劉中勇

（神華包神鐵路責(zé)任有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

0 前言

非線(xiàn)性大變形力學(xué)區(qū)別于線(xiàn)性小變形力學(xué)的顯著標(biāo)志[1]是，當(dāng)研究的大變形巖土體介質(zhì)進(jìn)入到塑性、粘塑性和流變性的階段時(shí)，在整個(gè)力學(xué)過(guò)程中已經(jīng)不服從疊加原理，而且，力學(xué)平衡關(guān)系與各種荷載特性、加載過(guò)程密切相關(guān)。

在經(jīng)典力學(xué)的小變形假定基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的力學(xué)理論用于研究和解決軟巖工程大變形問(wèn)題時(shí)，雖然考慮了材料的物理非線(xiàn)性問(wèn)題，但從幾何場(chǎng)論角度看，仍然為小變形力學(xué)理論。

如果說(shuō)經(jīng)典小變形力學(xué)理論對(duì)解決小變形巖土工程問(wèn)題尚能奏效的話(huà)，那么，描述軟巖工程的大變形力學(xué)行為，就必須采用非線(xiàn)性大變形力學(xué)的理論和方法。但迄今為止，這方面研究尚不多見(jiàn)。

巖土工程的復(fù)雜性決定了采用數(shù)值模擬方法的必要性和重要性[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和各種數(shù)值計(jì)算方法的不斷完善，數(shù)值模擬技術(shù)成為有效解決巖土工程復(fù)雜問(wèn)題的重要手段。本文將給出非線(xiàn)性大變形數(shù)值方法在軟巖巷道工程中應(yīng)用的實(shí)例。

圖1 巷道底臌大變形理論模型

道底臌大變形理論模型見(jiàn)圖1。若選圖1所示的固定坐標(biāo)系為運(yùn)動(dòng)參考系，并用固定系的坐標(biāo)面分割微元體，則在變形前后所分割的并不是同一個(gè)微元體，破壞了質(zhì)量守恒定律數(shù)學(xué)表達(dá)的一致性，且能量原理的表達(dá)也存在困難。

1 工程實(shí)例

某風(fēng)道在施工過(guò)程中，施工過(guò)程中采用全斷面開(kāi)挖，直接全斷面開(kāi)挖和施加錨桿對(duì)地層加固后開(kāi)挖，其力學(xué)效用有所不通，特別是其圍巖變形差別很大，見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 回風(fēng)巷道無(wú)支護(hù)時(shí)的圍巖變形

圖3 回風(fēng)巷道有支護(hù)時(shí)的圍巖變形

回風(fēng)巷道一次性開(kāi)挖后，在不支護(hù)的情況下，巷道圍巖發(fā)生了顯著的塑性大變形現(xiàn)象。在層狀頂板出現(xiàn)了大變形局部不協(xié)調(diào)現(xiàn)象——離層，最大位移量為370 mm，兩幫向鄰空方向的最大位移量為115 mm，底臌的最大位移量為80 mm。

回風(fēng)巷道一次性開(kāi)挖后，在有錨網(wǎng)支護(hù)的情況下，巷道圍巖變形情況明顯好轉(zhuǎn)。層狀頂板發(fā)生離層現(xiàn)象消除，最大位移量?jī)H為65 mm，兩幫向鄰空方向的最大位移量為 1 00 mm，底臌的最大位移量為80 mm。

2 常用施工對(duì)策

2.1 地層預(yù)加固

某地鐵項(xiàng)目，由于該隧道處于軟弱圍巖中，施工之前，必須對(duì)隧道圍巖進(jìn)行注漿加固，注漿方法采用超前小導(dǎo)管注漿，注漿加固范圍在雙層斷面縱向距離堵頭墻5.5 m范圍內(nèi)，橫斷面范圍內(nèi)注漿范圍超出車(chē)站單層斷面輪廓線(xiàn)2 m以及兩單洞之間的土體，注漿范圍見(jiàn)圖4。

圖4 注漿加固圍巖(單位：mm)

注漿管采用風(fēng)鉆直接將φ32鋼管頂入土層，注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。在注漿液中摻加適量膨脹劑，注漿壓力控制在0.2～0.6 MPa。

2.1.1 注漿管制作

小導(dǎo)管采用熱軋鋼管，長(zhǎng)度為2.5～3.5 m。注漿管一端做成尖形，另一端焊上鐵箍。在距離鐵箍0.5～1.0 m處開(kāi)始鉆孔，鉆孔沿管壁間隔200 mm，呈梅花型布設(shè)，孔位互成90°，孔徑6～8 mm，見(jiàn)圖5。

圖5 小導(dǎo)管構(gòu)造示意圖(單位：mm)

一般情況下采用單排小導(dǎo)管沿130°范圍的輪廓線(xiàn)布置，小導(dǎo)管環(huán)向間距按設(shè)計(jì)為0.3 m，外插角13°～15°，小導(dǎo)管縱向搭接長(zhǎng)度不小于1.5 m。

2.1.2 注漿工藝參數(shù)

注漿壓力應(yīng)根據(jù)地層致密程度決定，一般為0.2～0.6 MPa。注漿材料及漿液配比，小導(dǎo)管注漿材料及配合比根據(jù)不同地質(zhì)情況和要求采用以下幾種：

（1）改性水玻璃漿：配合比為硫酸：水玻璃=1:1.8～1:2.2，pH=3.1～3.5。主要適用于無(wú)水的粉細(xì)砂層。

（2）純水泥漿：原材料為摻入10%微膨脹劑的普通水泥，水灰比0.45～0.6。主要適用與砂卵石層。

（3）水泥-水玻璃雙液漿：水泥采用32.5R普通硅酸鹽水泥，水玻璃為35Be'。水泥漿液水灰比為1:1～1:1.2；水泥漿液與水玻璃體積比為1:1。主要適用于細(xì)砂、粉砂、粉土層及帶水的砂層。

注漿數(shù)量的計(jì)算，小導(dǎo)管注漿量可按照式（1）計(jì)算：

式中：R——漿液擴(kuò)散半徑，可按0.3 m考慮；

L——小導(dǎo)管長(zhǎng)度；

n——巖體孔隙率；

K——充填系數(shù)，根據(jù)不同地質(zhì)條件取值。

2.2 臺(tái)階法施工

某巷道在開(kāi)挖過(guò)程中采用臺(tái)階法施工，施工過(guò)程中預(yù)留核心土，施工簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 臺(tái)階法施工示意圖

施工順序?yàn)椋海?）超前大管棚與小導(dǎo)管加固并預(yù)注漿；（2）拱部環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土；（3）Ⅲ部初期支護(hù)：（4）初噴5cm混凝土，架設(shè)格柵鋼架，掛網(wǎng)，噴混凝土；（5）開(kāi)挖核心土；（6）下部土體開(kāi)挖；（7）Ⅵ部初期支護(hù)：接邊墻、仰拱格柵鋼架并掛網(wǎng)、噴混凝土封閉成環(huán)。

拱部開(kāi)挖高度2.3 m(上導(dǎo)洞)和2.25 m（下導(dǎo)洞），順著拱外弧線(xiàn)用人工進(jìn)行環(huán)狀開(kāi)挖并留核心土，架設(shè)格柵鋼架，掛網(wǎng)噴混凝土。優(yōu)點(diǎn)是便于人工操作，地層擾動(dòng)范圍??；一但發(fā)生地層溜坍，容易進(jìn)行堵漏處理，也便于架設(shè)格柵鋼架。由于開(kāi)挖工作量小，能在較短時(shí)間內(nèi)將頂部支護(hù)完成，從而創(chuàng)造了一個(gè)安全的施工環(huán)境。

核心土開(kāi)挖至起拱線(xiàn)高度，在格柵拱腳處打設(shè)2.5 m長(zhǎng)帶孔錨桿，注漿以固結(jié)拱腳地層。

下部開(kāi)挖滯后拱部3～5 m，包括兩側(cè)邊墻、仰拱的開(kāi)挖，采用小反鏟開(kāi)挖配合人工修整作業(yè)。

2.3 監(jiān)控量測(cè)

以往的理論研究和施工實(shí)踐均表明，在地下工程施工過(guò)程中，地層應(yīng)力狀態(tài)的改變將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移和變形，同時(shí)也會(huì)對(duì)地表及周邊環(huán)境造成一定的影響。當(dāng)這種位移和影響超出一定范圍，必然對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，并影響到上方地表和臨近建筑的安全使用。

監(jiān)控量測(cè)的項(xiàng)目主要根據(jù)工程的重要性及難易程度、監(jiān)測(cè)目的、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式、施工方法、經(jīng)濟(jì)情況、工程周邊環(huán)境等綜合而定，力求在滿(mǎn)足需要的前提下，少而精。本工程的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目除考慮上述因素外，主要根據(jù)設(shè)計(jì)的要求而定，具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表1。

表1 某地鐵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一覽表

3 結(jié)論

（1）采用小變形力學(xué)數(shù)值方法分析軟巖工程大變形問(wèn)題，不僅會(huì)出現(xiàn)誤差，而且也違反了質(zhì)量與能量守恒定律，是不合理的。

（2）工程實(shí)踐表明，軟巖工程巖體發(fā)生的大變形現(xiàn)象，是與施工順序、施工過(guò)程緊密相關(guān)的，因此，采用和轉(zhuǎn)動(dòng)、形變的先后運(yùn)動(dòng)次序有關(guān)的極分解定理，描述軟巖工程巖體的大變形行為是適合的。

（3）軟弱圍巖隧道施工中應(yīng)該注意采取“暗挖設(shè)計(jì)遵循”管超前，嚴(yán)注漿；短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)；早封閉，勤量測(cè)”的原則考慮施工措施。

主要步驟為：地表降水；超前支護(hù)小導(dǎo)管及注漿；開(kāi)挖，進(jìn)尺一榀鋼支撐間距；初噴砼，掛鋼筋網(wǎng)，架立鋼支撐，噴混凝土；初期支護(hù)背后注漿；鋪設(shè)防水層；架立二襯鋼筋；進(jìn)行二次襯砌；襯砌背后注漿。

（4）只要嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì)、施工才能確保軟弱圍巖隧道施工的安全性。

[1] 何滿(mǎn)潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[2] 唐輝明，滕偉福.巖土工程數(shù)值模擬新方法[J].地質(zhì)科技情報(bào)，1998，17（2）：41-48.

[3] 陳至達(dá).有理力學(xué)[M].江蘇徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

[4] Manchao He，Qingwei Duan，Xiaoming Sun.Computer numeric simulation of soft rock in china[A].Computer Application in the Minerals Industries.Proceedings of the 29th International Symposium on Computer Application in the Minerals Industries[C].Beijing:[s.n.]，2001，25-27.

[5] Minnesota FLAC2D（3.3）User’s Manual Itasca Consulting Group[Z].USA:Minnesota，1996.

[6] 孫鈞，汪炳鑑.地下結(jié)構(gòu)有限元法分析[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1988.

[7] GB50299-1999，地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].1999.

[8] 徐林生，孫鈞，蔣樹(shù)屏.洋碰隧道CRD工法施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真數(shù)值模擬研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2001，12（1）：58-62.

[9] 丁春林，王春河.雙線(xiàn)隧道暗挖施工技術(shù)及數(shù)值模擬研究[J].地下空間，2002，12（4）：285-289.