软弱地层小断面引水隧洞超前小导管加固效果分析

薛小攀　韩福　冯秋丰　李伯平

摘要：为研究小断面引水隧洞施工过程中穿越软弱松散土层和不良地层时，不同超前小导管布置方案对隧洞围岩稳定性的影响，利用MIDAS/GTS NX软件建立三维有限元模型，对无小导管、空心小导管、实心小导管和小导管注浆扩散至围岩0.5 m四种工况下的隧洞围岩变形和衬砌受力情况进行模拟。结果表明：布置小导管后，隧洞围岩水平位移和竖向变形减小;布置为实心小导管时隧洞围岩变形未发生变化，浆液扩散后围岩变形进一步减小，控制变形量较为显著。

关键词： 超前小导管; 围岩变形; 引水隧洞; 软弱地层

中图法分类号：TV543 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.008

文章编号：1006 - 0081（2022）07 - 0050 - 07

0 引 言

中小型水电工程的引水隧洞断面小、线路长，地质条件复杂，洞内操作空间狭小，使用大型设备安全隐患大，导致开挖进度难以保证。引水隧洞施工开挖方式基本以全断面开挖为主，手持式凿岩机造孔，扒渣机装渣，小型运输设备出渣，人工安装支护结构，机械化程度较低。地质条件对工程能否顺利实施影响较大，不良的地质条件可能会造成塌方、冒顶、爆炸、突泥、透水、涌水等现象。保障隧洞围岩稳定是工程实施的关键，支护措施是保障围岩稳定的主要手段。目前，超前小导管支护技术广泛应用于隧洞软弱松散土层、不良地层施工中[1-3]。工程实践表明：在初期衬砌发挥作用前，因隧洞开挖产生的地层沉降量在最终沉降量中占比较大 [4-8]，这意味着对开挖面前方地层进行超前预支护，在有效控制地层沉降、保障围岩稳定、保证施工安全方面是非常重要的。因此，本文以青海省引大济湟工程北干渠一分干第二标段标段为例，对不同超前小导管支护措施下的围岩稳定性进行分析研究。

1 工程概况

引大济湟工程通过一系列蓄水、调水和配水水利工程，将水量较大的大通河水引至严重缺水的湟水流域，用于缓解湟水流域的缺水状况，达到水资源最大化利用的目的。本文研究区域位于大板山南坡及西宁-民和盆地北侧，大坂山海拔在4 000 m以上，盆地海拔约2 000～2 800 m，呈两侧高山挟持一山间盆地的地貌景观。根据地貌的成因、形态特征和地质构造的差异，研究区域可划分为5个不同的地形地貌单元：侵蚀断块中高山区、山前剥蚀丘陵区、断陷盆地及河谷地区、盆地黄土丘陵区和侵蚀切割的冲沟地貌。隧洞工程区分布有与大板山主脊平行展布的近东西向和垂直的南北向冲沟，沟谷岸坡相对陡峻，大型沟谷以南北向展布为主，地理位置如图1所示。

本文研究对象以引大济湟工程北干渠一分干二标段为主，引水线路总长8.11 km，设5条隧洞，隧洞总长7.52 km，隧洞长度占整个引水线路总长的93%。隧洞超前小导管布置在引水隧洞拱顶圆弧段120°范围内，按照排距2 m、间距0.3 m布设，外插角度为12°。小导管采用直径40 mm、长度3.0 m无缝钢管制作，距后端1 m范围内不开孔，剩余部分按20～30 cm梅花形布设6 mm的溢浆孔。导管前段为约10 cm长度的圆锥形，尾端焊接6～8 mm的钢筋箍。灌浆浆液以水灰比1∶1的水泥浆考虑，与钢拱架联合支护，钢拱架采用16号工字钢加工，小导管以最后一榀钢拱架为起点，从钢拱架腹部穿过，尾端与钢架焊接[9-10]。以该钢拱架为起点，进尺按2 m计，岩石按较破碎的黏土岩考虑，见图2。开挖完成后，对超前小导管在4种不同工况下隧洞围岩变形和初期衬砌受力情况进行模拟分析：① 无超前小导管;② 超前小导管内未注浆（空心导管）;③ 超前小导管注浆密实、浆液未扩散至围岩内（实心导管）;④ 超前小导管注浆密实、浆液扩散至围岩内0.5 m范围（实心导管且浆液扩散）。

2 有限元模型

2.1 隧道模型

2.1.1 基本假定

水工引水隧洞虽然断面尺寸小，但是施工过程中所采取的支护结构和其他隧道大同小异，不同的岩性条件采用不同的支护手段，本文研究隧洞采用的是“超前支护+钢拱架+锁脚锚杆+初期衬砌+二衬”。本文采用MIDAS/GTS NX软件建立三维有限元模型，计算时围岩采用的本构模型为Mohr-Coulomb模型，各种支护采用弹性模型。由于在实际施工过程中，引水隧洞影响洞室稳定性的因素是多变的，考虑所有因素不符合实际，因此只能在理想的基础上，考虑施工过程中洞室的变形及支护的应力状态，作出以下几种假设：① 假定引水隧洞所处的围岩是各向同性、连续且均质的岩体，此模型是模拟深埋状态下隧洞的施工过程，故初始应力状态下只考虑其自重，不考虑其他因素;② 假定隧洞施工中围岩处于干燥状态，忽略地下水的影响。

2.1.2 边界条件

通常隧道施工的模拟及计算仅考虑隧道开挖时周围一部分围岩的变形特征，而忽略了边界效应，导致结果不准确。因此，隧道的位置和模型的尺寸是决定围岩应力的重要因素。根据圣维南原理，该隧洞围岩尺寸在取值3～5倍跨径的基础上进行了加大，充分杜绝了边界效应的影响，同时边界约束分布为：模型底部为竖直向上约束，四面岩体为法向约束，上边界为自由边界。

2.1.3 模型参数选取

根据引大济湟工程水工引水隧洞地质勘查报告，模型中的材料参数如表1所示。

2.1.4 模型建立

根据引大济湟工程一分干第二标段引水隧洞所处的地层地貌特点，选取最大埋深70 m，土体为砂质黏土岩。开挖方法为全断面开挖，隧洞为城门洞型。开挖断面尺寸为3.22 m×3.36 m，二次衬砌完成后断面尺寸为2.10 m×2.30 m，其中支护型号选取：初期衬砌为C15喷射混凝土，墊层为C15回填混凝土，二次衬砌为C20浇筑混凝土。超前支护分为：① 无超前小导管;② 有小导管但不注浆;③ 小导管注浆但不扩散;④ 小导管注浆且扩散0.5 m。钢拱架为H160×88，锁脚锚杆为Φ18实心锚杆。模型尺寸为40 m（长）×20 m（宽）×38 m（高），地层、超前注浆扩散0.5 m和二次衬砌均采用3D实体单元模拟，超前注浆扩散0.5 m运用等效原则，将浆液扩散后的土体等效为厚度0.5 m的加固圈进行模拟，其扩散后的土体模量式按式（1）计算;超前小导管无注浆或注浆不扩散采用1D植入式桁架单元;喷混及垫板采用2D板单元模拟，钢拱架采用1D梁单元模拟，锁脚锚杆采用1D植入式桁架模拟，由于此隧洞底部无钢拱架，且根据锁脚锚杆和钢拱架焊接相连的原理，在钢拱架两端和锁脚锚杆与钢拱架连接处进行固定约束，隧道施工前初始应力条件只考虑模型自重，位移清零;模型单元如图3所示。

E=E+A/A×E （1）

式中：E为折算后加固圈土体模量;E为原围岩土体模量;E为扩散浆液模量;A为超前小导管截面积;A为加固圈截面积。

引水隧洞断面狭小，根据设计图纸，采用全断面开挖施工，施工开挖流程为：超前支护→开挖→喷混凝土→钢拱架及锁脚锚杆施工→初期衬砌→所有开挖及初期衬砌完成→混凝土二次衬砌施工。

3 结果分析

3.1 围岩变形

3.1.1 水平位移

围岩变形是否得到有效控制是评价超前小导管效果的重要参数，因此分别提取开挖完成、布置初期衬砌和二次衬砌完成3个阶段下无小导管的围岩水平位移云图，如图4所示。

4种工况在开挖完成、初期衬砌和二次衬砌完成3个阶段下的围岩最大水平位移见表2。

由图4可知：在全断面开挖过程中的围岩水平收敛变形呈对称分布。由表2可知：开挖完成后无小导管、空心小导管、实心小导管、实心小导管且浆液擴散4种工况下的围岩水平位移最大值分别为17.604，14.761，14.761 mm和 11.736 mm;可以看出相对无小导管，在布置小导管后，围岩水平位移减小了2.843 mm，而布置空心和浆液不扩散实心小导管后围岩的最大水平位移相同，说明仅布置实心小导管并未对围岩起到进一步的加固作用。围岩的水平位移在实心小导管注浆扩散后进一步减小，说明小导管注浆浆液扩散后效果较好。初期衬砌完成后，4种工况下的水平收敛变形最大值分别为17.603，14.759，14.759 mm和 11.736 mm。可以看出相较无小导管，在布置小导管后围岩水平位移减小了2.844 mm，在布置空心和浆液不扩散实心小导管后的围岩最大水平位移几乎未变化，而在小导管注浆浆液扩散后围岩变形减小。相比开挖完成后的围岩位移，初期衬砌完成后的变位移略有减小。 二次衬砌完成后4种工况下的水平收敛变形最大值分别为17.780，15.604，15.604 mm和 12.218 mm，可以看出相较无小导管，在布置小导管后，围岩水平位移减小了2.176 mm，在布置空心和浆液不扩散实心小导管后的围岩最大水平位移几乎未变化，而在小导管注浆浆液扩散后围岩变形进一步减小。

3.1.2 竖向位移

分别提取开挖完成、布置初期衬砌和二次衬砌完成3个阶段下无小导管的竖向位移云图，如图5所示。4种工况在开挖完成、布置初期衬砌和二次衬砌完成3个阶段下的最大竖向位移见表3。

由表3可知：开挖完成后无小导管、空心导管、实心导管、实心导管且浆液扩散4种工况下的围岩竖向位移最大值分别为13.748，11.389，11.389 mm和9.165 mm，可以看出相较无小导管，在布置小导管后围岩竖向位移减小了2.359 mm，而布置空心和浆液不扩散实心小导管后围岩的最大竖向位移相同，说明实心小导管并未起到进一步的加固作用。但在实心小导管注浆浆液扩散后围岩变形进一步减小，说明在软弱围岩条件下小导管注浆浆液扩散能够有效控制围岩变形。初期衬砌布置后4种工况下的竖向变形最大值分别为13.868，12.201，11.500 mm和 9.294 mm，可以看出相较无小导管，在布置小导管后围岩竖向位移减小了2.368 mm，而布置空心和浆液不扩散实心小导管后围岩的最大竖向位移区别不大，在小导管注浆浆液扩散后围岩变形减小。与开挖完成相比，初期衬砌布置后4种工况下的围岩竖向变形略微增大。二次衬砌完成后4种工况下的围岩竖向变形最大值分别为13.719，12.201，12.201 mm和 9.365 mm，可以看出在布置小导管后围岩竖向位移减小了1.518 mm，而布置空心和浆液不扩散实心小导管后围岩的最大竖向位移变化很小，几乎可以忽略，而在小导管注浆浆液扩散后变形减小。总体来看，空心和实心小导管控制围岩变形效果一样，在实心小导管注浆浆液扩散0.5 m后围岩变形进一步减小，说明浆液扩散后能够明显减小变形，可以考虑将小导管注浆浆液扩散范围增大。

3.2 衬砌应力

二次衬砌完成后围岩最大主应力云图见图6。由图6可知：最大主应力集中位置在洞口处的拱顶处，在布置超前小导管后可以看出应力集中范围变小，而在小导管注浆浆液扩散0.5 m后应力集中范围显著减小。在无小导管、空心导管、实心导管、实心导管且浆液扩散4种工况下的最大主应力最大值分别为1 589，1 460，1 461 kPa和1 189 kPa，可以看出相较无小导管，在布置小导管后最大主应力减小了129 kPa，而布置空心和浆液不扩散实心小导管后围岩最大主应力未变化，在小导管注浆浆液扩散后最大主应力进一步减小。

4 结 论

本文以引大济湟实际工程为例，通过水工隧洞的开挖施工过程进行数值模拟，并在此基础上模拟超前小导管的支护效果，设定了空心小导管、实心小导管和实心小导管注浆扩散至围岩0.5 m等工况，分析围岩变形和初期衬砌受力结果变化规律，主要得到以下结论。

（1） 从开挖完成、初期衬砌完成和二次衬砌完成后的围岩水平位移和竖向位移变化规律看出：布置小导管后围岩水平位移和竖向变形减小，布置空心小导管和浆液不扩散实心小导管围岩的变形几乎相同，说明实心小导管并未起到进一步的加固作用。而在布置实心小导管浆液扩散后围岩变形进一步减小，控制变形量较为显著，在实际工程中可以考虑进一步增大注浆扩散范围，使得隧洞更为稳定。

（2） 从二次衬砌完成后的围岩最大主应力云图看出，围岩最大主应力集中在洞口的拱顶处，在施加超前小导管后可以看出应力集中范围变小，而在实心小导管注浆浆液扩散0.5 m后应力集中范围显著减小。

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（编辑：江 文）

Reinforcement effect of advanced small duct of water diversion tunnel with small cross-section in soft stratum

XUE Xiaopan HAN Fu FENG Qiufeng LI Boping

（1. Northwest Water Conservancy and Hydropower Engineering Co.，Ltd. ， Xi'an 710199 ， China; 2. Construction  and  Operation

Bureau of Qinghai Yindajihuang Project ， Xining  811108 ， China ; 3. PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited ， Xi'an 710065 ， China）

Abstract ：In order to study the influence of different advanced small duct arrangement schemes on stability of surrounding rock of tunnel when water diversion tunnel with small cross-section passes through soft stratum during construction， MIDAS/GTS NX software was used to establish the Finite element 3D model， and the deformation of surrounding rock mass and the lining stress of the tunnel were simulated under four conditions： no small duct， hollow small duct， solid small duct and small duct grouting diffusion to the surrounding rock mass of 0.5 m. The results showed that the horizontal convergence and vertical deformation decreased after the small duct was applied， but the deformation did not change when the grouting solid small duct was used ， and the deformation decreases further after the slurry diffusion， and the controlled deformation was significant.

Key words： advanced small duct; surrounding rock mass deformation; water diversion tunnel; soft stratum