秦長坤，皇 民，潘夢陽

(1.河南工程學院 土木工程學院，河南 鄭州 451191；2.中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200000)

隨著我國經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，中國高速公路建設已進入到新一輪的發(fā)展高峰，體現(xiàn)在公路等級不斷提高、高等級公路建設不斷向山區(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)條件也越來越復雜等方面[1-2]。為滿足人們對出行的需求，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措施不當極易產(chǎn)生大變形，以至產(chǎn)生初期支護侵陷甚至隧道塌方等工程災害[5-7]。為防止此類工程事故發(fā)生，在隧道開挖前對其進行預支護十分必要[8-9]，經(jīng)驗表明，超前小導管注漿支護在隧道穿越軟弱破碎圍巖等不良地段時發(fā)揮了重要作用[10-11]。為研究超前小導管注漿對大斷面軟弱圍巖隧道中的支護效應，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對隧道進行超前小導管注漿支護的數(shù)值模擬，分析大斷面軟弱圍巖隧道進行超前小導管注漿支護圍巖的應力場以及位移場，研究超前小導管注漿在大斷面軟弱圍巖隧道中的支護效果。

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，強風化層節(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洞：北側(cè)左洞長約1 370 m，起始里程為ZK16+145；南側(cè)右洞長約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)構如圖1所示。

圖1 隧道襯砌結(jié)構示意圖

2 數(shù)值分析

采用三維有限差分法(FLAC3D)對韓門隧道V圍巖段進行數(shù)值分析，隧道采用臺階法開挖，循環(huán)進尺為2 m，分為采用超前小導管注漿和不采用超前小導管注漿兩種情況。在隧道模型拱頂、左右拱肩和左右拱腰設置監(jiān)測點，對比分析超前小導管注漿對大斷面軟弱圍巖的隧道支護效果[12-13]。

根據(jù)韓門隧道具體尺寸及各計算參數(shù)建立三維數(shù)值模型。隧道圍巖采用莫爾庫倫(Morh-Coulomb)模型，超前小導管注漿支護區(qū)通過改變圍巖地層參數(shù)實現(xiàn)[14-16]。模型計算邊界：取X方向為橫向80 m，Y方向為縱向60 m，Z方向為豎向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 計算結(jié)果分析

3.1 圍巖Z方向位移分析

無超前小導管注漿時隧道圍巖Z方向位移云圖如圖3所示，有超前小導管注漿時隧道圍巖Z方向位移云圖如圖4所示，各測點Z方向位移變化趨勢如圖5所示。

圖3 Z方向位移云圖(無超前小導管注漿)

圖4 Z方向位移云圖(有超前小導管注漿)

圖5 各測點Z方向位移變化趨勢圖

由計算結(jié)果可知，隧道在兩種情況下拱頂發(fā)生的位移最大，在沒有超前小導管注漿時拱頂豎向位移為4.55 mm，對隧道進行超前小導管支護時拱頂豎向位移為3.07 mm，與沒有超前支護時相比下降約32%；隧道拱肩和拱腳處的位移量逐漸降低，在無超前小導管注漿時分別為3.81 mm和2.38 mm，有超前小導管注漿時分別為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，采用超前小導管注漿使支護區(qū)各部位的豎向位移明顯減小的同時，也抑制了隧道掌子面的預收斂。

3.2 圍巖X方向位移分析

無超前小導管注漿時隧道圍巖X方向位移云圖如圖6所示，有超前小導管注漿時隧道圍巖X方向位移云圖如圖7所示，各測點X方向位移變化趨勢如圖8所示。

圖6 X方向位移云圖(無超前小導管注漿)

圖7 X方向位移云圖(有超前小導管注漿)

圖8 各測點X方向位移變化趨勢圖

由計算結(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，無超前小導管支護時拱肩水平位移為0.8 mm，有超前小導管注漿時拱肩水平位移為0.32 mm，與無超前小導管支護時相比減少約60%；無超前小導管支護時拱腳水平位移為0.72 mm，有超前小導管注漿時拱腳水平位移為0.19 mm，與無超前小導管支護時相比減少約73%。

3.3 圍巖的應力分析

無超前小導管注漿時隧道圍巖Z方向應力分布云圖如圖9所示，有超前小導管注漿時隧道圍巖Z方向應力分布云圖如圖10所示。

圖9 Z方向應力分布云圖(無超前小導管注漿)

圖10 Z方向應力分布云圖(有超前小導管注漿)

由兩種情況下的豎向應力分布云圖可以看出，無超前小導管注漿時，隧道開挖后在拱腳處產(chǎn)生了應力集中區(qū)，最大壓應力值為5.4 MPa，在隧道邊墻約至拱肩這一范圍內(nèi)，圍巖應力值也相當大，約為5.0 MPa；當有超前小導管支護時，隧道拱腳處的應力最大值為4.0 MPa，隧道其他部位的應力值都相比無超前小導管注漿時有明顯降低，且各部位應力分布較均勻，在拱腳處無應力集中現(xiàn)象，但在邊墻處產(chǎn)生了應力集中區(qū)，應力值約為4.5 MPa，這是因為拱部進行超前小導管注漿，在支護范圍內(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力集中區(qū)。

4 結(jié) 論

1)數(shù)值分析表明，對大斷面軟弱圍巖隧道采用超前小導管注漿支護，能夠有效改善支護區(qū)域圍巖的物理力學性質(zhì)，提高加固區(qū)圍巖的強度，超前小導管注漿區(qū)會形成承載拱，其產(chǎn)生的棚護作用，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收斂。

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

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