以西南地區(qū)某隧道工程為背景，采用有限元軟件對不同長度超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固進行了模擬，結(jié)合超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固支護機理，對注漿支護效果展開了研究，重點關(guān)注隧道開挖引起的地面沉降、襯砌關(guān)鍵節(jié)點的收斂位移及襯砌應(yīng)力的分布、變化規(guī)律。計算結(jié)果表明：超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固有效地減小了隧道開挖所引起地面沉降的范圍及最大沉降值，在圍巖加固范圍內(nèi)的襯砌受力明顯減?。浑S著小導(dǎo)管長度的增加，加固效果更顯著。

隧道工程； 小導(dǎo)管注漿； 支護機理； 收斂位移； 地面沉降

U455.49 A

［定稿日期］2022-08-03

［基金項目］中國鐵建昆侖投資集團有限公司2020年度科技研究開發(fā)課題（項目編號：KLTZ-KX01-2020-009）

［作者簡介］黃敏（1986—），男，本科，工程師，研究方向為隧道施工。

隧道施工擾動地質(zhì)體的平衡狀態(tài)，地應(yīng)力會發(fā)生重分布［1］，進而導(dǎo)致地層發(fā)生變形。特別是當施工過程中遇到軟弱圍巖、破碎帶或是自穩(wěn)性較差的地層時，地層向洞內(nèi)收斂的現(xiàn)象尤為明顯［2-5］。此時為了保障施工的安全性，必須采取一定的輔助工法進行預(yù)加固支護，現(xiàn)常用的輔助工法有：錨桿法［4］、凍結(jié)法［6］、管棚法［7-8］、超前小導(dǎo)管注漿法［9-10］、水平旋噴注漿法［11］，而超前小導(dǎo)管因其施工便利、經(jīng)濟性好得到了廣泛運用，國內(nèi)外學(xué)者也就小導(dǎo)管超前注漿開展了多方面的研究，王輝等［12］以哈爾濱地鐵3號線會展中心-湘江路站為背景工程，開展了采用不同小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)時，地鐵開挖引起的地表沉降研究；晏啟祥等［13］利用有限差分法，分析了軟弱圍巖地層下近接隧道施工采用不同范圍的小導(dǎo)管注漿加固效果對比分析，分析了注漿過程中隧道的應(yīng)力變化和位移變化影響；王鐵男等［14］以沈陽地鐵為背景工程，開展了超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固范圍對地鐵隧道施工的影響分析，確定了小導(dǎo)管的布置范圍；趙菁菁［15］采用FLAC3D模擬超前小導(dǎo)管注漿施工過程，從漿液擴散、外插角度等方面對小導(dǎo)管的注漿加固機理開展了研究；周興國等［16］以黑石嶺隧道穿越淺埋破碎段為例，對超前小導(dǎo)管注漿時對圍巖位移、應(yīng)力控制以及塑性區(qū)分布、發(fā)展進行了模擬。綜上，學(xué)者都是依托實際工程，圍繞小導(dǎo)管參數(shù)開展了相關(guān)的研究，因此，確定小導(dǎo)管施工參數(shù)，確保隧道施工過程中圍巖的穩(wěn)定性顯得尤其重要，本文在前人的研究基礎(chǔ)之上，結(jié)合超前小導(dǎo)管預(yù)加固機理，通過數(shù)值模擬開展了超前小導(dǎo)管預(yù)加固支護機理及不同長度小導(dǎo)管對地層的加固效果的研究。

1 工程概況

本文以西南地區(qū)某隧道作為工程背景，結(jié)合工程施工工期要求以及現(xiàn)場條件，該隧道施工采用臺階法開挖，采用超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固技術(shù)對地層進行加固，隧道跨度為12.4 m，高9.76 m，初支厚度為0.2 m，二襯厚度為0.45 m。

2 小導(dǎo)管超前支護機理

超前小導(dǎo)管注漿作為保障隧道安全施工的一種輔助方法，其加固范圍及小導(dǎo)管的布設(shè)方式受很多因素控制，如圍巖的地質(zhì)情況掌子面開挖的大小以及施工工法、循環(huán)開挖進尺長度等。因此小導(dǎo)管的布設(shè)需要結(jié)合隧道的具體情況，通常來講，小導(dǎo)管在施工時會向隧道前上方傾斜設(shè)置一定角度的外插角，縱向則以隧道軸向布置，橫斷面方向則是以隧道外輪廓線為基準的周圍一定區(qū)域，小導(dǎo)管前端是固定在前方還未開挖的地層當中，尾端則常設(shè)有鋼拱架與小導(dǎo)管搭配使用。

常見的小導(dǎo)管的布置方式如圖1所示，既可以在隧道外輪廓線外進行全包圍布置，也可以根據(jù)實際需要布置為扇形、一字型或者門型，可以單排或雙排布置。

超前小導(dǎo)管預(yù)加固是將管壁帶有預(yù)留注漿孔的空心鋼管按照某一角度打入地層中，當小導(dǎo)管達到預(yù)設(shè)位置后，注入水泥漿，漿液通過小導(dǎo)管滲透到地層孔、裂隙中，增強圍巖的承載能力。小導(dǎo)管對圍巖的支護機理主要可以從圍巖加固效應(yīng)和縱向梁效應(yīng)2方面進行解釋。

（1）圍巖加固效應(yīng)。隧道開挖卸荷后，拱頂?shù)膸r土體容易發(fā)生塌落，尤其是對于穿越破碎巖土層或埋深較淺的隧道，有必要采取針對性的加固措施；超前小導(dǎo)管預(yù)加固是通過將水泥漿液加壓注漿使其滲透到地層中，漿液在一定范圍內(nèi)固結(jié)與破碎巖土體一起形成一定厚度的圍巖加固圈，改善了上部巖土體的特性，提高其整體性能和圍巖自承載能力。

（2）縱向梁效應(yīng)。已有研究表明，小導(dǎo)管在隧道的超前支護中，小導(dǎo)管本身可以起到一定的錨固作用，其錨固機理與錨桿相似，小導(dǎo)管一側(cè)鏈接鋼拱架，另一側(cè)通過漿液與地層膠結(jié)，當加固圈上部傳來壓力時，超前小導(dǎo)管則會發(fā)揮縱向簡支梁支護效應(yīng)，有效抵抗上層破碎巖土體的變形；此外形成圍巖加固圈整體也在縱向充當“縱梁”的作用。

小導(dǎo)管超前預(yù)加固有效地改善了圍巖的性質(zhì)，在還未開挖的地層中形成圍巖加固圈，使得掌子面前方的土壓力減小，提高開挖時掌子面的穩(wěn)定性，從而保證了安全施工的要求。

2.1 小導(dǎo)管布置方案

按照本文依托的實際工程，小導(dǎo)管布置方案如圖2所示，小導(dǎo)管為42 mm，實際施工時小導(dǎo)管采取的長度為6 m，外插角度為6°，呈扇形單排布置，間距為25 cm，搭接長度為1 m。

單排注漿時，加固圈厚度可按照式（1）計算。

D=2［R2-（S/2）2］0.5（1）

式中各變量定義如圖3所示。

2.2 小導(dǎo)管布置方案計算分析

本文采用有限元軟件進行計算分析，根據(jù)實際工程典型斷面建立三維模型（圖4），根據(jù)圣維南原理，取左、右邊界距隧道3倍洞徑，模型長90 m、寬50 m、高80 m、計算模型網(wǎng)格劃分示意如圖4所示。

模型底部為固定邊界，限制其水平和豎向位移，側(cè)邊界為水平約束邊界，上表面為自由邊界，不約束其位移。計算時，小導(dǎo)管、初支混凝土和加固范圍考慮為彈性本構(gòu)，地層選擇摩爾-庫倫本構(gòu)，各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

本文擬探討超前小導(dǎo)管預(yù)加固支護效果及小導(dǎo)管長度對加固效果的影響，設(shè)立表2所示工況。

2.3 施工步驟模擬

本文所選取的工程采用臺階法開挖，首先隧道拱頂加固范圍內(nèi)超前小導(dǎo)管預(yù)施工前注漿，與鋼拱架配合形成預(yù)支護系統(tǒng)，然后采用上臺階法開挖一段距離后施做初期支護，初期支護采用C25噴射混凝土，厚度為0.25 m，然后施作二襯，二襯采用C60混凝土，厚度為0.4 m；數(shù)值模擬依據(jù)實際施工過程，模擬步驟見表3。

3 計算結(jié)果分析

3.1 小導(dǎo)管加固效果分析

提取工況1、工況2計算結(jié)果對比分析超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固支護效果，工況1、工況2模擬得到隧道開挖完成支護后地表沉降曲線如圖5 所示。由圖5可知，未加固時，隧道軸線左、右30 m范圍內(nèi)均可視為影響區(qū)，地表最大沉降為35.65 mm，位于隧道軸線的正上方，在隧道左右30 m處地表沉降為0.98 mm，小于最大沉降值的5%；而當采用小導(dǎo)管（3 m）加固時，隧道軸線左、右20 m范圍內(nèi)可視為影響區(qū)，最大沉降值為31.79 mm，在隧道左、右20 m處地表沉降為1.18 mm，小于最大沉降值的5%。超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固有效的減小了地表受隧道開挖而產(chǎn)生沉降的范圍，同時也減小了最大沉降值。

工況1、工況2襯砌應(yīng)力云圖如圖6所示，分別繪制有無加固措施條件下襯砌應(yīng)力包絡(luò)圖如圖7所示。當無加固措施時，襯砌的最小主應(yīng)力為-8.42 MPa，當采用小導(dǎo)管加固時最小主應(yīng)力為-8.18 MPa，在數(shù)值上有所降低，峰值應(yīng)力均出現(xiàn)在拱腳部位，對比二者的應(yīng)力包絡(luò)曲線（絕對值），可以看到，在圍巖加固范圍（圖中陰影部分）下部的襯砌應(yīng)力減少幅度較大，這是因為上部圍巖的整體性變好，提高了圍巖的自承載能力。

3.2 不同長度小導(dǎo)管對加固效果的影響

提取不同長度小導(dǎo)管加固情況下，地表沉降曲線如圖8所示，可以看到，采用超前注漿小導(dǎo)管加固時，隧道開挖影響區(qū)大約為隧道軸線左、右20 m范圍，此范圍隨著小導(dǎo)管長度增加并無明顯變化，隧道軸線正上方沉降最大，隨著小導(dǎo)管長度的增加，地面沉降峰值依次減少，與無加固工況相比，小導(dǎo)管長度為3 m、4 m、5 m、6 m時，地面最大沉降值依次減少11%、23%、29%、43%。

分別統(tǒng)計不同工況下隧道拱頂、拱腰、拱腳、墻角及仰拱收斂位移值，并繪制位移變化趨勢，如圖9所示。

通過統(tǒng)計不同工況下隧道拱頂、拱腰、拱腳、墻角及仰拱收斂位移值可以看出，小導(dǎo)管加固范圍內(nèi)的關(guān)鍵節(jié)點（拱頂，拱肩）處收斂位移明顯有減小，小導(dǎo)管長度分別為3 m、4 m、5 m、6 m時，與未加固工況相比，隧道拱頂?shù)奈灰品謩e減少了3.9 mm、7.6 mm、10.4 mm、12.3 mm；隧道左拱肩位移分別減少了2.4 mm、3.9 mm、5.6 mm、7.3 mm；隧道右拱肩位移分別減少了2.5 mm、3.8 mm、5.8 mm、7.2 mm；未加固部位的節(jié)點（拱腰、拱腳、仰拱）收斂位移也有所減小，但變化不明顯。

提取不同工況下，隧道襯砌關(guān)鍵部位的最小主應(yīng)值統(tǒng)計于表4，由統(tǒng)計結(jié)果可知，與未加固工況相比，超前注漿小導(dǎo)管加固時，隧道襯砌拱頂及拱肩的應(yīng)力值減小幅度較為明顯，具體表現(xiàn)為應(yīng)力減小幅度隨著導(dǎo)管長度的增長而增大，而拱腰、拱腳及拱底部位雖有一定幅度的減小，但是減小幅度不明顯，這說明了超前注漿小導(dǎo)管加固有效改善了圍巖的自穩(wěn)性，提高了圍巖自身的承載力（圖10）。

4 結(jié)論

本文以西南地區(qū)某隧道工程為依托，采用數(shù)值模擬的方法探究了超前小導(dǎo)管預(yù)加固支護機理與效果，通過對比無加固情況與不同長度小導(dǎo)管時隧道襯砌應(yīng)力分布情況及地表沉降，得到結(jié)論：

（1）超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固兼有圍巖加固和縱向梁效應(yīng)，有效改善了圍巖性質(zhì)，提高了掌子面的穩(wěn)定性。

（2）與無加固情況相比，小導(dǎo)管加固明顯減少了隧道開挖引起的地表沉降值，不同長度情況下減少的幅度不同，且小導(dǎo)管預(yù)加固有效地減小了地表“影響區(qū)”范圍，小導(dǎo)管長度為3 m、4 m、5 m、6 m時，地面最大沉降值依次減少11%、23%、29%、43%。

（3）超前小導(dǎo)管預(yù)加固有效地改善了加固范圍內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性，由應(yīng)力計算結(jié)果可知，在加固范圍內(nèi)，襯砌應(yīng)力明顯減少，而未加固范圍內(nèi)的襯砌應(yīng)力有一定幅度減少，但減小幅度不明顯。

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