溫郁斌

（山西昔榆高速公路有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

公路在穿越山區(qū)時(shí)多選用隧道，因此長大山嶺隧道也不斷增加。長大隧道由于埋深大、洞身長、地質(zhì)條件復(fù)雜，會(huì)遇到軟弱破碎帶、斷層、高水壓力、突水突泥等復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害問題。其中因掌子面涌水突泥而引發(fā)的掌子面穩(wěn)定性問題很多，特別是涌水嚴(yán)重影響隧道的安全施工和運(yùn)營，也是隧道建成后病害的主要誘因，這使得隧道工程常表現(xiàn)出兩種極端現(xiàn)象：一種是對(duì)富水地層進(jìn)行盲目的封堵而無法得到預(yù)期效果，造成浪費(fèi)和施工困難，甚至發(fā)生不必要的事故；另一種是未探明地下水分布情況，盲目地對(duì)地下水進(jìn)行排放。因此，分析合理的預(yù)加固技術(shù)和隧道在穿越大埋深高水壓地層時(shí)掌子面的穩(wěn)定性具有大的工程應(yīng)用價(jià)值。本文利用有限差分軟件分析了初支、注漿加固和不同預(yù)加固條件下，富水軟弱圍巖掌子面穩(wěn)定性的因素；對(duì)隧道開挖產(chǎn)生涌水災(zāi)害時(shí)掌子面前方水壓、掌子面的變形、掌子面塑性區(qū)變化規(guī)律、拱頂沉降以及初支內(nèi)力進(jìn)行了分析，注漿加固圍巖和堵水能夠起到優(yōu)化設(shè)計(jì)、保障結(jié)構(gòu)安全等重要的作用，具有突出的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 模型

1.1 水壓影響

在分析水壓力對(duì)隧道施工的影響時(shí)，主要以地下水壓在富水隧道中的力學(xué)效應(yīng)作為研究基礎(chǔ)，主要體現(xiàn)在三方面：一是水壓力為隧道襯砌荷載的重要組成之一，二是水壓力是導(dǎo)致掌子面垮塌的誘因之一，三是水流沖刷作用會(huì)增大裂隙寬度[1]。

隧道結(jié)構(gòu)所承受地層壓力（水壓力、土壓力）的確定方法仍然是當(dāng)今實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題。水流的擴(kuò)徑?jīng)_刷作用是指在地下水進(jìn)入開挖空間的過程中，水流通道逐漸擴(kuò)大造成局部圍巖破壞的過程，這與承壓水對(duì)底板巖體的破壞作用類似。突水量遞增的主要原因是滲水通道在水流沖刷下不斷擴(kuò)大。對(duì)于巖石地層，地下水是通過原生分布的節(jié)理、裂縫等進(jìn)入開挖空間的。

1.2 掌子面變形

在穿越富水隧道施工中，掌子面失穩(wěn)時(shí)通常表現(xiàn)為掌子面圍巖向隧道內(nèi)隆起變形；斷層泥和破碎巖體隨著高水壓涌入隧道中，形成突水突泥；隧道周邊收斂位移、拱頂下沉速率變快、初期支護(hù)混凝土開裂、鋼拱架壓彎扭曲變形等。

1.3 開挖模擬

在富水軟弱圍巖條件下，采用80 km/h設(shè)計(jì)速度雙車道隧道，對(duì)隧道圍巖未加固處理情況與采用預(yù)注漿加固措施情況，全斷面開挖，掌子面的位移、掌子面塑性區(qū)、孔隙水水壓等掌子面穩(wěn)定性以及初支內(nèi)力進(jìn)行研究分析。

隧道埋深120 m，隧道頂部水深90 m，Ⅴ級(jí)圍巖，初期支護(hù)采用C25混凝土，拱墻區(qū)域采用I20a型鋼拱架，間距0.6 m；徑向采用4 m長的φ42小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，間距為50×100 cm；采用4.5 m的φ42超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，環(huán)向間距40 cm，水平夾角10°；采用φ108超前管棚注漿加固，管棚長度20 m，環(huán)向間距40 cm，水平夾角2°。I20a型鋼鋼拱架采用剛度等效的方法換算到計(jì)算模型的初期支護(hù)參數(shù)中；徑向φ42小導(dǎo)管采用剛度等效的方法換算到計(jì)算模型的徑向注漿圈參數(shù)中；φ42超前小導(dǎo)管采用剛度等效的方法換算到計(jì)算模型的超前注漿參數(shù)中，初期支護(hù)、徑向注漿以及超前注漿參數(shù)、圍巖物理參數(shù)[2]見表1所示。

表1 圍巖及初支物理力學(xué)參數(shù)表

蹄形斷面為研究對(duì)象，隧道凈空半徑6.19 m，噴射混凝土厚0.26 m。計(jì)算時(shí)取隧道軸線方向?yàn)閅軸，水平面內(nèi)垂直隧道軸線方向?yàn)閄軸，豎直向上為Z軸。計(jì)算范圍：X軸為80 m（-40 m≤x≤40 m），Y軸為 80 m(-80 m≤y≤0 m)，Z軸為 65 m(-30 m≤z≤35 m)。邊界條件為模型前、后、左、右底面用位移邊界約束，頂面采用力學(xué)邊界約束；滲流分析中，模型表面均為滲透邊界，隧道開挖面均采用排水邊界[3]。

隧道模型開挖過程模擬真實(shí)的隧道施工，每2 m一個(gè)循環(huán)進(jìn)行開挖。初期支護(hù)滯后掌子面開挖一個(gè)開挖循環(huán)。徑向注漿圈厚度為4 m，縱向跟隨初期支護(hù)，掌子面后方2 m；超前注漿加固厚度1.5 m，縱向長度4 m（始終保持掌子面前方2 m的加固范圍）；大管棚長度20 m，保持2 m的長度在掌子面的前方。

2 圍巖未加固處理穩(wěn)定性分析

2.1 未加固處理圍巖掌子面位移變化規(guī)律分析

在隧道開挖過程中，圍巖變形主要集中在掌子面及洞室拱頂和仰拱處，掌子面的縱向變形較大，隨著掌子面的推進(jìn)，其縱向變形基本維持在16 cm左右，見圖1，這主要是由于軟弱圍巖存在著高地應(yīng)力和高水壓所引起；對(duì)于拱頂和仰拱的豎向變形，隨著掌子面的推進(jìn)，不同位置的豎向變形大小不同，隧道施工過程中最大拱頂下沉量見圖2。

圖1 隧道施工中掌子面縱向位移變化曲線

圖2 隧道施工中最大拱頂下沉變化曲線

從圖2可以看出，拱頂沉降一開始就增大至12.5 cm左右，之后緩慢增大并趨向于穩(wěn)定，最終下沉量約16.5 cm。這主要是由于提取的是最大拱頂沉降，隧道開挖拱頂就立即發(fā)生巨大變形，隨著隧道開挖之前開挖并已支護(hù)部分的變形趨于穩(wěn)定，下沉量變化速率大幅下降。

從圖1和圖2可以看出，在未注漿加固及預(yù)加固措施的條件下，隧道開挖受到地應(yīng)力高水壓軟弱圍巖的影響，掌子面、洞室拱頂及仰拱的變形很大，極易引發(fā)坍塌及大變形，因此僅采用襯砌支護(hù)難以維持隧道的安全穩(wěn)定，有必要采用措施加固圍巖。

2.2 未加固處理圍巖孔隙水壓變化規(guī)律分析

隧道開挖過程中，無注漿和預(yù)加固時(shí)掌子面附近較大范圍內(nèi)出現(xiàn)低水壓區(qū)，并且掌子面斜上方也出現(xiàn)大范圍的低水壓區(qū)域，距離掌子面前方約12～14 m外出現(xiàn)高水壓聚集，最大水壓到達(dá)1.6 MPa，有水壓存在的掌子面變形量會(huì)比無水狀態(tài)下大。隧道開挖后掌子面的涌水量見圖3。

圖3 掌子面涌水量變化曲線圖

一般來說，掌子面涌水量在100 L/min時(shí)，可作為穩(wěn)定和坍塌的判斷基準(zhǔn)，在500 L/min以上幾乎都是坍塌。由圖3可見，在未注漿加固條件下，掌子面流量最大值達(dá)到150 L/min，最后基本維持在120 L/min，單純考慮流量，此時(shí)掌子面此處可視為發(fā)生坍塌。

2.3 未加固處理圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律分析

圖4給出了開挖過程中塑性區(qū)分布情況，從圖中可以看出，隧道開挖過程中，除了剛開挖進(jìn)洞部分外，圍巖塑性區(qū)主要以圓筒狀分布于洞室周邊，范圍7～8 m，掌子面前方塑性區(qū)范圍約為10 m，隨著掌子面的向前推進(jìn)，洞室周邊圍巖逐漸穩(wěn)定，模型表現(xiàn)為過去塑性區(qū)變化，而掌子面前方區(qū)域內(nèi)及未支護(hù)段的圍巖表現(xiàn)為現(xiàn)時(shí)塑性區(qū)變化，說明該區(qū)域圍巖正在發(fā)生較大的變形和破壞，掌子面前方絕大部分區(qū)域內(nèi)圍巖主要發(fā)生剪切破壞，掌子面表面特別是掌子面中心區(qū)域發(fā)生受拉破壞，隧道開挖引起圍巖擾動(dòng)范圍主要集中在掌子面前方區(qū)域內(nèi)及未支護(hù)段，應(yīng)主要對(duì)上述范圍的圍巖采取預(yù)加固措施進(jìn)行支護(hù)和加強(qiáng)。

圖4 開挖過程中圍巖塑性區(qū)分布圖

2.4 未加固處理襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律分析

施工過程中，初期支護(hù)滯后一個(gè)進(jìn)尺，考慮到模型的邊界效應(yīng)，故選取模型y=12 m位置的初期支護(hù)作為監(jiān)控?cái)嗝孢M(jìn)行分析，即第7步開挖時(shí)，施作10～12 m位置的初期支護(hù)，取從第7步開挖到第23步開挖過程中的12 m位置初支內(nèi)力，每兩步提取支護(hù)內(nèi)力，得到的部分初支內(nèi)力見圖5。

從圖5可以看出，在第7步開挖，剛施作 10～12 m處初期支護(hù)時(shí)，初支所受彎矩比較小，隧道開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布，并沒有完全地作用到初期支護(hù)上，此時(shí)襯砌拱頂、仰拱位置內(nèi)側(cè)受拉，墻腳和邊墻內(nèi)側(cè)受拉，墻腳和仰拱的彎矩較大，墻腳彎矩最大。第7步開挖之后，隨著隧道的開挖，y=12 m位置的初支受力逐漸增大，拱頂、仰拱、墻腳和邊墻處的彎矩均較大，最大負(fù)彎矩仍是墻腳，最大正彎矩是仰拱，因此支護(hù)需要提高墻腳位置的抗彎剛度。初期支護(hù)的軸力最大處為邊墻，墻腳和仰拱位置的軸力也相對(duì)較小，這主要是由于豎直應(yīng)力比水平應(yīng)力大，同時(shí)存在較高水位，容易對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)仰拱和墻腳處造成破壞，由于水的存在也很容易發(fā)生坍塌。

圖5 y=12 m處初期支護(hù)內(nèi)力圖

對(duì)y=12 m時(shí)隧道襯砌墻腳初期支護(hù)彎矩和初期支護(hù)軸力、隧道的仰拱和拱頂初期支護(hù)彎矩及初期支護(hù)軸力進(jìn)行分析。隧道開挖過程中，墻腳和仰拱處初期支護(hù)受力慢慢增大最后逐漸趨向一個(gè)恒定值，同理對(duì)拱頂和邊墻也一樣，隧道開挖擾動(dòng)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布，初期支護(hù)抵抗圍巖向隧道內(nèi)部的變形而產(chǎn)生內(nèi)力，臨近位置的隧道開挖對(duì)圍巖的影響較明顯，因此襯砌受力逐漸增大，隨著掌子面逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)控?cái)嗝?，該處圍巖受掌子面開挖的影響越來越小，圍巖應(yīng)力重分布最終穩(wěn)定，襯砌內(nèi)力變化也逐漸穩(wěn)定。

3 對(duì)圍巖注漿加固后穩(wěn)定性分析

3.1 徑向注漿、管棚小導(dǎo)管預(yù)注漿加固圍巖掌子面位移變化規(guī)律分析

在注漿加固、管棚小導(dǎo)管預(yù)注漿加固條件下，隧道開挖過程中，掌子面附近洞周圍巖的變形及掌子面擠出變形見圖6、圖7。對(duì)隧道開挖圍巖豎向變形和開挖掌子面最大位移進(jìn)行分析，在徑向注漿、小導(dǎo)管預(yù)注漿加固條件下隧道開挖時(shí)，圍巖變形主要集中在掌子面及洞室拱頂和仰拱處，掌子面的縱向變形較大，隨著掌子面的推進(jìn)，縱向變形基本維持不變，相比未注漿加固的變形量有很大減小，但還是較大；拱頂和仰拱的豎向變形，隨著掌子面的推進(jìn)，不同位置的豎向變形大小不同。

圖6 徑向注漿、小導(dǎo)管預(yù)注漿加固掌子面情況（單位：m）

圖7 徑向注漿、管棚小導(dǎo)管預(yù)注漿加固掌子面情況（單位：m）

對(duì)隧道施工中最大拱頂下沉量進(jìn)行分析，拱頂沉降一開始就增大至9 cm左右，之后緩慢增大并趨向于穩(wěn)定，這主要是由于提取的是最大拱頂沉降，隧道開挖拱頂就立即發(fā)生巨大變形，隨著隧道開挖之前開挖并已支護(hù)部分的變形趨于穩(wěn)定，最終下沉量約10.7 cm。與未采取注漿加固措施時(shí)的16.5 cm相比，注漿加固后下沉量大幅下降。主要是因隧道徑向注漿和超前小導(dǎo)管加固后，使圍巖的彈性模量、黏聚力大幅提高，圍巖的承載能力加強(qiáng)，進(jìn)而徑向位移減小。

對(duì)隧道掌子面縱向位移和隧道施工中最大拱頂下沉量進(jìn)行分析，在注漿加固、小導(dǎo)管預(yù)加固后，掌子面、洞室拱頂及仰拱的變形有很大的減小，但由于隧道開挖受到地應(yīng)力高水壓軟弱圍巖的影響，變形量仍較大，特別是掌子面縱向位移與未注漿時(shí)相比，減小較小，主要因?yàn)樗淼缽较蜃{加固后洞室徑向周邊圍巖的彈性模量、黏聚力大幅提高，但是孔隙率和滲透系數(shù)大大降低[4]，使水大部分沿著掌子面縱向滲入隧道，從而可能發(fā)生坍塌及大變形，因此僅采用襯砌支護(hù)難以維持隧道的安全穩(wěn)定，要進(jìn)一步采取注漿加固 和預(yù)加固措施。

基于前面研究，采用徑向注漿和超前小導(dǎo)管注漿加固基礎(chǔ)上增加20 m長超前管棚注漿。徑向注漿、管棚小導(dǎo)管預(yù)注漿加固條件下與徑向注漿和小導(dǎo)管預(yù)注漿加固條件下彎矩和軸力都有降低，主要是因管棚超前加固區(qū)的承載作用[5]，而降低了圍巖總應(yīng)力。對(duì)小導(dǎo)管預(yù)注漿和管棚小導(dǎo)管預(yù)注漿取拱頂、邊墻、墻腳和仰拱等處的彎矩和軸力分析，采用管棚小導(dǎo)管預(yù)注漿時(shí)彎矩和軸力更小，取典型位置的內(nèi)力對(duì)比見表2。

表2 小導(dǎo)管預(yù)注漿和管棚小導(dǎo)管預(yù)注漿支護(hù)典型位置內(nèi)力表

從表2可以看出，初支內(nèi)力（特別是軸力）有很大的減小，但是隨著掌子面的向前推進(jìn)，徑向注漿加固和超前注漿的空間效應(yīng)會(huì)越來越小，因此初支的軸力會(huì)增加很大，所以單從初支此時(shí)的內(nèi)力來決定開挖方法不合適；掌子面最大位移為10.2 cm，比未注漿加固和徑向注漿加固、小導(dǎo)管與注漿加固條件下減少很多，并且得到了很好的控制，掌子面流量在80 L/min左右，掌子面基本能維持穩(wěn)定。

3.2 徑向注漿、管棚小導(dǎo)管預(yù)加固圍巖孔隙水壓變化規(guī)律分析

在注漿加固、管棚小導(dǎo)管預(yù)注漿加固后，隧道開挖過程中，洞周圍巖孔隙水壓分布見圖8。隧道開挖過程中，由于采用了徑向注漿加固和超前小導(dǎo)管注漿，使加固區(qū)域孔隙率和滲透系數(shù)都減小，導(dǎo)致低水壓區(qū)主要集中在掌子面的正前方，而斜上方范圍較小，距離掌子面前方約8 m外出現(xiàn)高水壓聚集，最大水壓達(dá)到1.56 MPa，由于水壓的存在，掌子面變形量會(huì)比沒水狀態(tài)下大。

圖8 掌子面周邊孔隙水壓分布圖

3.3 徑向注漿、小導(dǎo)管、管棚預(yù)加固圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律分析

從圖9可以看出，隧道開挖過程中，除了剛開挖進(jìn)洞部分外，圍巖塑性區(qū)主要以圓筒狀分布于洞室周邊，范圍6～7 m，掌子面前方塑性區(qū)范圍約為12 m，塑性區(qū)與未注漿加固、未預(yù)加固時(shí)的塑性區(qū)變化原因和過程相同，不同之處是洞室周邊塑性區(qū)范圍減小，但掌子面前方塑性區(qū)范圍并沒有減小，是因?yàn)閺较蜃{、小導(dǎo)管預(yù)加固后，加固區(qū)域孔隙率和滲透系數(shù)都減小，掌子面前方滲水量有所加大，應(yīng)進(jìn)一步采取其他預(yù)加固措施。

圖9 隧道開挖過程中圍巖塑性區(qū)分布圖

3.4 徑向注漿、管棚小導(dǎo)管預(yù)加固圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律分析

施工過程中，初期支護(hù)滯后一個(gè)進(jìn)尺，考慮模型的邊界效應(yīng)，故選模型y=12 m位置的初期支護(hù)為監(jiān)控?cái)嗝孢M(jìn)行分析，第7步到第23步開挖過程中部分初支內(nèi)力見圖10。

圖10 隧道開挖過程中y=12 m處初期支護(hù)內(nèi)力圖

從圖10可以看出，徑向注漿加固和管棚小導(dǎo)管超前注漿加固后隧道開挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩軸力圖大致相似。在第7步開挖，剛施作10～12 m處初期支護(hù)時(shí)，初支所受彎矩比較小，因隧道開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布，并沒完全作用到初期支護(hù)上，此時(shí)襯砌拱頂、仰拱位置內(nèi)側(cè)受拉，墻腳和邊墻內(nèi)側(cè)受拉，墻腳和仰拱的彎矩較大，墻腳彎矩最大。第7步開挖之后，隨著隧道的開挖y=12 m位置的初支受力逐漸增大，拱頂、仰拱、墻腳和邊墻處的彎矩均較大，最大負(fù)彎矩仍是墻腳，最大正彎矩是仰拱，因此支護(hù)需要提高墻腳位置的抗彎剛度。初期支護(hù)的軸力最大處為邊墻，墻腳和仰拱位置的軸力也相對(duì)較小。

對(duì)隧道墻腳初期支護(hù)彎矩和初期支護(hù)軸力進(jìn)行分析，徑向注漿加固和管棚小導(dǎo)管超前注漿加固后隧道開挖過程中，墻腳處初期支護(hù)受力慢慢增大最后逐漸趨向一個(gè)恒定值，同理對(duì)于拱頂、仰拱和邊墻也一樣，初期支護(hù)受力慢慢增大最后逐漸趨向一個(gè)恒定值，襯砌內(nèi)力變化與未注漿加固與未預(yù)加固時(shí)的襯砌內(nèi)力變化原因與變化過程規(guī)律相同。

注漿加固與預(yù)加固后同未注漿加固與未預(yù)加固相比，拱頂、邊墻、墻腳和仰拱等處的彎矩和軸力都有很大的減小，取典型位置的內(nèi)力對(duì)比見表3。分析表3，徑向注漿加固和小導(dǎo)管預(yù)注漿加固條件下（彎矩和軸力）與未注漿加固相比都有很大程度的降低，彎矩降低很大，相差百分比約為30%～60%，其中墻腳處彎矩減小量最大，軸力降低幅度比彎矩降低幅度略大，其中降低最多的是拱頂和邊墻，降低量約為30%～70%，主要是因超前注漿加固區(qū)的承載作用，從而降低了圍巖總應(yīng)力。

表3 未注漿加固和徑向注漿、小導(dǎo)管預(yù)注漿支護(hù)典型位置內(nèi)力表

4 結(jié)語

對(duì)富水軟弱圍巖隧道開挖，采用有限差分軟件建立三維模型進(jìn)行分析，分別分析了在初期支護(hù)無排水和無注漿加固、初期支護(hù)徑向注漿和管棚小導(dǎo)管預(yù)注漿加固情況下的隧道開挖圍巖和掌子面穩(wěn)定性，得出主要結(jié)論：

a）隧道開挖過程中，某個(gè)位置的初期支護(hù)所受的內(nèi)力（彎矩和軸力）和變形會(huì)隨著掌子面遠(yuǎn)離該位置先增大最后逐漸趨向一個(gè)恒定值。

b）初期支護(hù)、無排水和無注漿加固開挖方法，得到的彎矩和軸力都相當(dāng)大，掌子面縱向位移和拱頂沉降均很大，并且涌水量達(dá)到150 L/min，很容易引起涌水和坍塌，初支內(nèi)力過大不安全，該方法不可行。

c）初期支護(hù)、徑向注漿和小導(dǎo)管預(yù)注漿加固開挖方法，得到的彎矩和軸力大大減小，掌子面縱向位移和拱頂沉降也有很大的減小，但掌子面縱向位移仍然較大，出現(xiàn)大變形，該方法不安全。

d）因徑向注漿使大量的水從掌子面附近滲入隧道，在掌子面前方及其周邊存在較大塑性區(qū)，使掌子面位移仍然較大。采用初期支護(hù)、徑向注漿、管棚和小導(dǎo)管預(yù)注漿加固方法進(jìn)行隧道開挖，達(dá)到穩(wěn)定后，初支的最大彎矩和最大軸力減小很多，內(nèi)力驗(yàn)算安全，掌子面縱向位移和拱頂沉降減小很多，掌子面縱向位移僅10 cm左右，變形得到了有效控制，掌子面流量有80 L/min左右，掌子面基本能維持穩(wěn)定，主因是管棚超前加固區(qū)的承載作用降低了圍巖總應(yīng)力，該方法必要且可行。