全风化花岗岩小净距隧道中夹岩柱注浆加固技术

熊凯斌 闫 虎

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

全风化花岗岩小净距隧道中夹岩柱注浆加固技术

熊凯斌 闫 虎

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

根据天马山隧道工程实践，利用ABAQUS建立数值模型，从施工时力学的角度，对先行洞开挖后小净距隧道中夹岩柱加固前后的受力变形情况进行了数值模拟分析，计算结果表明：对中夹岩柱加固后，其力学性能增强，承载能力提高，在隧道开挖的过程中，靠近中夹岩柱一侧的初衬混凝土层拉应力区域明显减小。

隧道，小净距，中夹岩柱，注浆加固

0 引言

近20年来我国交通事业的发展迅速，公路特别是高速公路逐渐向山区延伸，公路隧道数量和形式越来越多，难度也越来越大。由于路线沿河傍山，拉开路线间距，对隧道洞外路基、桥梁等方案有较大影响。为减小路线间距，20世纪90年代初期，国内逐步修建了一批连拱隧道，但连拱隧道存在施工工序较为复杂、防排水质量不易保证、易发生开裂渗漏等问题，于是修建了一批小净距隧道，相对于连拱隧道而言，小净距隧道因其工程风险较小、造价相对较低等优点，尤其是随着国土资源保护和环境保护要求的提高，有逐步得到广泛应用的趋势。

由于小净距隧道相对于普通分离式隧道主要的区别就在于洞口段净距的不同，大多中长小净距位于隧道洞口段，埋深较浅，因此小净距隧道中岩柱的加固技术，更加显得尤为关键。本文结合天马山隧道工程实践，利用ABAQUS建立数值模型，从施工时力学的角度，结合现场工程实践，优化加固方案，研究合理经济可行的加固技术。

1 工程概况

天马山隧道设计为一座上、下行分离的双向六车道高速公路隧道。隧道左线起讫桩号ZK1+756～ZK5+457，长3 701 m，右线起讫桩号YK1+745～YK5+402，长3 657 m，属分离式特长隧道，隧道进、出口段间距小于25 m，属小净距隧道。洞口段坡度较缓，坡度为25°～30°，主要由残积砂质粘性土层及全～强风化花岗岩组成，围岩呈松散结构、碎裂结构，且节理、裂隙发育，岩体破碎，遇水呈流塑状。

2 中夹岩柱数值模拟分析

中夹岩柱是小净距隧道开挖过程围岩稳定的关键部位，特别是对软弱围岩的小净距隧道开挖过程中，一般要对中夹岩柱进行加固，以充分利用中夹岩柱体自身承载力。为了研究中夹岩柱力学性能对隧道开挖稳定性及支护体系的影响，开展了以下数值模拟研究。

2.1 计算模型

建立如图1所示的二维平面应变有限元模型，模型尺寸为200 m×100 m，左右洞水平净距为12 m，埋深为5 m。围岩、初衬喷射混凝土层、二衬钢筋混凝土层单元均采用平面应变单元。锚杆采用圆截面梁单元，临时支撑工字钢采用工字形梁单元。

2.2 材料本构模型及参数

围岩采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，该模型的相应参数根据勘察资料选取，围岩的力学参数根据《工程岩体分级标准》选取；初衬喷射混凝土与二衬钢筋混凝土采用ABAQUS中的混凝土材料本构模型，相应参数根据《混凝土结构设计规范》选取；锚杆与临时支撑工字钢材料采用金属理想弹塑性本构模型，其弹塑性参数根据锚杆及工字钢的金属材料选取；而初衬与二衬间的预留变形层泡沫材料采用泡沫材料本构模型，在该模型中材料能够承受较大的变形而承载力较低，可有效模拟实际的预留变形层。中夹岩柱区加固后的力学参数选为加固前的两倍，相关计算参数如表1所示。

2.3 计算分析步骤

根据双侧壁开挖工法，采用以下模拟开挖分析步：

1)初始地应力平衡，获取围岩初始应力状态。

表1 材料力学参数

2)左洞内侧(靠近中夹岩柱一侧)导洞开挖，立即施作相应位置的锚杆、喷射混凝土层及相应的临时支撑，开挖面及时封闭。

3)左洞外侧导洞开挖，立即施作相应位置的锚杆、喷射混凝土层及相应的临时支撑，开挖面及时封闭。

4)左洞拱部及核心土第一次开挖，立即施作相应位置的锚杆、喷射混凝土层及相应的临时支撑，开挖面及时封闭。

5)左洞拱部及核心土第二次开挖，立即施作相应位置的锚杆、喷射混凝土层及相应的临时支撑，开挖面及时封闭。

6)拆除左洞临时支撑。

7)左洞施作二次衬砌。

8)右洞内侧(靠近中夹岩柱一侧)导洞开挖，立即施作相应位置的锚杆、喷射混凝土层及相应的临时支撑，开挖面及时封闭。

9)右洞外侧导洞开挖，立即施作相应位置的锚杆、喷射混凝土层及相应的临时支撑，开挖面及时封闭。

10)右洞拱部及核心土第一次开挖，立即施作相应位置的锚杆、喷射混凝土层及相应的临时支撑，开挖面及时封闭。

11)右洞拱部及核心土第二次开挖，立即施作相应位置的锚杆、喷射混凝土层及相应的临时支撑，开挖面及时封闭。

12)右洞临时支撑拆除。

13)右洞二次衬砌施作。

2.4 计算方案

为对比中夹岩柱加固对整个支护体系的影响，采用如下两种方案：

方案一：不对中夹岩柱进行加固，其力学参数取围岩体力学参数。

方案二：考虑对中夹岩柱体的加固，其力学参数取围岩体力学参数的2倍，相应力学参数见表1。

2.5 计算结果

两种计算方案下的计算结果如图2～图9所示。

1)初衬混凝土层拉应力分布。从上述计算结果可知(见图2，图3)，对中夹岩柱进行加固后(方案二)，初衬混凝土拉应力水平明显降低，拉应力峰值从2.7 MPa降低至2.2 MPa；而从拉应力的分布可以看出，中夹岩柱加固后，靠近中夹岩柱区的初衬混凝土层的拉应力区大幅降低，特别是对后行开挖的右洞，由于加固中夹岩柱后，中夹岩柱的自承能力提高，先行开挖左洞对其的扰动效应减弱，后行洞靠近中夹岩柱一侧受力明显降低。

2)初衬混凝土层塑性破坏区。从两种方案初衬混凝土的塑性破坏区分布可知(见图4，图5)，两种方案初衬混凝土层的破坏区域差异较大；从破坏程度上讲，方案一中初衬混凝土的破坏程度明显大于方案二，对中夹岩柱加固后等效塑性应变峰值由2.36E-4降低至2.08E-4。从破坏区域来看，加固中夹岩柱有助于降低初衬混凝土的塑性破坏区面积，方案一中的塑性破坏区面积为12.1 m2，方案二塑性破坏区面积仅为9.5 m2，降低了约21%(见表2)。对于先行左洞，加固中夹岩柱后，靠近中夹岩柱一侧的塑性区明显小于加固前；而对于后行开挖的右洞，加固中夹岩柱后，靠近中夹岩柱一侧基本没有出现塑性破坏。由此可见，加固中夹岩柱对于降低初衬混凝土的内力，保护初衬混凝土具有较好的效果。

表2 两种方案中塑性破坏区面积 m2

3)断面收敛。从断面收敛计算结果也可以看出(见图6，图7)，两种方案中断面收敛均呈现出靠近中夹岩柱一侧小，远离中夹岩柱一侧大的特点；这主要是由于靠近中夹岩柱一侧为先行开挖导坑的施工开挖顺序导致。从数值上看，方案一中断面收敛最大点约为31 cm，而方案二中这一值约为26 cm。

4)锚杆轴力。从锚杆内力分布图可以看出(见图8，图9)，两种方案下锚杆的轴力均呈现靠近中夹岩柱一侧大，远离中夹岩柱一侧小的特点，这是由于靠近中夹岩柱一侧先行开挖，相应位置的锚杆也为先行施工，在后续开挖过程中该处的锚杆均要承担围岩的松动荷载，因此，该处的锚杆受力较大。

2.6 结论

从上述计算结果来看，对中夹岩柱加固后，其力学性能增强，承载能力提高，在隧道开挖的过程中，靠近中夹岩柱一侧的初衬混凝土层拉应力区域明显减小，拉应力峰值从2.7 MPa降低至2.2 MPa。初衬混凝土的塑性破坏区面积由12.1 m2降为9.5 m2，降低了约21%。由于施工开挖顺序的影响，中夹岩柱加固前后隧道断面的收敛分布基本相同，但中夹岩柱加固后，断面收敛数值明显降低，收敛峰值由31 cm降低至约26 cm。

3 中夹岩柱加固方案选择

3.1 中夹岩柱加固方案比选

1)中夹岩柱加固的两个途径：a.提高中夹岩柱岩体的强度指标，如注浆加固;b.改善中夹岩柱的受力状态，如预应力锚杆。2)注浆加固原理：通过对岩体的渗透劈裂注浆，浆液能够脉状渗透到围岩裂隙中。能够快速有效提高围岩的土体强度及侧向抗力。通过小导管钻进的作用可以达到部分挤密和置换效果，并能够提高土体的环径向刚度。3)预应力锚杆的加固原理：某一埋深条件下中夹岩柱承受垂直应力时，预应力锚杆通过垫板对岩壁以某一压力扩散角施加壁压，根据摩尔库仑强度理论，通过莫尔圆可看出，增大中夹岩柱壁压，中夹岩柱受力状态从单向受压调整为双向受压状态，进而提高了中夹岩柱承载能力和稳定性。

3.2 中夹岩柱加固原则

1)中夹岩柱加固措施宜尽量简化，一般以注浆或锚固为主，其加固措施不宜超过两种；2)一般说来，注浆能改变塑性范围，其他支护方式(如锚杆、钢架)等可起到约束塑性区进一步发展的作用；3)以硬质岩为主的Ⅱ级，Ⅲ级围岩，完整性较好，宜采用锚固方式为主加固中夹岩柱；以软质岩为主的Ⅳ级，Ⅴ级围岩，节理裂隙发育，宜先注浆加固，再采用锚固方式。根据上述原则及适用性，针对洞口全风化花岗岩开挖后松弛圈较大，裂隙发育的特点，并综合技术、经济的因素选用注浆加固方案。

4 结语

1)在小净距隧道的施工过程中，由于两隧道的净距较小，中夹岩柱将受到两隧道开挖的扰动，围岩性能下降，承载能力降低；同时，小净距隧道一般位于隧道洞口段，该处地质条件一般较差，在隧道开挖的过程中中夹岩柱对隧道开挖稳定性具有重要意义。

2)由此可见，软弱围岩浅埋破碎区小净距隧道的施工过程中，应通过注浆加固等措施加强对中夹岩柱的保护，提高中夹岩柱的承载力，以增强隧道开挖过程中的稳定性、改善初支体系的受力。

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The rock pillar grouting reinforcement technology of whole weathered granite small spacing tunnel

XIONG Kai-bin YAN Hu

(ChinaRailwayTunnelGroupOneDepartmentLimitedCompany,Chongqing401121,China)

According to the Tianmashan tunnel project example, this paper used ABAQUS to establish the numerical simulation, from the construction mechanics point of view, made numerical simulation analysis on the stress and deformation situation of advance excavation small spacing tunnel middle rock pillar before and after reinforcement, the calculation results showed that: after middle rock column reinforcement, its mechanical properties enhanced, the bearing capacity improved, in the process of tunnel excavation, the tensile stress area decreased of initial lining concrete layer near the middle rock pillar side.

tunnel, small spacing, middle rock pillar, grouting reinforcement

1009-6825(2014)35-0183-03

2014-09-26

熊凯斌(1976- )，男，工程师； 闫 虎(1982- )，男，工程师

U457.3

A