软弱土层隧道预支护及其参数优化研究

蒋德武

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆　400074)



软弱土层隧道预支护及其参数优化研究

蒋德武

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆400074)

摘要：为了研究隧道穿越软弱土地层时的预支护措施，结合青海东部软弱土层隧道施工的案例，采用三维有限元计算模型模拟了隧道在管棚、小导管预支护及无预支护条件下的围岩稳定性变化规律，表明超前小导管注浆可以满足围岩稳定要求，并进一步对小导管在不同管径、环距、管长、开挖步长等支护参数条件下进行了探讨.研究表明：在不注浆情况下，单纯增大管长、管径、环距不能起到抑制围岩变形的作用；考虑管体注浆的情况下，随着剩余管长的增加，拱顶沉降值呈减小趋势，但存在某一临界长度，当剩余管长超过这一临界长度后，拱顶位移变化趋于稳定；对于软弱土层中修建隧道开挖进尺宜取1.0 m，环向间距宜取0.3 m，小导管长度宜取4.5 m.本结论可为软弱土层隧道设计与施工提供参考.

关键词：软弱土层；围岩变形；支护参数；稳定性

0引言

随着我国经济建设的发展，西部大开发的进程也越来越快，在西部地区工程中出现的隧道也越来越多，隧道开挖所揭示的地质条件更是差异甚大，对于工程区域所揭示的黄土层与砂卵石地层而言，两者都为地质条件很差的围岩.砂卵石地层一般由黏性土或砂卵石、粗砂、卵石等组成，大多数砂卵石地层结构松散，分布不均，具有强烈的离散特性；而黄土地层具有明显的垂直节理，其土质疏松遇水侵蚀后极易湿陷.在这两种特殊的软弱土地层修建隧道必须采取一定的超前预支护措施.对此，有关专家针对预支护及相应措施进行了研究,并取得了大量的成果[1-4].本研究在参照上述研究的基础上，针对青海东部南山1#隧道工程，从隧道在管棚、小导管预支护、无预支护穿越软弱土地层的围岩稳定性变化规律，对小导管在不同管径、环距、管长、开挖步长等参数条件下，对软弱土层隧道预支护情况进行了探讨.

1工程概况

作为研究对象的青海东部南山1#隧道设计路线为双线，隧道断面为三心圆，初步设计为分离式隧道.根据线路调查，隧道穿越地区为软弱土地层，在一定深度范围内，从上至下分为黄土层和卵石层.

整个隧道围岩级别均为Ⅴ级，埋深2.0～63.0 m，隧道洞身均为卵石地层，卵石呈无胶结—弱胶结状，其围岩稳定性较差，开挖时成洞困难，遇水后洞顶以及侧壁极易变形.局部洞身段埋深在30 m左右，处于上部黄土与下部卵石层交界面，由于上部黄土湿陷厚度最大可达18 m，且洞顶可见黄土湿陷穴、坑等，隧道开挖时极易形成冒顶、坍塌事故，因此，施工时应注意采取防护措施.隧道地质纵断面图(局部)如图1所示.

图1隧道地质纵断面(局部)示意图

2预支护方案研究

考虑到隧道穿越的地层为软弱土地层，应采取相应的预支护措施，对此，本研究拟采用管棚预支护、小导管预支护、无超前预支护3种工况采用有限元软件模拟隧道开挖.

2.1计算模型及参数选定

由于小导管、 管棚等预支护措施主要在隧道纵向发挥作用，因此，管棚、小导管的预支护作用应采用三维有限元全真模拟隧道开挖，才能得出较为实际的力学行为特点.

超前预支护结构的仿真模拟及计算参数的选定如表1所示.

表1　隧道模拟参数表

根据设计规范要求，管棚、导管布置均为拱顶范围150 °，环向间距均为0.5 m.管棚长12 m，搭接长度为4 m，斜插角为5 °；导管长度为3.5 m，搭接长度为2 m，斜插角为10 °.

考虑模型的边界效应，模型隧道洞身横断面方向(X向)每侧取4倍洞宽，隧底厚度取不小于3倍洞高，此隧道顶部高度即为隧道埋深45 m，隧道纵向长度取为36 m.左右边界约束水平位移，下边界约束竖直位移，上边界为自由边界.

2.23种工况数值结果分析

2.2.1超前支护在隧道开挖过程中力学行为分析.

针对管棚、小导管支护所具有的梁效应，此处只考察管棚、导管的纵向弯矩.同时，由于隧道拱顶处钢管具有代表性，提取拱顶单根钢管梁单元作为分析对象，分析管棚、导管在隧道开挖前、后的受力特征.小导管、长管棚超前支护条件下隧道开挖前、后拱顶处的钢管纵向弯矩分布如图2所示，其最大弯矩值如表2所示.

分析图2和表2可知：

1)隧道开挖前，管棚预支护与小导管预支护所受的纵向弯矩均较小，隧道开挖后，两者所受到的纵向弯矩值均增大，其中，管棚的纵向弯矩值增加量比小导管的增加量大得多.

2)无论是开挖前还是开挖后,管棚支护的纵向弯矩值均比导管支护的大得多.

上述分析表明小导管、长管棚在发挥其作用过程中均具梁效应，管棚所发挥的梁效应要远远大于小导管.

图2　隧道开挖前后超前支护内力图

2.2.2超前支护条件下围岩的变形分析.

隧道边墙的X向(水平)和拱顶Z向(竖向)的位移往往是评价围岩稳定性的重要参考依据[5].因此，分析过程中提取隧道在同一开挖步距内，不同支护条件下的拱顶沉降和边墙水平位移值如表3所示.

表3　各种支护条件下隧道洞周位移值表

分析表3可知：在管棚和小导管2种超前支护条件下隧道的拱顶沉降均比无超前支护小得多，但3种工况下的边墙水平位移差不多，这说明超前支护能有效的控制隧道拱顶沉降，但控制隧道周边收敛的效果却不明显.

图3为隧道在各种支护条件下，同一开挖步距时围岩拱顶的竖向位移沿隧道纵向分布图.

图3开挖第八步距后拱顶沿隧道纵向的竖向位移分布曲线图

分析图3可知：

1)在开挖掌子面的后方，隧道拱顶竖向位移随着距离掌子面的距离加大，其值越大，在距离掌子面大约15 m时基本趋于稳定；2种超前预支护条件下拱顶沉降比无预支护下小得多，且二者拱顶沉降值相近.

2)在开挖掌子面前方，沿着隧道纵向远离掌子面，拱顶的竖向位移逐渐减小；超前管棚和超前小导管支护条件下的拱顶竖向位移均比无支护下的竖向位移小，且二者位移接近.

3小导管预支护参数优化研究

由以上分析可以看出，在无预支护的情况下，隧道洞周拱顶沉降及周边收敛均较大，在上述2种预支护的条件下，隧道洞周围岩变形都有了较大的改善，隧道开挖面也基本保持了稳定.这说明在上述2种预支护的情况下，均可以有效改善隧道围岩的稳定性.但由于在卵石地层中管棚钻进较困难，结合类似工程经验和数值模拟分析，本研究建议在该地层中采用超前小导管注浆预支护措施.

3.1小导管预支护参数类型分析

通常，采用超前注浆小导管预支护稳定软弱土地层隧道具有较好的效果.下面基于上述分析结果，对小导管在软弱土地层中的应用情况进行细化分析，对小导管预支护参数进行优化.

小导管预支护参数主要指小导管管径、管长、环间距及注浆参数等，同一条件下，不同预支护参数的选取对隧道工作面附近围岩的稳定性产生重要影响[6].在本研究建立的隧道模型基础上，对小导管的管径、环向间距、管长3个参数进行优化.

3.2小导管预支护参数优化

3.2.1小导管管径与环间距.

在不考虑管体注浆情况下，在隧道埋深40.0 m，管长4.0 m，环向间距0.5 m条件下，上台阶分别开挖1.0 m，1.5 m，2.0 m后，拱顶竖向位移和拱肩水平位移随管径(Φ32、Φ42、Φ50、Φ76)的变化曲线如图4、5所示.从图中可以看出，在同一开挖步长条件下，拱顶、拱肩位移相差不大，说明在不注浆条件下，只是单纯的增大小导管直径并不能有效抑制围岩变形.

图4管径对拱顶竖向位移影响曲线

图5管径对拱肩水平位移影响曲线

管体不注浆情况下，在隧道埋深40.0 m，管长4.0 m，管径Φ42条件下，上台阶分别开挖1.0 m，1.5 m，2.0 m后拱顶竖向位移和拱肩水平位移随环间距(0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m)变化曲线分别如图6、7所示.从图中可看出，在同一开挖步长下， 导管环距越小，拱顶、拱肩位移小幅越小，说明在不注浆的情况下，单纯的减小环距不能有效的抑制洞周变形.

图6　小导管环向间距对拱顶竖向位移影响曲线

图7小导管环向间距对拱肩水平位移影响曲线

在隧道埋深40.0 m，管长4.0 m，上台阶一次开挖1.0 m情况下得到的不同环间距下拱顶竖向位移随导管直径变化关系曲线如图8所示.从图中可以看出，在相同的管径情况下，拱顶沉降随环距的增大而小幅增大，当环距为0.3 m时，位移值最小，环距为0.3 m的位移比环距为0.6 m时小6.86 mm；在相同的环距下，拱顶沉降随管径的增大而小幅减小，管径Φ76比Φ32时仅减小了3.99 mm.说明单纯的减小环距要比单纯的增加管径效果要好一些.另外，从图中还可以看出，当管径为Φ76、环间距为0.3 m情况下，拱顶沉降最小，这是因为管径增大，导管刚度增大，环距减小，小导管形成的棚架作用越显著，相应的支护强度也就越高.

图8不同环间距下小导管直径对拱顶竖向位移影响曲线

综合以上分析，在软弱土层隧道施工中，若注浆效果相同，在环距和管径上应优先考虑环距，软弱土层围岩稳定较差，宜采用密集的小导管方式(选用0.3 m),然后根据施工成本选择适当管径.

3.2.2小导管管长.

1)不考虑管体注浆时.在管体不注浆时，隧道埋深40.0 m，管径Φ42，环向间距0.3 m，不同长度小导管(3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m)在上台阶分别开挖1.0 m、1.5 m、2.0 m后拱顶竖向位移和拱肩水平位移的变化曲线如图9、10所示.从图中可看出，在不注浆情况下，拱顶、拱肩位移随着导管长度的增加，位移值小幅减小，说明单纯增大管长也不能很好起到抑制围岩变形的作用.

图9管长对拱顶竖向位移影响曲线

图10管长对拱肩水平位移影响曲线

2)考虑管体注浆时.在隧道埋深40.0 m时，管体注浆后，不同开挖步距下掌子面前方围岩中导管的剩余长度与拱顶竖向位移的关系如图11所示.从图中可看出，随着剩余管长的增加，拱顶沉降值幅度明显减小，当减小到一定程度时趋于稳定，说明存在着某一临界长度，当导管的剩余长度超过这一临界长度后，拱顶位移变化趋于稳定.从图中还可以看出:当上台阶开挖1.0 m时，岩体中剩余管长临界值为3.5 m，即小导管管长为4.5 m；当上台阶开挖1.5 m时， 岩体中剩余管长临界值为4.5 m，即小导管管长为6.0 m；当上台阶开挖2.0 m时，岩体中剩余管长临界值为5.0 m，即小导管管长为7.0 m.

图11不同开挖步长下拱顶竖向位移位移与岩体中剩余管长关系

由于开挖进尺对隧道洞周变形有显著影响，所以在软弱土层中进行隧道开挖时，宜用短进尺.对于软弱土层隧道，一次开挖进尺宜取1.0 m，相应小导管长度宜取4.5 m.此方案既达到了较好的预支护效果，又降低了工程成本.

4结论与建议

本研究针对隧道穿越软弱土层施工过程中的围岩变形，并运用有限元数值模拟方法进行了分析，得出以下结论：

1)在无预支护的情况下，隧道洞周拱顶沉降及周边收敛均较大；在有预支护的条件下，隧道洞周围岩位移有了较大的改善，隧道开挖面也基本保持了稳定.此说明在软弱土层中修建隧道应采取相应的预支护措施.

2)在不注浆条件下增大导管直径、减小环距、增大管长，拱顶、拱肩位移变化并不明显，表明单纯增大导管直径、减小环距、增加管长均不能有效抑制围岩变形.

3)考虑管体注浆的情况下，随着剩余管长的增加，拱顶沉降值减小，当减小到一定程度后，其值趋于稳定，即存在某一临界长度，当剩余管长超过这一临界长度后，拱顶位移变化趋于稳定.

4)对于软弱土层中修建隧道开挖进尺宜取1.0 m，环向间距宜取0.3 m，小导管长度宜取4.5 m.

5)150 °范围布置的超前支护能有效控制隧道拱顶沉降，但对于控制隧道周边收敛的效果不是很明显，建议加宽布置范围，在注浆效果相同的条件下建议不宜加大导管直径.

参考文献：

[1]朱保国.软弱破碎围岩隧道中管棚超前预支技术研究[D].成都:西南交通大学,2007.

[2]李河玉.小导管注浆技术及在隧道和地下工程中的应用[D].成都:西南交通大学,2002.

[3]王幼明.超前小导管受力机理与监控量测技术改进研究[D].北京:北京科技大学,2007.

[4]郑建荣,王淑妹.小净距隧道稳定性数值模拟分析[J].科学技术与工程,2008,8(11)：3054-3055.

[5]巨建名,任小惠.斜穿过砂卵石层地质构造隧道开挖的三维数值模拟分析[J].大连交通大学学报,2013,34(4):82-83.

[6]肖明.地下洞室施工开挖三维动态过程数值模拟分析[J].岩土工程学报,2000,22(4):421-425.

Tunnel Pre-support and Parameter Optimization under Soft Soil Layer

JIANGDewu

(Civil Engineering College, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract:In order to study the tunnel pre-support measures across the soft soil layer,and based on the eastern Qinghai soft soil tunneling case,the paper adopts the three-dimensional finite element model to simulate the change rule of the surrounding rock stability in pipe sheds,and small pipes with and without pre-support.The study shows that advanced small pipe grouting could meet the requirements of surrounding rock stability and therefore, the small pipes' different diameters,their ring distance,their length,the excavation step length and other support parameters are discussed.The results show that without of grouting,increasing the pipes' length and enlarging their diameter and their ring distance cannot restrain the surrounding rock deformation.In the case of the pipe grouting,with the increase of the remaining pipe length,the vault sedimentation value shows a decreasing trend,but there is a limit,that is,there exists a critical length.When the remaining pipe length exceeds the critical length,displacement vault slope becomes more stable gradually.For the construction of tunnels in soft soil,excavation footage should be 1.0 m,ring spacing,0.3 m,small pipe length,4.5 m.The conclusion drawn from the paper can provide a reference for the design and construction of similar tunnels.

Key words:soft soil;surrounding rock deformation;supporting parameter;stability

文章编号：1004-5422(2016)02-0191-05

收稿日期：2016-05-16.

作者简介：蒋德武(1990 — )， 男， 硕士研究生， 从事隧道与地下工程设计研究.

中图分类号：U455.49；U455.7

文献标志码：A