隧道超前小导管支护FLAC研究

杨宏玉

1 工程概况

1.1 地质情况

十天线高速公路明垭子隧道位于陕西省石泉县城关镇至曾溪乡，进口位于水磨沟，出口位于十里沟，分左右双洞，洞室间距约40 m。左线隧道长4944 m，右线隧道长4980 m，均属于特长隧道，最大埋深320 m。

隧址区位于秦巴低山区，山脉走向近东向西，隧道两端沟谷深切，山脊山梁平缓，多呈椭圆丘状。大部分基岩裸露，植被覆盖不均，部分乔木茂密，部分生长杂草灌木，覆盖率不高。进口端地形坡度25°～35°，出口端地形坡度 30°～35°，最高山顶 845 m，相对高差200 m～320 m。

隧道穿过区域断裂构造和褶皱构造都极为发育，致使不同地层岩石的强烈变形改造，工程条件十分复杂。主体构造形态为铲形断裂组成的半羽状断裂系，共有5条等级为一、二级的断裂出露。各条断裂一级者经韧性再脆韧性和韧性复合叠加改造、二级者经脆韧性再脆性复合叠加改造的变形过程，有较宽的断裂带及其边侧影响带，造成岩石的广泛再碎裂甚至泥砾化的表现。

1.2 岩性调查

1)隧道围岩层理发育，呈片状，而且岩石强度低，自稳能力差，具有遇水膨胀特征。2)隧道目前遇到的围岩状况，给施工带来了许多困难，造成施工进度滞后，施工速度低，对目前施工方法的可行性和适应性提出挑战。3)初步成型隧道严重变形，局部变形量达到600mm之多，并造成隧道初衬多处破坏，影响到后期的隧道施工和隧道的设计净空，不得不进行整修。需要指出的是，这种趋势尚未得到有效控制，需要深入研究，找到有效的解决或处理方法。4)根据地质勘查报告，未来明垭子隧道还将穿越多条断层和破碎带，面对的工程条件将是十分复杂的，甚至会超出了地质残渣报告预计的情况，因而对施工技术将是严峻的考验。为了保证施工速度，需要提早研究，做好技术准备。

2 超前小导管加固

针对该隧道围岩节理裂隙发育，岩石风化破碎，围岩自稳能力差的状况，召开专题会议，进行了商讨，制定了相应的治理措施。为确保隧道开挖过程中及隧道成型后岩体的稳定性，采取了超前小导管注浆预加固的措施。

2.1 加固原理

小导管注浆法具有施工工艺简单、可操作性强、经济效益好等优点［1］，在公路隧道不良地质段开挖时被广泛采用。其加固原理是在拟开挖的隧道轮廓线四周利用小导管注浆形成一定强度和厚度的封闭拱，以提高围岩的自承能力和稳定性［2-4］。超前注浆小导管通过高压注浆改变了岩体的结构参数。在未经开挖的岩土体中形成刚度较大的加固圈，提高了岩土体的稳定性。

2.2 加固效应

小导管加固效应可用以下三个方面来解释:

1)锚杆作用。在隧道的超前支护中，小导管的作用往往是锚杆锚固机理中的连接原理、组合梁原理和均匀压缩拱原理的其中两种或三种的综合作用。2)棚架作用。小导管的棚架作用指小导管施作完成后，进行隧道开挖施工时，小导管以靠近掌子面的钢支撑和前方未开挖的部分岩土体为支点，在纵向支撑起中间部分的岩土体，起纵向梁作用。3)锚杆桩作用。超前注浆小导管支护中，小导管的一端与钢拱架固定连接。通过注浆，小导管全长与岩土体胶结咬合，并且形成“壳状”加固圈，当加固圈承受围岩松散压力时，小导管便起到锚杆桩的作用。

3 数值模拟研究

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua，连续介质快速拉格朗日分析)是由Cundall和美国ITASCA公司开发出的有限差分数值计算程序，主要适用于岩土工程问题分析。该程序建立在拉格朗日算法基础上，特别适合模拟材料大变形和扭曲问题［5］。FLAC3D采用显式算法来获得模型全部运动方程(包括内变量)的时间步长解，从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落，本文采用该软件进行数值分析工作。

3.1 模型建立

本次数值模拟分析旨在研究超前小导管的注浆加固作用，为方便起见，模型建立时实际隧道断面仅作为参考，对结果分析并无大碍。考虑到隧道在沿向上是平面应变问题，故模型前后左右采用法相约束，上部施加等效荷载，下部采用固端约束。

3.2 模拟结果分析

图1，图2分别为不采用和采用小导管注浆时围岩的竖向位移云图和水平位移云图。由图可知，不采用小导管注浆时，隧道开挖后，拱顶和仰拱位移很大。拱顶约为仰拱竖向位移的2/3;采用小导管注浆后拱顶和仰拱最大位移值分别较未注浆时减小了一半多。采用小导管注浆后，隧道开挖时，两侧墙最大水平位移约是未采用小导管注浆时的1/4。图3是不采用小导管注浆和采用小导管注浆时围岩的塑性区范围图。由图3可知，采用小导管注浆后的隧道围岩塑性区范围明显缩小得到控制。通过对超前小导管注浆加固隧道围岩的FLAC3D数值模拟分析可知，采取超前小导管注浆加固隧道围岩后，能够有效减小隧道表面围岩的位移和掌子面的稳定，确保施工安全的同时，大幅度提高施工进度，创造经济效益。

4 实测结果

在实际施工时，加固方案为小导管采用φ50×5mm无缝钢管，钢管长度5 m，按照钢架间距大角度与小角度导管间隔布置，环向间距40 cm，纵向间距50 cm;小角度小导管外插角15°，每环31根，大角度小导管外插角30°，每环24根。

通过图4可知，隧道拱顶沉降量在初始时间呈增加趋势;随着围岩采取加固措施，拱顶下沉速度逐渐变缓，达到55mm左右时趋于稳定，而隧道净空收敛位移达到20mm后也趋于稳定。可知超前小导管注浆效果明显，切实可行。

5 结语

本文通过对某山岭隧道岩爆点采集试样进行室内试验研究，主要有以下结论:

1)通过对超前小导管注浆的FLAC3D数值模拟加固效果分析可知，注浆加固层承担了开挖引起的大部分松动荷载。改良加固带的刚度较大、整体性较好，可使拱顶下沉和洞周收敛变形得到有效控制，隧道围岩塑性区范围明显减小。2)超前小导管注浆加固措施可以有效加固破碎围岩。在隧道施工过程中，遇到破碎围岩时，应特别注意加强监控量测、超前地质预报，如前方地质情况有变，应及时加强超前支护，避免塌方等事故发生。

［1］王观海，王小林.不良地质隧道小导管预支护施工工艺［J］.铁道建筑，2006(8):49-52.

［2］马 涛.浅埋隧道塌方处治方法研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(S2):3936-3981.

［3］卓国平.隧道洞口段施工技术研究和原理分析［D］.成都:西南交通大学，2003.

［4］夏永旭，王文正，胡庆安.公路双联拱隧道施工过程中中隔墙的变形及稳定性［J］.中国公路学报，2007，20(5):83-88.

［5］刘 波，［美］韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.