黄竹口隧道穿越软弱危岩区隧道变形特性及加固措施研究

摘要：为研究穿越软弱危岩区隧道变形特性及加固措施，文章以广西贺州市昭平县黄竹口隧道为例，基于数值模拟软件FLAC 3D分析了三台阶七步、环形预留核心土以及CD法开挖下的隧道围岩变形特性，并提出采用超前小导管方案对软弱危岩进行加固。结果表明：软弱危岩的存在会加剧开挖中围岩形变；三台阶七步开挖法对隧道拱底、拱肩及拱顶具有较好的控制作用，但对拱脚围岩控制作用不佳；采用超前注浆加固方案对穿越软弱危岩区隧道变形具有控制性作用，可有效控制围岩变形。

关键词：软弱危岩区；隧道变形特性；加固措施；超前注浆

中图分类号：Y457+3" " " " 文献标识码：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.043

文章编号：1673-4874（2024）11-0144-04

0引言

隧道工程作为基础建设中的重要组成部分，其施工技术先进性与安全性备受社会关注。在隧道修建过程中不可避免地会穿越地质条件复杂、岩体结构破碎区域，此类区域隧道变形量大、支护效果差，进而严重威胁到隧道的施工安全，因此研究软弱危岩区隧道变形特性及加固措施具有重要的理论与实际意义。

目前，针对隧道变形特性的研究主要采用数值模拟、物理试验以及现场监测等手段，在此基础上进一步分析隧道围岩变形规律与影响因素、新型支护措施加固效果以及评估地质改良技术等。路德春等［1］结合实际工程利用ABAQUS软件建立下穿既有隧道三维数值模型，分析了隧道变形、围压以及内力变化规律，进一步揭示其变形机理。陈子娟等［2］依托南通某隧道工程，利用DEM-FDM耦合数值模拟方法，探究了桩距、桩长对隧道变形的影响。王俊杰等［3］提出将“超前应力释放+环向注浆+加长锚杆”的变形控制方法运用于控制围岩大变形并利用FLAC 3D离散元软件构建软岩峰后强度劣化模型，结果表明超前导洞可有效减小围岩变形，环向注浆有助于控制围岩变形松动，提高其围岩承载力。吕海亮等［4］以某隧道工程为例，基于有限元数值模拟软件对施工全过程进行分析，进而对隧道结构受力与软岩强度指标进行评价，在此基础上提出新型加固体系“隧道预支护-初期支护-围岩相互作用”。赵志浩等［5］以某软土隧道为研究对象，分析软土隧道长期变形特征，结果表明泊松比变化对隧道长期变形影响不大，而隧底旋喷加固可有效控制软土隧道沉降。窦廷明［6］对隧道破碎带坍塌机理进行分析，并提出新型注浆加固-临时钢支撑联合措施控制隧道围岩变形，结果表明联合治理后围岩稳定性显著增强，隧道拱顶沉降为19.2 mm，拱腰收敛为13.5 mm。梁夏［7］将数值模拟与实际工程相结合，探讨了围岩等级以及初始应力对隧道开挖的影响规律，结果表明围岩等级与初始地应力是影响支护选择的重要因素。

综上所述，研究学者对隧道变形与加固技术进行了大量的研究，但较少涉及软弱危岩区隧道变形的研究，并未考虑不同工法对隧道围岩变形特征的影响。因此，本文在前人研究基础上，以贺巴高速公路（昭平至蒙山段）黄竹口隧道工程为例，基于离散元数值模拟软件，分析不同工况下隧道围岩变形规律，在此基础上提出新型加固措施，该研究有助于保障穿越软弱危岩区隧道施工。

1项目概况及工程地质条件

1.1项目概况

黄竹口隧道入口位于广西壮族自治区贺州市昭平县，隧道总体走向约266°。左线起止桩号为ZK68+930.611～ZK73+695，设计长度为4 764 m。右线起止桩号为YK68+925～YK73+682，设计长度为4 757 m。

1.2工程地质条件

工程项目区地势高低起伏，山脉走向为北东-南西向，与隧道区域构造线走向基本一致。地层岩性主要由碎石粉质黏土、中厚层强风化砂岩、中厚层中风化砂岩构成，岩体破碎，裂隙较为发育。进出洞口开挖后仰坡易发生浅层崩塌、掉块现象。

1.3隧道围岩评价

根据《公路工程地质勘查规范》，黄竹口隧道存在高地应力，隧道围岩以软岩为主，裂隙发育程度高，岩爆可能性低。隧道洞身围岩的稳定性除与其本身的岩性特征及强度有关外，还与地质构造的复杂程度、地下水的活动等条件有关。图1为隧道左右侧各级围岩占比情况。

2数值模型的建立

为进一步对施工方案进行优化，本文以黄竹口隧道倾斜软弱危岩区为研究对象，利用FLAC 3D数值模拟软件建立含危岩区三维数值模拟。

2.1FLAC 3D基本原理

FLAC 3D是以离散单元法为基础构建的数值模拟软件，利用拉格朗日分析离散法将四面体作为基本单元，通过改变基本单元的接触关系使模型达到预期效果。FLAC 3D软件在处理岩土体模拟方面具有一定优势，可用于模拟各类岩土体力学试验过程，因此被广泛运用于岩土工程领域。图2为有限差分法流程图。

2.2有限元模型的构建

2.2.1细观参数

根据室内试验与野外调查资料，确定黄竹口隧道岩石以及危岩区材料细观参数，如表1所示。

2.2.2隧道模型

由于隧道开挖存在诸多限制条件，本文对模型进行了尺寸调整，即长为150 m、宽为80 m、高为100 m，破碎带为45°，厚为25 m，隧道断面宽为18 m、高为10 m，根据工程实际建立有限元数值模型，模型中部为软弱危岩带，各断面监测点布设如图3所示。

根据相关规范分别计算支护结构计算参数，计算结果如表2所示。

3数值模拟结果分析

3.1不同开挖方式下隧道变形分析

本节重点考虑环形预留核心土法、三台阶七步开挖法以及CD法下各断面隧道变形分析，开挖示意见图4。

3.1.1拱顶变形

图5为不同开挖方式下拱顶变形特征曲线图。由图5可知，随着开挖的进行，不同开挖方式下（三台阶七步、环形预留核心土以及CD法）位移变化趋势基本相同，均呈现先增大后减小变化，当位于断面3处时其变形量最大，最大下沉位移分别为81.05 mm、102.71 mm、124.09 mm。以断面3为例，当采用三台阶七步法开挖时下沉位移最小，而当采用CD法时其下沉位移最大，是三台阶七步法的1.53倍。

3.1.2拱底变形

下页图6为不同开挖方式下拱底变形特征曲线图。由图6可知，随着开挖的进行，不同开挖方式下（三台阶七步、环形预留核心土以及CD法）拱底位移变化趋势相同，均表现为拱底隆起。其中CD法下断面3隆起量最高为200.89 mm，而三台阶七步法最低为168.78 mm，两者相差32.11 mm。

3.1.3拱脚变形

图7为不同开挖方式下拱脚变形特征曲线图。由图7可知，拱脚位移变化规律与拱底与拱顶一致，均表现为随着开挖深度的增加，出现先增大后减小的变化趋势，其中各开挖工法下位移量最大值出现在断面3，而位移最小值出现在断面5。不同开挖方式下（三台阶七步、环形预留核心土以及CD法）位移最大值分别为52.36 mm、54.86 mm、57.01 mm，而位移最小值分别为39.86 mm、42.13 mm、45.30 mm，两者比值为1.31、1.30、1.25。

3.1.4拱肩变形

图8为不同开挖方式下拱肩变形特征曲线图。由图8可知，不同开挖工法下拱肩均表现为向下沉降，其中断面3仍为最薄弱面，沉降量最大，而CD法开挖下拱肩沉降量最大，其值为125.36 mm。不同开挖方式下（三台阶七步、环形预留核心土以及CD法）断面（1～5）拱肩位移分别为：三台阶七步法53.21 mm、60.96 mm、66.64 mm、61.96 mm、60.98 mm；环形预留核心土法56.66 mm、67.32 mm、75.98 mm、62.68 mm、55.32 mm；CD法91.98 mm、108.68 mm、125.36 mm、108.68 mm、93.21 mm。

3.1.5拱腰变形

图9为不同开挖方式下拱腰变形特征曲线图。由图9可知，不同开挖工法下拱腰均表现为膨胀。CD法下的膨胀量最大，而三台阶七步开挖法膨胀变形量最小。

对比不同工法下各断面部位变形特征可以发现，三种开挖方式下位移最大量均发生在断面3处。而通过图3（b）各断面监测点布设可以发现，断面3位于软弱危岩区，该现象说明在开挖过程中软弱危岩会加剧围岩的变形，在实际施工过程中应重点排查软弱危岩带变形情况，必要时需进行加固治理。

同时从图5～9可以发现，采用CD法开挖时各断面变形量最大，而采用三台阶七步开挖法时其变形量最小，这是由于采用三台阶七步开挖法其支护结构应力小，与前人研究理论计算中平衡点应力相近。总体而言，三台阶七步开挖法对隧道拱底、拱肩及拱顶具有较好的控制作用，但对拱脚围岩控制作用不佳，三者拱脚围岩位移相近。综上所述，该工程段宜采用开挖方式为三台阶七步开挖法。

3.2超前注浆加固下隧道变形分析

根据前文研究，该工程段宜采用开挖方式为三台阶七步开挖法，但发现该开挖方法在断面3处仍然存在较大变形现象，因此为保障工程施工的顺利进行，应对软弱危岩区进行加固处理。选用超前注浆加固方案，位移变形量均取正值，图10为超前注浆加固下断面3各部位变形量变化曲线图。

由图10可知，超前注浆加固后各部位变形量均有不同程度的降低，拱底位置位移量降低了108.71 mm，降幅为64.2%，加固效果最佳，而拱脚位置位移量降低了26.10 mm，降幅为49.8%，加固效果良好。该现象说明超前小导管注浆可有效控制围岩位移，其对拱底有明显的控制效果。

总体而言，采用超前注浆加固方案对穿越软弱危岩区隧道变形具有控制性作用，可有效控制围岩变形。因此该隧道工程宜采用三台阶七步开挖法，加固方法选用超前小导管注浆方案。

4结语

本文以黄竹口隧道为例，基于离散元数值模拟软件FLAC 3D，分析不同开挖工法下各断面部位变形特征，研究了超前注浆加固方案对穿越软弱危岩区隧道变形特征的控制作用。该研究可为同类型隧道施工及加固方案的选择提供参考。

本文得到如下主要结论：

（1）不同开挖方式（三台阶七步、环形预留核心土以及CD法）、不同部位处围岩位移变化趋势基本相同，均呈现先增大后减小变化。

（2）三台阶七步开挖法对隧道拱底、拱肩及拱顶具有较好的控制作用，超前小导管注浆可有效控制围岩位移，对拱底位移控制效果显著。

（3）开挖过程中软弱危岩会加剧围岩的变形，在实际施工过程中应重点排查软弱危岩带变形情况，必要时需进行加固治理。

（4）本次隧道工程宜采用三台阶七步开挖法，加固方法选用超前小导管注浆方案。

参考文献：

［1］路德春，宋涛，林庆涛，等.盾构下穿施工既有隧道变形机理数值模拟研究［J/OL］.防灾减灾工程学报，2024-06-04.

［2］陈子娟，张文旭，高天涯，等.三线并行小净距隧道施工诱发邻近桩基变形响应研究［J/OL］.铁道建筑，2024-06-06.

［3］王俊杰，张帅.基于超前应力释放与注浆加固的隧道围岩大变形控制分析［J/OL］.西南交通大学学报，2024-06-06.

［4］吕海亮，郝建财，吴立辉.软弱围岩大变形隧道初期支护围岩稳定性及结构安全性分析［J］.公路，2024，69（5）：477-482.

［5］赵志浩，刘帅，叶志远.软土隧道底部加固对隧道长期变形的研究［J］.水利规划与设计，2024（5）：145-150.

［6］窦廷明.隧道穿越软弱断层破碎带坍塌机理与变形控制措施研究［J］.施工技术（中英文），2024，53（9）：132-136，141.

［7］梁夏.高地应力区隧道开挖围岩变形与应力研究［J］.西部交通科技，2024（2）：171-174.

作者简介：蓝洋（1978—），高级工程师，主要从事隧道施工研究工作。

收稿日期：2024-05-16