不同加固方式下的隧道開挖穩定性影響研究

摘要：為研究不同加固方式下的隧道開挖穩定性，文章以廣西某高速公路隧道右洞為工程依托，采用數值模擬軟件進行研究。結果表明：不采取超前預加固措施、只采用超前管棚、地表注漿+超前管棚技術三種工況下，采取超前管棚加固及采取地表注漿+超前管棚加固分別較未采取加固措施的地表沉降最大值降低32.2%、73.9%；采取超前管棚加固及采取地表注漿+超前管棚加固分別較未采取加固措施的仰拱隆起值降低35.7%、78.3%；采取地表注漿+超前管棚加固能有效降低錨桿軸力，超前管棚支護能有效改善初期支護的受力情況，尤其是頂部受力，但由于管棚自身的重力作用會導致拱腳處的應力進一步增大。對于該工程，地表注漿+超前管棚加固能滿足地表沉降及拱頂下沉的控制要求。

關鍵詞：隧道工程；隧道開挖；超前管棚；地表注漿；數值模擬

中圖分類號：U457+.3

0 引言

我國正處于邁向交通強國的新階段［1］。隨著路網的不斷完善及公路里程數的不斷增加，修建的隧道數量隨之也不斷增多，由此也導致一系列問題的出現，如修建隧道所處地質為軟弱圍巖，其穩定性差導致隧道開挖存在一定的安全問題。安全問題的出現會影響施工進度，帶來經濟損失；隧道若發生失穩會危及施工人員的人身安全，造成惡劣社會影響［2］。現階段我國隧道的修建位于軟弱圍巖內已較為常見，因而也出現了不同的預加固措施來保證隧道開挖的安全，相關研究表明預加固措施不僅能夠大幅度降低掌子面前方地層的位移大小，也能夠減小隧道已施做支護結構的變形，對于軟弱地層的隧道開挖穩定性具有十分顯著的作用［3-4］。目前，針對軟弱圍巖的預加固措施主要為地表注漿、超前大管棚注漿、超前小導管注漿等［5-7］。M.Hilar［8］采用數值模擬軟件對軟弱圍巖下的隧道預加固方式進行了研究，并結合監測數據進行對比驗證，結果表明采取相應的預加固措施能很好地保證軟弱圍巖下隧道開挖的穩定性。楊建周［9］以優化注漿材料為切入點，對軟弱圍巖內的隧道進行超前小導管注漿加固，結果表明該預加固方式取到了十分有效之成效。岳洪武等［10］以某隧道為依托，研究注漿對淺埋暗挖隧道的加固效果，為相關工程的安全進行提供了有效支撐。高文山等［11］采用有限元對某淺埋隧道在超前預支護前后的地表沉降進行分析，并將之運用于現場。史廷棟［12］采用解析解法理論計算、離心機室內試驗及ABAQUS有限元計算相結合的方法，對淺埋黏土隧道采取超前小導管注漿的加固效果進行分析，并對該加固效果進行了評判。綜上所述，關于軟弱圍巖內隧道的預加固方法已有較多成果，然而由于依托工況地質條件的不同導致加固方式的效果存在一定的差異，另外隧道的設計參數及加固參數也會對加固效果存在一定的影響。若僅依靠相似工況下的研究成果，無法保證工程的安全。基于此，本文以廣西某高速公路隧道右洞為工程依托，采用數值模擬軟件對不采取超前預加固措施、只采用超前管棚、地表注漿+超前管棚三種不同方案下的隧道穩定性進行研究，比較不同加固措施的效果，以期為類似工程提供一定參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌

隧址區屬剝蝕-侵蝕低山地貌區，山體陡峭且植被發育，擬建隧道軸線通過路段地面標高193～541 m，相對高差約348 m，地形坡度15°～60°。

1.2 地層巖性

根據工程地質調繪和鉆孔揭露，隧道區地層山坡表層存在0.5 m左右的黏土層。洞口段表層即為1 m左右的第四系殘坡積黏土層，下為強風化砂巖泥巖互層，再其下為中風化砂巖泥巖互層。

1.3 超前預加固措施

該隧道采用的超前預支護主要為超前管棚及地表注漿。超前管棚主要設置于隧道Ⅴ級圍巖洞口段，管棚鋼管為108 mm×6 mm的熱軋無縫鋼管，采取40 cm的環向間距，接頭采用30 cm長的套絲鋼管絲扣，布置圖如圖1所示。

地表注漿加固的段落為隧道入口淺埋段，樁號YK10+535～YK10+575，長40 m。注漿鋼花管為50 mm×4.5 mm，采取1.5 m×1.5 m梅花形布置，注漿橫向寬度為中心線到左側兩側各14.25 m，共28.5 m，注漿垂向范圍為地表至隧道仰拱拱底下2 m，具體注漿加固范圍如圖2所示。

2 有限元模型

2.1 計算假定

（1）隧道地層均按理想彈塑性材料考慮，采用M-C準則。

（2）錨桿、鋼管、初支及二襯均按線彈性材料考慮。

（3）所有材料均為各向同性體，且均質連續。

（4）因表層黏土層厚度僅為0.5 m左右，為方便模型的建立及計算，故而不對該土層進行考慮，同時假定整個土層為強風化砂巖泥巖互層。

2.2 模型的建立

采用MIDAS GTS NX軟件對右洞不采用超前預加固措施、只采用超前管棚、地表注漿+超前管棚三種不同方案下的隧道穩定性進行數值模擬，管棚加固區及地表注漿加固區如圖3、圖4所示。根據實際情況建立三維模型，如圖5所示，統一采用預留核心土法進行開挖模擬。

2.3 計算參數及工況設置

根據室內試驗結果并參考相應規范及類似工程，得到各實體單元參數如表1所示，各結構單元參數如表2所示。

設置的三種工況如表3所示。

3 數值模擬結果分析

3.1 地表沉降分析

提取三種工況下YK10+535斷面的地表沉降曲線如圖6所示。從圖中可以看出，三種工況的地表位移均以隧道中線為對稱軸呈現對稱分布。不采取預加固措施下，地表沉降最大值為126.30 mm，采取超前管棚加固時，地表沉降最大值為85.62 mm，采用地表注漿+超前管棚時，地表沉降最大值為33.00 mm。采取超前管棚加固較未采取加固措施的地表沉降最大值降低32.2%，采取地表注漿+超前管棚加固較未采取加固措施的地表沉降最大值降低73.9%，采取地表注漿+超前管棚加固較采取超前管棚加固的地表沉降最大值降低61.4%。根據國內外相關位移控制標準，地表沉降最大值需控制在30 mm以內，只有工況三滿足控制標準，說明采用超前管棚和地表注漿的聯合預加固措施能夠保證隧道開挖的穩定性。

3.2 圍巖豎向位移分析

提取三種工況下的位移極值點所在斷面的數值模擬結果，得到豎向位移云圖如圖7～9所示。由圖可知三種工況的圍巖豎向沉降等值線均以隧道中線為對稱軸呈現對稱分布，拱頂發生下沉，仰拱發生隆起。不采取預加固措施下及仰拱隆起值分別為184.2 mm、233.9 mm，采取超前管棚加固及仰拱隆起值分別為118.4 mm、235.3 mm，采用地表注漿+超前管棚及仰拱隆起值分別為39.9 mm、125.8 mm。采取超前管棚加固較未采取加固措施的降低35.7%，采取地表注漿+超前管棚加固較未采取加固措施的降低78.3%，采取地表注漿+超前管棚加固較采取超前管棚加固的降低66.3%。僅采取超前管棚加固并不能有效降低隧道仰拱隆起，反而有所增長，采取地表注漿+超前管棚加固較未采取加固措施的仰拱隆起降低46.2%。根據國內外相關位移控制標準，拱頂沉降需控制在50 mm以內，只有工況三滿足控制標準，說明采用超前管棚和地表注漿的聯合預加固措施能夠保證隧道開挖的穩定性。

提取三種工況下的拱頂沉降及仰拱隆起隨掌子面距離的變化曲線如圖10～11所示。由圖可知，隨著隧道不斷開挖掘進，其仰拱隆起值均呈現為逐漸增大至趨于平穩的趨勢，變化趨勢較為相似。

3.3 結構受力分析

3.3.1 錨桿軸力分析

根據數值模擬結果提取三種工況下錨桿最大拉力、最大壓力如表4所示，其中三種工況下錨桿最大拉力均位于拱腰附近，最大壓力均位于拱腳附近。由表4可知，不采取預加固措施下錨桿最大拉力、最大壓力值分別為25.22 kN、15.60 kN；采取超前管棚加固時，錨桿最大拉力、最大壓力值分別為23.79 kN、13.39 kN；采用地表注漿+超前管棚加固時，錨桿最大拉力、最大壓力值分別為17.68 kN、7.80 kN。三種工況下的錨桿受力均滿足規范要求［13］，采取超前管棚加固較未采取加固措施的錨桿最大拉力、最大壓力值差別不大，采取地表注漿+超前管棚加固較未采取加固措施的錨桿最大拉力、最大壓力值分別降低29.9%、50.0%。

3.3.2 初支彎矩分析

根據數值模擬結果得到三種工況下初期支護拱頂及拱腰彎矩如下頁表5所示。由表5可知，不采取預加固措施下初期支護拱頂及拱腰彎矩值分別為16.72 kN·m、24.27 kN·m；采取超前管棚加固時，初期支護拱頂及拱腰彎矩值分別為1.98 kN·m、13.55 kN·m；采用地表注漿+超前管棚加固時，初期支護拱頂及拱腰彎矩值分別為1.68 kN·m、12.73 kN·m。由此可知，超前管棚支護能有效改善初期支護的受力情況，尤其是頂部受力，采取超前管棚加固時，初期支護拱頂彎矩較不采取預加固措施降低了88.2%。

3.3.3 二襯受力分析

根據數值模擬結果得到三種工況下二次襯砌最大應力情況如表6所示，其中最大拉應力都處于仰拱內側，最大壓應力都位于拱腳處。由表6可知不采取預加固措施下二次襯砌最大拉應力、最大壓應力分別為2.39 MPa、4.88 MPa，采取超前管棚加固二次襯砌最大拉應力、最大壓應力分別為2.28 MPa、8.61 MPa，采用地表注漿+超前管棚二次襯砌最大拉應力、最大壓應力分別為1.98 MPa、4.85 MPa。由此可知若未進行注漿加固僅采取管棚加固的方法對于拱腳處的應力所起作用較小，且由于管棚自身的重力作用會導致拱腳處的應力進一步增大。

4 結語

（1）不采取超前預加固措施、只采用超前管棚、地表注漿+超前管棚下，地表沉降最大值分別為126.30 mm、85.62 mm、33.00 mm。采取超前管棚加固及采取地表注漿+超前管棚加固分別較未采取加固措施的地表沉降最大值降低32.2%、73.9%。地表沉降最大值需控制在30 mm以內，只有地表注漿+超前管棚加固滿足控制標準。

（2）不采取超前預加固措施、只采用超前管棚、地表注漿+超前管棚下及仰拱隆起值分別為184.2 mm、233.9 mm，118.4 mm、235.3 mm，39.9 mm、125.8 mm。采取超前管棚加固及采取地表注漿+超前管棚加固分別較未采取加固措施的降低35.7%、78.3%。僅采取超前管棚加固并不能有效降低隧道仰拱隆起，采取地表注漿+超前管棚加固較未采取加固措施的仰拱隆起降低46.2%。拱頂下沉最大值需控制在50 mm以內，只有地表注漿+超前管棚加固滿足控制標準。

（3）采取超前管棚加固較未采取加固措施的錨桿最大拉力、最大壓力值差別不大，采取地表注漿+超前管棚加固能有效降低錨桿軸力；超前管棚支護能有效改善初期支護的受力情況，尤其是頂部受力。若未進行注漿加固僅采取管棚加固的方法對于拱腳處的應力所起作用較小，且由于管棚自身的重力作用會導致拱腳處的應力進一步增大。

參考文獻

［1］劉志強.砥礪初心使命邁向交通強國［N］.人民日報，2021-06-12（5）.

［2］李 奧.大斷面隧道塌方機理與安全性控制研究［D］.北京：北京交通大學，2020.

［3］唐世祿，何江雪，林鑫隆.基于FLAC3D軟弱圍巖隧道管棚預加固措施研究［J］.路基工程，2021（5）：226-230.

［4］胡亞偉.公路隧道洞口微開挖進洞技術研究［D］.西安：長安大學，2016.

［5］彭 鵬，張頂立，孫振宇.含軟弱夾層隧道圍巖變形特性與加固參數設計方法［J］.巖石力學與工程學報，2021，40（11）：2 260-2 272.

［6］嚴 健，何 川，盧岱岳，等.德格隧道冒頂和冒落破壞特征及處治技術［J］.現代隧道技術，2019，56（5）：187-194.

［7］賴金星，邱軍領，牛方園，等.淺埋偏壓黃土隧道塌方處治及效果分析［J］.現代隧道技術，2017，54（2）：194-201.

［8］Hilar M. 3D Modelling of a Tunnel Re-excavation in Soft Ground［J］.Actal Polytechnica，2011，51（3）：25-31.

［9］楊建周.穿越松散堆積體圍巖加固與隧道施工技術［J］.鐵道科學與工程學報，2019，16（5）：1 266-1 273.

［10］岳洪武，苗 苗.淺埋暗挖軟巖隧道管棚預注漿加固效果分析［J］.現代隧道技術，2021，58（2）：111-117，134.

［11］高文山，王立川，章慧健，等.超前加固和初期支護對淺埋隧道地表沉降控制的貢獻率分析［J］.鐵道科學與工程學報，2021，18（3）：720-727.

［12］史廷棟.淺埋黏土隧道小導管注漿加固效果研究［D］.重慶：重慶大學，2019.

［13］JTG/T D70-2010，公路隧道設計細則［S］.

收稿日期：2024-03-25

作者簡介：李雪松（1990—），工程師，主要從事高速公路工程項目管理工作。