超前小導管注漿對軟巖隧道穩定性的影響*

余永強 陳天恩 張文新

(1.河南理工大學土木工程學院;2.中鐵隧道集團技術中心)

軟弱圍巖強度、剛性低，變形量大，隧道開挖引起隧道周圍圍巖卸荷回彈和應力重分布，在隧道周邊有結構物和埋設物時，要控制圍巖的變形使之不對這些結構物產生影響。即使沒有結構物時，因這類圍巖會產生很大的變形，可能造成圍巖松弛，其最終結果是隧道坍塌、掌子面不穩定等。因此盡量控制圍巖變形和松弛是非常重要的。吉小明等人［1］在討論淺埋暗挖地鐵隧道開挖所引起的應力和位移釋放的基礎上，進行了隧道開挖卸荷的有限元模擬計算，討論了開挖方式對地層位移釋放的影響。王鐵男、赫哲等人［2］針對沈陽地鐵施工實例，開展了超前小導管預注漿環向布置范圍對地鐵隧道開挖的影響分析，模擬不同的小導管環向布置，對圍巖應力、隧道各監測點位移進行綜合比較，確定出超前小導管合理布置范圍。

本研究以我國西北部某圓形隧道工程施工為實例，采用有限差分軟件模擬超前小導管注漿，進行了超前小導管注漿抑制隧道變形效果分析。

1 工程概況

該隧道工程位于我國西北部黃土覆蓋的基巖低山丘陵區第三系臨夏組地層之中，圍巖巖性主要由疏松砂巖、泥質粉(細)砂巖、砂質泥巖巖及泥質粉(細)砂巖組成。巖性軟弱，屬極軟巖，圍巖局部洞段有地下水活動，地下水活動狀態微弱。圍巖類別劃分為Ⅴ類圍巖，圍巖開挖后極不穩定，易產生塑性變形破壞及坍塌現象，屬于軟弱圍巖。隧道大部分斷面埋深較深，為了計算方便，本研究取隧道埋深在30 m左右洞段作為模擬對象，隧洞設計為圓形，設計毛洞直徑為5.75 m，初期支護采用網噴混凝土鋼拱架，厚度為25 cm;二次襯砌采用現澆鋼筋混凝土，厚度40 cm;開挖前上半斷面周邊施做密排超前小導管對地層進行注漿加固，超前小導管長度3 m，直徑42.5 mm，外插角15°。超前小導管注漿隧道橫、縱斷面如圖1、圖2所示。

2 超前小導管注漿對軟巖隧道影響的數值模擬

2.1 超前小導管注漿預加固機理［3-4］

超前小導管注漿在超前支護方法上其作用類似于超前錨桿，在隧道開挖輪廓線外側施做，由后部的鋼支撐和前方未開挖部分巖土體支撐起中間部分的巖土體，起縱向梁作用。同時由于在隧道開挖施工前預先通過小導管注入漿液，漿液進入巖土體的裂隙中，形成剛度較大的土層加固圈，不但提高巖土體的力學性能指標，同時起到防水的作用，在很大程度上增加圍巖的穩定性。

2.2 數值計算模型及參數

考慮到超前小導管的梁效應對地表位移值的影響較大，而對于隧道洞室結構的影響不是太大，在數值模擬過程中未考慮超前小導管的梁效應，只考慮了超前注漿加固作用，注漿加固區的模擬按圍巖支護參數的改變來加以處理，初期支護體系以噴射混凝土來考慮。

2.2.1 FLAC有限差分軟件簡介［5-6］

FLAC是由Itasca公司研發推出的連續介質力學分析軟件。FLAC3D是二維有限差分程序FLAC2D的擴展，能夠進行土質、巖石和其他材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。采用的顯式拉格朗日算法和混合－離散分區技術能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內存空間就能夠求解大范圍的三維問題。

FLAC3D中內置12種巖土本構模型，包括空模型、3個彈性模型(各向同性，橫觀各向同性和正交各向同性彈性模型)、8個塑性模型(德魯克－普拉格模型、摩爾－庫倫模型、應變硬化/軟化模型、遍布節理模型、雙線性應變硬化/軟化遍布節理模型、修正的劍橋模型、雙屈服模型和霍克－布朗模型)。FLAC3D中還提供了豐富而功能強大的結構單元模型，包括梁單元、錨索單元、樁單元、殼單元、土工格柵單元和襯砌單元。

2.2.2 計算模型

由于隧道橫斷面相對于縱向長度來說很小，所以本模擬假定在圍巖荷載作用下，隧道縱向沒有發生位移，只發生橫向位移。建模時考慮到隧道開挖半徑的影響，在寬度方上左右各取隧道4倍直徑以上，即x方向計算范圍取60 m。深度方向向下取3倍隧道直徑以上，向上取至地面，即z方向計算范圍取51 m。沿隧道開挖方向取1倍臺階長度，即3 m。則整個計算區域范圍為60 m×3 m×51 m，共6 572個節點，4 752個單元。

邊界條件:模型左右邊界在水平方向上位移固定，上部地表為自由邊界，底部邊界垂直方向固定位移。計算模型和邊界條件如圖3和圖4所示。

本模擬采用巖土力學通用的莫爾－庫侖模型來模擬隧道圍巖，超前小導管注漿通過在開挖前增加隧道上半斷面一定區域的計算參數在模擬中體現，初期支護采用各向同性的線性彈性材料殼單元模擬，開挖模擬采用FLAC3D內置的空模型。

2.2.3 計算參數

模型的計算參數如表1所示。

表1 模型計算參數

2.3 計算結果分析

圖5為隧道開挖支護斷面垂直位移，可知2種情況下隧道斷面都有不同程度的沉降和隆起現象。沒有施做超前注漿預加固地層的隧道施工垂直變形較大，沉降最大位置在拱頂處，下沉20.24 cm;隆起最大位置在拱底，上升14.82 cm;施做超前注漿預加固地層的隧道施工垂直變形相對較小，沉降和隆起最大位置也分別是拱頂和拱底，分別為8.62和 14.57 cm。經過超前注漿預加固的隧道沉降比沒有注漿預加固的隧道沉降范圍有所改善，且沉降值小很多;隆起范圍和隆起值幾乎沒有變化。計算結果如圖5、圖6所示。

圖5 隧道開挖支護豎向位移云圖

圖6 拱頂下沉隨計算步數變化曲線

圖7為隧道開挖支護斷面水平位移。沒有施做超前小導管注漿預加固地層的隧道斷面水平位移最大為15.4 cm，位于隧道邊墻中心處;施做超前小導管注漿預加固地層的隧道斷面水平位移最大為8.86 cm，位于隧道仰拱兩側拱腳處。施做超前小導管注漿預加固地層的隧道施工斷面水平收斂較小，且最大收斂位置由邊墻中心下移至仰拱兩側拱腳位置。

圖7 隧道開挖支護水平位移云圖

隧道周邊圍巖塑性區分布如圖8所示。由圖8可以看出，沒有施做超前注漿預加固地層的隧道上部圍巖塑性區厚度交大，為3.12 m，下部厚度較小，為1.47 m;施做超前注漿預加固地層的隧道上下部圍巖塑性區厚度交為平均，為1.47 m;超前小導管注漿預加固地層能夠有效地抑制隧道上部圍巖塑性區的發育。

3 結語

(1)超前小導管注漿可有效地抑制軟弱圍巖隧道開挖變形。

圖8 隧道開挖支護圍巖塑性區分布

(2)在軟弱圍巖地層進行隧道施工，采用超前小導管注漿預加固圍巖對控制隧道斷面垂直變形和水平收斂有較好的效果，拱頂沉降抑制作用最為明顯;對控制拱底隆起效果不佳。施做超前小導管注漿預加固圍巖使水平收斂范圍向下偏移，收斂值較無加固工況減小較大。

(3)超前小導管注漿預加固圍巖對隧道圍巖塑性區的發育有較為明顯的抑制作用，對隧道上部圍巖塑性區影響較大;隧道下部圍巖塑性區影響甚微。

［1］ 吉小明，張選兵，白世偉.淺埋暗挖地鐵隧道開挖過程的模擬研究［J］.巖土力學，2002(12):828-830.

［2］ 王鐵男，赫 哲，楊青潮.超前小導管注漿布置范圍對地鐵隧道開挖的影響分析［J］.現代隧道技術，2010(10):54-58.

［3］ 卓國平.隧道洞口段施工技術研究和原理分析［D］.成都:西南交通大學，2003.

［4］ 張常委，朱國寶，張志強.小導管注漿預加固中小導管數值模擬問題［M］.何 川，戴勤堂，李永林.西部公路隧道技術.成都:西南交通大學出版社，2006:170-174.

［5］ 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［6］ 李 國.隧道及地下工程FLAC解析方法［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.