大变形隧道力学效应及施工对策

刘中勇

（神华包神铁路责任有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000）

0 前言

非线性大变形力学区别于线性小变形力学的显著标志[1]是，当研究的大变形岩土体介质进入到塑性、粘塑性和流变性的阶段时，在整个力学过程中已经不服从叠加原理，而且，力学平衡关系与各种荷载特性、加载过程密切相关。

在经典力学的小变形假定基础上发展起来的力学理论用于研究和解决软岩工程大变形问题时，虽然考虑了材料的物理非线性问题，但从几何场论角度看，仍然为小变形力学理论。

如果说经典小变形力学理论对解决小变形岩土工程问题尚能奏效的话，那么，描述软岩工程的大变形力学行为，就必须采用非线性大变形力学的理论和方法。但迄今为止，这方面研究尚不多见。

岩土工程的复杂性决定了采用数值模拟方法的必要性和重要性[2]。随着计算机技术的迅猛发展和各种数值计算方法的不断完善，数值模拟技术成为有效解决岩土工程复杂问题的重要手段。本文将给出非线性大变形数值方法在软岩巷道工程中应用的实例。

图1 巷道底臌大变形理论模型

道底臌大变形理论模型见图1。若选图1所示的固定坐标系为运动参考系，并用固定系的坐标面分割微元体，则在变形前后所分割的并不是同一个微元体，破坏了质量守恒定律数学表达的一致性，且能量原理的表达也存在困难。

1 工程实例

某风道在施工过程中，施工过程中采用全断面开挖，直接全断面开挖和施加锚杆对地层加固后开挖，其力学效用有所不通，特别是其围岩变形差别很大，见图2、图3。

图2 回风巷道无支护时的围岩变形

图3 回风巷道有支护时的围岩变形

回风巷道一次性开挖后，在不支护的情况下，巷道围岩发生了显著的塑性大变形现象。在层状顶板出现了大变形局部不协调现象——离层，最大位移量为370 mm，两帮向邻空方向的最大位移量为115 mm，底臌的最大位移量为80 mm。

回风巷道一次性开挖后，在有锚网支护的情况下，巷道围岩变形情况明显好转。层状顶板发生离层现象消除，最大位移量仅为65 mm，两帮向邻空方向的最大位移量为 1 00 mm，底臌的最大位移量为80 mm。

2 常用施工对策

2.1 地层预加固

某地铁项目，由于该隧道处于软弱围岩中，施工之前，必须对隧道围岩进行注浆加固，注浆方法采用超前小导管注浆，注浆加固范围在双层断面纵向距离堵头墙5.5 m范围内，横断面范围内注浆范围超出车站单层断面轮廓线2 m以及两单洞之间的土体，注浆范围见图4。

图4 注浆加固围岩(单位：mm)

注浆管采用风钻直接将φ32钢管顶入土层，注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆。在注浆液中掺加适量膨胀剂，注浆压力控制在0.2～0.6 MPa。

2.1.1 注浆管制作

小导管采用热轧钢管，长度为2.5～3.5 m。注浆管一端做成尖形，另一端焊上铁箍。在距离铁箍0.5～1.0 m处开始钻孔，钻孔沿管壁间隔200 mm，呈梅花型布设，孔位互成90°，孔径6～8 mm，见图5。

图5 小导管构造示意图(单位：mm)

一般情况下采用单排小导管沿130°范围的轮廓线布置，小导管环向间距按设计为0.3 m，外插角13°～15°，小导管纵向搭接长度不小于1.5 m。

2.1.2 注浆工艺参数

注浆压力应根据地层致密程度决定，一般为0.2～0.6 MPa。注浆材料及浆液配比，小导管注浆材料及配合比根据不同地质情况和要求采用以下几种：

（1）改性水玻璃浆：配合比为硫酸：水玻璃=1:1.8～1:2.2，pH=3.1～3.5。主要适用于无水的粉细砂层。

（2）纯水泥浆：原材料为掺入10%微膨胀剂的普通水泥，水灰比0.45～0.6。主要适用与砂卵石层。

（3）水泥-水玻璃双液浆：水泥采用32.5R普通硅酸盐水泥，水玻璃为35Be'。水泥浆液水灰比为1:1～1:1.2；水泥浆液与水玻璃体积比为1:1。主要适用于细砂、粉砂、粉土层及带水的砂层。

注浆数量的计算，小导管注浆量可按照式（1）计算：

式中：R——浆液扩散半径，可按0.3 m考虑；

L——小导管长度；

n——岩体孔隙率；

K——充填系数，根据不同地质条件取值。

2.2 台阶法施工

某巷道在开挖过程中采用台阶法施工，施工过程中预留核心土，施工简图如图6所示。

图6 台阶法施工示意图

施工顺序为：（1）超前大管棚与小导管加固并预注浆；（2）拱部环形开挖预留核心土；（3）Ⅲ部初期支护：（4）初喷5cm混凝土，架设格栅钢架，挂网，喷混凝土；（5）开挖核心土；（6）下部土体开挖；（7）Ⅵ部初期支护：接边墙、仰拱格栅钢架并挂网、喷混凝土封闭成环。

拱部开挖高度2.3 m(上导洞)和2.25 m（下导洞），顺着拱外弧线用人工进行环状开挖并留核心土，架设格栅钢架，挂网喷混凝土。优点是便于人工操作，地层扰动范围小；一但发生地层溜坍，容易进行堵漏处理，也便于架设格栅钢架。由于开挖工作量小，能在较短时间内将顶部支护完成，从而创造了一个安全的施工环境。

核心土开挖至起拱线高度，在格栅拱脚处打设2.5 m长带孔锚杆，注浆以固结拱脚地层。

下部开挖滞后拱部3～5 m，包括两侧边墙、仰拱的开挖，采用小反铲开挖配合人工修整作业。

2.3 监控量测

以往的理论研究和施工实践均表明，在地下工程施工过程中，地层应力状态的改变将直接导致结构产生位移和变形，同时也会对地表及周边环境造成一定的影响。当这种位移和影响超出一定范围，必然对结构产生破坏，并影响到上方地表和临近建筑的安全使用。

监控量测的项目主要根据工程的重要性及难易程度、监测目的、工程地质和水文地质、结构形式、施工方法、经济情况、工程周边环境等综合而定，力求在满足需要的前提下，少而精。本工程的监测项目除考虑上述因素外，主要根据设计的要求而定，具体监测项目见表1。

表1 某地铁监测项目一览表

3 结论

（1）采用小变形力学数值方法分析软岩工程大变形问题，不仅会出现误差，而且也违反了质量与能量守恒定律，是不合理的。

（2）工程实践表明，软岩工程岩体发生的大变形现象，是与施工顺序、施工过程紧密相关的，因此，采用和转动、形变的先后运动次序有关的极分解定理，描述软岩工程岩体的大变形行为是适合的。

（3）软弱围岩隧道施工中应该注意采取“暗挖设计遵循”管超前，严注浆；短进尺，强支护；早封闭，勤量测”的原则考虑施工措施。

主要步骤为：地表降水；超前支护小导管及注浆；开挖，进尺一榀钢支撑间距；初喷砼，挂钢筋网，架立钢支撑，喷混凝土；初期支护背后注浆；铺设防水层；架立二衬钢筋；进行二次衬砌；衬砌背后注浆。

（4）只要严格按照规范设计、施工才能确保软弱围岩隧道施工的安全性。

[1] 何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].北京：科学出版社，2002.

[2] 唐辉明，滕伟福.岩土工程数值模拟新方法[J].地质科技情报，1998，17（2）：41-48.

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