后各點(diǎn)應(yīng)力均有增加，遠(yuǎn)離洞室的1號測點(diǎn)增幅最小，且最先趨于穩(wěn)定(1～2 d)，接近洞室的2、3號測點(diǎn)增幅較大，增加幅度為15%～20%，6～7 d后趨于穩(wěn)定?？紤]到模型的時(shí)間相似比，實(shí)際工程中的應(yīng)力穩(wěn)定時(shí)間會更長，支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)計(jì)入這部分附加載荷。

圖9 應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線圖Fig.9 Stress curve with time diagram

本階段所采用的位移監(jiān)測方式及洞室收斂變形量計(jì)算與開挖試驗(yàn)階段相同。各工況下，隨時(shí)間推移的洞室周邊關(guān)鍵測點(diǎn)的收斂變形曲線如圖10所示(為便于比較，最后一次開挖完成后，位移歸零)?？梢钥闯?，隨著時(shí)間的推移，洞室的水平收斂變形基本不變(工況5略有下降)，而豎直收斂變形變化較大，整體呈現(xiàn)先上升后趨穩(wěn)趨勢。分析原因：垂直地應(yīng)力大于水平地應(yīng)力的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)下，主要表現(xiàn)為豎直收斂，洞室貫通后，變形仍在持續(xù)增加，隨著時(shí)間推移，增幅越來越小，最終趨于穩(wěn)定，不同工況下趨穩(wěn)時(shí)間不同，為7～10 d，相較應(yīng)力，趨穩(wěn)時(shí)間會有滯后。此外，與第6次開挖完成時(shí)的數(shù)值相比，圖10(d)工況4的洞室收斂變形量最大，為0.157 mm，增幅365%；圖10(e)工況5的洞室收斂變形量最小，為0.094 mm，增幅336%。工況3和工況4高于工況1和工況2，工況5最小。顯然，本階段才是洞室變形的主要階段，考慮到變形量，宜在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，按照“先讓后抗，先柔后剛”的原則，聯(lián)合支護(hù)，持續(xù)觀測。實(shí)際施工中，分步開挖，及時(shí)支護(hù)后，洞室貫通后的變形量會少很多。

為得出蠕變試驗(yàn)階段軟弱夾層特征對洞室穩(wěn)定性的影響程度，此處對各測點(diǎn)的豎直收斂變形量進(jìn)行極差分析。工況1～工況5的豎向收斂變形量分別為0.111、0.118、0.144、0.157、0.094 mm。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)極差分析法對軟弱夾層各因素水平進(jìn)行分析，如表4所示。

從蠕變試驗(yàn)極差分析表的敏感性次序可以得出，軟弱夾層含水狀態(tài)大于軟弱夾層位置大于軟弱夾層厚度對洞室穩(wěn)定性的影響，即：軟弱夾層含水狀態(tài)>軟弱夾層位置>軟弱夾層厚度。

表4 蠕變試驗(yàn)極差分析表Table 4 Creep test range analysis table

3 結(jié)論

按照相似原理，配制了兩種不同力學(xué)和水理性能的相似材料，分別作為主巖體和軟弱夾層，并將夾層含水狀態(tài)、夾層位置和夾層厚度作為因素，按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，在自研的杠桿式平面應(yīng)力模型試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行多工況對照的模型試驗(yàn)，對無支護(hù)的含水軟弱夾層地下洞室的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。著重討論了開挖試驗(yàn)階段和蠕變試驗(yàn)階段洞周各測點(diǎn)的應(yīng)力和表面收斂變形量的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論。

圖10 洞室測點(diǎn)隨時(shí)間的收斂變形曲線Fig.10 Convergent deformation curve of measuring points in cavern with time

(1)隨著開挖的持續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力傳遞路徑發(fā)生變化，動態(tài)重布，開挖輪廓正上方測點(diǎn)的垂直應(yīng)力下降，臨近洞肩測點(diǎn)應(yīng)力上升，離洞室越遠(yuǎn)，所受到的開挖影響越小。臨時(shí)襯砌應(yīng)多關(guān)注洞頂區(qū)域。開挖完成后，應(yīng)力呈增加趨勢，動態(tài)調(diào)整幅度越來越小，最終趨穩(wěn)，離開挖區(qū)域越近，趨穩(wěn)時(shí)間越長。支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮開挖后的附加載荷。

(2)垂直地應(yīng)力大于水平地應(yīng)力的賦存環(huán)境中，隨著開挖的持續(xù)深入推進(jìn)，模型表面洞周各測點(diǎn)主要表現(xiàn)為豎直收斂變形，持續(xù)增大，但逐漸趨緩；開挖貫通后，依然是豎直收斂變形為主，且隨時(shí)間逐漸趨穩(wěn)，但變形比開挖過程大3倍左右。

(3)兩階段中，軟弱夾層特征對地下洞室穩(wěn)定性的影響程度為：軟弱夾層含水狀態(tài)>軟弱夾層位置>軟弱夾層厚度。

(4)洞室工程中，應(yīng)對含水頂板特別留意，通過疏排水等措施降低含水量，減少水害引發(fā)的次生災(zāi)害。施工中，分步開挖后，應(yīng)及時(shí)施作臨時(shí)支護(hù)，減少洞室貫通后的蠕變變形量。支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循“先讓后抗，先柔后剛”的原則，聯(lián)合支護(hù)，持續(xù)觀測。

本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，分兩階段進(jìn)行，全程無支護(hù)，雖與實(shí)際施工有差別，但便于觀測，尋找規(guī)律，后續(xù)可在支護(hù)設(shè)計(jì)方面改進(jìn)。涉水設(shè)計(jì)也可進(jìn)一步控制水壓、流量、區(qū)域等使得研究更貼近地下環(huán)境實(shí)際，均作為今后的展望。