基金項(xiàng)目： 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（CDJZR10200022）； 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51109231）

作者簡(jiǎn)介： 許明（1975-），男，副教授，博士后，主要研究方向?yàn)榈叵鹿こ膛c邊坡工程，電話：15696120975，E-mail：foretech@163.com

文章編號(hào)： 0258-2724（2013）03-0423-06 DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.005

摘要： 為探討小導(dǎo)管注漿范圍對(duì)隧道穩(wěn)定性及地面沉降的影響，進(jìn)行了超前導(dǎo)管注漿加固機(jī)理與性能優(yōu)化的系列離心機(jī)模型試驗(yàn).試驗(yàn)隧道在平面應(yīng)變條件下的超固結(jié)黏土中開(kāi)挖，小導(dǎo)管注漿加固區(qū)設(shè)置在圓形隧道開(kāi)挖面外圍，采用具有一定剛度的環(huán)狀合成樹(shù)脂模擬.試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著小導(dǎo)管環(huán)向布置范圍的擴(kuò)大，隧道塑性區(qū)及滑移面由拱頂向拱腳轉(zhuǎn)移，深部土體逐漸開(kāi)始參與承載，隧道穩(wěn)定性提高；“洞側(cè)加固”方案對(duì)提高加固效果最為經(jīng)濟(jì)；覆跨比等于2時(shí)，該方案可使黏土隧道施工期間的最大地面沉降減小約10%.

關(guān)鍵詞： 隧道；小導(dǎo)管注漿；地面沉降；離心機(jī)模型試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： U451.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

超前預(yù)支護(hù)是具有開(kāi)放工作面的軟土隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中一種常見(jiàn)的工藝方法，是在隧道開(kāi)挖前，在掌子面前方的地層里沿隧道橫斷面設(shè)置一個(gè)類(lèi)似傘形拱殼的連續(xù)體或加固體，用以加固掌子面前方的地層，保證掌子面及地層的穩(wěn)定，抑制地面沉降，形成一個(gè)超前的支護(hù)體系.

在實(shí)際工程中，雖然已經(jīng)制定隧道小導(dǎo)管超前注漿的參數(shù)設(shè)計(jì)、施工工藝、質(zhì)量管理和計(jì)量控制等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，但主要基于經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比.小導(dǎo)管注漿的加固機(jī)理一般均簡(jiǎn)化為梁拱效應(yīng)和地層加固效應(yīng)[3-6]；加固效果的評(píng)價(jià)多采用環(huán)狀加固區(qū)力學(xué)參數(shù)反演基礎(chǔ)上的數(shù)值計(jì)算方法[7-8].而小導(dǎo)管注漿對(duì)于地面沉降和隧道塌陷機(jī)制的效應(yīng)尚缺乏理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證.

為掌握?qǐng)A形隧道在超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)作用下的塑性變形規(guī)律，本文采用倫敦城市大學(xué)的Acutronic 661型離心機(jī)，對(duì)超前小導(dǎo)管的作用機(jī)理以及小導(dǎo)管環(huán)向布置范圍對(duì)隧道穩(wěn)定性和地面沉降的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并提出了優(yōu)化的小導(dǎo)管布置方案，以提高小導(dǎo)管注漿支護(hù)效果，減小地下開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑結(jié)構(gòu)的危害.

1離心模型試驗(yàn)

1.1隧道模型

離心試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)半經(jīng)為1.8m，加速度設(shè)為100g（g為重力加速度）.隧道直徑為50mm，覆跨比（隧道埋深C與隧道直徑D之比）取為2.根據(jù)相似原理，試件可模擬直徑5m的隧道，是一種常用的隧道建筑限界.隧道拱腳距離模型箱底1倍直徑以上，模型兩側(cè)的寬度為5倍隧道直徑.其他類(lèi)似尺寸的離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，該距離可以將邊界效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響減小到最低.

試驗(yàn)隧道用一個(gè)外徑50mm的薄壁不銹鋼管開(kāi)鑿，隧道軸線與模型箱寬度方向一致.隧道內(nèi)壁用厚度0.75 mm的柱狀密封橡膠膜覆蓋，通過(guò)定量控制膜內(nèi)空氣壓力的方式模擬隧道的地層損失.模型地面沉降采用12個(gè)間距45 mm的線性位移傳感器（LVDTs）測(cè)量，地面以下位移則采用閉路電視攝像頭（CCTV）對(duì)試件側(cè)面布置的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行不間斷圖像采集，通過(guò)圖形采樣分析系統(tǒng)（Visimet）對(duì)不同時(shí)刻觀測(cè)點(diǎn)幾何位置的分析獲得各測(cè)點(diǎn)的位移[9-12].每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)由一個(gè)直徑3 mm的黑色圓柱狀塑料釘標(biāo)記，如圖1（a）所示.

1.2注漿小導(dǎo)管

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了5組不同加固方案的試件，注漿導(dǎo)管環(huán)向排列密度以及漿液擴(kuò)散半徑保持不變，僅注漿導(dǎo)管布設(shè)方位與數(shù)量不同，表1為模型試驗(yàn)方案.

試驗(yàn)方案中，F(xiàn)P1為無(wú)注漿導(dǎo)管的參照試件；試件FP2采用洞側(cè)加固方案，試件FP3、FP4和FP5采用拱頂加固方案，注漿范圍逐漸增大.

試驗(yàn)關(guān)鍵之處在于確保試件處于二維平面應(yīng)變條件下，以考察隧道內(nèi)壁所需的支撐壓力與土體變形的關(guān)系.小導(dǎo)管加固區(qū)雖然忽略了實(shí)際工程中注漿花管的傾角，但由于隧道變形集中在與隧道軸線垂直的平面內(nèi)，這種簡(jiǎn)化除了不能模擬隧道掌子面的破壞外，是一種有效的近似[14].

1.3試驗(yàn)流程

2隧道變形機(jī)制

FP1和FP3的隧道坍塌主要集中于拱腰以上周界（上拱圈破壞），而試件FP2和FP4的破壞集中于拱腰以下周界（下拱圈破壞）.造成二者差異的主要原因在于，前者小導(dǎo)管布置在隧道拱頂120°的范圍內(nèi)，后者布置在超過(guò)180°的范圍內(nèi).小導(dǎo)管環(huán)向布置范圍若超過(guò)隧道半拱圈，可使隧道塑性區(qū)由拱頂向拱腳轉(zhuǎn)移，深部土體逐漸開(kāi)始承載.隧道兩側(cè)（軸心深度處）是否有注漿小導(dǎo)管加固，將改變隧道的失效機(jī)制，拱腰位置是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位.當(dāng)加固區(qū)達(dá)到拱頂270°范圍時(shí)，隧道失效表現(xiàn)為拱腳回彈（圖3（c））.

從表2可見(jiàn)，無(wú)支護(hù)隧道所需的支撐壓力大于有支護(hù)隧道，說(shuō)明隧道輪廓線外圍的注漿導(dǎo)管既能對(duì)隧道拱圈提供一定的支撐，又能加固一定范圍內(nèi)的洞壁土體，進(jìn)而提高隧道穩(wěn)定性.試件FP4較之FP3的優(yōu)勢(shì)，僅在隧道大變形時(shí)才能體現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)?shù)貙訐p失率較小時(shí)，加固區(qū)范圍從隧道拱頂120°增加到180°，對(duì)改善加固效果的作用十分有限.試件FP5的布置方案雖然對(duì)提高隧道穩(wěn)定性效果最為顯著，但所需的注漿材料與工時(shí)也最多.

從注漿導(dǎo)管加固區(qū)面積與臨界支撐壓力的比率來(lái)看，試件FP2是一個(gè)折衷的最優(yōu)方案.

3位移模式分析

3.1地面沉降

圖4為5組試件在地層損失率VL=10%時(shí)的橫向地面沉降，其形態(tài)可由高斯分布曲線描述，此時(shí)隧道尚處于穩(wěn)定狀態(tài)，地面沉降值足夠大，不受系統(tǒng)誤差的影響.5組試件中土樣的不排水剪切強(qiáng)度非常接近，可忽略其對(duì)地面沉降的影響.

與參照試件FP1比較，試件FP2和FP5在隧道中心線處的最大地面沉降量減小10%左右，兩側(cè)地面沉降略有增大；試件FP3和FP4的沉降曲線與FP1相近.

3.2沉降曲線反彎點(diǎn)至隧道中心的距離

圖5顯示了5組試驗(yàn)中i隨z的變化情況.由參照試件FP1獲取的i值，不論在地面，還是在地面以下，均與式（2）的理論值一致，隧道埋深越大，沉降槽寬度越小.相對(duì)于無(wú)加固方案，試件FP3的沉降槽寬度系數(shù)減小，試件FP4持平，而試件FP2和 FP5增大.

沉降槽寬度系數(shù)增大意味著沉降槽寬度增大，在地層損失率相同的情況下，最大地面沉降變小，與圖4中試件FP2和FP5的地面沉降觀測(cè)結(jié)果一致.由于沉降曲線反彎點(diǎn)處剪應(yīng)變最大，當(dāng)?shù)貙犹幱跇O限狀態(tài)時(shí)該點(diǎn)剪應(yīng)力達(dá)到極限值，成為地層破壞的控制點(diǎn)，因此，i值的變化意味著滑移面的位置隨小導(dǎo)管布置范圍發(fā)生改變，進(jìn)而形成不同的隧道塑性變形機(jī)制.

4結(jié)論

通過(guò)不同小導(dǎo)管注漿范圍條件下圓形隧道變形機(jī)制的離心機(jī)模型試驗(yàn)，探討了超前導(dǎo)管注漿加固機(jī)理與最優(yōu)注漿范圍.結(jié)果表明：

（1） 注漿導(dǎo)管能對(duì)隧道拱圈提供一定的支撐，又能加固一定范圍內(nèi)的洞壁土體.隨著環(huán)向布置范圍的擴(kuò)大，隧道塑性區(qū)及滑移面由拱頂向拱腳轉(zhuǎn)移，深部土體逐漸開(kāi)始參與承載，隧道穩(wěn)定性得以提高.隧道兩側(cè)（拱腰）是超前支護(hù)的關(guān)鍵部位.

（2） 不同的小導(dǎo)管環(huán)向布置范圍對(duì)黏土隧道的加固作用不同，以加固效果顯著性排序，依次是FP5 （拱頂270°加固方案）、FP2 （洞側(cè)120°加固方案）、FP4 （半圓形式加固方案）和FP3 （拱頂120°加固方案）；從注漿導(dǎo)管加固區(qū)面積與臨界支撐壓力的比率來(lái)看，“洞側(cè)加固”方案最為經(jīng)濟(jì).

（3） “洞側(cè)加固”方案的沉降槽寬度系數(shù)較大，覆跨比等于2時(shí)，該方案可使黏土隧道施工期間的最大地面沉降減小約10%.

致謝：倫敦城市大學(xué)R N TAYLOR教授對(duì)圓形隧道穩(wěn)定性分析給予了悉心指導(dǎo)，在此表示衷心感謝.

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