0 引言

随着城市经济的发展, 地面交通拥堵问题日益突出, 发展城市地下交通(即地铁)能有效缓解这一问题。不少城市地铁隧道在土层中修建, 对于这些城市地铁隧道, 其稳定性问题主要与隧道周围土体的变形和破坏有关。

对于黏土的强度和变形问题, 一般认为受含水率的影响较大, 含水率不同, 土体所处的状态不同, 表现出来的性质自然不同。林鸿州等^[1]以北京粉质黏土为研究对象进行了直剪试验, 发现粉质黏土对于水比较敏感, 其变形和强度主要受含水率影响, 一般随着含水率的增大, 粘聚力和摩擦角逐渐减小; NA Al-shayea^[2]通过三轴固结排水试验研究, 发现含水率对于黏性土强度有很大的影响, 随着含水率的增大, 黏土的粘聚力先增大后减小, 内摩擦角逐渐减小; 黄斌等^[3]通过三轴固结排水试验研究也得到了类似的结论; 凌华等^[4]通过三轴剪切试验对非饱和土的应力-含水率-应变关系的进行了研究, 得到了含水率与土体变形以及强度的关系。

根据相关规范, 对于粉质黏土, 一般以Ⅴ级围岩来考虑, 或者类似于文献[5], 仅仅对黏性土质进行了亚级划分, 这样笼统的划分对于粉质黏土中隧道开挖, 不仅会增加工程投资, 还会提高施工难度。相反, 其他类型的围岩条件下有分亚级做法, 比如王明年等^[6]针对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级公路隧道岩质围岩进行了较为全面、系统的围岩亚级分级研究, 为公路隧道设计、施工提供了强有力的指导, 取得了良好的效果。因此有必要开展粉质黏土地层地铁隧道围岩亚级分级方法研究, 并对不同亚级提出相应的支护方法。

对于支护方法, 本研究着重于超前支护方式的选择。一般情况下, 超前支护能够改变土体的受力状态, 改变应力路径以防止土体变形或破坏。对于超前支护方式选择, 主要从位移和应力两个方面来考虑。XIAO J Z等^[7]在研究管棚支护的力学性质时, 主要是通过地质条件以及支护结构的受力来判断管棚支护的稳定性; 台启民等^[8]主要通过对隧道围岩的变形预测值与控制标准进行比较来判断是否需要采用超前支护, 并通过采用超前支护后的隧道围岩变形预测值与控制标准进行比较选择满足变形控制要求的超前支护方式; 何思明等^[9]在研究隧道超前支护结构时, 通过分析隧道的稳定性、应力分布及塑性区开展情况, 综合比较得到合理的超前支护方式。

本研究以哈尔滨地铁项目为背景, 通过室内试验、理论分析、数值计算和现场验证等方法, 提出粉质黏土地层地铁隧道围岩亚级分级与相应分级方法, 并且通过对现场监测和数值模拟结果的对比分析, 得到了不同亚级情况下超前支护方式的选择。

1 粉质黏土性质试验及隧道围岩亚级分级

为了研究哈尔滨地铁土体性质, 从哈尔滨地铁1号线隧道掌子面处取土样, 采用保鲜膜和锡箔纸进行包裹封存, 极大的减少水分的散失以及土样的扰动, 并在试验室里进行了一系列的性质试验, 包括含水率试验、界限含水率试验、颗粒分析试验以及三轴试验^[10]。

1.1 土体性质

首先对所取土样进行了含水率试验和界限含水率试验, 其中含水率采用烘干法进行测量, 界限含水率采用液塑限联合测定仪进行测定, 通过试验可以得到, 哈尔滨地铁土体的含水率范围为20.92%~26.70%, 塑性指数范围为10~12, 液性指数范围为0.09~0.31。

分别选取不同含水率的土样进行颗粒分析试验。由于土样为细粒土, 颗粒粒径较小, 因此采用密度计法进行试验, 通过试验可以得到, 粒径小于0.075 mm的占总质量的90%以上。试验结果如图 1所示。

综上所述, 哈尔滨地铁土样塑性指数范围为10~12, 粒径大于0.075 mm颗粒质量分数不超过10%, 根据文献[11], 确定哈尔滨地铁土体为粉质黏土。

1.2 土的三轴试验

为了得到哈尔滨地铁土体的物理力学参数以及研究不同含水率情况下粉质黏土的力学性质, 进行土体的三轴试验。三轴试验的土样根据液性指数大致分为四类, 如表 1所示。其中, 不同含水率的试样采用加水养护的方法得到。

分别将这四种编号土样按照要求制成d=39.1 mm, h=80 mm的标准圆柱试样, 采用南京土壤仪器厂生产的应力—应变控制式三轴仪TSZ30-2.0进行三轴试验。三轴试验结束的条件依据文献[12], 当出现峰值后, 再继续剪3%~5%轴向应变; 若测力计读数无明显减少, 则剪切至轴向应变达15%~20%(本次试验取16%)。三轴试验的结果如图 2所示。

采用画莫尔圆的方法, 求得天然情况下的物理力学参数如表 2所示。同理, 两种重塑土的物理力学参数也如表 2所示。从表 2可以看出, 随着含水率的增大, 弹性模量逐渐减小, 摩擦角φ和粘聚力c也逐渐减小。

1.3 不同含水率土体围岩亚级级别划分及力学参数确定

为了细致的研究哈尔滨地铁土体性质, 需要对哈尔滨地铁隧道围岩等级进行更为细致的划分。根据哈尔滨地铁设计和勘察资料, 哈尔滨地铁隧道围岩为Ⅴ级围岩, 少数地方为Ⅳ级或Ⅵ级围岩。因此, 本研究主要针对哈尔滨地铁隧道Ⅴ级围岩进行亚级级别划分, 并确定不同亚级的力学参数。

根据液性指数对哈尔滨地铁隧道围岩进行了亚级级别划分, 如图 3所示。并依据室内试验结果和文献[6]给出了不同亚级级别下的物理力学参数如表 3所示。

2 粉质黏土隧道围岩性质现场试验 2.1 工程背景

哈尔滨市是黑龙江省省会, 是东北北部的政治经济中心。哈尔滨地铁在建的项目主要有1号线三期、2号线一期以及3号线二期。本次的现场监测主要依据哈尔滨地铁1号线三期项目。哈尔滨地铁1号线三期项目所在地区属于岗阜状平原地区, 地铁隧道穿越的地层主要为粉质黏土层, 地下水埋深大, 地层自稳能力好。在该地区地铁隧道主要采用矿山法施工, 分为上下两个台阶, 间距4 m, 上台阶中间位置在施工过程中预留核心土。按照设计要求, 隧道超前支护采用超前小导管, 长度3 m; 初期支护采用格栅拱架+喷射混凝土支护, 拱架一榀0.8 m。

为了保证哈尔滨地铁隧道施工安全和进行相关的研究, 在哈尔滨地铁1号线三期工程同江路站—哈南站站区间SK13+950—SK14+040段开展现场位移监测和对比试验。

2.2 现场监测方案

现场监测主要包括现场位移监测和现场对比试验, 监测的项目以及相关情况如表 4所示^[13]。其中, 现场位移监测主要是监测拱顶下沉和地表沉降, 在试验段内, 每隔10 m布置一个监测断面, 每个监测断面布置5个地表监测点(从左到右依此编号为A~E)和1个拱顶监测点, 一直布置了48个位移监测点, 现场位移监测点的布置示意图如图 4所示。位移监测采用的是莱卡全站仪进行监测, 全站仪精度为±1 mm。

现场对比试验主要是为了研究在有无超前小导管对于拱架受力的影响, 选取了四个断面进行试验, 其中, 前两个断面区域施作超前支护, 桩号分别为SK13+971和SK13+977, 后两个断面区域未施作超前支护, 桩号分别为SK14+015和SK14+021, 如图 5所示, 拱架的受力监测采用的是差动电阻式钢筋计, 量程是300 MPa。

2.3 位移监测结果

位移监测的数据如图 6所示, 从图 6可以看出, 随着时间的推移地表沉降与拱顶下沉逐渐增大, 且地表沉降的范围为13~22 mm, 拱顶下沉的范围为7~11 mm。其中, 前4个断面区域施作了超前支护, 从监测数据看, 施作超前支护区域的位移要小, 说明超前支护起到了一定的作用。但是, 除了监测断面SK14+001处监测位移较大外, 其他监测断面处监测位移相差不大, 说明超前支护的作用有限。

2.4 应力监测结果

拱架受力的监测结果如图 7所示。分析图 7可知, 随着时间的推移, 拱架受力先逐渐增大后趋于稳定。并且, 从监测结果看, 施作超前支护处的拱架受力明显比无超前支护处小, 说明超前支护能有效的降低拱架的受力。但是, 即使在无超前支护情况下, 拱架的受力仍然较小, 远低于拱架钢筋的屈服强度(拱架钢筋采用的是HRB400)。

3 粉质黏土地层支护方法

为了研究不同亚级情况下隧道超前支护方式的选择, 根据室内试验得到的力学参数进行了数值模拟研究^[14-15]。

3.1 数值模拟模型

本次数值模拟采用的是FLAC3D, 所建模型大小为60 m×64 m×50 m(其中, 隧道轴线方向64 m), 如图 8(a)所示, 开挖洞室为多心圆(直径大约6 m)。根据现场情况, 隧道开挖采用的是台阶法开挖, 上下台阶相隔4 m。

3.2 数值模拟参数选择与工况设置

根据表 3, 围岩的参数分别取临界状态的物理力学参数, 如参数1的摩擦角取Ⅴ₁级围岩摩擦角的上限30°, 参数2的摩擦角取Ⅴ₁级围岩摩擦角的下限(也即Ⅴ₂级围岩摩擦角的上限)27°, 具体情况如表 5所示。

根据哈尔滨地铁隧道设计, 超前支护采用的是超前小导管, 按照设计要求, 小导管长度为3 m, 搭接长度不小于100 mm, 根据拱架间距(一榀0.8 m), 超前小导管的施作间距可以为1.6 m和0.8 m。在数值模拟中, 用桩单元进行模拟, 所需要物理力学参数如表 6所示。

对于拱架的模拟, 在数值模拟中, 主要将拱架和混凝土组合在一起, 采用等效的方法, 用衬砌单元进行模拟, 衬砌单元所需物理力学参数如表 6所示。对于拱架受力计算, 主要根据数值模拟得到的弯矩和轴力, 采用等效的方法计算得到。

本次数值模拟根据围岩参数和超前支护方式, 设置了12种工况, 如表 7所示。其中, 工况10~12在计算中不能收敛, 因此无法得到相应的结果。

3.3 现场典型断面预测对比

为了与现场情况进行对比分析, 进一步确定现场参数的范围以及数值模拟的合理性, 考虑到现场施工情况, 在无超前支护情况下分别将现场监测情况(选取了其中的两个监测断面, 桩号分别为SK14+001和SK14+011)与数值模拟情况进行对比, 如图 9所示^[16-17]。

在位移对比中(尤其对于拱顶下沉), 考虑到监测是在隧道开挖之后进行的, 具有一定的滞后性, 因此, 在对比过程中保证监测的位移变化幅度与数值模拟相同。从图 9的结果上看, 现场监测结果在数值模拟参数1和参数2的结果之间, 说明, 现场的物理力学参数也应在参数1和参数2之间, 室内试验所得天然土样的力学参数基本在参数1和参数2之间, 两者结论一致, 因此, 本次数值模拟具有一定的可信性。

3.4 数值模拟结果及不同参数下支护方式确定

通过不同工况的数值模拟, 得到不同工况下的数值模拟结果, 如图 10、11以及表 8所示。

从图 10可以看出, 随着掌子面的推进, 拱顶下沉和地表沉降逐渐增大, 最后平稳。施作超前支护能够有效的降低拱顶下沉和地表沉降。图 11给出了不同参数不同超前支护下拱架的受力情况。从图 11中可以看出, 施作超前支护, 拱架受力明显降低, 但是参数1、参数2两种情况超前支护间距对拱架受力的影响不大, 参数3超前支护间隔0.8 m情况比1.6 m对拱架受力降低的效果好。

综合相关规范和国内外地铁工程的建设和管理经验^[18-19], 得到了国内外地铁施工量测数据管理标准, 如表 9所示。根据要求, 当地面最大沉降大于30 mm或拱顶最大下沉大于50 mm时, 需要施作超前支护。现场钢筋的型号的HRB400, 根据文献[20], 其抗拉强度设计值为360 MPa, 若假设安全系数为2, 则容许抗拉值为180 MPa。

根据表 7、8, 对于参数1, 无超前支护时, 拱顶下沉和地表沉降全部满足要求, 最终拱架受力只达到了拱架容许值的27.2%, 在安全范围内, 因此, 对于参数1情况无需超前支护。对于参数2, 在无支护时拱顶下沉不能满足要求, 但在间隔1.6 m超前支护时满足, 且此时应力值也只有拱架容许值的31.6%, 因此, 对于参数2情况应选择间隔1.6 m超前支护。对于参数3, 只有在间隔0.8 m超前支护时, 拱顶下沉、地表沉降以及拱架受力都满足要求, 因此, 对于参数3情况应选择间隔0.8 m超前支护。

3.5 不同参数下超前支护方式选择的安全性评估及确定

根据数值模拟结果, 在隧道周围选取了两个点, 绘制了不同参数不同超前支护方式下的应力路径, 如图 12所示; 提取了不同参数下无超前支护和采用合适超前支护情况下的塑性区情况, 如图 13所示^[21-26]。

从图 12可以看出, B点在隧道上方, 所以超前支护的施作对于B点的应力路径影响较大, 并且随着参数的变差, 影响的程度增大。从图 12还可以看出, 施作超前支护能够使应力路径更偏向于安全。另外, 从图 13的塑性区可以看出, B点处存在拉破坏, 参数2和参数3情况下施作超前支护能降低最小主应力, 减少拉破坏。

从图 13可以看出, 图(a)(c)(e)对应无超前支护, 随着围岩参数的变差, 塑性区逐渐增大; 图(b)(d)施作了超前支护, 塑性区面积明显减少, 尤其是对于拱顶处受拉破坏区的面积, 说明施作超前支护起到一定的作用。另外, 不同参数采用合适的超前支护方式之后, 塑性的面积大概控制在距洞室中心半径5 m的范围内, 相对较小。

通过对应力路径和塑性区分布的分析, 进一步确定了3.4中对于不同参数下超前支护方式选择的合理性, 另外对于参数4情况由于在数值模拟下没能得到, 但是结合参数3的相关情况:采用间隔0.8 m超前支护, 位移已接近控制值, 拱架受力也达到了容许值的89.1%, 因此对于参数4需要更强的超前支护, 如超前管棚等。因此, 综上所述, 对于Ⅴ级围岩及以上可以不施作超前支护, 对于Ⅴ₁级围岩可以采用间隔1.6 m的超前小导管支护, 对于Ⅴ₂级围岩需要采用间隔0.8 m的超前小导管支护, 对于Ⅴ₃级及以下围岩则需要选用其他更强的超前支护方式。

4 结论

通过室内试验、现场监测和数值模拟, 得到了不同含水率情况下的超前支护方式, 并且通过对比分析确定不同情况下的超前支护方式能够有效的保证隧道的稳定性, 具体情况如下:

(1) 通过对哈尔滨地铁土样进行室内试验分析, 确定了哈尔滨地铁土体为粉质黏土, 并根据液性指数将哈尔滨地铁隧道Ⅴ级围岩划分为3个亚级以及确定了各亚级的力学参数;

(2) 通过现场监测得到了哈尔滨地铁拱顶下沉为7~11 mm, 地表沉降为13~22 mm, 拱架受力较小, 位移和应力均在规范安全范围内;

(3) 通过数值模拟结果和现场监测结果的分析, 确定了哈尔滨地铁现场地层参数在参数1和参数2之间, 即围岩等级为Ⅴ₁级围岩, 这和室内试验得到的结果一致;

(4) 通过对不同地层参数不同超前支护方式的数值模拟, 确定了不同围岩等级情况下的超前支护方式选择, 即:Ⅴ级以上围岩不需要超前支护, Ⅴ₁、Ⅴ₂级围岩需要进行超前小导管支护, Ⅴ₃级及以下围岩需要更强的超前支护方式。

本研究针对哈尔滨地铁围岩亚级级别划分的指标是液性指数, 比较单一, 将来有必要根据不同指标的组合来对哈尔滨地铁围岩等级进行更为细致的划分。