全風化地層大斷面隧道洞口預加固技術模擬分析

陳 昕，張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

隨著我國交通事業的快速發展，公路及鐵路隧道的建設將越來越多，會有大量隧道洞口面臨淺埋、軟弱圍巖等不良地質情況[1-3]。全風化花崗巖地層大斷面隧道洞口施工工序繁多，由于圍巖多次擾動，圍巖應力及支護結構受力情況復雜[4]，因此選擇合理的預加固技術并充分認識在預加固條件下圍巖及支護結構的變形特征和受力特征對保證隧道洞口段圍巖及山體穩定具有重要意義[5-6]。

本文依托汕湛高速公路全風化花崗巖橫山隧道，建立較為逼真的三維數值模型，基于Flac3D有限差分法對管棚和超前注漿小導管兩種洞口預加固技術進行了模擬對比，分析了在預加固條件下圍巖及支護結構的受力變形特征、掌子面穩定性，得出的結論對類似工程的設計及施工有借鑒和參考意義。

1 工程概況

橫山隧道位于汕湛高速公路汕頭至揭西段附近。該隧道為一座分離式雙洞長隧道，穿過丘陵地貌區。隧道界限寬度15.25 m，開挖斷面為131.74～170.93 m3。隧道進、出口洞口段埋深約10 m，圍巖極破碎，濕水易軟化，巖石主要成分為全、強風化花崗巖，局部見中風化花崗巖，圍巖級別V級。

2 隧道計算模型及參數

本文采用有限差分模擬軟件Flac3D對橫山隧道的預加固和開挖進行動態模擬和監測。隧道埋深取10 m，不考慮地表起伏，X方向長75 m(隧道水平方向)、Y方向長80 m(隧道開挖方向)和Z方向高50 m(豎直方向)。圍巖、初期支護采用六面體單元進行模擬，預加固措施中管棚采用Beam單元模擬，超前注漿小導管采用Cable單元模擬，注漿加固則采取加強注漿圈內圍巖材料參數的方式進行模擬。開挖方式為全斷面開挖，采取開挖一步支護上一步的方式循環開挖，每個開挖步長度2 m，共開挖10步。計算模型如圖1所示，圍巖和初期支護示意圖見圖2，材料參數見表1。

3 計算結果分析

3.1 圍巖變形特征分析

為了避免邊界效應的影響，主要分析兩種預加固方式下隧道開挖20 m后，Y=10 m截面的圍巖變形和地表位移，圖3中STEP表示Flac3D迭代步數。

圖1 橫山隧道三維數值模型

(a)管棚

表1 圍巖與初期支護物理力學參數

圖3 Y=10m斷面的拱頂沉降值變化曲線

(1)拱頂下沉分析

如圖3所示，從隧道的拱頂沉降變化趨勢來看，超前注漿小導管在開挖進行至約600個迭代步后，拱頂沉降就開始快速增加，而施加管棚后，開始階段沉降值基本為零，直到開挖至約2 400個迭代步后沉降速度才開始逐漸增加到與前者同一水平。這說明管棚相對超前注漿小導管來說能對早期的沉降增加產生較強的控制作用，而最終兩種加固方法的沉降速度將趨于一致。

(2)水平收斂位移分析

如圖4所示，隧道開挖的初始階段，超前注漿小導管加固下圍巖的水平收斂值略大于管棚，但其曲線的斜率從始至終變化不大，增長比較平緩；而管棚的水平收斂變化趨勢為初始增加緩慢，而到迭代步達到2 000左右時開始快速增加，最終產生的收斂值反而比超前注漿小導管更大。這說明管棚在開挖早期對隧道水平收斂有較強的約束作用，而超前注漿小導管預加固則在更長的范圍內更有優勢。

圖4 Y=10 m斷面的拱腰處水平收斂值變化曲線

(3)地表沉降分析

如圖5所示，管棚預加固下地表沉降相對更小，沉降值基本集中在80 mm附近,而超前注漿小導管加固的沉降最大值達到了223 mm，且地表沉降大小和水平方向坐標基本呈現出二次函數相關。

兩種預加固方式下隧道開挖在Y=10 m處產生的圍巖變形量統計見表2。

圖5 Y=10m截面的地表沉降值

表2 兩種預加固方式下圍巖變形結果 mm

3.2 支護結構內力分析

在Y=10 m處初期支護的彎矩和軸力結果如表3、表4所示。

表3 初期支護各部位彎矩大小對比 kN·m

表4 初期支護各部位軸力大小對比 kN

(1)與超前注漿小導管相比，管棚預加固條件下初期支護拱頂、拱肩處彎矩分別僅為前者的68 %和58 %，拱肩處則軸力為前者的兩倍，而其他位置則基本一致。這說明，以上兩種預加固方式在初支彎矩上的區別僅限于上部結構，管棚能有效降低拱肩部初支的彎矩，而超前注漿小導管則可以有效降低拱頂部初支的軸力。

(2)由于素混凝土抗拉強度較低，所以截面內力的偏心距越大，截面上越容易產生拉應力。通過表3、表4可得，超前注漿小導管預加固的最大偏心距出現在拱頂位置，為0.187 m，管棚預加固下最大偏心距出現在拱腰位置，為0.136 m，顯然相比超前小導管注漿加固,管棚預加固下初支安全性更高。這說明從偏心距大小來看，要提升初期支護的穩定性，管棚相對超前注漿小導管更加有效。

3.3 掌子面穩定性分析

選取隧道開挖至Y=20 m時的掌子面作為分析對象，得到隧道掌子面中心線法向擠出量分布圖和掌子面擠出變形云圖，分別如圖6、圖7所示。

從圖6可知，在超前注漿小導管預加固條件下，掌子面變形較大，最大值達到61 mm，而管棚預加固條件下掌子面法向擠出位移最大值僅為33 mm。

而從圖7所示掌子面內部巖體Y方向位移云圖可知，管棚預加固下掌子面變形量在掌子面內和法向方向的分布比較都較為均勻，而超前注漿小導管加固下掌子面中心位置的變形則明顯高于掌子面四周。這說明管棚在控制掌子面變形大小和不均勻形變上相比超前注漿小導管有較大的優勢。

4 結論

基于對全風化地層大斷面隧道采用管棚和超前注漿小導

圖6 Y=20 m掌子面中心線擠出量分布

(a)管棚

管兩種預加固方式下隧道開挖引起的圍巖變形、支護結構及掌子面穩定性分析，得出以下結論：

(1)洞口段采用管棚預加固后，雖然最終的隧道兩側水平收斂程度不如超前注漿小導管，但其拱頂沉降、地表沉降較超前注漿小導管均得到有效控制，并且管棚可以有效降低隧道開挖早期的豎直和水平方向變形速度。

(2)在管棚預加固方式下，初期支護軸力在拱頂處為203.5 kN，大于超前注漿小導管下的101.9 kN；與超前注漿小導管相比，管棚預加固條件下初期支護拱頂、拱肩處彎矩分別僅為前者的68 %和58 %；管棚預加固下，截面內力最大偏心距僅為超前注漿小導管的72.7 %。因此管棚預加固能更好的提高初期支護的安全性。

(3)管棚預加固條件下掌子面擠出位移最大值遠小于超前注漿小導管，僅為后者的54 %，并且形變也更加均勻，因此相比超前注漿小導管能更好的提升掌子面的穩定性。