大變形隧道力學效應及施工對策

劉中勇

（神華包神鐵路責任有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

0 前言

非線性大變形力學區(qū)別于線性小變形力學的顯著標志[1]是，當研究的大變形巖土體介質(zhì)進入到塑性、粘塑性和流變性的階段時，在整個力學過程中已經(jīng)不服從疊加原理，而且，力學平衡關(guān)系與各種荷載特性、加載過程密切相關(guān)。

在經(jīng)典力學的小變形假定基礎(chǔ)上發(fā)展起來的力學理論用于研究和解決軟巖工程大變形問題時，雖然考慮了材料的物理非線性問題，但從幾何場論角度看，仍然為小變形力學理論。

如果說經(jīng)典小變形力學理論對解決小變形巖土工程問題尚能奏效的話，那么，描述軟巖工程的大變形力學行為，就必須采用非線性大變形力學的理論和方法。但迄今為止，這方面研究尚不多見。

巖土工程的復雜性決定了采用數(shù)值模擬方法的必要性和重要性[2]。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和各種數(shù)值計算方法的不斷完善，數(shù)值模擬技術(shù)成為有效解決巖土工程復雜問題的重要手段。本文將給出非線性大變形數(shù)值方法在軟巖巷道工程中應用的實例。

圖1 巷道底臌大變形理論模型

道底臌大變形理論模型見圖1。若選圖1所示的固定坐標系為運動參考系，并用固定系的坐標面分割微元體，則在變形前后所分割的并不是同一個微元體，破壞了質(zhì)量守恒定律數(shù)學表達的一致性，且能量原理的表達也存在困難。

1 工程實例

某風道在施工過程中，施工過程中采用全斷面開挖，直接全斷面開挖和施加錨桿對地層加固后開挖，其力學效用有所不通，特別是其圍巖變形差別很大，見圖2、圖3。

圖2 回風巷道無支護時的圍巖變形

圖3 回風巷道有支護時的圍巖變形

回風巷道一次性開挖后，在不支護的情況下，巷道圍巖發(fā)生了顯著的塑性大變形現(xiàn)象。在層狀頂板出現(xiàn)了大變形局部不協(xié)調(diào)現(xiàn)象——離層，最大位移量為370 mm，兩幫向鄰空方向的最大位移量為115 mm，底臌的最大位移量為80 mm。

回風巷道一次性開挖后，在有錨網(wǎng)支護的情況下，巷道圍巖變形情況明顯好轉(zhuǎn)。層狀頂板發(fā)生離層現(xiàn)象消除，最大位移量僅為65 mm，兩幫向鄰空方向的最大位移量為 1 00 mm，底臌的最大位移量為80 mm。

2 常用施工對策

2.1 地層預加固

某地鐵項目，由于該隧道處于軟弱圍巖中，施工之前，必須對隧道圍巖進行注漿加固，注漿方法采用超前小導管注漿，注漿加固范圍在雙層斷面縱向距離堵頭墻5.5 m范圍內(nèi)，橫斷面范圍內(nèi)注漿范圍超出車站單層斷面輪廓線2 m以及兩單洞之間的土體，注漿范圍見圖4。

圖4 注漿加固圍巖(單位：mm)

注漿管采用風鉆直接將φ32鋼管頂入土層，注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。在注漿液中摻加適量膨脹劑，注漿壓力控制在0.2～0.6 MPa。

2.1.1 注漿管制作

小導管采用熱軋鋼管，長度為2.5～3.5 m。注漿管一端做成尖形，另一端焊上鐵箍。在距離鐵箍0.5～1.0 m處開始鉆孔，鉆孔沿管壁間隔200 mm，呈梅花型布設(shè)，孔位互成90°，孔徑6～8 mm，見圖5。

圖5 小導管構(gòu)造示意圖(單位：mm)

一般情況下采用單排小導管沿130°范圍的輪廓線布置，小導管環(huán)向間距按設(shè)計為0.3 m，外插角13°～15°，小導管縱向搭接長度不小于1.5 m。

2.1.2 注漿工藝參數(shù)

注漿壓力應根據(jù)地層致密程度決定，一般為0.2～0.6 MPa。注漿材料及漿液配比，小導管注漿材料及配合比根據(jù)不同地質(zhì)情況和要求采用以下幾種：

（1）改性水玻璃漿：配合比為硫酸：水玻璃=1:1.8～1:2.2，pH=3.1～3.5。主要適用于無水的粉細砂層。

（2）純水泥漿：原材料為摻入10%微膨脹劑的普通水泥，水灰比0.45～0.6。主要適用與砂卵石層。

（3）水泥-水玻璃雙液漿：水泥采用32.5R普通硅酸鹽水泥，水玻璃為35Be'。水泥漿液水灰比為1:1～1:1.2；水泥漿液與水玻璃體積比為1:1。主要適用于細砂、粉砂、粉土層及帶水的砂層。

注漿數(shù)量的計算，小導管注漿量可按照式（1）計算：

式中：R——漿液擴散半徑，可按0.3 m考慮；

L——小導管長度；

n——巖體孔隙率；

K——充填系數(shù)，根據(jù)不同地質(zhì)條件取值。

2.2 臺階法施工

某巷道在開挖過程中采用臺階法施工，施工過程中預留核心土，施工簡圖如圖6所示。

圖6 臺階法施工示意圖

施工順序為：（1）超前大管棚與小導管加固并預注漿；（2）拱部環(huán)形開挖預留核心土；（3）Ⅲ部初期支護：（4）初噴5cm混凝土，架設(shè)格柵鋼架，掛網(wǎng)，噴混凝土；（5）開挖核心土；（6）下部土體開挖；（7）Ⅵ部初期支護：接邊墻、仰拱格柵鋼架并掛網(wǎng)、噴混凝土封閉成環(huán)。

拱部開挖高度2.3 m(上導洞)和2.25 m（下導洞），順著拱外弧線用人工進行環(huán)狀開挖并留核心土，架設(shè)格柵鋼架，掛網(wǎng)噴混凝土。優(yōu)點是便于人工操作，地層擾動范圍小；一但發(fā)生地層溜坍，容易進行堵漏處理，也便于架設(shè)格柵鋼架。由于開挖工作量小，能在較短時間內(nèi)將頂部支護完成，從而創(chuàng)造了一個安全的施工環(huán)境。

核心土開挖至起拱線高度，在格柵拱腳處打設(shè)2.5 m長帶孔錨桿，注漿以固結(jié)拱腳地層。

下部開挖滯后拱部3～5 m，包括兩側(cè)邊墻、仰拱的開挖，采用小反鏟開挖配合人工修整作業(yè)。

2.3 監(jiān)控量測

以往的理論研究和施工實踐均表明，在地下工程施工過程中，地層應力狀態(tài)的改變將直接導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移和變形，同時也會對地表及周邊環(huán)境造成一定的影響。當這種位移和影響超出一定范圍，必然對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，并影響到上方地表和臨近建筑的安全使用。

監(jiān)控量測的項目主要根據(jù)工程的重要性及難易程度、監(jiān)測目的、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式、施工方法、經(jīng)濟情況、工程周邊環(huán)境等綜合而定，力求在滿足需要的前提下，少而精。本工程的監(jiān)測項目除考慮上述因素外，主要根據(jù)設(shè)計的要求而定，具體監(jiān)測項目見表1。

表1 某地鐵監(jiān)測項目一覽表

3 結(jié)論

（1）采用小變形力學數(shù)值方法分析軟巖工程大變形問題，不僅會出現(xiàn)誤差，而且也違反了質(zhì)量與能量守恒定律，是不合理的。

（2）工程實踐表明，軟巖工程巖體發(fā)生的大變形現(xiàn)象，是與施工順序、施工過程緊密相關(guān)的，因此，采用和轉(zhuǎn)動、形變的先后運動次序有關(guān)的極分解定理，描述軟巖工程巖體的大變形行為是適合的。

（3）軟弱圍巖隧道施工中應該注意采取“暗挖設(shè)計遵循”管超前，嚴注漿；短進尺，強支護；早封閉，勤量測”的原則考慮施工措施。

主要步驟為：地表降水；超前支護小導管及注漿；開挖，進尺一榀鋼支撐間距；初噴砼，掛鋼筋網(wǎng)，架立鋼支撐，噴混凝土；初期支護背后注漿；鋪設(shè)防水層；架立二襯鋼筋；進行二次襯砌；襯砌背后注漿。

（4）只要嚴格按照規(guī)范設(shè)計、施工才能確保軟弱圍巖隧道施工的安全性。

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