1 引 言
青岛地铁暗挖车站具有岩性硬、埋深浅的特点，6 号线暗挖车站拱顶覆岩平均厚度在 20 m 左右，在后期运行中容易受地表荷载的影响。当地表荷载过大，隧洞围岩发生应力重分布并向洞内变形，最终会导致岩体超过极限承载力而发生破坏，严重影响车站的正常安全运营。
隧洞围岩破坏模式对结构支护设计、稳定性分析有重要的支撑作用。目前国内外的主要研究手段集中在模型试验、解析解推导等方面。在模型试验方面，阿比尔的等采用自主设计的模型试验仪，基于隧洞周围各点的应变研究了隧洞围岩在超载过程中的应变演化规律及破坏面的发展过程；房倩等采用隧道开挖模拟系统揭示了连续介质下隧洞超载过程中围岩破坏模式及规律；柳 献等对超载作用下盾构隧道的结构承载能力进行了模型试验研究；黄大维等对穿越软土地区的盾构隧道在地表超载作用下的结构病害进行了模型试验研究；李利平等利用大型三维模型试验台，研究了超载过程中隧洞围岩的破坏模式，尤其是拱部动态压力拱现象。在解析解推导方面，Yamamoto 等对双层圆形隧道在堆载作用下的稳定性进行了研究，给出了隧洞超载极限荷载的严格下界和上界解；Yang等研究了椭圆隧道在超载作用下的稳定性和破坏机理，给出了上界无量纲加载系数的变化情况；Wang等提出了一种新的解析解，可以快速预测圆形浅埋隧道在超载所用下的响应；Lin等给出了双隧道受超载荷载下浅层应力和位移的解析解。
实践证明，相似模型试验不仅可以直观地模拟隧洞结构的受力及变形，还能够模拟在极限受力情况下隧洞破坏的全过程，是一种解决地下工程问题的有效方法。本文依托青岛地铁6号线暗挖车站典型隧洞断面开展了大型相似模型试验，利用非接触式应变测量系统来观测裂隙演化过程，研究其破坏模式。本研究对浅埋硬岩暗挖车站的支护参数优化和后期的安全运行具有重要意义。
2 工程概况
青岛地铁6号线一期工程北起中德生态园站南至屯辛路站，线路全长 30.5 km，整体呈一个反“C”形。工程全部位于青岛西海岸新区内，串联起北部国际经济合作区、中部经济技术开发区以及南部的灵山湾文化区。6号线一期工程设21座地下车站，其中暗挖车站6座，明挖车站15座，路线走向及车站位置如图1（a）所示。6座暗挖站埋深14~34 m，拱顶覆岩厚度为13~27 m，洞身基本位于以花岗岩为主的微风化硬岩中。青医西院区站为地下暗挖双层岛式站台车站，站台宽度为11 m，有效站台长118 m，车站主体结构公共区采用双层单拱单跨结构形式，车站总体采用初期支护拱盖法施工，如图1（b）所示。
图1 青岛地铁6号线一期工程平面图
3 模型试验
3.1 试验设计
（1）相似关系与相似材料选择
模拟监测断面洞高 16 m，跨度为 20 m，围岩等级为Ⅳ级。对此断面进行裂隙节理数量与分布规律统计，发现存在节理裂隙发育带与3条优势节理面，如图2所示。综合考虑模型尺度与工程问题，根据相似理论，以容重、抗压强度、抗拉强度、内摩擦角为材料主控参数真实还原模拟断面的物理力学特性。计算确定几何相似比Cl=40，抗压强度σ相似比Cσ=40，抗拉强度相似比CF=40，容重γ相似比Cγ=1，内摩擦角φ相似比Cφ=1。
图2 模拟断面及优势节理示意
模型相似材料以水泥、石膏为胶结材料，石英砂、重晶石粉为骨料。设计 3 水平×3 因素正交试验方案对试验结果进行多元线性回归计算，最终确定其质量配比为：m 水泥∶m 石膏∶m 石英砂∶m 重晶石粉∶m 水=1∶0.87∶7.45∶1.85∶1.08。同时用云母片来模拟隧道断面的闭合裂隙，用硫酸盐板来模拟优势节理面。相似材料与模拟隧洞的围岩物理力学参数如表1所示。
表1 物理力学参数对比
（2）模型试验系统
模型试验系统由试验台架和试验加载系统组成，模型试验台架整体净空为 3 000 mm（长）×600mm（宽）×1 800 mm（高），洞口尺寸为560 mm（长）×600 mm（宽）×440 mm（高），可由井字钢板通过高强螺栓分层拼接而成，便于相似材料的装填。台架顶部采用拉筋固定，整体受力后侧向变形可忽略不计，满足对边界条件的要求。洞口周围设计为可拆卸桁架式开挖观测窗，内壁为透明亚克力板，可在提供充分侧向约束力的同时方便观测隧洞口围岩在开挖超载过程中的变化。模型试验台架示意图见图3（b）。试验加载系统选择山东科技大学的四柱式下横梁反力架加载系统，如图3（a）所示，采用电液伺服加载，最大轴向荷载可达2 000 kN，可满足本试验的加载需求。
图3 超载试验现场
（3）试验监测系统
试验以应变和位移监测为主，采用非接触式应变监测系统进行图像散斑识别。其中高速摄像机可精确识别并捕捉到监测物体上任意一点的应变与位移，应变测量精度可达20 με，位移测量精度为0.01像素。隧道全场应变和位移监测步骤为：在围岩表面制作散斑，原始图像采集，数据后处理。此外，使用千分表系统可监测加载过程中的隧洞内部拱顶及直墙段位移。
3.2 试验方案
本文针对隧洞开挖后的超载装填进行研究，因此超载试验采用先开挖后加载的方式。试验过程中，将相似材料逐层填充到模型试验台内，经充分养护后在预留的洞口处完全模拟隧洞现场的开挖方式。试验加载采用逐级加载的方式，前三级每级加载100 kN，之后每级加载50 kN，加载速度为10 kN/min，每级加载完毕后进入持荷阶段，待监测数据稳定后进入下一级加载。由非接触式应变测量系统和千分表监测系统实时监测记录隧洞围岩及洞口的变形。
4 隧洞超载试验
4.1 围岩裂隙演化研究
由于模型尺度较大，裂隙发展初期难以直观展现在原始图像上，故采用对原始图像临摹的方式对裂隙进行突出显示，得到隧洞围岩在超载试验中裂隙演化过程，如图4所示。当超载荷载P小于400 kN时，隧洞围岩处于挤密压实阶段，洞内拱顶沉降小于1.2 mm，整体无明显变化。当超载荷载为 400 kN时，隧洞拱顶上方15 cm处出现第一条裂隙，与拱顶法线夹角约为35°，见图4（a）。当超载荷载为450 kN时，隧洞左拱腰上方14 cm处出现第2条裂隙，与拱顶法线夹角约为40°，见图 4（b）。当荷载增加到500 kN时，左拱脚处出现垂直于拱轮廓线的裂隙，与拱顶法线夹角约为 140°，见图 4（c）。荷载加载到 600 kN时，洞内拱顶沉降达到 4.1 mm，右拱脚处衬砌出现开裂现象，裂隙持续发展，右拱腰上部出现两条裂隙，与拱顶法线夹角分别为35°、25°；同时在拱腰与拱脚处出现垂直于拱轮廓线的裂隙，与拱顶法线夹角分别为130°、140°，见图4（d）。当荷载加载到700 kN时，洞内拱顶沉降迅速增加至 10 mm，裂隙加速发育，平行于拱轮廓线的裂隙（红色）与垂直于拱轮廓线的裂隙（蓝色）在拱脚处交汇贯通，岩体破碎挤出，见图4（e）中的②区域，同时在破碎岩体上方形成微小裂隙密集区，见图4（e）中的①区域。
图4 超载围岩裂隙演化示意图
隧道围岩内部存在许多细微裂隙，在外力作用下，细微裂隙周围会产生应力集中现象，特别是裂隙尖端，细微裂隙受力情况如图5所示。围岩的破坏往往从裂隙尖端开始，裂缝逐渐扩展，最后导致围岩完全破坏。在已知超载作用的裂隙方位角的情况下，可根据格里菲斯强度准则式（1）计算得出围岩裂隙周围应力分布，即：
式中：Rt为裂隙尖端作用最大拉应力，可通过试验测得；β为裂隙方位角。
图5 细微裂隙受力示意
对超载过程中出现的裂隙进行受力分析，计算得出最大与最小主应力大小如表2所示。从表中可知，裂隙方位角为25°、27°的两条裂隙 σ3 均为负值（拉应力），为张拉裂隙。拱顶正上方裂隙的起裂最大主应力为0.412 MPa，约为相似材料单轴抗压强度的21.6%，试验结果表明，隧洞围岩拱顶上方在较低应力水平下已开始出现裂隙，为围岩的起裂危险区。
表2 主要裂隙受力统计
4.2 应变演化规律
超载试验利用非接触式应变测量系统实时记录隧洞围岩全场应变，如图6所示。由图6可知，隧道围岩在加载历程中出现若干与试验中裂隙位置、角度相匹配的应变集中区域，从围岩应变角度可以更加直观地解释裂隙的产生发育过程。加载初期隧道围岩变形较为均衡，全场应变发展均衡，无应变集中位置，分别对应隧道围岩处于挤密压实阶段，无裂隙产生，隧洞拱顶与拱底边缘处出现拉压应变区。超载荷载在350 kN时，隧洞围岩在优势节理处出现应变集中带，左拱腰上部出现应变集中点，见图6（a），围岩表面并未出现明显的裂隙，经过围岩的挤密压实，荷载集中在隧洞围岩优势节理面处，此时裂隙处于孕育阶段。当超载荷载为450 kN时，左拱腰上部出现显著的应变集中带，其中间部位应变数值明显高于两端部位，见图6（b），在对应的围岩表面出现裂隙；同时右拱腰处出现应力应变集中点，对应围岩表面并未出现裂隙。随着荷载增加裂隙发育在隧洞围岩表面全场应变图中显示出相同的规律，即在裂隙孕育阶段隧洞围岩出现应力应变集中点；裂隙萌生阶段应力应变集中点逐渐变成中间大两端小的偏平带；裂隙发展阶段应力应变带两端沿着最大主应力方向扩展延伸。超载荷载在650 kN时，裂隙发育完善，不同裂隙之间连接、贯通导致掉块缺斑现象，此时隧洞围岩表面已经出现明显可视裂隙，见图6（e）。
图6 隧洞超载过程应变演化发展过程
对记录的数据进行后处理，得到隧道围岩表面拱顶、左右拱腰3点竖向位移沉降量曲线，如图7所示。计算所得拱顶围岩表面沉降与千分表测得洞内拱顶沉降趋势一致。从图中可知，荷载小于350 kN时，隧洞围岩处于挤密压实阶段，拱顶沉降量与沉降速率较小；荷载在350~ 650 kN之间时，隧洞围岩处于裂隙发展阶段，拱顶沉降持续增加，裂隙萌生、扩展；荷载超过650 kN 时拱顶沉降迅速增加，不同裂隙之间连接、贯通，拱脚处岩体破碎挤出破坏。
图7 隧洞围岩表面沉降曲线
4.3 围岩破坏模式
由于地质条件与应力环境不同，隧洞围岩通常表现出多种破坏模式，其发生机制也不同。目前对隧洞破坏模式的研究主要集中在深埋硬岩与浅埋软岩隧洞上，深埋硬岩隧洞破坏模式受高地应力影响极大，脆性硬岩体内聚集大量应变能，容易产生岩爆或静态的脆性破坏；浅埋软岩隧洞破坏模式集中在隧洞围岩的整体失稳、塌方。通过试验发现浅埋硬岩隧洞整体稳定性较好，受地应力与开挖扰动影响较少。超载过程中隧洞围岩的破坏如图8所示，可知隧洞围岩的破坏具有以下特征：（1）在荷载较小时，首先在隧洞拱顶产生剪切裂缝，荷载持续增大拱顶剪切裂缝持续向下发展延伸；（2）拱腰上部产生正“八”字型和倒“八”字型剪切裂缝，裂缝在拱脚处交汇贯通，切割拱脚形成破碎岩体；（3）拱部在荷载作用下沿主要裂隙向下滑移，产生附加剪切应力，加速裂隙发育，并将拱脚处破碎岩体向洞内挤出，衬砌支护结构出现开裂、起鼓、掉块现象。隧洞围岩的破坏形式为拱部剪切破坏和拱脚处岩体破碎挤出破坏相耦合的剪切-挤出破坏模式。
图8 隧洞围岩破坏特征图
5 结 论
基于相似模拟试验和非接触式应变测量系统，研究了超载作用下浅埋硬岩隧洞的破坏模式，得到结论如下:
（1）非接触式应变测量系统测得的隧洞围岩全场应变中出现与围岩裂隙位置、角度相匹配的应变集中区域，可从应变角度解释裂隙的产生。这是揭示裂隙产生发育、隧道围岩受力变形的重要手段。
（2）超载过程中隧洞围岩拱部出现一系列正“八”字型的剪切破坏裂隙，与拱顶法线夹角在25°~40°之间，裂隙萌生初期在裂隙尖端发生应力集中现象。随着上部荷载增大，裂隙逐渐向两端发展，并延伸至拱脚处。正“八”字型的剪切裂隙形成后，在拱顶上方出现受力薄弱区，围岩上部荷载重分布形成压力拱，并在压力拱脚处围岩形成新的应力集中区，产生倒“八”字形剪切裂隙。最后，随超载荷载的增大裂隙逐渐延伸至拱脚处隧洞口。
（3）加载历程中最先出现在拱顶正上方裂隙的起裂最大主应力为0.412 MPa，约为相似材料单轴抗压强度的 21.6%，试验结果表明隧洞围岩拱顶上方在较低应力水平下已开始出现裂隙，为围岩的起裂危险区。
（4）隧洞围岩的破坏形式为拱部剪切破坏和拱脚处岩体破碎挤出破坏相耦合的剪切-挤出破坏模式。
摘自《现代隧道技术》