全风化地层大断面隧道洞口预加固技术模拟分析

陈 昕，张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

随着我国交通事业的快速发展，公路及铁路隧道的建设将越来越多，会有大量隧道洞口面临浅埋、软弱围岩等不良地质情况[1-3]。全风化花岗岩地层大断面隧道洞口施工工序繁多，由于围岩多次扰动，围岩应力及支护结构受力情况复杂[4]，因此选择合理的预加固技术并充分认识在预加固条件下围岩及支护结构的变形特征和受力特征对保证隧道洞口段围岩及山体稳定具有重要意义[5-6]。

本文依托汕湛高速公路全风化花岗岩横山隧道，建立较为逼真的三维数值模型，基于Flac3D有限差分法对管棚和超前注浆小导管两种洞口预加固技术进行了模拟对比，分析了在预加固条件下围岩及支护结构的受力变形特征、掌子面稳定性，得出的结论对类似工程的设计及施工有借鉴和参考意义。

1 工程概况

横山隧道位于汕湛高速公路汕头至揭西段附近。该隧道为一座分离式双洞长隧道，穿过丘陵地貌区。隧道界限宽度15.25 m，开挖断面为131.74～170.93 m3。隧道进、出口洞口段埋深约10 m，围岩极破碎，湿水易软化，岩石主要成分为全、强风化花岗岩，局部见中风化花岗岩，围岩级别V级。

2 隧道计算模型及参数

本文采用有限差分模拟软件Flac3D对横山隧道的预加固和开挖进行动态模拟和监测。隧道埋深取10 m，不考虑地表起伏，X方向长75 m(隧道水平方向)、Y方向长80 m(隧道开挖方向)和Z方向高50 m(竖直方向)。围岩、初期支护采用六面体单元进行模拟，预加固措施中管棚采用Beam单元模拟，超前注浆小导管采用Cable单元模拟，注浆加固则采取加强注浆圈内围岩材料参数的方式进行模拟。开挖方式为全断面开挖，采取开挖一步支护上一步的方式循环开挖，每个开挖步长度2 m，共开挖10步。计算模型如图1所示，围岩和初期支护示意图见图2，材料参数见表1。

3 计算结果分析

3.1 围岩变形特征分析

为了避免边界效应的影响，主要分析两种预加固方式下隧道开挖20 m后，Y=10 m截面的围岩变形和地表位移，图3中STEP表示Flac3D迭代步数。

图1 横山隧道三维数值模型

(a)管棚

表1 围岩与初期支护物理力学参数

图3 Y=10m断面的拱顶沉降值变化曲线

(1)拱顶下沉分析

如图3所示，从隧道的拱顶沉降变化趋势来看，超前注浆小导管在开挖进行至约600个迭代步后，拱顶沉降就开始快速增加，而施加管棚后，开始阶段沉降值基本为零，直到开挖至约2 400个迭代步后沉降速度才开始逐渐增加到与前者同一水平。这说明管棚相对超前注浆小导管来说能对早期的沉降增加产生较强的控制作用，而最终两种加固方法的沉降速度将趋于一致。

(2)水平收敛位移分析

如图4所示，隧道开挖的初始阶段，超前注浆小导管加固下围岩的水平收敛值略大于管棚，但其曲线的斜率从始至终变化不大，增长比较平缓；而管棚的水平收敛变化趋势为初始增加缓慢，而到迭代步达到2 000左右时开始快速增加，最终产生的收敛值反而比超前注浆小导管更大。这说明管棚在开挖早期对隧道水平收敛有较强的约束作用，而超前注浆小导管预加固则在更长的范围内更有优势。

图4 Y=10 m断面的拱腰处水平收敛值变化曲线

(3)地表沉降分析

如图5所示，管棚预加固下地表沉降相对更小，沉降值基本集中在80 mm附近,而超前注浆小导管加固的沉降最大值达到了223 mm，且地表沉降大小和水平方向坐标基本呈现出二次函数相关。

两种预加固方式下隧道开挖在Y=10 m处产生的围岩变形量统计见表2。

图5 Y=10m截面的地表沉降值

表2 两种预加固方式下围岩变形结果 mm

3.2 支护结构内力分析

在Y=10 m处初期支护的弯矩和轴力结果如表3、表4所示。

表3 初期支护各部位弯矩大小对比 kN·m

表4 初期支护各部位轴力大小对比 kN

(1)与超前注浆小导管相比，管棚预加固条件下初期支护拱顶、拱肩处弯矩分别仅为前者的68 %和58 %，拱肩处则轴力为前者的两倍，而其他位置则基本一致。这说明，以上两种预加固方式在初支弯矩上的区别仅限于上部结构，管棚能有效降低拱肩部初支的弯矩，而超前注浆小导管则可以有效降低拱顶部初支的轴力。

(2)由于素混凝土抗拉强度较低，所以截面内力的偏心距越大，截面上越容易产生拉应力。通过表3、表4可得，超前注浆小导管预加固的最大偏心距出现在拱顶位置，为0.187 m，管棚预加固下最大偏心距出现在拱腰位置，为0.136 m，显然相比超前小导管注浆加固,管棚预加固下初支安全性更高。这说明从偏心距大小来看，要提升初期支护的稳定性，管棚相对超前注浆小导管更加有效。

3.3 掌子面稳定性分析

选取隧道开挖至Y=20 m时的掌子面作为分析对象，得到隧道掌子面中心线法向挤出量分布图和掌子面挤出变形云图，分别如图6、图7所示。

从图6可知，在超前注浆小导管预加固条件下，掌子面变形较大，最大值达到61 mm，而管棚预加固条件下掌子面法向挤出位移最大值仅为33 mm。

而从图7所示掌子面内部岩体Y方向位移云图可知，管棚预加固下掌子面变形量在掌子面内和法向方向的分布比较都较为均匀，而超前注浆小导管加固下掌子面中心位置的变形则明显高于掌子面四周。这说明管棚在控制掌子面变形大小和不均匀形变上相比超前注浆小导管有较大的优势。

4 结论

基于对全风化地层大断面隧道采用管棚和超前注浆小导

图6 Y=20 m掌子面中心线挤出量分布

(a)管棚

管两种预加固方式下隧道开挖引起的围岩变形、支护结构及掌子面稳定性分析，得出以下结论：

(1)洞口段采用管棚预加固后，虽然最终的隧道两侧水平收敛程度不如超前注浆小导管，但其拱顶沉降、地表沉降较超前注浆小导管均得到有效控制，并且管棚可以有效降低隧道开挖早期的竖直和水平方向变形速度。

(2)在管棚预加固方式下，初期支护轴力在拱顶处为203.5 kN，大于超前注浆小导管下的101.9 kN；与超前注浆小导管相比，管棚预加固条件下初期支护拱顶、拱肩处弯矩分别仅为前者的68 %和58 %；管棚预加固下，截面内力最大偏心距仅为超前注浆小导管的72.7 %。因此管棚预加固能更好的提高初期支护的安全性。

(3)管棚预加固条件下掌子面挤出位移最大值远小于超前注浆小导管，仅为后者的54 %，并且形变也更加均匀，因此相比超前注浆小导管能更好的提升掌子面的稳定性。