超前小导管注浆对软岩隧道稳定性的影响*

余永强 陈天恩 张文新

(1.河南理工大学土木工程学院;2.中铁隧道集团技术中心)

软弱围岩强度、刚性低，变形量大，隧道开挖引起隧道周围围岩卸荷回弹和应力重分布，在隧道周边有结构物和埋设物时，要控制围岩的变形使之不对这些结构物产生影响。即使没有结构物时，因这类围岩会产生很大的变形，可能造成围岩松弛，其最终结果是隧道坍塌、掌子面不稳定等。因此尽量控制围岩变形和松弛是非常重要的。吉小明等人［1］在讨论浅埋暗挖地铁隧道开挖所引起的应力和位移释放的基础上，进行了隧道开挖卸荷的有限元模拟计算，讨论了开挖方式对地层位移释放的影响。王铁男、赫哲等人［2］针对沈阳地铁施工实例，开展了超前小导管预注浆环向布置范围对地铁隧道开挖的影响分析，模拟不同的小导管环向布置，对围岩应力、隧道各监测点位移进行综合比较，确定出超前小导管合理布置范围。

本研究以我国西北部某圆形隧道工程施工为实例，采用有限差分软件模拟超前小导管注浆，进行了超前小导管注浆抑制隧道变形效果分析。

1 工程概况

该隧道工程位于我国西北部黄土覆盖的基岩低山丘陵区第三系临夏组地层之中，围岩岩性主要由疏松砂岩、泥质粉(细)砂岩、砂质泥岩岩及泥质粉(细)砂岩组成。岩性软弱，属极软岩，围岩局部洞段有地下水活动，地下水活动状态微弱。围岩类别划分为Ⅴ类围岩，围岩开挖后极不稳定，易产生塑性变形破坏及坍塌现象，属于软弱围岩。隧道大部分断面埋深较深，为了计算方便，本研究取隧道埋深在30 m左右洞段作为模拟对象，隧洞设计为圆形，设计毛洞直径为5.75 m，初期支护采用网喷混凝土钢拱架，厚度为25 cm;二次衬砌采用现浇钢筋混凝土，厚度40 cm;开挖前上半断面周边施做密排超前小导管对地层进行注浆加固，超前小导管长度3 m，直径42.5 mm，外插角15°。超前小导管注浆隧道横、纵断面如图1、图2所示。

2 超前小导管注浆对软岩隧道影响的数值模拟

2.1 超前小导管注浆预加固机理［3-4］

超前小导管注浆在超前支护方法上其作用类似于超前锚杆，在隧道开挖轮廓线外侧施做，由后部的钢支撑和前方未开挖部分岩土体支撑起中间部分的岩土体，起纵向梁作用。同时由于在隧道开挖施工前预先通过小导管注入浆液，浆液进入岩土体的裂隙中，形成刚度较大的土层加固圈，不但提高岩土体的力学性能指标，同时起到防水的作用，在很大程度上增加围岩的稳定性。

2.2 数值计算模型及参数

考虑到超前小导管的梁效应对地表位移值的影响较大，而对于隧道洞室结构的影响不是太大，在数值模拟过程中未考虑超前小导管的梁效应，只考虑了超前注浆加固作用，注浆加固区的模拟按围岩支护参数的改变来加以处理，初期支护体系以喷射混凝土来考虑。

2.2.1 FLAC有限差分软件简介［5-6］

FLAC是由Itasca公司研发推出的连续介质力学分析软件。FLAC3D是二维有限差分程序FLAC2D的扩展，能够进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。采用的显式拉格朗日算法和混合－离散分区技术能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。

FLAC3D中内置12种岩土本构模型，包括空模型、3个弹性模型(各向同性，横观各向同性和正交各向同性弹性模型)、8个塑性模型(德鲁克－普拉格模型、摩尔－库伦模型、应变硬化/软化模型、遍布节理模型、双线性应变硬化/软化遍布节理模型、修正的剑桥模型、双屈服模型和霍克－布朗模型)。FLAC3D中还提供了丰富而功能强大的结构单元模型，包括梁单元、锚索单元、桩单元、壳单元、土工格栅单元和衬砌单元。

2.2.2 计算模型

由于隧道横断面相对于纵向长度来说很小，所以本模拟假定在围岩荷载作用下，隧道纵向没有发生位移，只发生横向位移。建模时考虑到隧道开挖半径的影响，在宽度方上左右各取隧道4倍直径以上，即x方向计算范围取60 m。深度方向向下取3倍隧道直径以上，向上取至地面，即z方向计算范围取51 m。沿隧道开挖方向取1倍台阶长度，即3 m。则整个计算区域范围为60 m×3 m×51 m，共6 572个节点，4 752个单元。

边界条件:模型左右边界在水平方向上位移固定，上部地表为自由边界，底部边界垂直方向固定位移。计算模型和边界条件如图3和图4所示。

本模拟采用岩土力学通用的莫尔－库仑模型来模拟隧道围岩，超前小导管注浆通过在开挖前增加隧道上半断面一定区域的计算参数在模拟中体现，初期支护采用各向同性的线性弹性材料壳单元模拟，开挖模拟采用FLAC3D内置的空模型。

2.2.3 计算参数

模型的计算参数如表1所示。

表1 模型计算参数

2.3 计算结果分析

图5为隧道开挖支护断面垂直位移，可知2种情况下隧道断面都有不同程度的沉降和隆起现象。没有施做超前注浆预加固地层的隧道施工垂直变形较大，沉降最大位置在拱顶处，下沉20.24 cm;隆起最大位置在拱底，上升14.82 cm;施做超前注浆预加固地层的隧道施工垂直变形相对较小，沉降和隆起最大位置也分别是拱顶和拱底，分别为8.62和 14.57 cm。经过超前注浆预加固的隧道沉降比没有注浆预加固的隧道沉降范围有所改善，且沉降值小很多;隆起范围和隆起值几乎没有变化。计算结果如图5、图6所示。

图5 隧道开挖支护竖向位移云图

图6 拱顶下沉随计算步数变化曲线

图7为隧道开挖支护断面水平位移。没有施做超前小导管注浆预加固地层的隧道断面水平位移最大为15.4 cm，位于隧道边墙中心处;施做超前小导管注浆预加固地层的隧道断面水平位移最大为8.86 cm，位于隧道仰拱两侧拱脚处。施做超前小导管注浆预加固地层的隧道施工断面水平收敛较小，且最大收敛位置由边墙中心下移至仰拱两侧拱脚位置。

图7 隧道开挖支护水平位移云图

隧道周边围岩塑性区分布如图8所示。由图8可以看出，没有施做超前注浆预加固地层的隧道上部围岩塑性区厚度交大，为3.12 m，下部厚度较小，为1.47 m;施做超前注浆预加固地层的隧道上下部围岩塑性区厚度交为平均，为1.47 m;超前小导管注浆预加固地层能够有效地抑制隧道上部围岩塑性区的发育。

3 结语

(1)超前小导管注浆可有效地抑制软弱围岩隧道开挖变形。

图8 隧道开挖支护围岩塑性区分布

(2)在软弱围岩地层进行隧道施工，采用超前小导管注浆预加固围岩对控制隧道断面垂直变形和水平收敛有较好的效果，拱顶沉降抑制作用最为明显;对控制拱底隆起效果不佳。施做超前小导管注浆预加固围岩使水平收敛范围向下偏移，收敛值较无加固工况减小较大。

(3)超前小导管注浆预加固围岩对隧道围岩塑性区的发育有较为明显的抑制作用，对隧道上部围岩塑性区影响较大;隧道下部围岩塑性区影响甚微。

［1］ 吉小明，张选兵，白世伟.浅埋暗挖地铁隧道开挖过程的模拟研究［J］.岩土力学，2002(12):828-830.

［2］ 王铁男，赫 哲，杨青潮.超前小导管注浆布置范围对地铁隧道开挖的影响分析［J］.现代隧道技术，2010(10):54-58.

［3］ 卓国平.隧道洞口段施工技术研究和原理分析［D］.成都:西南交通大学，2003.

［4］ 张常委，朱国宝，张志强.小导管注浆预加固中小导管数值模拟问题［M］.何 川，戴勤堂，李永林.西部公路隧道技术.成都:西南交通大学出版社，2006:170-174.

［5］ 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［6］ 李 国.隧道及地下工程FLAC解析方法［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.