白马隧道软岩破碎带超前小导管参数优化分析

向宝山 白皓 王飞 王海宇 杨朝栋

【摘要】软岩隧道地震和构造破碎带掘进过程中，掌子面安全与超前支护设计参数密切相关，因此深入分析超前小导管设计参数的影响性十分必要。文章基于三维数值计算方法，建立软岩隧道掘进计算模型，分析超前小导管长度、环向间距、注浆范围等参数的影响性。计算结果表明：隧道掘进导致掌子面围岩受力由三维向二维转变，超前小导管能够有效约束掌子面轴向水平位移，提高掌子面稳定性;小导管长度增加能有效改善掌子面附近应力重分布，进一步降低开挖段变形量;提高超前小导管环向分布范围、小导管型号和注浆加固圈厚度等参数，对控制变形的作用十分有限，应该结合可实施性和经济性适当选取。

【关键词】大面积弃渣; 桥梁桩基; 数值计算; 影响性

【中国分类号】U455.49【文献标识码】A

近年来，随着我国西部铁路、公路等基础设施大规模建设，深埋软岩隧道的建设规模也越来越多[1-2]。软弱围岩因其强度低、抗扰动能力差[3]，通常采用超前锚杆[3]、单层小导管或双层小导管[4-5]等在开挖前对掌子面岩层进行超前支护，而且“超前小导管+注浆”具有操作简便、造价较低、加固效果好等优势。超前小导管设计参数主要选用42 mm或60 mm的鋼管，长度一般为3～5 m，配合注浆工艺使用。针对超前小导管研究也主要集中在小导管层数、导管管径、注浆参数和注浆效果等[6-8]方面，仅有少数在导管长度方面进行了探索[9]。当遇到软弱围岩隧道破碎带时，“超前小导管+注浆”现有设计参数无法满足工程需要，一是由于围岩虽然强度较低，但是较为密实，常规超前注浆几乎无法注入;二是由于掌子面围岩很快风化软化，围岩无法承受小导管传递来的上部荷载，以致小导管被压溃折弯。为进一步优化这种特殊工况下常规两台阶施工工法超前小导管设计参数，因此有必要进一步深入讨论。本文将结合九绵高速公路项目白马隧道工程实例，采用有限元数值计算方法，对软岩隧道破碎带超前小导管设计长度和设置范围等进行分析，为此类工程的加固设计与施工提供参考。

1 工程概况

1.1 基本情况

白马隧道为九绵高速公路项目控制性工程，采用分离式双洞四车道。隧道进口位于四川省阿坝州九寨沟县浦南村，穿黄土梁至绵阳市平武县祥术加。隧道围岩以板岩、炭质板岩、千枚岩等互层为主。隧道全长13 km，围岩级别划分为：Ⅴ级71.45 %;Ⅳ级27.39 %，最大埋深约1 092 m。

1.2 地质情况

隧址区在区域大地构造上位于秦岭造山带、松潘甘孜造山带和扬子陆块衔接部位，位于北部的文县弧形构造带、西部的岷江—雪山—虎牙关断裂带和东南部的龙门山断裂带所围限的楔形地块上，地质构造十分复杂，地块内构造形迹主要受控于上述三大构造带，但后期受文县弧形构造影响均呈现向南突出的弧形弯曲。隧道位于南坪背斜与白马弧形构造带交界部位，发育断层主要有：甲午池—文县沟断裂北支断层、甲午池—文县沟断裂南支、甲午池—文县沟断裂分支F7、F8、F9、黄土梁断层、刀切加—胡家磨F5、F6支断层、刀切加—胡家磨断层。隧道构造破碎带围岩极其破碎和松散，局部开挖后呈现糜棱状，原设计超前小导管经常失效破坏（图1）。

2 数值计算模型

2.1 模型建立

以白马隧道埋深330 m处的段落为计算对象，利用FLAC软件建立三维有限元计算模型（图2），选取1/2对称建模，水平方向为50 m，垂直方向为100 m，纵向为60 m;开挖宽度为12.72 m，开挖高度为8.72 m，开挖影响范围按3倍洞径考虑。

（1）岩体采用Mohr-Coulomb本构模型，开挖采用Null模型。

（2）围岩注浆加固圈采用Cshell单元模拟，注浆加固圈厚度为0.4 m，加固效果通过调整力学参数实现。

（3）初期支护也选用Cshell单元模拟，针对工字钢、喷射混凝土等材料，按照等效原则折算初期支护参数。

（4）超前小导管采用Beam梁单元模拟，外插角取为10 °，导管长度分为4.5 m和8 m两种，环向间距取为0.4 m和0.3 m，管径通过调整梁单元参数实现，相关参数按照等效原理计算取得，起始段预留30 cm与钢拱架进行连接。同时，边界条件设置时，左侧和下侧施加位移约束，其余边界施加应力约束，共划分98 400个单元和105 028个节点。本次数值计算不考虑二衬的作用，采用两台阶法施工，台阶长度取为3 m。

2.2 参数选取

计算模型材料参数取值如表1所示。

2.3 点位选取

计算结果分析主要针对关键点的变形分布曲线和初支的应力分布云图，关键点位分布如图3所示。

2.4 工况选取

结合实际施工工况，针对超前小导管长度、环向间距、钢管直径和壁厚、注浆范围等4个工况进行选取组合，共针对以下四种工况进行计算分析。

3 计算结果分析

3.1 导管参数对拱顶沉降的影响性分析

以拱顶沉降为分析对象，分析超前小导管设计参数对拱顶变形的影响性，结果如图4所示。

由图4可知，四种工况下拱顶沉降变化趋势基本一致。导管增长、间距适当调大后拱顶沉降仅减小11 %～20 %，说明由于超前小导管自身刚度提升能力有限，其对拱顶沉降的抑制效果不明显，主要起到传递荷载的作用;注浆防护范围增加25 %，对拱顶沉降几乎无影响。当开挖至距观测断面10 m时观测点A开始发生沉降变形，这是由于掌子面向临空方向发生挤出变形导致的，即损失变形量，截至目前该值仍然很难直接测量，本次计算可知损失变形量几乎达到了总变形量的50 %。

3.2 导管参数对基底隆起的影响性分析

以基底隆起为分析对象，分析超前小导管设计参数对基底变形的影响性，结果如图5所示。

由图5可知，四种工况下基底隆起变化趋势基本一致。导管增长、间距适当调大后基底隆起仅增大0.2 %～10 %，说明由于超前小导管的荷载传递作用，导致部分上部围岩荷载向开挖段转移，但是由于小导管刚度有限，该种转移效应不显著;注浆防护范围增加25 %，对基底隆起几乎无影响。当开挖至距观测断面10 m时观测点B开始发生隆起变形，这是由于基底在围岩压力作用下向低应力区域发生变形导致的，截至目前该值也仍然很难直接测量，本次计算可知隆起变形损失量几乎达到了总隆起量的46 %。

3.3 导管参数对拱脚收敛的影响性分析

以拱脚收敛为分析对象，分析超前小导管设计参数对拱脚变形的影响性，结果如图6所示。

由图6可知，四种工况下拱脚收敛变化趋势相近，导管环向间距适当调大、增加兩侧注浆加固范围对拱脚C点控制收敛变形效果不明显，收敛仅减小约7 %，说明软岩隧道由于质地松散、围岩强度较低，通过各种措施提高围岩本身强度的空间有限。针对隧道破碎带松散压力作用，强支护、早支护是较为合适的技术方案。在开挖至观察断面10 m后收敛变形均呈下降趋势，特别是小导管长度较短时下降量达到最大变形量的45 %，说明导管长度对开挖后围岩压力重分布影响最大，导管长度增加将导致荷载分散传递更远、开挖影响长度增大，而其余参数的影响可忽略不计。

3.4 导管参数对掌子面稳定的影响性分析

在软弱围岩隧道掘进时，掌子面通常会出现应力集中、变形过大等现象，严重时会产生失稳塌方事故，因此掌子面稳定是隧道快速掘进的前置条件。注浆小导管作为超前支护最主要措施，对掌子面的稳定发挥重要作用。以掌子面顶部观测点沿隧道轴线方向挤出变形为观察对象，分析超前小导管设计参数对掌子面变形和稳定的影响，如图7所示。

在隧道掘进过程中，掌子面的受力状态由开挖前的三维向开挖后的二维转变，掌子面变形大，承受荷载能力降低，进而产生轴线方向的水平位移，这是在软岩隧道中掌子面发生塌方的主要原因。因此控制掌子面的轴线方向水平位移能有效地避免塌方事故的发生，由图可知，从观测断面以后10 m范围内的掘进作业对观测点影响最大，呈现先增强后减弱的规律，其影响极值均出现在开挖至5 m时。其中，导管长度对挤出变形影响最大，长度由4.5 m调整大8 m，变形极值减小了44 %;采用8 m长导管后，其他设计参数主要影响极值出现的时间，挤出位移峰值出现在开挖至3.5～4.5 m时，即第二个开挖循环的初期，说明加长导管对掌子面安全极为有利。

4 结论

软岩隧道破碎带掘进工况下，超前小导管设计参数对开挖段和掌子面的变形和稳定极其重要，本文计算结果表明：

（1）超前小导管能够将隧道掘进后释放的围岩荷载，向初期支护和掌子面前方岩体进行传递，并影响地应力重分布范围，从而减少掌子面岩体的荷载分担比例，而且导管长度越长传递范围越广、分担比例越大，有利于掌子面的安全和稳定。

（2）超前小导管环向分布范围由120 °提高到150 °，增加部分主要位于拱圈两侧，其分担荷载比例极其有限，因此一般仅适用于糜棱状围岩条件，可防止散体状围岩掉落垮塌。

（3）超前小导管的管径增大对抑制围岩变形影响较小，但是可有利于浆液扩散、增大注浆范围，使加固圈厚度增加，能够增强掌子面的稳定性。

（4）超前小导管能够约束掌子面轴向水平位移，提高掌子面的稳定性，增加导管长度能一定程度上降低位移量，防止坍塌事故发生，有利于隧道掘进安全。

（5）提高超前小导管环向分布范围、小导管型号和注浆加固圈厚度等参数，对控制变形的作用十分有限，应该结合可实施性和经济性适当选取。

参考文献

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