秦長(zhǎng)坤，皇 民，潘夢(mèng)陽

(1.河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，中國(guó)高速公路建設(shè)已進(jìn)入到新一輪的發(fā)展高峰，體現(xiàn)在公路等級(jí)不斷提高、高等級(jí)公路建設(shè)不斷向山區(qū)延伸、隧道工程在高速公路里程中所占比例越來越大、建設(shè)規(guī)模和隧道開挖斷面越來越大、隧道穿越的地形和地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜等方面[1-2]。為滿足人們對(duì)出行的需求，在山區(qū)丘陵地帶修建大斷面甚至超大斷面隧道越來越普遍，而在這些隧道修建過程中難免需要穿越巖體破碎、巖石強(qiáng)度低、圍巖賦存環(huán)境差的不良地質(zhì)段，我們稱此類隧道為大斷面軟弱圍巖隧道[3]。

大斷面軟弱圍巖隧道開挖后，地應(yīng)力將重新分布，圍巖發(fā)生的變形量大且變形速度快，在受拉或受壓條件下會(huì)產(chǎn)生顯著的塑性變形[4]，一旦施工方法和使用的工程防護(hù)措施不當(dāng)極易產(chǎn)生大變形，以至產(chǎn)生初期支護(hù)侵陷甚至隧道塌方等工程災(zāi)害[5-7]。為防止此類工程事故發(fā)生，在隧道開挖前對(duì)其進(jìn)行預(yù)支護(hù)十分必要[8-9]，經(jīng)驗(yàn)表明，超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)在隧道穿越軟弱破碎圍巖等不良地段時(shí)發(fā)揮了重要作用[10-11]。為研究超前小導(dǎo)管注漿對(duì)大斷面軟弱圍巖隧道中的支護(hù)效應(yīng)，本文以鄭州中原西延線韓門隧道為工程依托，利用有限差分軟件FLAC3D對(duì)隧道進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)的數(shù)值模擬，分析大斷面軟弱圍巖隧道進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)圍巖的應(yīng)力場(chǎng)以及位移場(chǎng)，研究超前小導(dǎo)管注漿在大斷面軟弱圍巖隧道中的支護(hù)效果。

1 工程概況

韓門隧道地處河南省鞏義市站街鎮(zhèn)韓門村，是一座分離式雙向6車道隧道，單洞凈跨15 m，凈高9.4 m，單洞開挖斷面在150 m2，屬于超大斷面隧道。隧址區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，地形高山深切，出口段溝谷總體呈“V”型，局部發(fā)育陡崖，植被較發(fā)育。隧道區(qū)內(nèi)的巖性主要為三迭系和二迭系，以泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖為主，巖層呈層狀，強(qiáng)風(fēng)化層節(jié)理裂隙較發(fā)育，厚度為2.6～24.2 m。韓門隧道分為南北兩個(gè)洞：北側(cè)左洞長(zhǎng)約1 370 m，起始里程為ZK16+145；南側(cè)右洞長(zhǎng)約1 175 m，起始里程為YK16+270。隧道圍巖類型以IV、V圍巖為主，隧道襯砌結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值分析

采用三維有限差分法(FLAC3D)對(duì)韓門隧道V圍巖段進(jìn)行數(shù)值分析，隧道采用臺(tái)階法開挖，循環(huán)進(jìn)尺為2 m，分為采用超前小導(dǎo)管注漿和不采用超前小導(dǎo)管注漿兩種情況。在隧道模型拱頂、左右拱肩和左右拱腰設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)比分析超前小導(dǎo)管注漿對(duì)大斷面軟弱圍巖的隧道支護(hù)效果[12-13]。

根據(jù)韓門隧道具體尺寸及各計(jì)算參數(shù)建立三維數(shù)值模型。隧道圍巖采用莫爾庫倫(Morh-Coulomb)模型，超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)區(qū)通過改變圍巖地層參數(shù)實(shí)現(xiàn)[14-16]。模型計(jì)算邊界：取X方向?yàn)闄M向80 m，Y方向?yàn)榭v向60 m，Z方向?yàn)樨Q向50 m，模型前后兩側(cè)施加Y向位移約束，底部施加Z向位移約束，左右兩側(cè)施加X向位移約束，頂部自由無約束，模型的物理參數(shù)如表1所示，建立的隧道模型如圖2所示。

表1 模型物理參數(shù)

圖2 數(shù)值分析模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖Z方向位移分析

無超前小導(dǎo)管注漿時(shí)隧道圍巖Z方向位移云圖如圖3所示，有超前小導(dǎo)管注漿時(shí)隧道圍巖Z方向位移云圖如圖4所示，各測(cè)點(diǎn)Z方向位移變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖3 Z方向位移云圖(無超前小導(dǎo)管注漿)

圖4 Z方向位移云圖(有超前小導(dǎo)管注漿)

圖5 各測(cè)點(diǎn)Z方向位移變化趨勢(shì)圖

由計(jì)算結(jié)果可知，隧道在兩種情況下拱頂發(fā)生的位移最大，在沒有超前小導(dǎo)管注漿時(shí)拱頂豎向位移為4.55 mm，對(duì)隧道進(jìn)行超前小導(dǎo)管支護(hù)時(shí)拱頂豎向位移為3.07 mm，與沒有超前支護(hù)時(shí)相比下降約32%；隧道拱肩和拱腳處的位移量逐漸降低，在無超前小導(dǎo)管注漿時(shí)分別為3.81 mm和2.38 mm，有超前小導(dǎo)管注漿時(shí)分別為2.59 mm和1.67 mm，同比下降分別約為32%和30%。由位移云圖也可以看出，采用超前小導(dǎo)管注漿使支護(hù)區(qū)各部位的豎向位移明顯減小的同時(shí)，也抑制了隧道掌子面的預(yù)收斂。

3.2 圍巖X方向位移分析

無超前小導(dǎo)管注漿時(shí)隧道圍巖X方向位移云圖如圖6所示，有超前小導(dǎo)管注漿時(shí)隧道圍巖X方向位移云圖如圖7所示，各測(cè)點(diǎn)X方向位移變化趨勢(shì)如圖8所示。

圖6 X方向位移云圖(無超前小導(dǎo)管注漿)

圖7 X方向位移云圖(有超前小導(dǎo)管注漿)

圖8 各測(cè)點(diǎn)X方向位移變化趨勢(shì)圖

由計(jì)算結(jié)果可知，隧道在兩種情況下水平方向最大位移發(fā)生在拱肩處，無超前小導(dǎo)管支護(hù)時(shí)拱肩水平位移為0.8 mm，有超前小導(dǎo)管注漿時(shí)拱肩水平位移為0.32 mm，與無超前小導(dǎo)管支護(hù)時(shí)相比減少約60%；無超前小導(dǎo)管支護(hù)時(shí)拱腳水平位移為0.72 mm，有超前小導(dǎo)管注漿時(shí)拱腳水平位移為0.19 mm，與無超前小導(dǎo)管支護(hù)時(shí)相比減少約73%。

3.3 圍巖的應(yīng)力分析

無超前小導(dǎo)管注漿時(shí)隧道圍巖Z方向應(yīng)力分布云圖如圖9所示，有超前小導(dǎo)管注漿時(shí)隧道圍巖Z方向應(yīng)力分布云圖如圖10所示。

圖9 Z方向應(yīng)力分布云圖(無超前小導(dǎo)管注漿)

圖10 Z方向應(yīng)力分布云圖(有超前小導(dǎo)管注漿)

由兩種情況下的豎向應(yīng)力分布云圖可以看出，無超前小導(dǎo)管注漿時(shí)，隧道開挖后在拱腳處產(chǎn)生了應(yīng)力集中區(qū)，最大壓應(yīng)力值為5.4 MPa，在隧道邊墻約至拱肩這一范圍內(nèi)，圍巖應(yīng)力值也相當(dāng)大，約為5.0 MPa；當(dāng)有超前小導(dǎo)管支護(hù)時(shí)，隧道拱腳處的應(yīng)力最大值為4.0 MPa，隧道其他部位的應(yīng)力值都相比無超前小導(dǎo)管注漿時(shí)有明顯降低，且各部位應(yīng)力分布較均勻，在拱腳處無應(yīng)力集中現(xiàn)象，但在邊墻處產(chǎn)生了應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力值約為4.5 MPa，這是因?yàn)楣安窟M(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿，在支護(hù)范圍內(nèi)形成的承載拱，承受上部荷載傳遞至邊墻，在其邊墻處形成了應(yīng)力集中區(qū)。

4 結(jié) 論

1)數(shù)值分析表明，對(duì)大斷面軟弱圍巖隧道采用超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)，能夠有效改善支護(hù)區(qū)域圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，提高加固區(qū)圍巖的強(qiáng)度，超前小導(dǎo)管注漿區(qū)會(huì)形成承載拱，其產(chǎn)生的棚護(hù)作用，使隧道拱頂、拱肩和拱腳處的豎向位移以及拱肩和拱腳處的水平位移明顯降低，且能夠抑制隧道掌子面的預(yù)收斂。

2)進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿使隧道圍巖應(yīng)力的大小較無超前小導(dǎo)管注漿時(shí)明顯降低，且應(yīng)力分布更加均勻，使拱腳處不再產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，有助于大斷面軟弱圍巖隧道的安全施工。

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