隧道超前小導管支護FLAC研究

楊宏玉

1 工程概況

1.1 地質情況

十天線高速公路明埡子隧道位于陜西省石泉縣城關鎮至曾溪鄉，進口位于水磨溝，出口位于十里溝，分左右雙洞，洞室間距約40 m。左線隧道長4944 m，右線隧道長4980 m，均屬于特長隧道，最大埋深320 m。

隧址區位于秦巴低山區，山脈走向近東向西，隧道兩端溝谷深切，山脊山梁平緩，多呈橢圓丘狀。大部分基巖裸露，植被覆蓋不均，部分喬木茂密，部分生長雜草灌木，覆蓋率不高。進口端地形坡度25°～35°，出口端地形坡度 30°～35°，最高山頂 845 m，相對高差200 m～320 m。

隧道穿過區域斷裂構造和褶皺構造都極為發育，致使不同地層巖石的強烈變形改造，工程條件十分復雜。主體構造形態為鏟形斷裂組成的半羽狀斷裂系，共有5條等級為一、二級的斷裂出露。各條斷裂一級者經韌性再脆韌性和韌性復合疊加改造、二級者經脆韌性再脆性復合疊加改造的變形過程，有較寬的斷裂帶及其邊側影響帶，造成巖石的廣泛再碎裂甚至泥礫化的表現。

1.2 巖性調查

1)隧道圍巖層理發育，呈片狀，而且巖石強度低，自穩能力差，具有遇水膨脹特征。2)隧道目前遇到的圍巖狀況，給施工帶來了許多困難，造成施工進度滯后，施工速度低，對目前施工方法的可行性和適應性提出挑戰。3)初步成型隧道嚴重變形，局部變形量達到600mm之多，并造成隧道初襯多處破壞，影響到后期的隧道施工和隧道的設計凈空，不得不進行整修。需要指出的是，這種趨勢尚未得到有效控制，需要深入研究，找到有效的解決或處理方法。4)根據地質勘查報告，未來明埡子隧道還將穿越多條斷層和破碎帶，面對的工程條件將是十分復雜的，甚至會超出了地質殘渣報告預計的情況，因而對施工技術將是嚴峻的考驗。為了保證施工速度，需要提早研究，做好技術準備。

2 超前小導管加固

針對該隧道圍巖節理裂隙發育，巖石風化破碎，圍巖自穩能力差的狀況，召開專題會議，進行了商討，制定了相應的治理措施。為確保隧道開挖過程中及隧道成型后巖體的穩定性，采取了超前小導管注漿預加固的措施。

2.1 加固原理

小導管注漿法具有施工工藝簡單、可操作性強、經濟效益好等優點［1］，在公路隧道不良地質段開挖時被廣泛采用。其加固原理是在擬開挖的隧道輪廓線四周利用小導管注漿形成一定強度和厚度的封閉拱，以提高圍巖的自承能力和穩定性［2-4］。超前注漿小導管通過高壓注漿改變了巖體的結構參數。在未經開挖的巖土體中形成剛度較大的加固圈，提高了巖土體的穩定性。

2.2 加固效應

小導管加固效應可用以下三個方面來解釋:

1)錨桿作用。在隧道的超前支護中，小導管的作用往往是錨桿錨固機理中的連接原理、組合梁原理和均勻壓縮拱原理的其中兩種或三種的綜合作用。2)棚架作用。小導管的棚架作用指小導管施作完成后，進行隧道開挖施工時，小導管以靠近掌子面的鋼支撐和前方未開挖的部分巖土體為支點，在縱向支撐起中間部分的巖土體，起縱向梁作用。3)錨桿樁作用。超前注漿小導管支護中，小導管的一端與鋼拱架固定連接。通過注漿，小導管全長與巖土體膠結咬合，并且形成“殼狀”加固圈，當加固圈承受圍巖松散壓力時，小導管便起到錨桿樁的作用。

3 數值模擬研究

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua，連續介質快速拉格朗日分析)是由Cundall和美國ITASCA公司開發出的有限差分數值計算程序，主要適用于巖土工程問題分析。該程序建立在拉格朗日算法基礎上，特別適合模擬材料大變形和扭曲問題［5］。FLAC3D采用顯式算法來獲得模型全部運動方程(包括內變量)的時間步長解，從而可以追蹤材料的漸進破壞和垮落，本文采用該軟件進行數值分析工作。

3.1 模型建立

本次數值模擬分析旨在研究超前小導管的注漿加固作用，為方便起見，模型建立時實際隧道斷面僅作為參考，對結果分析并無大礙。考慮到隧道在沿向上是平面應變問題，故模型前后左右采用法相約束，上部施加等效荷載，下部采用固端約束。

3.2 模擬結果分析

圖1，圖2分別為不采用和采用小導管注漿時圍巖的豎向位移云圖和水平位移云圖。由圖可知，不采用小導管注漿時，隧道開挖后，拱頂和仰拱位移很大。拱頂約為仰拱豎向位移的2/3;采用小導管注漿后拱頂和仰拱最大位移值分別較未注漿時減小了一半多。采用小導管注漿后，隧道開挖時，兩側墻最大水平位移約是未采用小導管注漿時的1/4。圖3是不采用小導管注漿和采用小導管注漿時圍巖的塑性區范圍圖。由圖3可知，采用小導管注漿后的隧道圍巖塑性區范圍明顯縮小得到控制。通過對超前小導管注漿加固隧道圍巖的FLAC3D數值模擬分析可知，采取超前小導管注漿加固隧道圍巖后，能夠有效減小隧道表面圍巖的位移和掌子面的穩定，確保施工安全的同時，大幅度提高施工進度，創造經濟效益。

4 實測結果

在實際施工時，加固方案為小導管采用φ50×5mm無縫鋼管，鋼管長度5 m，按照鋼架間距大角度與小角度導管間隔布置，環向間距40 cm，縱向間距50 cm;小角度小導管外插角15°，每環31根，大角度小導管外插角30°，每環24根。

通過圖4可知，隧道拱頂沉降量在初始時間呈增加趨勢;隨著圍巖采取加固措施，拱頂下沉速度逐漸變緩，達到55mm左右時趨于穩定，而隧道凈空收斂位移達到20mm后也趨于穩定?？芍靶Ч茏{效果明顯，切實可行。

5 結語

本文通過對某山嶺隧道巖爆點采集試樣進行室內試驗研究，主要有以下結論:

1)通過對超前小導管注漿的FLAC3D數值模擬加固效果分析可知，注漿加固層承擔了開挖引起的大部分松動荷載。改良加固帶的剛度較大、整體性較好，可使拱頂下沉和洞周收斂變形得到有效控制，隧道圍巖塑性區范圍明顯減小。2)超前小導管注漿加固措施可以有效加固破碎圍巖。在隧道施工過程中，遇到破碎圍巖時，應特別注意加強監控量測、超前地質預報，如前方地質情況有變，應及時加強超前支護，避免塌方等事故發生。

［1］王觀海，王小林.不良地質隧道小導管預支護施工工藝［J］.鐵道建筑，2006(8):49-52.

［2］馬 濤.淺埋隧道塌方處治方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(S2):3936-3981.

［3］卓國平.隧道洞口段施工技術研究和原理分析［D］.成都:西南交通大學，2003.

［4］夏永旭，王文正，胡慶安.公路雙聯拱隧道施工過程中中隔墻的變形及穩定性［J］.中國公路學報，2007，20(5):83-88.

［5］劉 波，［美］韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.