余永強(qiáng) 陳天恩 張文新

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院;2.中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心)

軟弱圍巖強(qiáng)度、剛性低，變形量大，隧道開挖引起隧道周圍圍巖卸荷回彈和應(yīng)力重分布，在隧道周邊有結(jié)構(gòu)物和埋設(shè)物時(shí)，要控制圍巖的變形使之不對(duì)這些結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生影響。即使沒有結(jié)構(gòu)物時(shí)，因這類圍巖會(huì)產(chǎn)生很大的變形，可能造成圍巖松弛，其最終結(jié)果是隧道坍塌、掌子面不穩(wěn)定等。因此盡量控制圍巖變形和松弛是非常重要的。吉小明等人［1］在討論淺埋暗挖地鐵隧道開挖所引起的應(yīng)力和位移釋放的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了隧道開挖卸荷的有限元模擬計(jì)算，討論了開挖方式對(duì)地層位移釋放的影響。王鐵男、赫哲等人［2］針對(duì)沈陽地鐵施工實(shí)例，開展了超前小導(dǎo)管預(yù)注漿環(huán)向布置范圍對(duì)地鐵隧道開挖的影響分析，模擬不同的小導(dǎo)管環(huán)向布置，對(duì)圍巖應(yīng)力、隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)行綜合比較，確定出超前小導(dǎo)管合理布置范圍。

本研究以我國(guó)西北部某圓形隧道工程施工為實(shí)例，采用有限差分軟件模擬超前小導(dǎo)管注漿，進(jìn)行了超前小導(dǎo)管注漿抑制隧道變形效果分析。

1 工程概況

該隧道工程位于我國(guó)西北部黃土覆蓋的基巖低山丘陵區(qū)第三系臨夏組地層之中，圍巖巖性主要由疏松砂巖、泥質(zhì)粉(細(xì))砂巖、砂質(zhì)泥巖巖及泥質(zhì)粉(細(xì))砂巖組成。巖性軟弱，屬極軟巖，圍巖局部洞段有地下水活動(dòng)，地下水活動(dòng)狀態(tài)微弱。圍巖類別劃分為Ⅴ類圍巖，圍巖開挖后極不穩(wěn)定，易產(chǎn)生塑性變形破壞及坍塌現(xiàn)象，屬于軟弱圍巖。隧道大部分?jǐn)嗝媛裆钶^深，為了計(jì)算方便，本研究取隧道埋深在30 m左右洞段作為模擬對(duì)象，隧洞設(shè)計(jì)為圓形，設(shè)計(jì)毛洞直徑為5.75 m，初期支護(hù)采用網(wǎng)噴混凝土鋼拱架，厚度為25 cm;二次襯砌采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，厚度40 cm;開挖前上半斷面周邊施做密排超前小導(dǎo)管對(duì)地層進(jìn)行注漿加固，超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度3 m，直徑42.5 mm，外插角15°。超前小導(dǎo)管注漿隧道橫、縱斷面如圖1、圖2所示。

2 超前小導(dǎo)管注漿對(duì)軟巖隧道影響的數(shù)值模擬

2.1 超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固機(jī)理［3-4］

超前小導(dǎo)管注漿在超前支護(hù)方法上其作用類似于超前錨桿，在隧道開挖輪廓線外側(cè)施做，由后部的鋼支撐和前方未開挖部分巖土體支撐起中間部分的巖土體，起縱向梁作用。同時(shí)由于在隧道開挖施工前預(yù)先通過小導(dǎo)管注入漿液，漿液進(jìn)入巖土體的裂隙中，形成剛度較大的土層加固圈，不但提高巖土體的力學(xué)性能指標(biāo)，同時(shí)起到防水的作用，在很大程度上增加圍巖的穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

考慮到超前小導(dǎo)管的梁效應(yīng)對(duì)地表位移值的影響較大，而對(duì)于隧道洞室結(jié)構(gòu)的影響不是太大，在數(shù)值模擬過程中未考慮超前小導(dǎo)管的梁效應(yīng)，只考慮了超前注漿加固作用，注漿加固區(qū)的模擬按圍巖支護(hù)參數(shù)的改變來加以處理，初期支護(hù)體系以噴射混凝土來考慮。

2.2.1 FLAC有限差分軟件簡(jiǎn)介［5-6］

FLAC是由Itasca公司研發(fā)推出的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件。FLAC3D是二維有限差分程序FLAC2D的擴(kuò)展，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。采用的顯式拉格朗日算法和混合－離散分區(qū)技術(shù)能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題。

FLAC3D中內(nèi)置12種巖土本構(gòu)模型，包括空模型、3個(gè)彈性模型(各向同性，橫觀各向同性和正交各向同性彈性模型)、8個(gè)塑性模型(德魯克－普拉格模型、摩爾－庫倫模型、應(yīng)變硬化/軟化模型、遍布節(jié)理模型、雙線性應(yīng)變硬化/軟化遍布節(jié)理模型、修正的劍橋模型、雙屈服模型和霍克－布朗模型)。FLAC3D中還提供了豐富而功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)單元模型，包括梁?jiǎn)卧?、錨索單元、樁單元、殼單元、土工格柵單元和襯砌單元。

2.2.2 計(jì)算模型

由于隧道橫斷面相對(duì)于縱向長(zhǎng)度來說很小，所以本模擬假定在圍巖荷載作用下，隧道縱向沒有發(fā)生位移，只發(fā)生橫向位移。建模時(shí)考慮到隧道開挖半徑的影響，在寬度方上左右各取隧道4倍直徑以上，即x方向計(jì)算范圍取60 m。深度方向向下取3倍隧道直徑以上，向上取至地面，即z方向計(jì)算范圍取51 m。沿隧道開挖方向取1倍臺(tái)階長(zhǎng)度，即3 m。則整個(gè)計(jì)算區(qū)域范圍為60 m×3 m×51 m，共6 572個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 752個(gè)單元。

邊界條件:模型左右邊界在水平方向上位移固定，上部地表為自由邊界，底部邊界垂直方向固定位移。計(jì)算模型和邊界條件如圖3和圖4所示。

本模擬采用巖土力學(xué)通用的莫爾－庫侖模型來模擬隧道圍巖，超前小導(dǎo)管注漿通過在開挖前增加隧道上半斷面一定區(qū)域的計(jì)算參數(shù)在模擬中體現(xiàn)，初期支護(hù)采用各向同性的線性彈性材料殼單元模擬，開挖模擬采用FLAC3D內(nèi)置的空模型。

2.2.3 計(jì)算參數(shù)

模型的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

圖5為隧道開挖支護(hù)斷面垂直位移，可知2種情況下隧道斷面都有不同程度的沉降和隆起現(xiàn)象。沒有施做超前注漿預(yù)加固地層的隧道施工垂直變形較大，沉降最大位置在拱頂處，下沉20.24 cm;隆起最大位置在拱底，上升14.82 cm;施做超前注漿預(yù)加固地層的隧道施工垂直變形相對(duì)較小，沉降和隆起最大位置也分別是拱頂和拱底，分別為8.62和 14.57 cm。經(jīng)過超前注漿預(yù)加固的隧道沉降比沒有注漿預(yù)加固的隧道沉降范圍有所改善，且沉降值小很多;隆起范圍和隆起值幾乎沒有變化。計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 隧道開挖支護(hù)豎向位移云圖

圖6 拱頂下沉隨計(jì)算步數(shù)變化曲線

圖7為隧道開挖支護(hù)斷面水平位移。沒有施做超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固地層的隧道斷面水平位移最大為15.4 cm，位于隧道邊墻中心處;施做超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固地層的隧道斷面水平位移最大為8.86 cm，位于隧道仰拱兩側(cè)拱腳處。施做超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固地層的隧道施工斷面水平收斂較小，且最大收斂位置由邊墻中心下移至仰拱兩側(cè)拱腳位置。

圖7 隧道開挖支護(hù)水平位移云圖

隧道周邊圍巖塑性區(qū)分布如圖8所示。由圖8可以看出，沒有施做超前注漿預(yù)加固地層的隧道上部圍巖塑性區(qū)厚度交大，為3.12 m，下部厚度較小，為1.47 m;施做超前注漿預(yù)加固地層的隧道上下部圍巖塑性區(qū)厚度交為平均，為1.47 m;超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固地層能夠有效地抑制隧道上部圍巖塑性區(qū)的發(fā)育。

3 結(jié)語

(1)超前小導(dǎo)管注漿可有效地抑制軟弱圍巖隧道開挖變形。

圖8 隧道開挖支護(hù)圍巖塑性區(qū)分布

(2)在軟弱圍巖地層進(jìn)行隧道施工，采用超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固圍巖對(duì)控制隧道斷面垂直變形和水平收斂有較好的效果，拱頂沉降抑制作用最為明顯;對(duì)控制拱底隆起效果不佳。施做超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固圍巖使水平收斂范圍向下偏移，收斂值較無加固工況減小較大。

(3)超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固圍巖對(duì)隧道圍巖塑性區(qū)的發(fā)育有較為明顯的抑制作用，對(duì)隧道上部圍巖塑性區(qū)影響較大;隧道下部圍巖塑性區(qū)影響甚微。

［1］ 吉小明，張選兵，白世偉.淺埋暗挖地鐵隧道開挖過程的模擬研究［J］.巖土力學(xué)，2002(12):828-830.

［2］ 王鐵男，赫 哲，楊青潮.超前小導(dǎo)管注漿布置范圍對(duì)地鐵隧道開挖的影響分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010(10):54-58.

［3］ 卓國(guó)平.隧道洞口段施工技術(shù)研究和原理分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2003.

［4］ 張常委，朱國(guó)寶，張志強(qiáng).小導(dǎo)管注漿預(yù)加固中小導(dǎo)管數(shù)值模擬問題［M］.何 川，戴勤堂，李永林.西部公路隧道技術(shù).成都:西南交通大學(xué)出版社，2006:170-174.

［5］ 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

［6］ 李 國(guó).隧道及地下工程FLAC解析方法［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2009.