軟弱地層小斷面引水隧洞超前小導(dǎo)管加固效果分析

薛小攀　韓福　馮秋豐　李伯平

摘要：為研究小斷面引水隧洞施工過程中穿越軟弱松散土層和不良地層時，不同超前小導(dǎo)管布置方案對隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響，利用MIDAS/GTS NX軟件建立三維有限元模型，對無小導(dǎo)管、空心小導(dǎo)管、實心小導(dǎo)管和小導(dǎo)管注漿擴散至圍巖0.5 m四種工況下的隧洞圍巖變形和襯砌受力情況進行模擬。結(jié)果表明：布置小導(dǎo)管后，隧洞圍巖水平位移和豎向變形減小;布置為實心小導(dǎo)管時隧洞圍巖變形未發(fā)生變化，漿液擴散后圍巖變形進一步減小，控制變形量較為顯著。

關(guān)鍵詞： 超前小導(dǎo)管; 圍巖變形; 引水隧洞; 軟弱地層

中圖法分類號：TV543 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.008

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0050 - 07

0 引 言

中小型水電工程的引水隧洞斷面小、線路長，地質(zhì)條件復(fù)雜，洞內(nèi)操作空間狹小，使用大型設(shè)備安全隱患大，導(dǎo)致開挖進度難以保證。引水隧洞施工開挖方式基本以全斷面開挖為主，手持式鑿巖機造孔，扒渣機裝渣，小型運輸設(shè)備出渣，人工安裝支護結(jié)構(gòu)，機械化程度較低。地質(zhì)條件對工程能否順利實施影響較大，不良的地質(zhì)條件可能會造成塌方、冒頂、爆炸、突泥、透水、涌水等現(xiàn)象。保障隧洞圍巖穩(wěn)定是工程實施的關(guān)鍵，支護措施是保障圍巖穩(wěn)定的主要手段。目前，超前小導(dǎo)管支護技術(shù)廣泛應(yīng)用于隧洞軟弱松散土層、不良地層施工中[1-3]。工程實踐表明：在初期襯砌發(fā)揮作用前，因隧洞開挖產(chǎn)生的地層沉降量在最終沉降量中占比較大 [4-8]，這意味著對開挖面前方地層進行超前預(yù)支護，在有效控制地層沉降、保障圍巖穩(wěn)定、保證施工安全方面是非常重要的。因此，本文以青海省引大濟湟工程北干渠一分干第二標(biāo)段標(biāo)段為例，對不同超前小導(dǎo)管支護措施下的圍巖穩(wěn)定性進行分析研究。

1 工程概況

引大濟湟工程通過一系列蓄水、調(diào)水和配水水利工程，將水量較大的大通河水引至嚴(yán)重缺水的湟水流域，用于緩解湟水流域的缺水狀況，達(dá)到水資源最大化利用的目的。本文研究區(qū)域位于大板山南坡及西寧-民和盆地北側(cè)，大坂山海拔在4 000 m以上，盆地海拔約2 000～2 800 m，呈兩側(cè)高山挾持一山間盆地的地貌景觀。根據(jù)地貌的成因、形態(tài)特征和地質(zhì)構(gòu)造的差異，研究區(qū)域可劃分為5個不同的地形地貌單元：侵蝕斷塊中高山區(qū)、山前剝蝕丘陵區(qū)、斷陷盆地及河谷地區(qū)、盆地黃土丘陵區(qū)和侵蝕切割的沖溝地貌。隧洞工程區(qū)分布有與大板山主脊平行展布的近東西向和垂直的南北向沖溝，溝谷岸坡相對陡峻，大型溝谷以南北向展布為主，地理位置如圖1所示。

本文研究對象以引大濟湟工程北干渠一分干二標(biāo)段為主，引水線路總長8.11 km，設(shè)5條隧洞，隧洞總長7.52 km，隧洞長度占整個引水線路總長的93%。隧洞超前小導(dǎo)管布置在引水隧洞拱頂圓弧段120°范圍內(nèi)，按照排距2 m、間距0.3 m布設(shè)，外插角度為12°。小導(dǎo)管采用直徑40 mm、長度3.0 m無縫鋼管制作，距后端1 m范圍內(nèi)不開孔，剩余部分按20～30 cm梅花形布設(shè)6 mm的溢漿孔。導(dǎo)管前段為約10 cm長度的圓錐形，尾端焊接6～8 mm的鋼筋箍。灌漿漿液以水灰比1∶1的水泥漿考慮，與鋼拱架聯(lián)合支護，鋼拱架采用16號工字鋼加工，小導(dǎo)管以最后一榀鋼拱架為起點，從鋼拱架腹部穿過，尾端與鋼架焊接[9-10]。以該鋼拱架為起點，進尺按2 m計，巖石按較破碎的黏土巖考慮，見圖2。開挖完成后，對超前小導(dǎo)管在4種不同工況下隧洞圍巖變形和初期襯砌受力情況進行模擬分析：① 無超前小導(dǎo)管;② 超前小導(dǎo)管內(nèi)未注漿（空心導(dǎo)管）;③ 超前小導(dǎo)管注漿密實、漿液未擴散至圍巖內(nèi)（實心導(dǎo)管）;④ 超前小導(dǎo)管注漿密實、漿液擴散至圍巖內(nèi)0.5 m范圍（實心導(dǎo)管且漿液擴散）。

2 有限元模型

2.1 隧道模型

2.1.1 基本假定

水工引水隧洞雖然斷面尺寸小，但是施工過程中所采取的支護結(jié)構(gòu)和其他隧道大同小異，不同的巖性條件采用不同的支護手段，本文研究隧洞采用的是“超前支護+鋼拱架+鎖腳錨桿+初期襯砌+二襯”。本文采用MIDAS/GTS NX軟件建立三維有限元模型，計算時圍巖采用的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型，各種支護采用彈性模型。由于在實際施工過程中，引水隧洞影響洞室穩(wěn)定性的因素是多變的，考慮所有因素不符合實際，因此只能在理想的基礎(chǔ)上，考慮施工過程中洞室的變形及支護的應(yīng)力狀態(tài)，作出以下幾種假設(shè)：① 假定引水隧洞所處的圍巖是各向同性、連續(xù)且均質(zhì)的巖體，此模型是模擬深埋狀態(tài)下隧洞的施工過程，故初始應(yīng)力狀態(tài)下只考慮其自重，不考慮其他因素;② 假定隧洞施工中圍巖處于干燥狀態(tài)，忽略地下水的影響。

2.1.2 邊界條件

通常隧道施工的模擬及計算僅考慮隧道開挖時周圍一部分圍巖的變形特征，而忽略了邊界效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，隧道的位置和模型的尺寸是決定圍巖應(yīng)力的重要因素。根據(jù)圣維南原理，該隧洞圍巖尺寸在取值3～5倍跨徑的基礎(chǔ)上進行了加大，充分杜絕了邊界效應(yīng)的影響，同時邊界約束分布為：模型底部為豎直向上約束，四面巖體為法向約束，上邊界為自由邊界。

2.1.3 模型參數(shù)選取

根據(jù)引大濟湟工程水工引水隧洞地質(zhì)勘查報告，模型中的材料參數(shù)如表1所示。

2.1.4 模型建立

根據(jù)引大濟湟工程一分干第二標(biāo)段引水隧洞所處的地層地貌特點，選取最大埋深70 m，土體為砂質(zhì)黏土巖。開挖方法為全斷面開挖，隧洞為城門洞型。開挖斷面尺寸為3.22 m×3.36 m，二次襯砌完成后斷面尺寸為2.10 m×2.30 m，其中支護型號選?。撼跗谝r砌為C15噴射混凝土，墊層為C15回填混凝土，二次襯砌為C20澆筑混凝土。超前支護分為：① 無超前小導(dǎo)管;② 有小導(dǎo)管但不注漿;③ 小導(dǎo)管注漿但不擴散;④ 小導(dǎo)管注漿且擴散0.5 m。鋼拱架為H160×88，鎖腳錨桿為Φ18實心錨桿。模型尺寸為40 m（長）×20 m（寬）×38 m（高），地層、超前注漿擴散0.5 m和二次襯砌均采用3D實體單元模擬，超前注漿擴散0.5 m運用等效原則，將漿液擴散后的土體等效為厚度0.5 m的加固圈進行模擬，其擴散后的土體模量式按式（1）計算;超前小導(dǎo)管無注漿或注漿不擴散采用1D植入式桁架單元;噴混及墊板采用2D板單元模擬，鋼拱架采用1D梁單元模擬，鎖腳錨桿采用1D植入式桁架模擬，由于此隧洞底部無鋼拱架，且根據(jù)鎖腳錨桿和鋼拱架焊接相連的原理，在鋼拱架兩端和鎖腳錨桿與鋼拱架連接處進行固定約束，隧道施工前初始應(yīng)力條件只考慮模型自重，位移清零;模型單元如圖3所示。

E=E+A/A×E （1）

式中：E為折算后加固圈土體模量;E為原圍巖土體模量;E為擴散漿液模量;A為超前小導(dǎo)管截面積;A為加固圈截面積。

引水隧洞斷面狹小，根據(jù)設(shè)計圖紙，采用全斷面開挖施工，施工開挖流程為：超前支護→開挖→噴混凝土→鋼拱架及鎖腳錨桿施工→初期襯砌→所有開挖及初期襯砌完成→混凝土二次襯砌施工。

3 結(jié)果分析

3.1 圍巖變形

3.1.1 水平位移

圍巖變形是否得到有效控制是評價超前小導(dǎo)管效果的重要參數(shù)，因此分別提取開挖完成、布置初期襯砌和二次襯砌完成3個階段下無小導(dǎo)管的圍巖水平位移云圖，如圖4所示。

4種工況在開挖完成、初期襯砌和二次襯砌完成3個階段下的圍巖最大水平位移見表2。

由圖4可知：在全斷面開挖過程中的圍巖水平收斂變形呈對稱分布。由表2可知：開挖完成后無小導(dǎo)管、空心小導(dǎo)管、實心小導(dǎo)管、實心小導(dǎo)管且漿液擴散4種工況下的圍巖水平位移最大值分別為17.604，14.761，14.761 mm和 11.736 mm;可以看出相對無小導(dǎo)管，在布置小導(dǎo)管后，圍巖水平位移減小了2.843 mm，而布置空心和漿液不擴散實心小導(dǎo)管后圍巖的最大水平位移相同，說明僅布置實心小導(dǎo)管并未對圍巖起到進一步的加固作用。圍巖的水平位移在實心小導(dǎo)管注漿擴散后進一步減小，說明小導(dǎo)管注漿漿液擴散后效果較好。初期襯砌完成后，4種工況下的水平收斂變形最大值分別為17.603，14.759，14.759 mm和 11.736 mm。可以看出相較無小導(dǎo)管，在布置小導(dǎo)管后圍巖水平位移減小了2.844 mm，在布置空心和漿液不擴散實心小導(dǎo)管后的圍巖最大水平位移幾乎未變化，而在小導(dǎo)管注漿漿液擴散后圍巖變形減小。相比開挖完成后的圍巖位移，初期襯砌完成后的變位移略有減小。 二次襯砌完成后4種工況下的水平收斂變形最大值分別為17.780，15.604，15.604 mm和 12.218 mm，可以看出相較無小導(dǎo)管，在布置小導(dǎo)管后，圍巖水平位移減小了2.176 mm，在布置空心和漿液不擴散實心小導(dǎo)管后的圍巖最大水平位移幾乎未變化，而在小導(dǎo)管注漿漿液擴散后圍巖變形進一步減小。

3.1.2 豎向位移

分別提取開挖完成、布置初期襯砌和二次襯砌完成3個階段下無小導(dǎo)管的豎向位移云圖，如圖5所示。4種工況在開挖完成、布置初期襯砌和二次襯砌完成3個階段下的最大豎向位移見表3。

由表3可知：開挖完成后無小導(dǎo)管、空心導(dǎo)管、實心導(dǎo)管、實心導(dǎo)管且漿液擴散4種工況下的圍巖豎向位移最大值分別為13.748，11.389，11.389 mm和9.165 mm，可以看出相較無小導(dǎo)管，在布置小導(dǎo)管后圍巖豎向位移減小了2.359 mm，而布置空心和漿液不擴散實心小導(dǎo)管后圍巖的最大豎向位移相同，說明實心小導(dǎo)管并未起到進一步的加固作用。但在實心小導(dǎo)管注漿漿液擴散后圍巖變形進一步減小，說明在軟弱圍巖條件下小導(dǎo)管注漿漿液擴散能夠有效控制圍巖變形。初期襯砌布置后4種工況下的豎向變形最大值分別為13.868，12.201，11.500 mm和 9.294 mm，可以看出相較無小導(dǎo)管，在布置小導(dǎo)管后圍巖豎向位移減小了2.368 mm，而布置空心和漿液不擴散實心小導(dǎo)管后圍巖的最大豎向位移區(qū)別不大，在小導(dǎo)管注漿漿液擴散后圍巖變形減小。與開挖完成相比，初期襯砌布置后4種工況下的圍巖豎向變形略微增大。二次襯砌完成后4種工況下的圍巖豎向變形最大值分別為13.719，12.201，12.201 mm和 9.365 mm，可以看出在布置小導(dǎo)管后圍巖豎向位移減小了1.518 mm，而布置空心和漿液不擴散實心小導(dǎo)管后圍巖的最大豎向位移變化很小，幾乎可以忽略，而在小導(dǎo)管注漿漿液擴散后變形減小?？傮w來看，空心和實心小導(dǎo)管控制圍巖變形效果一樣，在實心小導(dǎo)管注漿漿液擴散0.5 m后圍巖變形進一步減小，說明漿液擴散后能夠明顯減小變形，可以考慮將小導(dǎo)管注漿漿液擴散范圍增大。

3.2 襯砌應(yīng)力

二次襯砌完成后圍巖最大主應(yīng)力云圖見圖6。由圖6可知：最大主應(yīng)力集中位置在洞口處的拱頂處，在布置超前小導(dǎo)管后可以看出應(yīng)力集中范圍變小，而在小導(dǎo)管注漿漿液擴散0.5 m后應(yīng)力集中范圍顯著減小。在無小導(dǎo)管、空心導(dǎo)管、實心導(dǎo)管、實心導(dǎo)管且漿液擴散4種工況下的最大主應(yīng)力最大值分別為1 589，1 460，1 461 kPa和1 189 kPa，可以看出相較無小導(dǎo)管，在布置小導(dǎo)管后最大主應(yīng)力減小了129 kPa，而布置空心和漿液不擴散實心小導(dǎo)管后圍巖最大主應(yīng)力未變化，在小導(dǎo)管注漿漿液擴散后最大主應(yīng)力進一步減小。

4 結(jié) 論

本文以引大濟湟實際工程為例，通過水工隧洞的開挖施工過程進行數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上模擬超前小導(dǎo)管的支護效果，設(shè)定了空心小導(dǎo)管、實心小導(dǎo)管和實心小導(dǎo)管注漿擴散至圍巖0.5 m等工況，分析圍巖變形和初期襯砌受力結(jié)果變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論。

（1） 從開挖完成、初期襯砌完成和二次襯砌完成后的圍巖水平位移和豎向位移變化規(guī)律看出：布置小導(dǎo)管后圍巖水平位移和豎向變形減小，布置空心小導(dǎo)管和漿液不擴散實心小導(dǎo)管圍巖的變形幾乎相同，說明實心小導(dǎo)管并未起到進一步的加固作用。而在布置實心小導(dǎo)管漿液擴散后圍巖變形進一步減小，控制變形量較為顯著，在實際工程中可以考慮進一步增大注漿擴散范圍，使得隧洞更為穩(wěn)定。

（2） 從二次襯砌完成后的圍巖最大主應(yīng)力云圖看出，圍巖最大主應(yīng)力集中在洞口的拱頂處，在施加超前小導(dǎo)管后可以看出應(yīng)力集中范圍變小，而在實心小導(dǎo)管注漿漿液擴散0.5 m后應(yīng)力集中范圍顯著減小。

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（編輯：江 文）

Reinforcement effect of advanced small duct of water diversion tunnel with small cross-section in soft stratum

XUE Xiaopan HAN Fu FENG Qiufeng LI Boping

（1. Northwest Water Conservancy and Hydropower Engineering Co.，Ltd. ， Xi'an 710199 ， China; 2. Construction? and? Operation

Bureau of Qinghai Yindajihuang Project ， Xining? 811108 ， China ; 3. PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited ， Xi'an 710065 ， China）

Abstract ：In order to study the influence of different advanced small duct arrangement schemes on stability of surrounding rock of tunnel when water diversion tunnel with small cross-section passes through soft stratum during construction， MIDAS/GTS NX software was used to establish the Finite element 3D model， and the deformation of surrounding rock mass and the lining stress of the tunnel were simulated under four conditions： no small duct， hollow small duct， solid small duct and small duct grouting diffusion to the surrounding rock mass of 0.5 m. The results showed that the horizontal convergence and vertical deformation decreased after the small duct was applied， but the deformation did not change when the grouting solid small duct was used ， and the deformation decreases further after the slurry diffusion， and the controlled deformation was significant.

Key words： advanced small duct; surrounding rock mass deformation; water diversion tunnel; soft stratum