白馬隧道軟巖破碎帶超前小導(dǎo)管參數(shù)優(yōu)化分析

向?qū)毶?白皓 王飛 王海宇 楊朝棟

【摘要】軟巖隧道地震和構(gòu)造破碎帶掘進(jìn)過(guò)程中，掌子面安全與超前支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)密切相關(guān)，因此深入分析超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)的影響性十分必要。文章基于三維數(shù)值計(jì)算方法，建立軟巖隧道掘進(jìn)計(jì)算模型，分析超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度、環(huán)向間距、注漿范圍等參數(shù)的影響性。計(jì)算結(jié)果表明：隧道掘進(jìn)導(dǎo)致掌子面圍巖受力由三維向二維轉(zhuǎn)變，超前小導(dǎo)管能夠有效約束掌子面軸向水平位移，提高掌子面穩(wěn)定性;小導(dǎo)管長(zhǎng)度增加能有效改善掌子面附近應(yīng)力重分布，進(jìn)一步降低開(kāi)挖段變形量;提高超前小導(dǎo)管環(huán)向分布范圍、小導(dǎo)管型號(hào)和注漿加固圈厚度等參數(shù)，對(duì)控制變形的作用十分有限，應(yīng)該結(jié)合可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性適當(dāng)選取。

【關(guān)鍵詞】大面積棄渣; 橋梁樁基; 數(shù)值計(jì)算; 影響性

【中國(guó)分類號(hào)】U455.49【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

近年來(lái)，隨著我國(guó)西部鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)，深埋軟巖隧道的建設(shè)規(guī)模也越來(lái)越多[1-2]。軟弱圍巖因其強(qiáng)度低、抗擾動(dòng)能力差[3]，通常采用超前錨桿[3]、單層小導(dǎo)管或雙層小導(dǎo)管[4-5]等在開(kāi)挖前對(duì)掌子面巖層進(jìn)行超前支護(hù)，而且“超前小導(dǎo)管+注漿”具有操作簡(jiǎn)便、造價(jià)較低、加固效果好等優(yōu)勢(shì)。超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)主要選用42 mm或60 mm的鋼管，長(zhǎng)度一般為3～5 m，配合注漿工藝使用。針對(duì)超前小導(dǎo)管研究也主要集中在小導(dǎo)管層數(shù)、導(dǎo)管管徑、注漿參數(shù)和注漿效果等[6-8]方面，僅有少數(shù)在導(dǎo)管長(zhǎng)度方面進(jìn)行了探索[9]。當(dāng)遇到軟弱圍巖隧道破碎帶時(shí)，“超前小導(dǎo)管+注漿”現(xiàn)有設(shè)計(jì)參數(shù)無(wú)法滿足工程需要，一是由于圍巖雖然強(qiáng)度較低，但是較為密實(shí)，常規(guī)超前注漿幾乎無(wú)法注入;二是由于掌子面圍巖很快風(fēng)化軟化，圍巖無(wú)法承受小導(dǎo)管傳遞來(lái)的上部荷載，以致小導(dǎo)管被壓潰折彎。為進(jìn)一步優(yōu)化這種特殊工況下常規(guī)兩臺(tái)階施工工法超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)，因此有必要進(jìn)一步深入討論。本文將結(jié)合九綿高速公路項(xiàng)目白馬隧道工程實(shí)例，采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)軟巖隧道破碎帶超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和設(shè)置范圍等進(jìn)行分析，為此類工程的加固設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

1.1 基本情況

白馬隧道為九綿高速公路項(xiàng)目控制性工程，采用分離式雙洞四車(chē)道。隧道進(jìn)口位于四川省阿壩州九寨溝縣浦南村，穿黃土梁至綿陽(yáng)市平武縣祥術(shù)加。隧道圍巖以板巖、炭質(zhì)板巖、千枚巖等互層為主。隧道全長(zhǎng)13 km，圍巖級(jí)別劃分為：Ⅴ級(jí)71.45 %;Ⅳ級(jí)27.39 %，最大埋深約1 092 m。

1.2 地質(zhì)情況

隧址區(qū)在區(qū)域大地構(gòu)造上位于秦嶺造山帶、松潘甘孜造山帶和揚(yáng)子陸塊銜接部位，位于北部的文縣弧形構(gòu)造帶、西部的岷江—雪山—虎牙關(guān)斷裂帶和東南部的龍門(mén)山斷裂帶所圍限的楔形地塊上，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，地塊內(nèi)構(gòu)造形跡主要受控于上述三大構(gòu)造帶，但后期受文縣弧形構(gòu)造影響均呈現(xiàn)向南突出的弧形彎曲。隧道位于南坪背斜與白馬弧形構(gòu)造帶交界部位，發(fā)育斷層主要有：甲午池—文縣溝斷裂北支斷層、甲午池—文縣溝斷裂南支、甲午池—文縣溝斷裂分支F7、F8、F9、黃土梁斷層、刀切加—胡家磨F5、F6支斷層、刀切加—胡家磨斷層。隧道構(gòu)造破碎帶圍巖極其破碎和松散，局部開(kāi)挖后呈現(xiàn)糜棱狀，原設(shè)計(jì)超前小導(dǎo)管經(jīng)常失效破壞（圖1）。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 模型建立

以白馬隧道埋深330 m處的段落為計(jì)算對(duì)象，利用FLAC軟件建立三維有限元計(jì)算模型（圖2），選取1/2對(duì)稱建模，水平方向?yàn)?0 m，垂直方向?yàn)?00 m，縱向?yàn)?0 m;開(kāi)挖寬度為12.72 m，開(kāi)挖高度為8.72 m，開(kāi)挖影響范圍按3倍洞徑考慮。

（1）巖體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，開(kāi)挖采用Null模型。

（2）圍巖注漿加固圈采用Cshell單元模擬，注漿加固圈厚度為0.4 m，加固效果通過(guò)調(diào)整力學(xué)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

（3）初期支護(hù)也選用Cshell單元模擬，針對(duì)工字鋼、噴射混凝土等材料，按照等效原則折算初期支護(hù)參數(shù)。

（4）超前小導(dǎo)管采用Beam梁?jiǎn)卧M，外插角取為10 °，導(dǎo)管長(zhǎng)度分為4.5 m和8 m兩種，環(huán)向間距取為0.4 m和0.3 m，管徑通過(guò)調(diào)整梁?jiǎn)卧獏?shù)實(shí)現(xiàn)，相關(guān)參數(shù)按照等效原理計(jì)算取得，起始段預(yù)留30 cm與鋼拱架進(jìn)行連接。同時(shí)，邊界條件設(shè)置時(shí)，左側(cè)和下側(cè)施加位移約束，其余邊界施加應(yīng)力約束，共劃分98 400個(gè)單元和105 028個(gè)節(jié)點(diǎn)。本次數(shù)值計(jì)算不考慮二襯的作用，采用兩臺(tái)階法施工，臺(tái)階長(zhǎng)度取為3 m。

2.2 參數(shù)選取

計(jì)算模型材料參數(shù)取值如表1所示。

2.3 點(diǎn)位選取

計(jì)算結(jié)果分析主要針對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的變形分布曲線和初支的應(yīng)力分布云圖，關(guān)鍵點(diǎn)位分布如圖3所示。

2.4 工況選取

結(jié)合實(shí)際施工工況，針對(duì)超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度、環(huán)向間距、鋼管直徑和壁厚、注漿范圍等4個(gè)工況進(jìn)行選取組合，共針對(duì)以下四種工況進(jìn)行計(jì)算分析。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 導(dǎo)管參數(shù)對(duì)拱頂沉降的影響性分析

以拱頂沉降為分析對(duì)象，分析超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)拱頂變形的影響性，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，四種工況下拱頂沉降變化趨勢(shì)基本一致。導(dǎo)管增長(zhǎng)、間距適當(dāng)調(diào)大后拱頂沉降僅減小11 %～20 %，說(shuō)明由于超前小導(dǎo)管自身剛度提升能力有限，其對(duì)拱頂沉降的抑制效果不明顯，主要起到傳遞荷載的作用;注漿防護(hù)范圍增加25 %，對(duì)拱頂沉降幾乎無(wú)影響。當(dāng)開(kāi)挖至距觀測(cè)斷面10 m時(shí)觀測(cè)點(diǎn)A開(kāi)始發(fā)生沉降變形，這是由于掌子面向臨空方向發(fā)生擠出變形導(dǎo)致的，即損失變形量，截至目前該值仍然很難直接測(cè)量，本次計(jì)算可知損失變形量幾乎達(dá)到了總變形量的50 %。

3.2 導(dǎo)管參數(shù)對(duì)基底隆起的影響性分析

以基底隆起為分析對(duì)象，分析超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)基底變形的影響性，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，四種工況下基底隆起變化趨勢(shì)基本一致。導(dǎo)管增長(zhǎng)、間距適當(dāng)調(diào)大后基底隆起僅增大0.2 %～10 %，說(shuō)明由于超前小導(dǎo)管的荷載傳遞作用，導(dǎo)致部分上部圍巖荷載向開(kāi)挖段轉(zhuǎn)移，但是由于小導(dǎo)管剛度有限，該種轉(zhuǎn)移效應(yīng)不顯著;注漿防護(hù)范圍增加25 %，對(duì)基底隆起幾乎無(wú)影響。當(dāng)開(kāi)挖至距觀測(cè)斷面10 m時(shí)觀測(cè)點(diǎn)B開(kāi)始發(fā)生隆起變形，這是由于基底在圍巖壓力作用下向低應(yīng)力區(qū)域發(fā)生變形導(dǎo)致的，截至目前該值也仍然很難直接測(cè)量，本次計(jì)算可知隆起變形損失量幾乎達(dá)到了總隆起量的46 %。

3.3 導(dǎo)管參數(shù)對(duì)拱腳收斂的影響性分析

以拱腳收斂為分析對(duì)象，分析超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)拱腳變形的影響性，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，四種工況下拱腳收斂變化趨勢(shì)相近，導(dǎo)管環(huán)向間距適當(dāng)調(diào)大、增加兩側(cè)注漿加固范圍對(duì)拱腳C點(diǎn)控制收斂變形效果不明顯，收斂?jī)H減小約7 %，說(shuō)明軟巖隧道由于質(zhì)地松散、圍巖強(qiáng)度較低，通過(guò)各種措施提高圍巖本身強(qiáng)度的空間有限。針對(duì)隧道破碎帶松散壓力作用，強(qiáng)支護(hù)、早支護(hù)是較為合適的技術(shù)方案。在開(kāi)挖至觀察斷面10 m后收斂變形均呈下降趨勢(shì)，特別是小導(dǎo)管長(zhǎng)度較短時(shí)下降量達(dá)到最大變形量的45 %，說(shuō)明導(dǎo)管長(zhǎng)度對(duì)開(kāi)挖后圍巖壓力重分布影響最大，導(dǎo)管長(zhǎng)度增加將導(dǎo)致荷載分散傳遞更遠(yuǎn)、開(kāi)挖影響長(zhǎng)度增大，而其余參數(shù)的影響可忽略不計(jì)。

3.4 導(dǎo)管參數(shù)對(duì)掌子面穩(wěn)定的影響性分析

在軟弱圍巖隧道掘進(jìn)時(shí)，掌子面通常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中、變形過(guò)大等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)塌方事故，因此掌子面穩(wěn)定是隧道快速掘進(jìn)的前置條件。注漿小導(dǎo)管作為超前支護(hù)最主要措施，對(duì)掌子面的穩(wěn)定發(fā)揮重要作用。以掌子面頂部觀測(cè)點(diǎn)沿隧道軸線方向擠出變形為觀察對(duì)象，分析超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)掌子面變形和穩(wěn)定的影響，如圖7所示。

在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，掌子面的受力狀態(tài)由開(kāi)挖前的三維向開(kāi)挖后的二維轉(zhuǎn)變，掌子面變形大，承受荷載能力降低，進(jìn)而產(chǎn)生軸線方向的水平位移，這是在軟巖隧道中掌子面發(fā)生塌方的主要原因。因此控制掌子面的軸線方向水平位移能有效地避免塌方事故的發(fā)生，由圖可知，從觀測(cè)斷面以后10 m范圍內(nèi)的掘進(jìn)作業(yè)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)影響最大，呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的規(guī)律，其影響極值均出現(xiàn)在開(kāi)挖至5 m時(shí)。其中，導(dǎo)管長(zhǎng)度對(duì)擠出變形影響最大，長(zhǎng)度由4.5 m調(diào)整大8 m，變形極值減小了44 %;采用8 m長(zhǎng)導(dǎo)管后，其他設(shè)計(jì)參數(shù)主要影響極值出現(xiàn)的時(shí)間，擠出位移峰值出現(xiàn)在開(kāi)挖至3.5～4.5 m時(shí)，即第二個(gè)開(kāi)挖循環(huán)的初期，說(shuō)明加長(zhǎng)導(dǎo)管對(duì)掌子面安全極為有利。

4 結(jié)論

軟巖隧道破碎帶掘進(jìn)工況下，超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)開(kāi)挖段和掌子面的變形和穩(wěn)定極其重要，本文計(jì)算結(jié)果表明：

（1）超前小導(dǎo)管能夠?qū)⑺淼谰蜻M(jìn)后釋放的圍巖荷載，向初期支護(hù)和掌子面前方巖體進(jìn)行傳遞，并影響地應(yīng)力重分布范圍，從而減少掌子面巖體的荷載分擔(dān)比例，而且導(dǎo)管長(zhǎng)度越長(zhǎng)傳遞范圍越廣、分擔(dān)比例越大，有利于掌子面的安全和穩(wěn)定。

（2）超前小導(dǎo)管環(huán)向分布范圍由120 °提高到150 °，增加部分主要位于拱圈兩側(cè)，其分擔(dān)荷載比例極其有限，因此一般僅適用于糜棱狀圍巖條件，可防止散體狀圍巖掉落垮塌。

（3）超前小導(dǎo)管的管徑增大對(duì)抑制圍巖變形影響較小，但是可有利于漿液擴(kuò)散、增大注漿范圍，使加固圈厚度增加，能夠增強(qiáng)掌子面的穩(wěn)定性。

（4）超前小導(dǎo)管能夠約束掌子面軸向水平位移，提高掌子面的穩(wěn)定性，增加導(dǎo)管長(zhǎng)度能一定程度上降低位移量，防止坍塌事故發(fā)生，有利于隧道掘進(jìn)安全。

（5）提高超前小導(dǎo)管環(huán)向分布范圍、小導(dǎo)管型號(hào)和注漿加固圈厚度等參數(shù)，對(duì)控制變形的作用十分有限，應(yīng)該結(jié)合可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性適當(dāng)選取。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁傳保， 楊昌義. 成蘭鐵路地應(yīng)力分布特征及工程影響評(píng)價(jià)[J].四川建筑， 2014（3）： 146-149.

[2] 胡鵬， 宋浪， 張紅義. 白馬隧道軟巖大變形機(jī)理及長(zhǎng)錨桿變形控制效果評(píng)價(jià)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2019（S2）： 239-246.

[3] 崔嵐， 張威， 申俊敏， 等. 深埋軟巖隧道不同施工工法力學(xué)效應(yīng)分析[J].土木工程與管理學(xué)報(bào)， 2012（4）： 36-40.

[4] 張朋， 李曉紅， 盧義玉， 等. 小導(dǎo)管注漿技術(shù)在淺埋富水巖溶隧道中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008（3）：517-522， 560.

[5] 鄭書(shū)笛， 侯哲生， 宋開(kāi)忠， 等. 斷層破碎帶公路隧道超前支護(hù)效果研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)， 2019（6）：210-214.

[6] 凌森林， 田世雄， 路軍富， 等. 隧道砂卵石圍巖超前小導(dǎo)管注漿參數(shù)優(yōu)化研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2019（6）：114-119.

[7] 余永強(qiáng)， 陳天恩， 張文新. 超前小導(dǎo)管注漿對(duì)軟巖隧道穩(wěn)定性的影響[J].金屬礦山， 2013（3）： 32-35.

[8] 晏啟祥， 何川， 姚勇， 等. 小凈距隧道施工小導(dǎo)管注漿效果的數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué)， 2004（S2）：239-242.

[9] 劉運(yùn)生. 超前小導(dǎo)管管徑和管長(zhǎng)對(duì)其超前支護(hù)“棚架”效應(yīng)的影響分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2012（S1）： 30-32.