陳煥然 石鈺鋒，2，3 陳昭陽 胡俊浩 朱江偉 王超

1.華東交通大學(xué) 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330013； 2.江西省地下空間技術(shù)開發(fā)工程研究中心，南昌 330013； 3.華東交通大學(xué)江西建筑設(shè)計(jì)院有限公司， 南昌 330013； 4.合肥蜀山高科園區(qū)發(fā)展有限公司， 合肥 230088

水平旋噴預(yù)加固技術(shù)作為超前預(yù)支護(hù)手段之一，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)情況復(fù)雜的隧道及其他地下工程。在富水砂層中開挖隧道時(shí)常采用拱棚加固，通過連續(xù)的水平旋噴樁（簡(jiǎn)稱旋噴樁）加固土體并通過樁間咬合形成拱棚，保障圍巖穩(wěn)定的同時(shí)還有止水作用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)拱棚預(yù)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。試驗(yàn)研究方面，Nikbakhtan 等［1-2］對(duì)旋噴樁的力學(xué)特性進(jìn)行了分析，得出旋噴樁的單軸抗壓強(qiáng)度隨著注漿壓力增大呈指數(shù)型增長(zhǎng)，黏聚力及摩擦角也隨之增長(zhǎng)，并統(tǒng)計(jì)了旋噴樁的物理力學(xué)參數(shù)。王超等［3］通過模型試驗(yàn)對(duì)富水砂層中拱棚的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得出減小樁間距可以有效降低掌子面附近拱棚撓度。耿大新等［4］通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)拱棚受力模式為掌子面前方和靠近洞口段受拉、掌子面后方受壓，近似呈波浪形分布。理論分析方面，F(xiàn)lora 等［5］采用二維解析法得出拱棚的最優(yōu)尺寸及最小厚度，并通過迭代程序?qū)Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。數(shù)值模擬方面，Mahdi等［6］對(duì)拱棚的硬化特性進(jìn)行了研究，得出加固后的地層響應(yīng)情況。石鈺鋒、賴金星等［7-8］通過建立三維模型驗(yàn)證了拱棚與大管棚復(fù)合超前支護(hù)能確保對(duì)地層的預(yù)加固效果，規(guī)避塌方風(fēng)險(xiǎn)。汪珂等［9］對(duì)有拱棚、無拱棚的工況進(jìn)行模擬，得到兩種工況下隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

上述研究主要是對(duì)具體工程的分析，沒有對(duì)不同覆土厚度、地下水位等條件下拱棚力學(xué)特性的研究。數(shù)值模擬中大多不考慮地下水滲流作用、拱棚與土的接觸效應(yīng)以及開挖卸載對(duì)拱棚的影響。

本文通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)行富水砂層拱棚力學(xué)特性的研究，分析不同地下水位、地層滲透系數(shù)和覆土厚度對(duì)拱棚變形和受力的影響。

1 工程概況

江門隧道全長(zhǎng)9 185 m，為雙線單洞隧道。隧道外輪廓寬、高分別為11.9、11.6 m，采用臺(tái)階法開挖，開挖面積約120 m2。隧道主要穿越富水砂巖，裂隙發(fā)育，屬Ⅵ級(jí)圍巖。因隧道斷面大、地下水豐富且沿線風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)較多，選用拱棚對(duì)地層進(jìn)行預(yù)支護(hù)。支護(hù)角度為180°，旋噴樁的樁徑、樁長(zhǎng)和樁間距分別為0.50、25.00和0.35 m。隧道橫斷面及拱棚預(yù)支護(hù)見圖1。

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置及材料

為了研究拱棚在有、無地下水作用和開挖過程中的力學(xué)特性，制作了模型試驗(yàn)裝置，見圖2。箱體尺寸為1.74 m（長(zhǎng)）×1.74 m（寬）×1.20 m（高），安裝透明鋼化玻璃以便于觀察，設(shè)計(jì)了進(jìn)水、出水系統(tǒng)并對(duì)箱體進(jìn)行防滲處理。為了減小邊界效應(yīng)影響，填土前在箱體內(nèi)壁滿鋪塑料薄膜，并在玻璃與薄膜之間涂刷潤(rùn)滑劑。

試驗(yàn)采用的幾何、重度相似比分別為25.0、3.5。根據(jù)相似原理［10］，得到旋噴樁的樁徑、樁長(zhǎng)、樁間距分別為100.0、2.0、1.4 cm；拱棚彈性模量、重度、泊松比分別為137 MPa、5.5 kN/m3、0.25；拱棚采用水、石膏和硅藻土澆筑而成，其配比為3.2∶1.0∶0.4。選用贛江河砂來模擬砂層，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。人工模擬開挖過程，兩臺(tái)階開挖進(jìn)尺均為4 cm。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

1）縱向測(cè)點(diǎn)。沿拱棚縱向布置應(yīng)變、土壓力和撓度測(cè)點(diǎn)，拱棚接縫兩側(cè)也各布置一組測(cè)點(diǎn)。應(yīng)變片在拱棚迎、背土面對(duì)稱布置，縱向間距為14 cm，每面布置5 列。土壓力盒布置于拱棚迎土面，縱向間距為16 cm，布置2 列。撓度監(jiān)測(cè)儀器布置于拱棚迎土面，布置方式與應(yīng)變片相同，布置2列。

2）橫向測(cè)點(diǎn)。沿拱棚橫向布置應(yīng)變和撓度測(cè)點(diǎn)。選擇距離端部25 cm 處的橫截面為監(jiān)測(cè)斷面，每類測(cè)點(diǎn)分別布置5 個(gè)，間隔角度分別為30°、45°、45°和30°。應(yīng)變片在拱棚迎、背土面對(duì)稱布置，撓度監(jiān)測(cè)儀器布置于拱棚迎土面。

測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)結(jié)果通過相似關(guān)系換算成實(shí)際情況。覆土厚5 m，無水工況下不同上臺(tái)階開挖深度和上臺(tái)階開挖到18 m地下水位距拱頂0、2、4 m（低、中、高水位）時(shí)，拱棚撓度、軸力分布見圖4。

圖4 拱棚撓度、軸力分布

由圖4可知：

1）隨著開挖深度增加，拱棚撓度增大；不同開挖深度下，越靠近洞口拱棚撓度越大。

2）隧道上臺(tái)階開挖到18 m 時(shí)，相比無水工況，①在遠(yuǎn)離掌子面（距離洞口小于10 m）位置，地下水的存在增大了拱棚撓度，且地下水位越高拱棚撓度越大；②在掌子面附近（距離洞口10～18 m）撓度曲線向上拱起，說明有地下水工況掌子面附近拱棚撓度比無水工況低，拱棚在富水砂層的預(yù)支護(hù)效果較好。

3）在掌子面附近，拱棚受壓，有利于承載。

4）相比無水工況，地下水對(duì)洞口附近拱棚軸力影響較?。辉谡谱用娓浇?，地下水位越高拱棚軸力越大。隧道上臺(tái)階開挖到18 m 時(shí)，與無水工況相比，高、中、低三種地下水位拱棚軸力增幅分別為19.14%、22.78%、26.57%。

3 數(shù)值模擬

江門隧道主要位于富水砂層，地下水非常豐富。數(shù)值模擬采用流固耦合的計(jì)算方法，分析多種工況下拱棚變形和受力情況。

3.1 模型建立及施工步驟

采用有限元軟件建立三維模型，見圖5。為減小邊界效應(yīng)的影響，模型尺寸取120 m（長(zhǎng)）×50 m（寬）×80 m（高）。長(zhǎng)度方向約為隧道寬度的10倍，隧道以下土層厚度約為隧道高度的5倍。采用上下臺(tái)階法模擬隧道開挖。

圖5 計(jì)算模型（單位：m）

砂土、拱棚及初期支護(hù)均采用實(shí)體單元。砂土采用小應(yīng)變土體硬化模型；拱棚及初期支護(hù)采用彈性模型，通過設(shè)定無限小的滲透系數(shù)來模擬材料的不透水性；拱棚與砂土間的接觸效應(yīng)采用界面單元模擬。

為了保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠，拱棚、初期支護(hù)及砂土的物理力學(xué)參數(shù)與模型試驗(yàn)相同。拱棚的彈性模量、泊松比和重度分別為12 GPa、0.25 和19 kN/m3；初期支護(hù)的彈性模量、泊松比和重度分別為28 GPa、0.17和25 kN/m3。砂土物理力學(xué)參數(shù)見表2。

參考文獻(xiàn)［11］，數(shù)值模擬的步驟為：①地應(yīng)力平衡計(jì)算，完成后施作拱棚；②隧道上臺(tái)階開挖，圍巖應(yīng)力釋放30%；③施作上臺(tái)階初期支護(hù)，圍巖應(yīng)力釋放70%；④隧道下臺(tái)階開挖，圍巖應(yīng)力釋放100%；⑤施作下臺(tái)階初期支護(hù)；⑥重復(fù)步驟②—⑤。上述每步驟完成時(shí)間均為2 d。

3.2 模型驗(yàn)證

拱棚與砂土間界面單元的強(qiáng)度折減系數(shù)（Rinter）對(duì)數(shù)值模擬的可靠性有重要影響。根據(jù)單一變量原則，計(jì)算隧道上臺(tái)階開挖深度為9 m，Rinter分別取0.85、0.80、0.75、0.70、0.65、0.60、0.55、0.50、0.45、0.40時(shí)拱頂位置拱棚撓度和軸力，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖6。

圖6 拱頂位置拱棚撓度和軸力模擬值和試驗(yàn)值對(duì)比

由圖6可知：當(dāng)Rinter為0.55時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果最接近，且曲線分布規(guī)律基本一致。因此設(shè)定Rinter為0.55。

3.3 模擬工況設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)［12］，分析不同地層滲透系數(shù)、覆土厚度和地下水位條件下，當(dāng)隧道開挖到9.5 m 時(shí)拱棚撓度和軸力。各工況見表3。

表3 模擬工況

拱棚監(jiān)測(cè)點(diǎn)共選擇5 處，分別位于距離洞口8、9、10、11、12 m的拱頂位置，命名為測(cè)點(diǎn)1#—5#。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 地層滲透系數(shù)對(duì)拱棚力學(xué)特性的影響

不同地層滲透系數(shù)條件下拱棚撓度和軸力曲線見圖7。可知：①地層滲透系數(shù)越小，拱棚撓度和軸力越大；②與地層滲透系數(shù)的變化率相比，拱棚撓度和軸力變化率均很小，可見地層滲透系數(shù)對(duì)拱棚受力影響較小。

圖7 不同地層滲透系數(shù)條件下拱棚撓度和軸力曲線

3.4.2 覆土厚度對(duì)拱棚力學(xué)特性的影響

不同覆土厚度條件下拱棚撓度和軸力曲線見圖8?？芍孩匐S著覆土厚度增加，拱棚撓度和軸力均增加。②在掌子面附近（測(cè)點(diǎn)2#），相比覆土厚5 m 工況，隨著覆土厚度增至7、9、11、13 m 時(shí)，拱棚撓度分別增長(zhǎng)12.69%、21.98%、36.66%、44.76%，軸力分別增長(zhǎng)15.02%、36.71%、52.07%、73.25%，均近似呈線性增長(zhǎng)。

圖8 不同覆土厚度條件下拱棚撓度和軸力曲線

3.4.3 地下水位對(duì)拱棚力學(xué)特性的影響

不同地下水位條件下拱棚撓度和軸力曲線見圖9?？芍孩俚叵滤辉降?，拱棚撓度和軸力越小；地下水位位于拱頂時(shí)，拱棚撓度和軸力最小。②在掌子面附近（測(cè)點(diǎn)2#），相比于地下水位位于拱頂工況，隨著地下水位升至距拱頂1、2、3、4、5 m 時(shí)，拱棚撓度分別增長(zhǎng)6.41%、13.78%、24.51%、35.83%、47.65%，近似呈線性增長(zhǎng)。③當(dāng)?shù)叵滤惠^低時(shí)（距拱頂0 ～3 m），拱棚軸力隨著水位升高近似呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)水位較高（距拱頂大于3 m）時(shí)，隨著水位升高軸力增速變大；可見地下水位對(duì)拱棚軸力影響較大，為保證隧道施工安全，可先采取降水措施以減小拱棚受力。

圖9 不同地下水位條件下拱棚撓度和軸力曲線

4 結(jié)論

本文以江門隧道工程為依托，通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了在富水砂層中拱棚的力學(xué)特性。

模型試驗(yàn)結(jié)果表明：①隨著開挖深度增加，拱棚撓度增大，越靠近洞口拱棚撓度越大。②有地下水工況掌子面附近拱棚撓度比無水工況低，說明拱棚在富水砂層的預(yù)支護(hù)效果較好。③掌子面附近拱棚受壓，且拱棚壓力最大值位于此處。④相比無水工況，地下水位對(duì)洞口附近拱棚軸力影響較?。辉谡谱用娓浇叵滤辉礁吖芭镙S力越大。

數(shù)值模擬結(jié)果表明：①地層滲透系數(shù)對(duì)拱棚撓度和軸力影響最小。②覆土厚度小于13 m、地下水位與拱頂凈距3 m 時(shí)，隨著覆土增加拱棚撓度和軸力近似呈線性增長(zhǎng)。③覆土厚13 m 時(shí)，隨著地下水位升高拱棚撓度和軸力增大；當(dāng)?shù)叵滤慌c拱頂凈距大于3 m后，隨著水位升高軸力增速變大；地下水位對(duì)拱棚受力影響較大，為保證隧道施工安全，建議采取降水措施減小拱棚受力。