大變形隧道力學效應及施工對策

劉中勇

（神華包神鐵路責任有限公司，內蒙古鄂爾多斯 017000）

0 前言

非線性大變形力學區別于線性小變形力學的顯著標志[1]是，當研究的大變形巖土體介質進入到塑性、粘塑性和流變性的階段時，在整個力學過程中已經不服從疊加原理，而且，力學平衡關系與各種荷載特性、加載過程密切相關。

在經典力學的小變形假定基礎上發展起來的力學理論用于研究和解決軟巖工程大變形問題時，雖然考慮了材料的物理非線性問題，但從幾何場論角度看，仍然為小變形力學理論。

如果說經典小變形力學理論對解決小變形巖土工程問題尚能奏效的話，那么，描述軟巖工程的大變形力學行為，就必須采用非線性大變形力學的理論和方法。但迄今為止，這方面研究尚不多見。

巖土工程的復雜性決定了采用數值模擬方法的必要性和重要性[2]。隨著計算機技術的迅猛發展和各種數值計算方法的不斷完善，數值模擬技術成為有效解決巖土工程復雜問題的重要手段。本文將給出非線性大變形數值方法在軟巖巷道工程中應用的實例。

圖1 巷道底臌大變形理論模型

道底臌大變形理論模型見圖1。若選圖1所示的固定坐標系為運動參考系，并用固定系的坐標面分割微元體，則在變形前后所分割的并不是同一個微元體，破壞了質量守恒定律數學表達的一致性，且能量原理的表達也存在困難。

1 工程實例

某風道在施工過程中，施工過程中采用全斷面開挖，直接全斷面開挖和施加錨桿對地層加固后開挖，其力學效用有所不通，特別是其圍巖變形差別很大，見圖2、圖3。

圖2 回風巷道無支護時的圍巖變形

圖3 回風巷道有支護時的圍巖變形

回風巷道一次性開挖后，在不支護的情況下，巷道圍巖發生了顯著的塑性大變形現象。在層狀頂板出現了大變形局部不協調現象——離層，最大位移量為370 mm，兩幫向鄰空方向的最大位移量為115 mm，底臌的最大位移量為80 mm。

回風巷道一次性開挖后，在有錨網支護的情況下，巷道圍巖變形情況明顯好轉。層狀頂板發生離層現象消除，最大位移量僅為65 mm，兩幫向鄰空方向的最大位移量為 1 00 mm，底臌的最大位移量為80 mm。

2 常用施工對策

2.1 地層預加固

某地鐵項目，由于該隧道處于軟弱圍巖中，施工之前，必須對隧道圍巖進行注漿加固，注漿方法采用超前小導管注漿，注漿加固范圍在雙層斷面縱向距離堵頭墻5.5 m范圍內，橫斷面范圍內注漿范圍超出車站單層斷面輪廓線2 m以及兩單洞之間的土體，注漿范圍見圖4。

圖4 注漿加固圍巖(單位：mm)

注漿管采用風鉆直接將φ32鋼管頂入土層，注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。在注漿液中摻加適量膨脹劑，注漿壓力控制在0.2～0.6 MPa。

2.1.1 注漿管制作

小導管采用熱軋鋼管，長度為2.5～3.5 m。注漿管一端做成尖形，另一端焊上鐵箍。在距離鐵箍0.5～1.0 m處開始鉆孔，鉆孔沿管壁間隔200 mm，呈梅花型布設，孔位互成90°，孔徑6～8 mm，見圖5。

圖5 小導管構造示意圖(單位：mm)

一般情況下采用單排小導管沿130°范圍的輪廓線布置，小導管環向間距按設計為0.3 m，外插角13°～15°，小導管縱向搭接長度不小于1.5 m。

2.1.2 注漿工藝參數

注漿壓力應根據地層致密程度決定，一般為0.2～0.6 MPa。注漿材料及漿液配比，小導管注漿材料及配合比根據不同地質情況和要求采用以下幾種：

（1）改性水玻璃漿：配合比為硫酸：水玻璃=1:1.8～1:2.2，pH=3.1～3.5。主要適用于無水的粉細砂層。

（2）純水泥漿：原材料為摻入10%微膨脹劑的普通水泥，水灰比0.45～0.6。主要適用與砂卵石層。

（3）水泥-水玻璃雙液漿：水泥采用32.5R普通硅酸鹽水泥，水玻璃為35Be'。水泥漿液水灰比為1:1～1:1.2；水泥漿液與水玻璃體積比為1:1。主要適用于細砂、粉砂、粉土層及帶水的砂層。

注漿數量的計算，小導管注漿量可按照式（1）計算：

式中：R——漿液擴散半徑，可按0.3 m考慮；

L——小導管長度；

n——巖體孔隙率；

K——充填系數，根據不同地質條件取值。

2.2 臺階法施工

某巷道在開挖過程中采用臺階法施工，施工過程中預留核心土，施工簡圖如圖6所示。

圖6 臺階法施工示意圖

施工順序為：（1）超前大管棚與小導管加固并預注漿；（2）拱部環形開挖預留核心土；（3）Ⅲ部初期支護：（4）初噴5cm混凝土，架設格柵鋼架，掛網，噴混凝土；（5）開挖核心土；（6）下部土體開挖；（7）Ⅵ部初期支護：接邊墻、仰拱格柵鋼架并掛網、噴混凝土封閉成環。

拱部開挖高度2.3 m(上導洞)和2.25 m（下導洞），順著拱外弧線用人工進行環狀開挖并留核心土，架設格柵鋼架，掛網噴混凝土。優點是便于人工操作，地層擾動范圍小；一但發生地層溜坍，容易進行堵漏處理，也便于架設格柵鋼架。由于開挖工作量小，能在較短時間內將頂部支護完成，從而創造了一個安全的施工環境。

核心土開挖至起拱線高度，在格柵拱腳處打設2.5 m長帶孔錨桿，注漿以固結拱腳地層。

下部開挖滯后拱部3～5 m，包括兩側邊墻、仰拱的開挖，采用小反鏟開挖配合人工修整作業。

2.3 監控量測

以往的理論研究和施工實踐均表明，在地下工程施工過程中，地層應力狀態的改變將直接導致結構產生位移和變形，同時也會對地表及周邊環境造成一定的影響。當這種位移和影響超出一定范圍，必然對結構產生破壞，并影響到上方地表和臨近建筑的安全使用。

監控量測的項目主要根據工程的重要性及難易程度、監測目的、工程地質和水文地質、結構形式、施工方法、經濟情況、工程周邊環境等綜合而定，力求在滿足需要的前提下，少而精。本工程的監測項目除考慮上述因素外，主要根據設計的要求而定，具體監測項目見表1。

表1 某地鐵監測項目一覽表

3 結論

（1）采用小變形力學數值方法分析軟巖工程大變形問題，不僅會出現誤差，而且也違反了質量與能量守恒定律，是不合理的。

（2）工程實踐表明，軟巖工程巖體發生的大變形現象，是與施工順序、施工過程緊密相關的，因此，采用和轉動、形變的先后運動次序有關的極分解定理，描述軟巖工程巖體的大變形行為是適合的。

（3）軟弱圍巖隧道施工中應該注意采取“暗挖設計遵循”管超前，嚴注漿；短進尺，強支護；早封閉，勤量測”的原則考慮施工措施。

主要步驟為：地表降水；超前支護小導管及注漿；開挖，進尺一榀鋼支撐間距；初噴砼，掛鋼筋網，架立鋼支撐，噴混凝土；初期支護背后注漿；鋪設防水層；架立二襯鋼筋；進行二次襯砌；襯砌背后注漿。

（4）只要嚴格按照規范設計、施工才能確保軟弱圍巖隧道施工的安全性。

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