黃竹口隧道穿越軟弱危巖區隧道變形特性及加固措施研究

摘要：為研究穿越軟弱危巖區隧道變形特性及加固措施，文章以廣西賀州市昭平縣黃竹口隧道為例，基于數值模擬軟件FLAC 3D分析了三臺階七步、環形預留核心土以及CD法開挖下的隧道圍巖變形特性，并提出采用超前小導管方案對軟弱危巖進行加固。結果表明：軟弱危巖的存在會加劇開挖中圍巖形變；三臺階七步開挖法對隧道拱底、拱肩及拱頂具有較好的控制作用，但對拱腳圍巖控制作用不佳；采用超前注漿加固方案對穿越軟弱危巖區隧道變形具有控制性作用，可有效控制圍巖變形。

關鍵詞：軟弱危巖區；隧道變形特性；加固措施；超前注漿

中圖分類號：Y457+3" " " " 文獻標識碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.043

文章編號：1673-4874（2024）11-0144-04

0引言

隧道工程作為基礎建設中的重要組成部分，其施工技術先進性與安全性備受社會關注。在隧道修建過程中不可避免地會穿越地質條件復雜、巖體結構破碎區域，此類區域隧道變形量大、支護效果差，進而嚴重威脅到隧道的施工安全，因此研究軟弱危巖區隧道變形特性及加固措施具有重要的理論與實際意義。

目前，針對隧道變形特性的研究主要采用數值模擬、物理試驗以及現場監測等手段，在此基礎上進一步分析隧道圍巖變形規律與影響因素、新型支護措施加固效果以及評估地質改良技術等。路德春等［1］結合實際工程利用ABAQUS軟件建立下穿既有隧道三維數值模型，分析了隧道變形、圍壓以及內力變化規律，進一步揭示其變形機理。陳子娟等［2］依托南通某隧道工程，利用DEM-FDM耦合數值模擬方法，探究了樁距、樁長對隧道變形的影響。王俊杰等［3］提出將“超前應力釋放+環向注漿+加長錨桿”的變形控制方法運用于控制圍巖大變形并利用FLAC 3D離散元軟件構建軟巖峰后強度劣化模型，結果表明超前導洞可有效減小圍巖變形，環向注漿有助于控制圍巖變形松動，提高其圍巖承載力。呂海亮等［4］以某隧道工程為例，基于有限元數值模擬軟件對施工全過程進行分析，進而對隧道結構受力與軟巖強度指標進行評價，在此基礎上提出新型加固體系“隧道預支護-初期支護-圍巖相互作用”。趙志浩等［5］以某軟土隧道為研究對象，分析軟土隧道長期變形特征，結果表明泊松比變化對隧道長期變形影響不大，而隧底旋噴加固可有效控制軟土隧道沉降。竇廷明［6］對隧道破碎帶坍塌機理進行分析，并提出新型注漿加固-臨時鋼支撐聯合措施控制隧道圍巖變形，結果表明聯合治理后圍巖穩定性顯著增強，隧道拱頂沉降為19.2 mm，拱腰收斂為13.5 mm。梁夏［7］將數值模擬與實際工程相結合，探討了圍巖等級以及初始應力對隧道開挖的影響規律，結果表明圍巖等級與初始地應力是影響支護選擇的重要因素。

綜上所述，研究學者對隧道變形與加固技術進行了大量的研究，但較少涉及軟弱危巖區隧道變形的研究，并未考慮不同工法對隧道圍巖變形特征的影響。因此，本文在前人研究基礎上，以賀巴高速公路（昭平至蒙山段）黃竹口隧道工程為例，基于離散元數值模擬軟件，分析不同工況下隧道圍巖變形規律，在此基礎上提出新型加固措施，該研究有助于保障穿越軟弱危巖區隧道施工。

1項目概況及工程地質條件

1.1項目概況

黃竹口隧道入口位于廣西壯族自治區賀州市昭平縣，隧道總體走向約266°。左線起止樁號為ZK68+930.611～ZK73+695，設計長度為4 764 m。右線起止樁號為YK68+925～YK73+682，設計長度為4 757 m。

1.2工程地質條件

工程項目區地勢高低起伏，山脈走向為北東-南西向，與隧道區域構造線走向基本一致。地層巖性主要由碎石粉質黏土、中厚層強風化砂巖、中厚層中風化砂巖構成，巖體破碎，裂隙較為發育。進出洞口開挖后仰坡易發生淺層崩塌、掉塊現象。

1.3隧道圍巖評價

根據《公路工程地質勘查規范》，黃竹口隧道存在高地應力，隧道圍巖以軟巖為主，裂隙發育程度高，巖爆可能性低。隧道洞身圍巖的穩定性除與其本身的巖性特征及強度有關外，還與地質構造的復雜程度、地下水的活動等條件有關。圖1為隧道左右側各級圍巖占比情況。

2數值模型的建立

為進一步對施工方案進行優化，本文以黃竹口隧道傾斜軟弱危巖區為研究對象，利用FLAC 3D數值模擬軟件建立含危巖區三維數值模擬。

2.1FLAC 3D基本原理

FLAC 3D是以離散單元法為基礎構建的數值模擬軟件，利用拉格朗日分析離散法將四面體作為基本單元，通過改變基本單元的接觸關系使模型達到預期效果。FLAC 3D軟件在處理巖土體模擬方面具有一定優勢，可用于模擬各類巖土體力學試驗過程，因此被廣泛運用于巖土工程領域。圖2為有限差分法流程圖。

2.2有限元模型的構建

2.2.1細觀參數

根據室內試驗與野外調查資料，確定黃竹口隧道巖石以及危巖區材料細觀參數，如表1所示。

2.2.2隧道模型

由于隧道開挖存在諸多限制條件，本文對模型進行了尺寸調整，即長為150 m、寬為80 m、高為100 m，破碎帶為45°，厚為25 m，隧道斷面寬為18 m、高為10 m，根據工程實際建立有限元數值模型，模型中部為軟弱危巖帶，各斷面監測點布設如圖3所示。

根據相關規范分別計算支護結構計算參數，計算結果如表2所示。

3數值模擬結果分析

3.1不同開挖方式下隧道變形分析

本節重點考慮環形預留核心土法、三臺階七步開挖法以及CD法下各斷面隧道變形分析，開挖示意見圖4。

3.1.1拱頂變形

圖5為不同開挖方式下拱頂變形特征曲線圖。由圖5可知，隨著開挖的進行，不同開挖方式下（三臺階七步、環形預留核心土以及CD法）位移變化趨勢基本相同，均呈現先增大后減小變化，當位于斷面3處時其變形量最大，最大下沉位移分別為81.05 mm、102.71 mm、124.09 mm。以斷面3為例，當采用三臺階七步法開挖時下沉位移最小，而當采用CD法時其下沉位移最大，是三臺階七步法的1.53倍。

3.1.2拱底變形

下頁圖6為不同開挖方式下拱底變形特征曲線圖。由圖6可知，隨著開挖的進行，不同開挖方式下（三臺階七步、環形預留核心土以及CD法）拱底位移變化趨勢相同，均表現為拱底隆起。其中CD法下斷面3隆起量最高為200.89 mm，而三臺階七步法最低為168.78 mm，兩者相差32.11 mm。

3.1.3拱腳變形

圖7為不同開挖方式下拱腳變形特征曲線圖。由圖7可知，拱腳位移變化規律與拱底與拱頂一致，均表現為隨著開挖深度的增加，出現先增大后減小的變化趨勢，其中各開挖工法下位移量最大值出現在斷面3，而位移最小值出現在斷面5。不同開挖方式下（三臺階七步、環形預留核心土以及CD法）位移最大值分別為52.36 mm、54.86 mm、57.01 mm，而位移最小值分別為39.86 mm、42.13 mm、45.30 mm，兩者比值為1.31、1.30、1.25。

3.1.4拱肩變形

圖8為不同開挖方式下拱肩變形特征曲線圖。由圖8可知，不同開挖工法下拱肩均表現為向下沉降，其中斷面3仍為最薄弱面，沉降量最大，而CD法開挖下拱肩沉降量最大，其值為125.36 mm。不同開挖方式下（三臺階七步、環形預留核心土以及CD法）斷面（1～5）拱肩位移分別為：三臺階七步法53.21 mm、60.96 mm、66.64 mm、61.96 mm、60.98 mm；環形預留核心土法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拱腰變形

圖9為不同開挖方式下拱腰變形特征曲線圖。由圖9可知，不同開挖工法下拱腰均表現為膨脹。CD法下的膨脹量最大，而三臺階七步開挖法膨脹變形量最小。

對比不同工法下各斷面部位變形特征可以發現，三種開挖方式下位移最大量均發生在斷面3處。而通過圖3（b）各斷面監測點布設可以發現，斷面3位于軟弱危巖區，該現象說明在開挖過程中軟弱危巖會加劇圍巖的變形，在實際施工過程中應重點排查軟弱危巖帶變形情況，必要時需進行加固治理。

同時從圖5～9可以發現，采用CD法開挖時各斷面變形量最大，而采用三臺階七步開挖法時其變形量最小，這是由于采用三臺階七步開挖法其支護結構應力小，與前人研究理論計算中平衡點應力相近。總體而言，三臺階七步開挖法對隧道拱底、拱肩及拱頂具有較好的控制作用，但對拱腳圍巖控制作用不佳，三者拱腳圍巖位移相近。綜上所述，該工程段宜采用開挖方式為三臺階七步開挖法。

3.2超前注漿加固下隧道變形分析

根據前文研究，該工程段宜采用開挖方式為三臺階七步開挖法，但發現該開挖方法在斷面3處仍然存在較大變形現象，因此為保障工程施工的順利進行，應對軟弱危巖區進行加固處理。選用超前注漿加固方案，位移變形量均取正值，圖10為超前注漿加固下斷面3各部位變形量變化曲線圖。

由圖10可知，超前注漿加固后各部位變形量均有不同程度的降低，拱底位置位移量降低了108.71 mm，降幅為64.2%，加固效果最佳，而拱腳位置位移量降低了26.10 mm，降幅為49.8%，加固效果良好。該現象說明超前小導管注漿可有效控制圍巖位移，其對拱底有明顯的控制效果。

總體而言，采用超前注漿加固方案對穿越軟弱危巖區隧道變形具有控制性作用，可有效控制圍巖變形。因此該隧道工程宜采用三臺階七步開挖法，加固方法選用超前小導管注漿方案。

4結語

本文以黃竹口隧道為例，基于離散元數值模擬軟件FLAC 3D，分析不同開挖工法下各斷面部位變形特征，研究了超前注漿加固方案對穿越軟弱危巖區隧道變形特征的控制作用。該研究可為同類型隧道施工及加固方案的選擇提供參考。

本文得到如下主要結論：

（1）不同開挖方式（三臺階七步、環形預留核心土以及CD法）、不同部位處圍巖位移變化趨勢基本相同，均呈現先增大后減小變化。

（2）三臺階七步開挖法對隧道拱底、拱肩及拱頂具有較好的控制作用，超前小導管注漿可有效控制圍巖位移，對拱底位移控制效果顯著。

（3）開挖過程中軟弱危巖會加劇圍巖的變形，在實際施工過程中應重點排查軟弱危巖帶變形情況，必要時需進行加固治理。

（4）本次隧道工程宜采用三臺階七步開挖法，加固方法選用超前小導管注漿方案。

參考文獻：

［1］路德春，宋濤，林慶濤，等.盾構下穿施工既有隧道變形機理數值模擬研究［J/OL］.防災減災工程學報，2024-06-04.

［2］陳子娟，張文旭，高天涯，等.三線并行小凈距隧道施工誘發鄰近樁基變形響應研究［J/OL］.鐵道建筑，2024-06-06.

［3］王俊杰，張帥.基于超前應力釋放與注漿加固的隧道圍巖大變形控制分析［J/OL］.西南交通大學學報，2024-06-06.

［4］呂海亮，郝建財，吳立輝.軟弱圍巖大變形隧道初期支護圍巖穩定性及結構安全性分析［J］.公路，2024，69（5）：477-482.

［5］趙志浩，劉帥，葉志遠.軟土隧道底部加固對隧道長期變形的研究［J］.水利規劃與設計，2024（5）：145-150.

［6］竇廷明.隧道穿越軟弱斷層破碎帶坍塌機理與變形控制措施研究［J］.施工技術（中英文），2024，53（9）：132-136，141.

［7］梁夏.高地應力區隧道開挖圍巖變形與應力研究［J］.西部交通科技，2024（2）：171-174.

作者簡介：藍洋（1978—），高級工程師，主要從事隧道施工研究工作。

收稿日期：2024-05-16