超前小导管注浆预加固支护机理与效果研究

2023-06-29黄敏

四川建筑 2023年2期

以西南地区某隧道工程为背景，采用有限元软件对不同长度超前小导管注浆预加固进行了模拟，结合超前小导管注浆预加固支护机理，对注浆支护效果展开了研究，重点关注隧道开挖引起的地面沉降、衬砌关键节点的收敛位移及衬砌应力的分布、变化规律。计算结果表明：超前小导管注浆预加固有效地减小了隧道开挖所引起地面沉降的范围及最大沉降值，在围岩加固范围内的衬砌受力明显减小；随着小导管长度的增加，加固效果更显著。

隧道工程；小导管注浆；支护机理；收敛位移；地面沉降

U455.49 A

［定稿日期］2022-08-03

［基金项目］中国铁建昆仑投资集团有限公司2020年度科技研究开发课题（项目编号：KLTZ-KX01-2020-009）

［作者简介］黄敏（1986—），男，本科，工程师，研究方向为隧道施工。

隧道施工扰动地质体的平衡状态，地应力会发生重分布［1］，进而导致地层发生变形。特别是当施工过程中遇到软弱围岩、破碎带或是自稳性较差的地层时，地层向洞内收敛的现象尤为明显［2-5］。此时为了保障施工的安全性，必须采取一定的辅助工法进行预加固支护，现常用的辅助工法有：锚杆法［4］、冻结法［6］、管棚法［7-8］、超前小导管注浆法［9-10］、水平旋喷注浆法［11］，而超前小导管因其施工便利、经济性好得到了广泛运用，国内外学者也就小导管超前注浆开展了多方面的研究，王辉等［12］以哈尔滨地铁3号线会展中心-湘江路站为背景工程，开展了采用不同小导管预注浆参数时，地铁开挖引起的地表沉降研究；晏启祥等［13］利用有限差分法，分析了软弱围岩地层下近接隧道施工采用不同范围的小导管注浆加固效果对比分析，分析了注浆过程中隧道的应力变化和位移变化影响；王铁男等［14］以沈阳地铁为背景工程，开展了超前小导管预注浆加固范围对地铁隧道施工的影响分析，确定了小导管的布置范围；赵菁菁［15］采用FLAC3D模拟超前小导管注浆施工过程，从浆液扩散、外插角度等方面对小导管的注浆加固机理开展了研究；周兴国等［16］以黑石岭隧道穿越浅埋破碎段为例，对超前小导管注浆时对围岩位移、应力控制以及塑性区分布、发展进行了模拟。综上，学者都是依托实际工程，围绕小导管参数开展了相关的研究，因此，确定小导管施工参数，确保隧道施工过程中围岩的稳定性显得尤其重要，本文在前人的研究基础之上，结合超前小导管预加固机理，通过数值模拟开展了超前小导管预加固支护机理及不同长度小导管对地层的加固效果的研究。

1 工程概况

本文以西南地区某隧道作为工程背景，结合工程施工工期要求以及现场条件，该隧道施工采用台阶法开挖，采用超前注浆小导管预加固技术对地层进行加固，隧道跨度为12.4 m，高9.76 m，初支厚度为0.2 m，二衬厚度为0.45 m。

2 小导管超前支护机理

超前小导管注浆作为保障隧道安全施工的一种辅助方法，其加固范围及小导管的布设方式受很多因素控制，如围岩的地质情况掌子面开挖的大小以及施工工法、循环开挖进尺长度等。因此小导管的布设需要结合隧道的具体情况，通常来讲，小导管在施工时会向隧道前上方倾斜设置一定角度的外插角，纵向则以隧道轴向布置，横断面方向则是以隧道外轮廓线为基准的周围一定区域，小导管前端是固定在前方还未开挖的地层当中，尾端则常设有钢拱架与小导管搭配使用。

常见的小导管的布置方式如图1所示，既可以在隧道外轮廓线外进行全包围布置，也可以根据实际需要布置为扇形、一字型或者门型，可以单排或双排布置。

超前小导管预加固是将管壁带有预留注浆孔的空心钢管按照某一角度打入地层中，当小导管达到预设位置后，注入水泥浆，浆液通过小导管渗透到地层孔、裂隙中，增强围岩的承载能力。小导管对围岩的支护机理主要可以从围岩加固效应和纵向梁效应2方面进行解释。

（1）围岩加固效应。隧道开挖卸荷后，拱顶的岩土体容易发生塌落，尤其是对于穿越破碎岩土层或埋深较浅的隧道，有必要采取针对性的加固措施；超前小导管预加固是通过将水泥浆液加压注浆使其渗透到地层中，浆液在一定范围内固结与破碎岩土体一起形成一定厚度的围岩加固圈，改善了上部岩土体的特性，提高其整体性能和围岩自承载能力。

（2）纵向梁效应。已有研究表明，小导管在隧道的超前支护中，小导管本身可以起到一定的锚固作用，其锚固机理与锚杆相似，小导管一侧链接钢拱架，另一侧通过浆液与地层胶结，当加固圈上部传来压力时，超前小导管则会发挥纵向简支梁支护效应，有效抵抗上层破碎岩土体的变形；此外形成围岩加固圈整体也在纵向充当“纵梁”的作用。

小导管超前预加固有效地改善了围岩的性质，在还未开挖的地层中形成围岩加固圈，使得掌子面前方的土压力减小，提高开挖时掌子面的稳定性，从而保证了安全施工的要求。

2.1 小导管布置方案

按照本文依托的实际工程，小导管布置方案如图2所示，小导管为42 mm，实际施工時小导管采取的长度为6 m，外插角度为6°，呈扇形单排布置，间距为25 cm，搭接长度为1 m。

单排注浆时，加固圈厚度可按照式（1）计算。

D=2［R2-（S/2）2］0.5（1）

式中各变量定义如图3所示。

2.2 小导管布置方案计算分析

本文采用有限元软件进行计算分析，根据实际工程典型断面建立三维模型（图4），根据圣维南原理，取左、右边界距隧道3倍洞径，模型长90 m、宽50 m、高80 m、计算模型网格划分示意如图4所示。

模型底部为固定边界，限制其水平和竖向位移，侧边界为水平约束边界，上表面为自由边界，不约束其位移。计算时，小导管、初支混凝土和加固范围考虑为弹性本构，地层选择摩尔-库伦本构，各材料的物理力学参数如表1所示。

本文拟探讨超前小导管预加固支护效果及小导管长度对加固效果的影响，设立表2所示工况。

2.3 施工步骤模拟

本文所选取的工程采用台阶法开挖，首先隧道拱顶加固范围内超前小导管预施工前注浆，与钢拱架配合形成预支护系统，然后采用上台阶法开挖一段距离后施做初期支护，初期支护采用C25喷射混凝土，厚度为0.25 m，然后施作二衬，二衬采用C60混凝土，厚度为0.4 m；数值模拟依据实际施工过程，模拟步骤见表3。

3 计算结果分析

3.1 小导管加固效果分析

提取工况1、工况2计算结果对比分析超前小导管注浆预加固支护效果，工况1、工况2模拟得到隧道开挖完成支护后地表沉降曲线如图5 所示。由图5可知，未加固时，隧道轴线左、右30 m范围内均可视为影响区，地表最大沉降为35.65 mm，位于隧道轴线的正上方，在隧道左右30 m处地表沉降为0.98 mm，小于最大沉降值的5%；而当采用小导管（3 m）加固时，隧道轴线左、右20 m范围内可视为影响区，最大沉降值为31.79 mm，在隧道左、右20 m处地表沉降为1.18 mm，小于最大沉降值的5%。超前注浆小导管预加固有效的减小了地表受隧道开挖而产生沉降的范围，同时也减小了最大沉降值。

工况1、工况2衬砌应力云图如图6所示，分别绘制有无加固措施条件下衬砌应力包络图如图7所示。当无加固措施时，衬砌的最小主应力为-8.42 MPa，当采用小导管加固时最小主应力为-8.18 MPa，在数值上有所降低，峰值应力均出现在拱脚部位，对比二者的应力包络曲线（绝对值），可以看到，在围岩加固范围（图中阴影部分）下部的衬砌应力减少幅度较大，这是因为上部围岩的整体性变好，提高了围岩的自承载能力。

3.2 不同长度小导管对加固效果的影响

提取不同长度小导管加固情况下，地表沉降曲线如图8所示，可以看到，采用超前注浆小导管加固时，隧道开挖影响区大约为隧道轴线左、右20 m范围，此范围随着小导管长度增加并无明显变化，隧道轴线正上方沉降最大，随着小导管长度的增加，地面沉降峰值依次减少，与无加固工况相比，小导管长度为3 m、4 m、5 m、6 m时，地面最大沉降值依次减少11%、23%、29%、43%。

分别统计不同工况下隧道拱顶、拱腰、拱脚、墙角及仰拱收敛位移值，并绘制位移变化趋势，如图9所示。

通过统计不同工况下隧道拱顶、拱腰、拱脚、墙角及仰拱收敛位移值可以看出，小导管加固范围内的关键节点（拱顶，拱肩）处收敛位移明显有减小，小导管长度分别为3 m、4 m、5 m、6 m时，与未加固工况相比，隧道拱顶的位移分别减少了3.9 mm、7.6 mm、10.4 mm、12.3 mm；隧道左拱肩位移分别减少了2.4 mm、3.9 mm、5.6 mm、7.3 mm；隧道右拱肩位移分别减少了2.5 mm、3.8 mm、5.8 mm、7.2 mm；未加固部位的节点（拱腰、拱脚、仰拱）收敛位移也有所减小，但变化不明显。

提取不同工况下，隧道衬砌关键部位的最小主应值统计于表4，由统计结果可知，与未加固工况相比，超前注浆小导管加固时，隧道衬砌拱顶及拱肩的应力值减小幅度较为明显，具体表现为应力减小幅度随着导管长度的增长而增大，而拱腰、拱脚及拱底部位虽有一定幅度的减小，但是减小幅度不明显，这说明了超前注浆小导管加固有效改善了围岩的自稳性，提高了围岩自身的承载力（图10）。

4 結论

本文以西南地区某隧道工程为依托，采用数值模拟的方法探究了超前小导管预加固支护机理与效果，通过对比无加固情况与不同长度小导管时隧道衬砌应力分布情况及地表沉降，得到结论：

（1）超前小导管注浆预加固兼有围岩加固和纵向梁效应，有效改善了围岩性质，提高了掌子面的稳定性。

（2）与无加固情况相比，小导管加固明显减少了隧道开挖引起的地表沉降值，不同长度情况下减少的幅度不同，且小导管预加固有效地减小了地表“影响区”范围，小导管长度为3 m、4 m、5 m、6 m时，地面最大沉降值依次减少11%、23%、29%、43%。

（3）超前小导管预加固有效地改善了加固范围内围岩的稳定性，由应力计算结果可知，在加固范围内，衬砌应力明显减少，而未加固范围内的衬砌应力有一定幅度减少，但减小幅度不明显。

参考文献

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［4］贠永峰，唐格.隧道围岩收敛变形监测及稳定性研究［J］.中外公路，2015，35（3）：210-213.

［5］王志杰，杨宝，高靖遥，等. 昔格达组地层大断面隧道掌子面玻璃纤维锚杆加固参数研究［J］. 现代隧道技术. 2019， 56（2）： 92-97.

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