黏土隧道小導管注漿離心機模型試驗

基金項目： 中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（CDJZR10200022）； 國家自然科學基金資助項目（51109231）

作者簡介： 許明（1975-），男，副教授，博士后，主要研究方向為地下工程與邊坡工程，電話：15696120975，E-mail：foretech@163.com

文章編號： 0258-2724（2013）03-0423-06 DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.005

摘要： 為探討小導管注漿范圍對隧道穩定性及地面沉降的影響，進行了超前導管注漿加固機理與性能優化的系列離心機模型試驗.試驗隧道在平面應變條件下的超固結黏土中開挖，小導管注漿加固區設置在圓形隧道開挖面外圍，采用具有一定剛度的環狀合成樹脂模擬.試驗結果表明：隨著小導管環向布置范圍的擴大，隧道塑性區及滑移面由拱頂向拱腳轉移，深部土體逐漸開始參與承載，隧道穩定性提高；“洞側加固”方案對提高加固效果最為經濟；覆跨比等于2時，該方案可使黏土隧道施工期間的最大地面沉降減小約10%.

關鍵詞： 隧道；小導管注漿；地面沉降；離心機模型試驗

中圖分類號： U451.5文獻標志碼： A

超前預支護是具有開放工作面的軟土隧道掘進施工過程中一種常見的工藝方法，是在隧道開挖前，在掌子面前方的地層里沿隧道橫斷面設置一個類似傘形拱殼的連續體或加固體，用以加固掌子面前方的地層，保證掌子面及地層的穩定，抑制地面沉降，形成一個超前的支護體系.

在實際工程中，雖然已經制定隧道小導管超前注漿的參數設計、施工工藝、質量管理和計量控制等相關標準[1-2]，但主要基于經驗類比.小導管注漿的加固機理一般均簡化為梁拱效應和地層加固效應[3-6]；加固效果的評價多采用環狀加固區力學參數反演基礎上的數值計算方法[7-8].而小導管注漿對于地面沉降和隧道塌陷機制的效應尚缺乏理論分析與試驗驗證.

為掌握圓形隧道在超前小導管注漿支護作用下的塑性變形規律，本文采用倫敦城市大學的Acutronic 661型離心機，對超前小導管的作用機理以及小導管環向布置范圍對隧道穩定性和地面沉降的影響進行了試驗研究，并提出了優化的小導管布置方案，以提高小導管注漿支護效果，減小地下開挖對鄰近建筑結構的危害.

1離心模型試驗

1.1隧道模型

離心試驗機的轉動半經為1.8m，加速度設為100g（g為重力加速度）.隧道直徑為50mm，覆跨比（隧道埋深C與隧道直徑D之比）取為2.根據相似原理，試件可模擬直徑5m的隧道，是一種常用的隧道建筑限界.隧道拱腳距離模型箱底1倍直徑以上，模型兩側的寬度為5倍隧道直徑.其他類似尺寸的離心機試驗結果表明，該距離可以將邊界效應對試驗結果的影響減小到最低.

試驗隧道用一個外徑50mm的薄壁不銹鋼管開鑿，隧道軸線與模型箱寬度方向一致.隧道內壁用厚度0.75 mm的柱狀密封橡膠膜覆蓋，通過定量控制膜內空氣壓力的方式模擬隧道的地層損失.模型地面沉降采用12個間距45 mm的線性位移傳感器（LVDTs）測量，地面以下位移則采用閉路電視攝像頭（CCTV）對試件側面布置的觀測點進行不間斷圖像采集，通過圖形采樣分析系統（Visimet）對不同時刻觀測點幾何位置的分析獲得各測點的位移[9-12].每個觀測點由一個直徑3 mm的黑色圓柱狀塑料釘標記，如圖1（a）所示.

1.2注漿小導管

試驗共設計了5組不同加固方案的試件，注漿導管環向排列密度以及漿液擴散半徑保持不變，僅注漿導管布設方位與數量不同，表1為模型試驗方案.

試驗方案中，FP1為無注漿導管的參照試件；試件FP2采用洞側加固方案，試件FP3、FP4和FP5采用拱頂加固方案，注漿范圍逐漸增大.

試驗關鍵之處在于確保試件處于二維平面應變條件下，以考察隧道內壁所需的支撐壓力與土體變形的關系.小導管加固區雖然忽略了實際工程中注漿花管的傾角，但由于隧道變形集中在與隧道軸線垂直的平面內，這種簡化除了不能模擬隧道掌子面的破壞外，是一種有效的近似[14].

1.3試驗流程

2隧道變形機制

FP1和FP3的隧道坍塌主要集中于拱腰以上周界（上拱圈破壞），而試件FP2和FP4的破壞集中于拱腰以下周界（下拱圈破壞）.造成二者差異的主要原因在于，前者小導管布置在隧道拱頂120°的范圍內，后者布置在超過180°的范圍內.小導管環向布置范圍若超過隧道半拱圈，可使隧道塑性區由拱頂向拱腳轉移，深部土體逐漸開始承載.隧道兩側（軸心深度處）是否有注漿小導管加固，將改變隧道的失效機制，拱腰位置是支護設計的關鍵部位.當加固區達到拱頂270°范圍時，隧道失效表現為拱腳回彈（圖3（c））.

從表2可見，無支護隧道所需的支撐壓力大于有支護隧道，說明隧道輪廓線外圍的注漿導管既能對隧道拱圈提供一定的支撐，又能加固一定范圍內的洞壁土體，進而提高隧道穩定性.試件FP4較之FP3的優勢，僅在隧道大變形時才能體現出來，當地層損失率較小時，加固區范圍從隧道拱頂120°增加到180°，對改善加固效果的作用十分有限.試件FP5的布置方案雖然對提高隧道穩定性效果最為顯著，但所需的注漿材料與工時也最多.

從注漿導管加固區面積與臨界支撐壓力的比率來看，試件FP2是一個折衷的最優方案.

3位移模式分析

3.1地面沉降

圖4為5組試件在地層損失率VL=10%時的橫向地面沉降，其形態可由高斯分布曲線描述，此時隧道尚處于穩定狀態，地面沉降值足夠大，不受系統誤差的影響.5組試件中土樣的不排水剪切強度非常接近，可忽略其對地面沉降的影響.

與參照試件FP1比較，試件FP2和FP5在隧道中心線處的最大地面沉降量減小10%左右，兩側地面沉降略有增大；試件FP3和FP4的沉降曲線與FP1相近.

3.2沉降曲線反彎點至隧道中心的距離

圖5顯示了5組試驗中i隨z的變化情況.由參照試件FP1獲取的i值，不論在地面，還是在地面以下，均與式（2）的理論值一致，隧道埋深越大，沉降槽寬度越小.相對于無加固方案，試件FP3的沉降槽寬度系數減小，試件FP4持平，而試件FP2和 FP5增大.

沉降槽寬度系數增大意味著沉降槽寬度增大，在地層損失率相同的情況下，最大地面沉降變小，與圖4中試件FP2和FP5的地面沉降觀測結果一致.由于沉降曲線反彎點處剪應變最大，當地層處于極限狀態時該點剪應力達到極限值，成為地層破壞的控制點，因此，i值的變化意味著滑移面的位置隨小導管布置范圍發生改變，進而形成不同的隧道塑性變形機制.

4結論

通過不同小導管注漿范圍條件下圓形隧道變形機制的離心機模型試驗，探討了超前導管注漿加固機理與最優注漿范圍.結果表明：

（1） 注漿導管能對隧道拱圈提供一定的支撐，又能加固一定范圍內的洞壁土體.隨著環向布置范圍的擴大，隧道塑性區及滑移面由拱頂向拱腳轉移，深部土體逐漸開始參與承載，隧道穩定性得以提高.隧道兩側（拱腰）是超前支護的關鍵部位.

（2） 不同的小導管環向布置范圍對黏土隧道的加固作用不同，以加固效果顯著性排序，依次是FP5 （拱頂270°加固方案）、FP2 （洞側120°加固方案）、FP4 （半圓形式加固方案）和FP3 （拱頂120°加固方案）；從注漿導管加固區面積與臨界支撐壓力的比率來看，“洞側加固”方案最為經濟.

（3） “洞側加固”方案的沉降槽寬度系數較大，覆跨比等于2時，該方案可使黏土隧道施工期間的最大地面沉降減小約10%.

致謝：倫敦城市大學R N TAYLOR教授對圓形隧道穩定性分析給予了悉心指導，在此表示衷心感謝.

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