軟弱圍巖隧道洞口段預加固技術分析與探究

管連永

（四川三江交通建設工程有限公司， 四川 宜賓 644000）

0 引言

近年來，我國公路行業得到飛速發展，山區高度公路網日益完善，由于受到地形、線路等因素限制，勢必出現大量公路隧道，洞口段作為隧道的關鍵部分，因圍巖條件惡劣，需采用預加固措施，確保隧道施工的質量與安全。對此，通過采用管棚與小導管等機理，使隧道洞口得到有效加固。

1 管棚與小導管的作用機理

1.1 圍巖壓力與變形

在隧道開挖過程中，因應力狀態而改變的巖土體被稱為圍巖。在未開挖時，圍巖處于三向應力狀態，在開挖后產生應力重分布，狀態變為二次應力，如若穩定則無需支護，如若不穩則需要支護，此時圍巖狀態為三次應力，在此過程中圍巖變形與應力分布被稱為圍巖壓力。對該項指標產生影響的因素眾多，如地址因素、工程因素等，在開挖過程中，因受影響的因素不同，對圍巖的擾動程度也有所區別，但隧道開挖產生的圍巖變化與所處位置息息相關，形成顯著的時空效應。

在隧道開挖后，掌子面前后一定范圍內的圍巖受應力分布影響，可能出現些許變形。在淺埋隧道中，因圍巖的自承能力較弱，在上覆荷載后，很可能出現地表沉降，進而影響地面建筑，如若未進行控制，很容易因圍巖松弛而塌方。在圍巖縱向變形曲線中，共計分為三個階段，即前方超前變形階段、后方變形階段、變形穩定段。根據開挖面距離劃分，可分為微小變形段，變形量在20%—30%之間、急劇增加段，變形量在50%—60%之間、緩慢變形區，變形量在10%—15%之間以及穩定變形區[1]。

1.2 管棚力學特點

當以管棚為預支護體系時，通常與鋼拱架配合使用，將管棚鋼管埋入土體后，固定起來，在隧道開挖后，做好初期支護工作，將鋼管后方與鋼拱架固定，形成簡易的支梁，通過鋼筋橫向連接的方式，使多根鋼管形成棚架體系，確保隧道工程的安全施工。

通過對管棚的受力情況進行分析，在隧道開挖過程中，掌子面管棚段撓度達到最大，由于隧道洞口為淺埋地層，在開挖后無法形成自承拱。對此，可對管棚上方土層施加荷載，構建雙參數地基梁模型，模擬單根鋼管受力情況，如下圖1 所示。在洞口段，圍巖十分破碎，開挖自承力極差。在對管棚受力情況分析后，忽視上層土層與管棚間的聯系，將土體重量施加在管棚上；對于未開挖之處，按照圍巖變形規律，結合現場實測詩句，在掌子面前方形成松動區，使管棚的壓力增加。

圖 1 管棚受力結構圖

由上圖1 可知，管棚受力分析可分為四段，一是在AB 段，隧道正在開挖，且支護施工初步完成，上方荷載為上覆土重，按照地基梁進行分析考慮；二是BC段，隧道正在開挖，但未初支段，上方荷載為上覆土重；三是CD 段，尚未開挖，受掌子面開挖影響，出現變形松動等情況，管棚下方土體尚未開挖，管棚的上方土體受梯形荷載影響，下方受彈性抗力影響；四是DE 段，該段不受超前開挖影響，單純受管棚下方彈性抗力作用。

1.3 小導管自加固原理

對于小導管技術來說，自加固原理包括三項作用，即錨桿作用、漿液通道作用與棚架作用，具體如下：

2、錨桿作用。在實際操作中，按照隧道所處的地質條件與錨桿形式，無論以何種作用為主體，另外幾項作用同樣存在。在聯結作用下，錨桿可將隧道中松散的巖層與巖塊相結合，也可打入小導管后，使巖層與巖塊融合；

3、漿液通道作用。該技術可使地層情況發生改變，在施工過程中，可通過導管上方注漿孔使漿液注入巖層中，此時小導管起到漿液通道作用，并根據鉆孔位置進行加工，使其成為花管，打入巖體后注入漿液，達到提前穩定圍巖的目標；

4、棚架作用。在洞室開挖過程中，小導管可起到棚架作用，以掌子面鋼支撐段的土體為支點，使中間段巖土體得以支撐，發揮縱向梁的作用。一般情況下，小導管長度在3—6m 之間，開挖進尺為1.0—2.0m 范圍內，鋼拱架距離在0.5—1.0m之間，這樣不但可避免坍塌，還可確保施工人員安全[2]。

2 管棚與小導管預加固方法的有限元分析

2.1 計算原理

有限元法將連續求解域變為一個單元的組合體，在各個單元內假定近似函數表示求解域中的未知場函數，一般情況下，近似函數由單元節點處數值函數表現出來，通過離散有限自由度來解決無限自由度問題。在本文研究中，首先構建數值模型，然后對隧道開挖與支護進行模擬，最終對塑性區進行分析。

2.2 數值模型構建

在本次模型計算中，通過數值分析的方式進行模擬，對圍巖進行小導管預管棚預加固后，使加固區的參數級別得以提升。因小導管與管棚的直徑不同，在環向間距一致時，二者彈性模量存在一些差距。根據注漿加固圈的厚度，假設各項參數為管棚長度為30m，小導管長度為6m，外插角為1—3°，并且對漿液在圍巖中的擴散半徑進行分析，加固圈厚度為0.5—1m，構建的數值模型如下：

式中，R 代表的是漿液擴散半徑，單位為m；L 代表的是鋼管中心距離，單位為m；E 代表的是折算后加固圈地層彈性模量，單位為GPa；ER代表的是原地層模量，單位為GPa；SR代表的是鋼管等效截面積，單位為m2；Sc 代表的是加固圈斷面面積，單位為m2。

2.3 隧道開挖與支護模擬

在本次施工模擬中，針對施工過程進行簡化，采用兩臺階法進行開挖，臺階的長度為4m，一次施工結束后，應立即開展初期支護，由于噴射混凝土對強度有一定要求，在初期噴射時強度較小，在開挖過程中逐漸增加強度。在整個隧道施工中，通過MIDSA/GTS 中“鈍化”與“激活”的方式來實現，由于隧道開挖是一個持續性工作，可利用MIDSA/GTS 總施工建模助手，對整個施工工序進行模擬，以此減少重復工作[3]。

2.4 圍巖塑性區分析

該指標大小可體現隧道開挖的穩定性，在本次數值模擬中，對管棚加固與小導管預加固下塑性區范圍、大小進行分析，特別是拱頂位置，應明確二者的加固效果與適用條件，具體如下：

一、隧道開挖后，周圍出現許多厚度不同的塑性區，主要體現在加固區、拱頂、拱腰、邊墻與底部等部位，與之相比，邊墻處的塑性區發育更佳，受隧道形狀影響，邊墻與底部的應力更易集中，且應變最大值也易在此處出現；

二、在各工況下，塑性區最大值常出現在拱腳處，逐漸延伸到圍巖內部，在圍巖較差的隧道中，塑性區通常蔓延至拱腳下方的2—4m，該處圍巖很容易被損壞，導致隧道失穩。因此，在施工中邊墻與拱腳處的仰拱必須可靠；

三、在預加固技術相同情況下，隨著埋深不斷增加，塑性區范圍也逐漸擴大，特別是在圍巖條件較差時，例如，管棚預加固中，V 級圍巖的埋深為30m 時，塑性區的范圍占總體的10.2%，埋深為20m 時，塑性區范圍占總體的7.6%，埋深為10m 時，塑性區占總體的4.3%。

3 軟弱圍巖隧道洞口段預加固技術的應用

3.1 工程概況

峨漢高速公路豹貍崗隧道位于峨眉市金口河區大渡河右岸，隧道全長約3.65km，為一座雙向四車道特長高速公路隧道；最大開挖輪廓約13m×10m，最大埋深約700m。隧址區域屬高中山峽谷地貌，隧道主要穿越炭質板巖和砂質板巖地層，巖體較破碎～極破碎，受復雜地質構造影響嚴重，近場地構造主要有三角寺倒轉復背斜（M7）、金口河斷層（F11）、共安斷層（F11）以及金口河擠壓破碎帶，并且地下水豐富。基于以上復雜地質特點，在隧道的施工過程中遇到了軟弱圍巖和擠壓破碎帶大變形等系列問題。

3.2 預加固方案

豹貍崗隧道洞身段主要為Ⅳ和V 級圍巖，V 級圍巖段采用上下臺階留核心土法，但由于施工過程中，局部地段洞身圍巖出現了較大的位移，因此基于施工進度和圍巖變形控制要求，采用改進的CRD 工法。在隧道具體施工過程中，根據現場實際工程地質條件選擇合適的開挖方法是保障隧道安全經濟施工的重要前提。

圖2 上下臺階留核心土法示意圖

圖3 改進的CRD 法示意圖

3.3 測量要點

在現場測量過程中，應重視隧道情況，如若出現拱頂與周邊掉塊、坍塌、監測數據變動幅度加大、初支護變形等情況，應及時采取有效措施進行處理。在隧道拱頂、拱腰、拱腳處設置測量點，并隨著時間變化繪制曲線，總結變化規律，一旦出現位移變化速率等問題，在增量不減緩的情況下，應立即采取措施加強支護力度，并尋找問題所在，在后續施工中加強重視。隨著開挖深度不斷增加，還應隨時觀察圍巖狀態、裂隙、是否出現地下水等情況，對于地表很可能出現塌陷之處，應密切監視沉降變化，特別是在地面建筑區域，更要重視監測頻率，對沉降段采取必要措施。在施工現場做好協調工作，以免施工與監測量之間相互干擾。

3.4 結果分析

對于相同的測量斷面來說，采用同等量測頻率對拱頂下沉、地表沉降進行量測，根據道路施工規范，檢測頻率如下。

3.4.1 拱頂下沉結果

在YK10+282 斷面中，對該斷面的拱頂下沉進行監測，通過數據結果可知：在上臺階掌子面達到監測點時，下沉速率顯著提升，隨著掌子面的前移，沉降速率不斷降低，在下臺階到達斷面時，拱頂下沉速率再次增加，沉降量也出現微小的變化，在增加后逐漸穩定；在管棚預加固技術下，沉降穩定后開始后續開挖，沒有出現明顯的突變，這說明該技術科有效制約拱頂沉降，確保隧道安全施工。

3.4.1 地表沉降結果

在YK10+280 斷面中，對地表沉降進行監測，數據結果顯示：在與洞口相距10m 之處進行開挖，受施工、爆破等因素影響，監測面出現微小的沉降，當上臺階位于該斷面附近時，地表沉降速率增加，隨后逐漸趨于平穩，當下臺階到達該斷面時，沉降速率發生突變，沉降值也隨之增加，然后降低，最終在5.902mm 處趨于平穩。由此可見，數值模擬與現場量測的結果基本一致，軟弱圍巖隧道合理預加固技術高效可行[4]。

4 結束語

綜上所述，本文通過案例分析的方式，在現有研究成果基礎上構建數值模型，對洞口段不同埋深、圍巖級別下，管棚與小導管預加固受力和變形規律進行分析，與現場監控測量結果相結合，使數值計算結果更加精準，為實體工程的施工與建設提供有力依據。