注浆方式对大断面软弱围岩隧道稳定性的影响及研究

雷啸天，潘梦阳，赵玉如

(1.河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 451191；2.中铁上海设计院集团有限公司，上海 200000)

随着隧道工程在我国日益发展，长大公路隧道在山区的修建会大比例增长。施工时的种种因素会使初期支护和结构衬砌发生损害，影响隧道结构的稳定性，针对大断面软弱围岩隧道注浆加固机理及其变形规律我国还处于初级发展阶段，需要不断加强相关理论体系的改良和完善。本文以郑州市韩门隧道的工程为例，采用FLAC3D软件模拟不同注浆方式的开挖过程，在现有的隧道稳定性理论上为隧道内部变形规律与其参数优化及合理施工提供科学依据。

1 工程概况

韩门隧道位于郑州市巩义市韩门村，属于快速路，隧道设计车速80 km/h。隧道为分离式双向6车道隧道，单洞净跨17 m，净高9.4 m，为大断面山岭隧道。左洞隧道1 370 m，设计纵坡1‰，起始里程为ZK16+145；右洞隧道1 175 m，设计纵坡0.712‰，起始里程YK16+270。围岩级别以Ⅳ、Ⅴ为主，将其土质全部设成Ⅴ级围岩，隧道在大断面和软弱岩性双重影响下将会有局部破碎、整体自稳性弱的特点，隧道衬砌如图1所示。

2 韩门隧道计算参数

韩门隧道围岩与衬砌计算参数见表1所示。

3 数值分析

3.1 计算模型

根据已学的岩体性质和力学本构方程对韩门隧道进行建立模型。根据韩门隧道具体尺寸，建立三维有限元计算模型，模型的计算范围是60 m(X方向)，80 m(Y方向)，40 m(Z方向)。隧道开挖跨度17 m，开挖高度9.4 m，注浆材料采用弹性模量0.5 GPa，泊松比为0.2的水泥砂浆。岩体模型图如图2所示。

3.2 分析结果

设计3种方案，当不注浆时，竖向应力图如图3所示，拱部注浆时，如图4所示，全环注浆时，竖向应力图如图5所示。

图3 竖向应力图(不注浆)

图4 竖向应力图(拱部注浆)

图5 竖向应力图(全环注浆)

通过应力云图的剖析发现，在不注浆时洞身上面的土层将会受到拉应力作用，最大值为8.43 kPa，拱部受到极小的拉应力，下边墙会受到极小的压应力作用，左右边墙受到压应力，其余土层均产生压应力作用且从上到下依次增大；拱部注浆时拉压应力的分布大致与不注浆时的相同，其靠上的土层最大拉应力为8.77 kPa，但左右边墙外的塑性区的位置会产生一个压应力集中的极区，此处最大值在1.4×103kPa左右；全环注浆时则靠上的土层产生的拉应力最大值为14.02 kPa,之前左右边墙的应力极区扩散，其值最大为1.2×103kPa。

3种方案的竖向位移图如图6—图8所示。

图6 竖向位移图(不注浆)

图7 竖向位移图(拱部注浆)

图8 竖向位移图(全环注浆)

竖向位移情况：不注浆时左右边墙及以外的土层和拱顶及其以上的土层均会下沉，拱顶下降高度最大，为17.36 mm，左右边墙下沉5 mm左右，仰拱及以下的土层会产生向上的位移，仰拱上升最大高度为7.85 mm；拱部注浆时较之不注浆上下移动的位移有所减小，其拱顶下沉13.75 mm,左右边墙下沉2.5 mm左右，仰拱最大上升高度为7.74 mm；全环注浆时则位移范围明显缩小且极值也大大降低，拱顶下沉12.55 mm,左右边墙下沉2.0 mm左右，仰拱最大上升高度为7.02 mm。对于地表下沉3种情况均符合相关规范，且注浆范围越大情况越理想，不注浆方案拱顶下沉过大，拱部注浆位移情况较为理想，全环注浆能够明显减小位移数值，是最理想的一种情况。

3种方案的横向位移图如图9—图11所示。

图9 横向位移图(不注浆)

图10 横向位移图(拱部注浆)

图11 横向位移图(全环注浆)

横向位移情况：不注浆时塑性区以外的土层会产生向内部横向位移，值为2 mm左右，塑性区中越靠近边墙位置位移越大，左右边墙为不利位置，会向内部移动，极值为10.93 mm；拱部注浆时拱顶土层和仰拱以下土层及塑性区靠外的土层几乎没有横向位移，最大值为0.154 mm，左右边墙为不利位置会向内部移动，极值为8.38 mm；全环注浆时较之拱部注浆效果明显，横向位移的影响被减弱，左右边墙会向内移动，最大值为6.68 mm。

在模拟计算过程中，模拟分析洞室拱顶、拱腰、拱脚处位移在不同方向的位移变化图如图12、图13所示，可以清楚直接地观察到施工注浆方式对围岩稳定性的影响。

图12 沉降量对比图

图13 水平位移对比图

综上图12、图13环形注浆方式对围岩的稳定性有明显作用且与其它方式相比优点更突出。

3.3 塑性区云图剖析

3种方案的塑性云图如图14—图16所示。

图14 塑性云图(不注浆)

图15 塑性云图(拱部注浆)

图16 塑性云图(环形注浆)

塑性变形是不随荷载的卸除而消失的永久变形，它所发生的区域称为塑性区。在没有防护的情况下，洞口周围大面积都是塑性区，而且引起拱部上侧的土层也成为塑性区，此时洞身将会受到诸多方向的剪切应力和拉应力，严重威胁了隧道前期的稳定性。在洞周围喷射砂浆会缩小塑性区，全环注浆效果明显与拱部注浆，在仰拱和左右边墙处缩小了范围，洞身上减少了部分剪切应力和拉应力；拱部注浆会使拱部、边墙、仰拱的塑性区成多区域分布，各个区域的屈服强度不一致，洞身的强度要以其中最小值为设计标准且测量繁琐任务重；全环注浆的拱顶和边墙处于同一塑性区，仰拱塑性分区也较之拱部注浆塑性分区种类少，从某种程度上方便了设计工作加快了施工进程。

4 结 论

1)按不同工况，运用FLAC3D模拟计算了围岩体及隧道支护结构的变形和内力，阐述了隧道采用全环注浆这一方式明显有利于整体稳定性，杜绝了开挖支护以及注浆盲目而造成局部偏弱偏强和资源浪费等现象。选择在合理位置范围注浆，既能保证围岩的稳定性又能缩短工期减少工程造价。

2)不同注浆范围下，隧道变形和位移较不利位置有所偏差，其中拱顶产生的竖向位移最大，拱脚和墙角产生的水平位移较大，是较不利位置。在实际施工时应注意最不利位置的监测与加强相应的施工管理。

3)三种注浆方式均能产生相应的塑性区，相同点是越靠近洞口应力越集中，洞顶在大多数情况下都为最不利位置，其次是边墙处的应力不容忽视；不同点是全环注浆方式比另外两种方式所产生的塑性区范围要小得多，而且在应力的大小上也比较小，但是拱部注浆的拱脚和全环注浆的墙角所在的塑性区应力较大，较突出，故在施工时应着重注意注浆方法的不同所引起的易破坏位置是不同的，应着重处理。

4)对于大断面软弱围岩，注浆方式在其他相同的条件下，不注浆的隧道围岩应力和变形过大，不能保证施工过程中隧道围岩的整体稳定性；环形注浆和拱部注浆均能从不同程度上改善这一影响，从位移和应力应变能够保证隧道的正常使用以及前期施工的安全，而且全环注浆的效果更为显著，整体稳定性优于拱部注浆。

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