熊凱斌 閆 虎

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

全風(fēng)化花崗巖小凈距隧道中夾巖柱注漿加固技術(shù)

熊凱斌 閆 虎

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

根據(jù)天馬山隧道工程實(shí)踐，利用ABAQUS建立數(shù)值模型，從施工時(shí)力學(xué)的角度，對(duì)先行洞開(kāi)挖后小凈距隧道中夾巖柱加固前后的受力變形情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)中夾巖柱加固后，其力學(xué)性能增強(qiáng)，承載能力提高，在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中，靠近中夾巖柱一側(cè)的初襯混凝土層拉應(yīng)力區(qū)域明顯減小。

隧道，小凈距，中夾巖柱，注漿加固

0 引言

近20年來(lái)我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展迅速，公路特別是高速公路逐漸向山區(qū)延伸，公路隧道數(shù)量和形式越來(lái)越多，難度也越來(lái)越大。由于路線沿河傍山，拉開(kāi)路線間距，對(duì)隧道洞外路基、橋梁等方案有較大影響。為減小路線間距，20世紀(jì)90年代初期，國(guó)內(nèi)逐步修建了一批連拱隧道，但連拱隧道存在施工工序較為復(fù)雜、防排水質(zhì)量不易保證、易發(fā)生開(kāi)裂滲漏等問(wèn)題，于是修建了一批小凈距隧道，相對(duì)于連拱隧道而言，小凈距隧道因其工程風(fēng)險(xiǎn)較小、造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，尤其是隨著國(guó)土資源保護(hù)和環(huán)境保護(hù)要求的提高，有逐步得到廣泛應(yīng)用的趨勢(shì)。

由于小凈距隧道相對(duì)于普通分離式隧道主要的區(qū)別就在于洞口段凈距的不同，大多中長(zhǎng)小凈距位于隧道洞口段，埋深較淺，因此小凈距隧道中巖柱的加固技術(shù)，更加顯得尤為關(guān)鍵。本文結(jié)合天馬山隧道工程實(shí)踐，利用ABAQUS建立數(shù)值模型，從施工時(shí)力學(xué)的角度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，優(yōu)化加固方案，研究合理經(jīng)濟(jì)可行的加固技術(shù)。

1 工程概況

天馬山隧道設(shè)計(jì)為一座上、下行分離的雙向六車道高速公路隧道。隧道左線起訖樁號(hào)ZK1+756～ZK5+457，長(zhǎng)3 701 m，右線起訖樁號(hào)YK1+745～YK5+402，長(zhǎng)3 657 m，屬分離式特長(zhǎng)隧道，隧道進(jìn)、出口段間距小于25 m，屬小凈距隧道。洞口段坡度較緩，坡度為25°～30°，主要由殘積砂質(zhì)粘性土層及全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖組成，圍巖呈松散結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)，且節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，遇水呈流塑狀。

2 中夾巖柱數(shù)值模擬分析

中夾巖柱是小凈距隧道開(kāi)挖過(guò)程圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵部位，特別是對(duì)軟弱圍巖的小凈距隧道開(kāi)挖過(guò)程中，一般要對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固，以充分利用中夾巖柱體自身承載力。為了研究中夾巖柱力學(xué)性能對(duì)隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性及支護(hù)體系的影響，開(kāi)展了以下數(shù)值模擬研究。

2.1 計(jì)算模型

建立如圖1所示的二維平面應(yīng)變有限元模型，模型尺寸為200 m×100 m，左右洞水平凈距為12 m，埋深為5 m。圍巖、初襯噴射混凝土層、二襯鋼筋混凝土層單元均采用平面應(yīng)變單元。錨桿采用圓截面梁?jiǎn)卧?，臨時(shí)支撐工字鋼采用工字形梁?jiǎn)卧?/p>

2.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，該模型的相應(yīng)參數(shù)根據(jù)勘察資料選取，圍巖的力學(xué)參數(shù)根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》選?。怀跻r噴射混凝土與二襯鋼筋混凝土采用ABAQUS中的混凝土材料本構(gòu)模型，相應(yīng)參數(shù)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》選??；錨桿與臨時(shí)支撐工字鋼材料采用金屬理想彈塑性本構(gòu)模型，其彈塑性參數(shù)根據(jù)錨桿及工字鋼的金屬材料選?。欢跻r與二襯間的預(yù)留變形層泡沫材料采用泡沫材料本構(gòu)模型，在該模型中材料能夠承受較大的變形而承載力較低，可有效模擬實(shí)際的預(yù)留變形層。中夾巖柱區(qū)加固后的力學(xué)參數(shù)選為加固前的兩倍，相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2.3 計(jì)算分析步驟

根據(jù)雙側(cè)壁開(kāi)挖工法，采用以下模擬開(kāi)挖分析步：

1)初始地應(yīng)力平衡，獲取圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2)左洞內(nèi)側(cè)(靠近中夾巖柱一側(cè))導(dǎo)洞開(kāi)挖，立即施作相應(yīng)位置的錨桿、噴射混凝土層及相應(yīng)的臨時(shí)支撐，開(kāi)挖面及時(shí)封閉。

3)左洞外側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖，立即施作相應(yīng)位置的錨桿、噴射混凝土層及相應(yīng)的臨時(shí)支撐，開(kāi)挖面及時(shí)封閉。

4)左洞拱部及核心土第一次開(kāi)挖，立即施作相應(yīng)位置的錨桿、噴射混凝土層及相應(yīng)的臨時(shí)支撐，開(kāi)挖面及時(shí)封閉。

5)左洞拱部及核心土第二次開(kāi)挖，立即施作相應(yīng)位置的錨桿、噴射混凝土層及相應(yīng)的臨時(shí)支撐，開(kāi)挖面及時(shí)封閉。

6)拆除左洞臨時(shí)支撐。

7)左洞施作二次襯砌。

8)右洞內(nèi)側(cè)(靠近中夾巖柱一側(cè))導(dǎo)洞開(kāi)挖，立即施作相應(yīng)位置的錨桿、噴射混凝土層及相應(yīng)的臨時(shí)支撐，開(kāi)挖面及時(shí)封閉。

9)右洞外側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖，立即施作相應(yīng)位置的錨桿、噴射混凝土層及相應(yīng)的臨時(shí)支撐，開(kāi)挖面及時(shí)封閉。

10)右洞拱部及核心土第一次開(kāi)挖，立即施作相應(yīng)位置的錨桿、噴射混凝土層及相應(yīng)的臨時(shí)支撐，開(kāi)挖面及時(shí)封閉。

11)右洞拱部及核心土第二次開(kāi)挖，立即施作相應(yīng)位置的錨桿、噴射混凝土層及相應(yīng)的臨時(shí)支撐，開(kāi)挖面及時(shí)封閉。

12)右洞臨時(shí)支撐拆除。

13)右洞二次襯砌施作。

2.4 計(jì)算方案

為對(duì)比中夾巖柱加固對(duì)整個(gè)支護(hù)體系的影響，采用如下兩種方案：

方案一：不對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固，其力學(xué)參數(shù)取圍巖體力學(xué)參數(shù)。

方案二：考慮對(duì)中夾巖柱體的加固，其力學(xué)參數(shù)取圍巖體力學(xué)參數(shù)的2倍，相應(yīng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.5 計(jì)算結(jié)果

兩種計(jì)算方案下的計(jì)算結(jié)果如圖2～圖9所示。

1)初襯混凝土層拉應(yīng)力分布。從上述計(jì)算結(jié)果可知(見(jiàn)圖2，圖3)，對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固后(方案二)，初襯混凝土拉應(yīng)力水平明顯降低，拉應(yīng)力峰值從2.7 MPa降低至2.2 MPa；而從拉應(yīng)力的分布可以看出，中夾巖柱加固后，靠近中夾巖柱區(qū)的初襯混凝土層的拉應(yīng)力區(qū)大幅降低，特別是對(duì)后行開(kāi)挖的右洞，由于加固中夾巖柱后，中夾巖柱的自承能力提高，先行開(kāi)挖左洞對(duì)其的擾動(dòng)效應(yīng)減弱，后行洞靠近中夾巖柱一側(cè)受力明顯降低。

2)初襯混凝土層塑性破壞區(qū)。從兩種方案初襯混凝土的塑性破壞區(qū)分布可知(見(jiàn)圖4，圖5)，兩種方案初襯混凝土層的破壞區(qū)域差異較大；從破壞程度上講，方案一中初襯混凝土的破壞程度明顯大于方案二，對(duì)中夾巖柱加固后等效塑性應(yīng)變峰值由2.36E-4降低至2.08E-4。從破壞區(qū)域來(lái)看，加固中夾巖柱有助于降低初襯混凝土的塑性破壞區(qū)面積，方案一中的塑性破壞區(qū)面積為12.1 m2，方案二塑性破壞區(qū)面積僅為9.5 m2，降低了約21%(見(jiàn)表2)。對(duì)于先行左洞，加固中夾巖柱后，靠近中夾巖柱一側(cè)的塑性區(qū)明顯小于加固前；而對(duì)于后行開(kāi)挖的右洞，加固中夾巖柱后，靠近中夾巖柱一側(cè)基本沒(méi)有出現(xiàn)塑性破壞。由此可見(jiàn)，加固中夾巖柱對(duì)于降低初襯混凝土的內(nèi)力，保護(hù)初襯混凝土具有較好的效果。

表2 兩種方案中塑性破壞區(qū)面積 m2

3)斷面收斂。從斷面收斂計(jì)算結(jié)果也可以看出(見(jiàn)圖6，圖7)，兩種方案中斷面收斂均呈現(xiàn)出靠近中夾巖柱一側(cè)小，遠(yuǎn)離中夾巖柱一側(cè)大的特點(diǎn)；這主要是由于靠近中夾巖柱一側(cè)為先行開(kāi)挖導(dǎo)坑的施工開(kāi)挖順序?qū)е隆臄?shù)值上看，方案一中斷面收斂最大點(diǎn)約為31 cm，而方案二中這一值約為26 cm。

4)錨桿軸力。從錨桿內(nèi)力分布圖可以看出(見(jiàn)圖8，圖9)，兩種方案下錨桿的軸力均呈現(xiàn)靠近中夾巖柱一側(cè)大，遠(yuǎn)離中夾巖柱一側(cè)小的特點(diǎn)，這是由于靠近中夾巖柱一側(cè)先行開(kāi)挖，相應(yīng)位置的錨桿也為先行施工，在后續(xù)開(kāi)挖過(guò)程中該處的錨桿均要承擔(dān)圍巖的松動(dòng)荷載，因此，該處的錨桿受力較大。

2.6 結(jié)論

從上述計(jì)算結(jié)果來(lái)看，對(duì)中夾巖柱加固后，其力學(xué)性能增強(qiáng)，承載能力提高，在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中，靠近中夾巖柱一側(cè)的初襯混凝土層拉應(yīng)力區(qū)域明顯減小，拉應(yīng)力峰值從2.7 MPa降低至2.2 MPa。初襯混凝土的塑性破壞區(qū)面積由12.1 m2降為9.5 m2，降低了約21%。由于施工開(kāi)挖順序的影響，中夾巖柱加固前后隧道斷面的收斂分布基本相同，但中夾巖柱加固后，斷面收斂數(shù)值明顯降低，收斂峰值由31 cm降低至約26 cm。

3 中夾巖柱加固方案選擇

3.1 中夾巖柱加固方案比選

1)中夾巖柱加固的兩個(gè)途徑：a.提高中夾巖柱巖體的強(qiáng)度指標(biāo)，如注漿加固;b.改善中夾巖柱的受力狀態(tài)，如預(yù)應(yīng)力錨桿。2)注漿加固原理：通過(guò)對(duì)巖體的滲透劈裂注漿，漿液能夠脈狀滲透到圍巖裂隙中。能夠快速有效提高圍巖的土體強(qiáng)度及側(cè)向抗力。通過(guò)小導(dǎo)管鉆進(jìn)的作用可以達(dá)到部分?jǐn)D密和置換效果，并能夠提高土體的環(huán)徑向剛度。3)預(yù)應(yīng)力錨桿的加固原理：某一埋深條件下中夾巖柱承受垂直應(yīng)力時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨桿通過(guò)墊板對(duì)巖壁以某一壓力擴(kuò)散角施加壁壓，根據(jù)摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論，通過(guò)莫爾圓可看出，增大中夾巖柱壁壓，中夾巖柱受力狀態(tài)從單向受壓調(diào)整為雙向受壓狀態(tài)，進(jìn)而提高了中夾巖柱承載能力和穩(wěn)定性。

3.2 中夾巖柱加固原則

1)中夾巖柱加固措施宜盡量簡(jiǎn)化，一般以注漿或錨固為主，其加固措施不宜超過(guò)兩種；2)一般說(shuō)來(lái)，注漿能改變塑性范圍，其他支護(hù)方式(如錨桿、鋼架)等可起到約束塑性區(qū)進(jìn)一步發(fā)展的作用；3)以硬質(zhì)巖為主的Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)圍巖，完整性較好，宜采用錨固方式為主加固中夾巖柱；以軟質(zhì)巖為主的Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí)圍巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，宜先注漿加固，再采用錨固方式。根據(jù)上述原則及適用性，針對(duì)洞口全風(fēng)化花崗巖開(kāi)挖后松弛圈較大，裂隙發(fā)育的特點(diǎn)，并綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的因素選用注漿加固方案。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在小凈距隧道的施工過(guò)程中，由于兩隧道的凈距較小，中夾巖柱將受到兩隧道開(kāi)挖的擾動(dòng)，圍巖性能下降，承載能力降低；同時(shí)，小凈距隧道一般位于隧道洞口段，該處地質(zhì)條件一般較差，在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中中夾巖柱對(duì)隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性具有重要意義。

2)由此可見(jiàn)，軟弱圍巖淺埋破碎區(qū)小凈距隧道的施工過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)注漿加固等措施加強(qiáng)對(duì)中夾巖柱的保護(hù)，提高中夾巖柱的承載力，以增強(qiáng)隧道開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性、改善初支體系的受力。

[1] JTG F60-2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] JTG/T F60-2009，公路隧道施工技術(shù)細(xì)則[S].

[3] JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 田國(guó)賓.小凈距隧道施工方法的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[5] 趙師平.小凈距公路隧道小導(dǎo)管注漿工藝對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響的有限元分析[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(3)：11-12.

[6] 李澤榮.小導(dǎo)管注漿法機(jī)理及其在隧道工程中的應(yīng)用[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[7] 王俊奇，陸 峰.統(tǒng)一強(qiáng)度理論模型嵌入ABAQUS軟件及在隧道工程中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江科學(xué)院報(bào)，2010(7)：86-89.

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

熊凱斌(1976- )，男，工程師； 閆 虎(1982- )，男，工程師

U457.3

A