超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固支護(hù)機(jī)理與效果研究

以西南地區(qū)某隧道工程為背景，采用有限元軟件對(duì)不同長(zhǎng)度超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固進(jìn)行了模擬，結(jié)合超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固支護(hù)機(jī)理，對(duì)注漿支護(hù)效果展開了研究，重點(diǎn)關(guān)注隧道開挖引起的地面沉降、襯砌關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的收斂位移及襯砌應(yīng)力的分布、變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固有效地減小了隧道開挖所引起地面沉降的范圍及最大沉降值，在圍巖加固范圍內(nèi)的襯砌受力明顯減?。浑S著小導(dǎo)管長(zhǎng)度的增加，加固效果更顯著。

隧道工程； 小導(dǎo)管注漿； 支護(hù)機(jī)理； 收斂位移； 地面沉降

U455.49 A

［定稿日期］2022-08-03

［基金項(xiàng)目］中國(guó)鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司2020年度科技研究開發(fā)課題（項(xiàng)目編號(hào)：KLTZ-KX01-2020-009）

［作者簡(jiǎn)介］黃敏（1986—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)樗淼朗┕ぁ?/p>

隧道施工擾動(dòng)地質(zhì)體的平衡狀態(tài)，地應(yīng)力會(huì)發(fā)生重分布［1］，進(jìn)而導(dǎo)致地層發(fā)生變形。特別是當(dāng)施工過程中遇到軟弱圍巖、破碎帶或是自穩(wěn)性較差的地層時(shí)，地層向洞內(nèi)收斂的現(xiàn)象尤為明顯［2-5］。此時(shí)為了保障施工的安全性，必須采取一定的輔助工法進(jìn)行預(yù)加固支護(hù)，現(xiàn)常用的輔助工法有：錨桿法［4］、凍結(jié)法［6］、管棚法［7-8］、超前小導(dǎo)管注漿法［9-10］、水平旋噴注漿法［11］，而超前小導(dǎo)管因其施工便利、經(jīng)濟(jì)性好得到了廣泛運(yùn)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也就小導(dǎo)管超前注漿開展了多方面的研究，王輝等［12］以哈爾濱地鐵3號(hào)線會(huì)展中心-湘江路站為背景工程，開展了采用不同小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)時(shí)，地鐵開挖引起的地表沉降研究；晏啟祥等［13］利用有限差分法，分析了軟弱圍巖地層下近接隧道施工采用不同范圍的小導(dǎo)管注漿加固效果對(duì)比分析，分析了注漿過程中隧道的應(yīng)力變化和位移變化影響；王鐵男等［14］以沈陽(yáng)地鐵為背景工程，開展了超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固范圍對(duì)地鐵隧道施工的影響分析，確定了小導(dǎo)管的布置范圍；趙菁菁［15］采用FLAC3D模擬超前小導(dǎo)管注漿施工過程，從漿液擴(kuò)散、外插角度等方面對(duì)小導(dǎo)管的注漿加固機(jī)理開展了研究；周興國(guó)等［16］以黑石嶺隧道穿越淺埋破碎段為例，對(duì)超前小導(dǎo)管注漿時(shí)對(duì)圍巖位移、應(yīng)力控制以及塑性區(qū)分布、發(fā)展進(jìn)行了模擬。綜上，學(xué)者都是依托實(shí)際工程，圍繞小導(dǎo)管參數(shù)開展了相關(guān)的研究，因此，確定小導(dǎo)管施工參數(shù)，確保隧道施工過程中圍巖的穩(wěn)定性顯得尤其重要，本文在前人的研究基礎(chǔ)之上，結(jié)合超前小導(dǎo)管預(yù)加固機(jī)理，通過數(shù)值模擬開展了超前小導(dǎo)管預(yù)加固支護(hù)機(jī)理及不同長(zhǎng)度小導(dǎo)管對(duì)地層的加固效果的研究。

1 工程概況

本文以西南地區(qū)某隧道作為工程背景，結(jié)合工程施工工期要求以及現(xiàn)場(chǎng)條件，該隧道施工采用臺(tái)階法開挖，采用超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固技術(shù)對(duì)地層進(jìn)行加固，隧道跨度為12.4 m，高9.76 m，初支厚度為0.2 m，二襯厚度為0.45 m。

2 小導(dǎo)管超前支護(hù)機(jī)理

超前小導(dǎo)管注漿作為保障隧道安全施工的一種輔助方法，其加固范圍及小導(dǎo)管的布設(shè)方式受很多因素控制，如圍巖的地質(zhì)情況掌子面開挖的大小以及施工工法、循環(huán)開挖進(jìn)尺長(zhǎng)度等。因此小導(dǎo)管的布設(shè)需要結(jié)合隧道的具體情況，通常來講，小導(dǎo)管在施工時(shí)會(huì)向隧道前上方傾斜設(shè)置一定角度的外插角，縱向則以隧道軸向布置，橫斷面方向則是以隧道外輪廓線為基準(zhǔn)的周圍一定區(qū)域，小導(dǎo)管前端是固定在前方還未開挖的地層當(dāng)中，尾端則常設(shè)有鋼拱架與小導(dǎo)管搭配使用。

常見的小導(dǎo)管的布置方式如圖1所示，既可以在隧道外輪廓線外進(jìn)行全包圍布置，也可以根據(jù)實(shí)際需要布置為扇形、一字型或者門型，可以單排或雙排布置。

超前小導(dǎo)管預(yù)加固是將管壁帶有預(yù)留注漿孔的空心鋼管按照某一角度打入地層中，當(dāng)小導(dǎo)管達(dá)到預(yù)設(shè)位置后，注入水泥漿，漿液通過小導(dǎo)管滲透到地層孔、裂隙中，增強(qiáng)圍巖的承載能力。小導(dǎo)管對(duì)圍巖的支護(hù)機(jī)理主要可以從圍巖加固效應(yīng)和縱向梁效應(yīng)2方面進(jìn)行解釋。

（1）圍巖加固效應(yīng)。隧道開挖卸荷后，拱頂?shù)膸r土體容易發(fā)生塌落，尤其是對(duì)于穿越破碎巖土層或埋深較淺的隧道，有必要采取針對(duì)性的加固措施；超前小導(dǎo)管預(yù)加固是通過將水泥漿液加壓注漿使其滲透到地層中，漿液在一定范圍內(nèi)固結(jié)與破碎巖土體一起形成一定厚度的圍巖加固圈，改善了上部巖土體的特性，提高其整體性能和圍巖自承載能力。

（2）縱向梁效應(yīng)。已有研究表明，小導(dǎo)管在隧道的超前支護(hù)中，小導(dǎo)管本身可以起到一定的錨固作用，其錨固機(jī)理與錨桿相似，小導(dǎo)管一側(cè)鏈接鋼拱架，另一側(cè)通過漿液與地層膠結(jié)，當(dāng)加固圈上部傳來壓力時(shí)，超前小導(dǎo)管則會(huì)發(fā)揮縱向簡(jiǎn)支梁支護(hù)效應(yīng)，有效抵抗上層破碎巖土體的變形；此外形成圍巖加固圈整體也在縱向充當(dāng)“縱梁”的作用。

小導(dǎo)管超前預(yù)加固有效地改善了圍巖的性質(zhì)，在還未開挖的地層中形成圍巖加固圈，使得掌子面前方的土壓力減小，提高開挖時(shí)掌子面的穩(wěn)定性，從而保證了安全施工的要求。

2.1 小導(dǎo)管布置方案

按照本文依托的實(shí)際工程，小導(dǎo)管布置方案如圖2所示，小導(dǎo)管為42 mm，實(shí)際施工時(shí)小導(dǎo)管采取的長(zhǎng)度為6 m，外插角度為6°，呈扇形單排布置，間距為25 cm，搭接長(zhǎng)度為1 m。

單排注漿時(shí)，加固圈厚度可按照式（1）計(jì)算。

D=2［R2-（S/2）2］0.5（1）

式中各變量定義如圖3所示。

2.2 小導(dǎo)管布置方案計(jì)算分析

本文采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)實(shí)際工程典型斷面建立三維模型（圖4），根據(jù)圣維南原理，取左、右邊界距隧道3倍洞徑，模型長(zhǎng)90 m、寬50 m、高80 m、計(jì)算模型網(wǎng)格劃分示意如圖4所示。

模型底部為固定邊界，限制其水平和豎向位移，側(cè)邊界為水平約束邊界，上表面為自由邊界，不約束其位移。計(jì)算時(shí)，小導(dǎo)管、初支混凝土和加固范圍考慮為彈性本構(gòu)，地層選擇摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)，各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

本文擬探討超前小導(dǎo)管預(yù)加固支護(hù)效果及小導(dǎo)管長(zhǎng)度對(duì)加固效果的影響，設(shè)立表2所示工況。

2.3 施工步驟模擬

本文所選取的工程采用臺(tái)階法開挖，首先隧道拱頂加固范圍內(nèi)超前小導(dǎo)管預(yù)施工前注漿，與鋼拱架配合形成預(yù)支護(hù)系統(tǒng)，然后采用上臺(tái)階法開挖一段距離后施做初期支護(hù)，初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚度為0.25 m，然后施作二襯，二襯采用C60混凝土，厚度為0.4 m；數(shù)值模擬依據(jù)實(shí)際施工過程，模擬步驟見表3。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 小導(dǎo)管加固效果分析

提取工況1、工況2計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固支護(hù)效果，工況1、工況2模擬得到隧道開挖完成支護(hù)后地表沉降曲線如圖5 所示。由圖5可知，未加固時(shí)，隧道軸線左、右30 m范圍內(nèi)均可視為影響區(qū)，地表最大沉降為35.65 mm，位于隧道軸線的正上方，在隧道左右30 m處地表沉降為0.98 mm，小于最大沉降值的5%；而當(dāng)采用小導(dǎo)管（3 m）加固時(shí)，隧道軸線左、右20 m范圍內(nèi)可視為影響區(qū)，最大沉降值為31.79 mm，在隧道左、右20 m處地表沉降為1.18 mm，小于最大沉降值的5%。超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固有效的減小了地表受隧道開挖而產(chǎn)生沉降的范圍，同時(shí)也減小了最大沉降值。

工況1、工況2襯砌應(yīng)力云圖如圖6所示，分別繪制有無加固措施條件下襯砌應(yīng)力包絡(luò)圖如圖7所示。當(dāng)無加固措施時(shí)，襯砌的最小主應(yīng)力為-8.42 MPa，當(dāng)采用小導(dǎo)管加固時(shí)最小主應(yīng)力為-8.18 MPa，在數(shù)值上有所降低，峰值應(yīng)力均出現(xiàn)在拱腳部位，對(duì)比二者的應(yīng)力包絡(luò)曲線（絕對(duì)值），可以看到，在圍巖加固范圍（圖中陰影部分）下部的襯砌應(yīng)力減少幅度較大，這是因?yàn)樯喜繃鷰r的整體性變好，提高了圍巖的自承載能力。

3.2 不同長(zhǎng)度小導(dǎo)管對(duì)加固效果的影響

提取不同長(zhǎng)度小導(dǎo)管加固情況下，地表沉降曲線如圖8所示，可以看到，采用超前注漿小導(dǎo)管加固時(shí)，隧道開挖影響區(qū)大約為隧道軸線左、右20 m范圍，此范圍隨著小導(dǎo)管長(zhǎng)度增加并無明顯變化，隧道軸線正上方沉降最大，隨著小導(dǎo)管長(zhǎng)度的增加，地面沉降峰值依次減少，與無加固工況相比，小導(dǎo)管長(zhǎng)度為3 m、4 m、5 m、6 m時(shí)，地面最大沉降值依次減少11%、23%、29%、43%。

分別統(tǒng)計(jì)不同工況下隧道拱頂、拱腰、拱腳、墻角及仰拱收斂位移值，并繪制位移變化趨勢(shì)，如圖9所示。

通過統(tǒng)計(jì)不同工況下隧道拱頂、拱腰、拱腳、墻角及仰拱收斂位移值可以看出，小導(dǎo)管加固范圍內(nèi)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（拱頂，拱肩）處收斂位移明顯有減小，小導(dǎo)管長(zhǎng)度分別為3 m、4 m、5 m、6 m時(shí)，與未加固工況相比，隧道拱頂?shù)奈灰品謩e減少了3.9 mm、7.6 mm、10.4 mm、12.3 mm；隧道左拱肩位移分別減少了2.4 mm、3.9 mm、5.6 mm、7.3 mm；隧道右拱肩位移分別減少了2.5 mm、3.8 mm、5.8 mm、7.2 mm；未加固部位的節(jié)點(diǎn)（拱腰、拱腳、仰拱）收斂位移也有所減小，但變化不明顯。

提取不同工況下，隧道襯砌關(guān)鍵部位的最小主應(yīng)值統(tǒng)計(jì)于表4，由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，與未加固工況相比，超前注漿小導(dǎo)管加固時(shí)，隧道襯砌拱頂及拱肩的應(yīng)力值減小幅度較為明顯，具體表現(xiàn)為應(yīng)力減小幅度隨著導(dǎo)管長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而增大，而拱腰、拱腳及拱底部位雖有一定幅度的減小，但是減小幅度不明顯，這說明了超前注漿小導(dǎo)管加固有效改善了圍巖的自穩(wěn)性，提高了圍巖自身的承載力（圖10）。

4 結(jié)論

本文以西南地區(qū)某隧道工程為依托，采用數(shù)值模擬的方法探究了超前小導(dǎo)管預(yù)加固支護(hù)機(jī)理與效果，通過對(duì)比無加固情況與不同長(zhǎng)度小導(dǎo)管時(shí)隧道襯砌應(yīng)力分布情況及地表沉降，得到結(jié)論：

（1）超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固兼有圍巖加固和縱向梁效應(yīng)，有效改善了圍巖性質(zhì)，提高了掌子面的穩(wěn)定性。

（2）與無加固情況相比，小導(dǎo)管加固明顯減少了隧道開挖引起的地表沉降值，不同長(zhǎng)度情況下減少的幅度不同，且小導(dǎo)管預(yù)加固有效地減小了地表“影響區(qū)”范圍，小導(dǎo)管長(zhǎng)度為3 m、4 m、5 m、6 m時(shí)，地面最大沉降值依次減少11%、23%、29%、43%。

（3）超前小導(dǎo)管預(yù)加固有效地改善了加固范圍內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性，由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，在加固范圍內(nèi)，襯砌應(yīng)力明顯減少，而未加固范圍內(nèi)的襯砌應(yīng)力有一定幅度減少，但減小幅度不明顯。

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