向?qū)毶?白皓 王飛 王海宇 楊朝棟

【摘要】軟巖隧道地震和構(gòu)造破碎帶掘進(jìn)過程中，掌子面安全與超前支護(hù)設(shè)計參數(shù)密切相關(guān)，因此深入分析超前小導(dǎo)管設(shè)計參數(shù)的影響性十分必要。文章基于三維數(shù)值計算方法，建立軟巖隧道掘進(jìn)計算模型，分析超前小導(dǎo)管長度、環(huán)向間距、注漿范圍等參數(shù)的影響性。計算結(jié)果表明：隧道掘進(jìn)導(dǎo)致掌子面圍巖受力由三維向二維轉(zhuǎn)變，超前小導(dǎo)管能夠有效約束掌子面軸向水平位移，提高掌子面穩(wěn)定性;小導(dǎo)管長度增加能有效改善掌子面附近應(yīng)力重分布，進(jìn)一步降低開挖段變形量;提高超前小導(dǎo)管環(huán)向分布范圍、小導(dǎo)管型號和注漿加固圈厚度等參數(shù)，對控制變形的作用十分有限，應(yīng)該結(jié)合可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性適當(dāng)選取。

【關(guān)鍵詞】大面積棄渣; 橋梁樁基; 數(shù)值計算; 影響性

【中國分類號】U455.49【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

近年來，隨著我國西部鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)，深埋軟巖隧道的建設(shè)規(guī)模也越來越多[1-2]。軟弱圍巖因其強(qiáng)度低、抗擾動能力差[3]，通常采用超前錨桿[3]、單層小導(dǎo)管或雙層小導(dǎo)管[4-5]等在開挖前對掌子面巖層進(jìn)行超前支護(hù)，而且“超前小導(dǎo)管+注漿”具有操作簡便、造價較低、加固效果好等優(yōu)勢。超前小導(dǎo)管設(shè)計參數(shù)主要選用42 mm或60 mm的鋼管，長度一般為3～5 m，配合注漿工藝使用。針對超前小導(dǎo)管研究也主要集中在小導(dǎo)管層數(shù)、導(dǎo)管管徑、注漿參數(shù)和注漿效果等[6-8]方面，僅有少數(shù)在導(dǎo)管長度方面進(jìn)行了探索[9]。當(dāng)遇到軟弱圍巖隧道破碎帶時，“超前小導(dǎo)管+注漿”現(xiàn)有設(shè)計參數(shù)無法滿足工程需要，一是由于圍巖雖然強(qiáng)度較低，但是較為密實(shí)，常規(guī)超前注漿幾乎無法注入;二是由于掌子面圍巖很快風(fēng)化軟化，圍巖無法承受小導(dǎo)管傳遞來的上部荷載，以致小導(dǎo)管被壓潰折彎。為進(jìn)一步優(yōu)化這種特殊工況下常規(guī)兩臺階施工工法超前小導(dǎo)管設(shè)計參數(shù)，因此有必要進(jìn)一步深入討論。本文將結(jié)合九綿高速公路項(xiàng)目白馬隧道工程實(shí)例，采用有限元數(shù)值計算方法，對軟巖隧道破碎帶超前小導(dǎo)管設(shè)計長度和設(shè)置范圍等進(jìn)行分析，為此類工程的加固設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

1.1 基本情況

白馬隧道為九綿高速公路項(xiàng)目控制性工程，采用分離式雙洞四車道。隧道進(jìn)口位于四川省阿壩州九寨溝縣浦南村，穿黃土梁至綿陽市平武縣祥術(shù)加。隧道圍巖以板巖、炭質(zhì)板巖、千枚巖等互層為主。隧道全長13 km，圍巖級別劃分為：Ⅴ級71.45 %;Ⅳ級27.39 %，最大埋深約1 092 m。

1.2 地質(zhì)情況

隧址區(qū)在區(qū)域大地構(gòu)造上位于秦嶺造山帶、松潘甘孜造山帶和揚(yáng)子陸塊銜接部位，位于北部的文縣弧形構(gòu)造帶、西部的岷江—雪山—虎牙關(guān)斷裂帶和東南部的龍門山斷裂帶所圍限的楔形地塊上，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，地塊內(nèi)構(gòu)造形跡主要受控于上述三大構(gòu)造帶，但后期受文縣弧形構(gòu)造影響均呈現(xiàn)向南突出的弧形彎曲。隧道位于南坪背斜與白馬弧形構(gòu)造帶交界部位，發(fā)育斷層主要有：甲午池—文縣溝斷裂北支斷層、甲午池—文縣溝斷裂南支、甲午池—文縣溝斷裂分支F7、F8、F9、黃土梁斷層、刀切加—胡家磨F5、F6支斷層、刀切加—胡家磨斷層。隧道構(gòu)造破碎帶圍巖極其破碎和松散，局部開挖后呈現(xiàn)糜棱狀，原設(shè)計超前小導(dǎo)管經(jīng)常失效破壞（圖1）。

2 數(shù)值計算模型

2.1 模型建立

以白馬隧道埋深330 m處的段落為計算對象，利用FLAC軟件建立三維有限元計算模型（圖2），選取1/2對稱建模，水平方向?yàn)?0 m，垂直方向?yàn)?00 m，縱向?yàn)?0 m;開挖寬度為12.72 m，開挖高度為8.72 m，開挖影響范圍按3倍洞徑考慮。

（1）巖體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，開挖采用Null模型。

（2）圍巖注漿加固圈采用Cshell單元模擬，注漿加固圈厚度為0.4 m，加固效果通過調(diào)整力學(xué)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

（3）初期支護(hù)也選用Cshell單元模擬，針對工字鋼、噴射混凝土等材料，按照等效原則折算初期支護(hù)參數(shù)。

（4）超前小導(dǎo)管采用Beam梁單元模擬，外插角取為10 °，導(dǎo)管長度分為4.5 m和8 m兩種，環(huán)向間距取為0.4 m和0.3 m，管徑通過調(diào)整梁單元參數(shù)實(shí)現(xiàn)，相關(guān)參數(shù)按照等效原理計算取得，起始段預(yù)留30 cm與鋼拱架進(jìn)行連接。同時，邊界條件設(shè)置時，左側(cè)和下側(cè)施加位移約束，其余邊界施加應(yīng)力約束，共劃分98 400個單元和105 028個節(jié)點(diǎn)。本次數(shù)值計算不考慮二襯的作用，采用兩臺階法施工，臺階長度取為3 m。

2.2 參數(shù)選取

計算模型材料參數(shù)取值如表1所示。

2.3 點(diǎn)位選取

計算結(jié)果分析主要針對關(guān)鍵點(diǎn)的變形分布曲線和初支的應(yīng)力分布云圖，關(guān)鍵點(diǎn)位分布如圖3所示。

2.4 工況選取

結(jié)合實(shí)際施工工況，針對超前小導(dǎo)管長度、環(huán)向間距、鋼管直徑和壁厚、注漿范圍等4個工況進(jìn)行選取組合，共針對以下四種工況進(jìn)行計算分析。

3 計算結(jié)果分析

3.1 導(dǎo)管參數(shù)對拱頂沉降的影響性分析

以拱頂沉降為分析對象，分析超前小導(dǎo)管設(shè)計參數(shù)對拱頂變形的影響性，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，四種工況下拱頂沉降變化趨勢基本一致。導(dǎo)管增長、間距適當(dāng)調(diào)大后拱頂沉降僅減小11 %～20 %，說明由于超前小導(dǎo)管自身剛度提升能力有限，其對拱頂沉降的抑制效果不明顯，主要起到傳遞荷載的作用;注漿防護(hù)范圍增加25 %，對拱頂沉降幾乎無影響。當(dāng)開挖至距觀測斷面10 m時觀測點(diǎn)A開始發(fā)生沉降變形，這是由于掌子面向臨空方向發(fā)生擠出變形導(dǎo)致的，即損失變形量，截至目前該值仍然很難直接測量，本次計算可知損失變形量幾乎達(dá)到了總變形量的50 %。

3.2 導(dǎo)管參數(shù)對基底隆起的影響性分析

以基底隆起為分析對象，分析超前小導(dǎo)管設(shè)計參數(shù)對基底變形的影響性，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，四種工況下基底隆起變化趨勢基本一致。導(dǎo)管增長、間距適當(dāng)調(diào)大后基底隆起僅增大0.2 %～10 %，說明由于超前小導(dǎo)管的荷載傳遞作用，導(dǎo)致部分上部圍巖荷載向開挖段轉(zhuǎn)移，但是由于小導(dǎo)管剛度有限，該種轉(zhuǎn)移效應(yīng)不顯著;注漿防護(hù)范圍增加25 %，對基底隆起幾乎無影響。當(dāng)開挖至距觀測斷面10 m時觀測點(diǎn)B開始發(fā)生隆起變形，這是由于基底在圍巖壓力作用下向低應(yīng)力區(qū)域發(fā)生變形導(dǎo)致的，截至目前該值也仍然很難直接測量，本次計算可知隆起變形損失量幾乎達(dá)到了總隆起量的46 %。

3.3 導(dǎo)管參數(shù)對拱腳收斂的影響性分析

以拱腳收斂為分析對象，分析超前小導(dǎo)管設(shè)計參數(shù)對拱腳變形的影響性，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，四種工況下拱腳收斂變化趨勢相近，導(dǎo)管環(huán)向間距適當(dāng)調(diào)大、增加兩側(cè)注漿加固范圍對拱腳C點(diǎn)控制收斂變形效果不明顯，收斂僅減小約7 %，說明軟巖隧道由于質(zhì)地松散、圍巖強(qiáng)度較低，通過各種措施提高圍巖本身強(qiáng)度的空間有限。針對隧道破碎帶松散壓力作用，強(qiáng)支護(hù)、早支護(hù)是較為合適的技術(shù)方案。在開挖至觀察斷面10 m后收斂變形均呈下降趨勢，特別是小導(dǎo)管長度較短時下降量達(dá)到最大變形量的45 %，說明導(dǎo)管長度對開挖后圍巖壓力重分布影響最大，導(dǎo)管長度增加將導(dǎo)致荷載分散傳遞更遠(yuǎn)、開挖影響長度增大，而其余參數(shù)的影響可忽略不計。

3.4 導(dǎo)管參數(shù)對掌子面穩(wěn)定的影響性分析

在軟弱圍巖隧道掘進(jìn)時，掌子面通常會出現(xiàn)應(yīng)力集中、變形過大等現(xiàn)象，嚴(yán)重時會產(chǎn)生失穩(wěn)塌方事故，因此掌子面穩(wěn)定是隧道快速掘進(jìn)的前置條件。注漿小導(dǎo)管作為超前支護(hù)最主要措施，對掌子面的穩(wěn)定發(fā)揮重要作用。以掌子面頂部觀測點(diǎn)沿隧道軸線方向擠出變形為觀察對象，分析超前小導(dǎo)管設(shè)計參數(shù)對掌子面變形和穩(wěn)定的影響，如圖7所示。

在隧道掘進(jìn)過程中，掌子面的受力狀態(tài)由開挖前的三維向開挖后的二維轉(zhuǎn)變，掌子面變形大，承受荷載能力降低，進(jìn)而產(chǎn)生軸線方向的水平位移，這是在軟巖隧道中掌子面發(fā)生塌方的主要原因。因此控制掌子面的軸線方向水平位移能有效地避免塌方事故的發(fā)生，由圖可知，從觀測斷面以后10 m范圍內(nèi)的掘進(jìn)作業(yè)對觀測點(diǎn)影響最大，呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的規(guī)律，其影響極值均出現(xiàn)在開挖至5 m時。其中，導(dǎo)管長度對擠出變形影響最大，長度由4.5 m調(diào)整大8 m，變形極值減小了44 %;采用8 m長導(dǎo)管后，其他設(shè)計參數(shù)主要影響極值出現(xiàn)的時間，擠出位移峰值出現(xiàn)在開挖至3.5～4.5 m時，即第二個開挖循環(huán)的初期，說明加長導(dǎo)管對掌子面安全極為有利。

4 結(jié)論

軟巖隧道破碎帶掘進(jìn)工況下，超前小導(dǎo)管設(shè)計參數(shù)對開挖段和掌子面的變形和穩(wěn)定極其重要，本文計算結(jié)果表明：

（1）超前小導(dǎo)管能夠?qū)⑺淼谰蜻M(jìn)后釋放的圍巖荷載，向初期支護(hù)和掌子面前方巖體進(jìn)行傳遞，并影響地應(yīng)力重分布范圍，從而減少掌子面巖體的荷載分擔(dān)比例，而且導(dǎo)管長度越長傳遞范圍越廣、分擔(dān)比例越大，有利于掌子面的安全和穩(wěn)定。

（2）超前小導(dǎo)管環(huán)向分布范圍由120 °提高到150 °，增加部分主要位于拱圈兩側(cè)，其分擔(dān)荷載比例極其有限，因此一般僅適用于糜棱狀圍巖條件，可防止散體狀圍巖掉落垮塌。

（3）超前小導(dǎo)管的管徑增大對抑制圍巖變形影響較小，但是可有利于漿液擴(kuò)散、增大注漿范圍，使加固圈厚度增加，能夠增強(qiáng)掌子面的穩(wěn)定性。

（4）超前小導(dǎo)管能夠約束掌子面軸向水平位移，提高掌子面的穩(wěn)定性，增加導(dǎo)管長度能一定程度上降低位移量，防止坍塌事故發(fā)生，有利于隧道掘進(jìn)安全。

（5）提高超前小導(dǎo)管環(huán)向分布范圍、小導(dǎo)管型號和注漿加固圈厚度等參數(shù)，對控制變形的作用十分有限，應(yīng)該結(jié)合可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性適當(dāng)選取。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁傳保， 楊昌義. 成蘭鐵路地應(yīng)力分布特征及工程影響評價[J].四川建筑， 2014（3）： 146-149.

[2] 胡鵬， 宋浪， 張紅義. 白馬隧道軟巖大變形機(jī)理及長錨桿變形控制效果評價[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2019（S2）： 239-246.

[3] 崔嵐， 張威， 申俊敏， 等. 深埋軟巖隧道不同施工工法力學(xué)效應(yīng)分析[J].土木工程與管理學(xué)報， 2012（4）： 36-40.

[4] 張朋， 李曉紅， 盧義玉， 等. 小導(dǎo)管注漿技術(shù)在淺埋富水巖溶隧道中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報，2008（3）：517-522， 560.

[5] 鄭書笛， 侯哲生， 宋開忠， 等. 斷層破碎帶公路隧道超前支護(hù)效果研究[J].水利與建筑工程學(xué)報， 2019（6）：210-214.

[6] 凌森林， 田世雄， 路軍富， 等. 隧道砂卵石圍巖超前小導(dǎo)管注漿參數(shù)優(yōu)化研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2019（6）：114-119.

[7] 余永強(qiáng)， 陳天恩， 張文新. 超前小導(dǎo)管注漿對軟巖隧道穩(wěn)定性的影響[J].金屬礦山， 2013（3）： 32-35.

[8] 晏啟祥， 何川， 姚勇， 等. 小凈距隧道施工小導(dǎo)管注漿效果的數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué)， 2004（S2）：239-242.

[9] 劉運(yùn)生. 超前小導(dǎo)管管徑和管長對其超前支護(hù)“棚架”效應(yīng)的影響分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2012（S1）： 30-32.