注漿方式對大斷面軟弱圍巖隧道穩(wěn)定性的影響及研究

雷嘯天，潘夢陽，趙玉如

(1.河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200000)

隨著隧道工程在我國日益發(fā)展，長大公路隧道在山區(qū)的修建會大比例增長。施工時的種種因素會使初期支護(hù)和結(jié)構(gòu)襯砌發(fā)生損害，影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，針對大斷面軟弱圍巖隧道注漿加固機(jī)理及其變形規(guī)律我國還處于初級發(fā)展階段，需要不斷加強(qiáng)相關(guān)理論體系的改良和完善。本文以鄭州市韓門隧道的工程為例，采用FLAC3D軟件模擬不同注漿方式的開挖過程，在現(xiàn)有的隧道穩(wěn)定性理論上為隧道內(nèi)部變形規(guī)律與其參數(shù)優(yōu)化及合理施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

韓門隧道位于鄭州市鞏義市韓門村，屬于快速路，隧道設(shè)計車速80 km/h。隧道為分離式雙向6車道隧道，單洞凈跨17 m，凈高9.4 m，為大斷面山嶺隧道。左洞隧道1 370 m，設(shè)計縱坡1‰，起始里程為ZK16+145；右洞隧道1 175 m，設(shè)計縱坡0.712‰，起始里程YK16+270。圍巖級別以Ⅳ、Ⅴ為主，將其土質(zhì)全部設(shè)成Ⅴ級圍巖，隧道在大斷面和軟弱巖性雙重影響下將會有局部破碎、整體自穩(wěn)性弱的特點，隧道襯砌如圖1所示。

2 韓門隧道計算參數(shù)

韓門隧道圍巖與襯砌計算參數(shù)見表1所示。

3 數(shù)值分析

3.1 計算模型

根據(jù)已學(xué)的巖體性質(zhì)和力學(xué)本構(gòu)方程對韓門隧道進(jìn)行建立模型。根據(jù)韓門隧道具體尺寸，建立三維有限元計算模型，模型的計算范圍是60 m(X方向)，80 m(Y方向)，40 m(Z方向)。隧道開挖跨度17 m，開挖高度9.4 m，注漿材料采用彈性模量0.5 GPa，泊松比為0.2的水泥砂漿。巖體模型圖如圖2所示。

3.2 分析結(jié)果

設(shè)計3種方案，當(dāng)不注漿時，豎向應(yīng)力圖如圖3所示，拱部注漿時，如圖4所示，全環(huán)注漿時，豎向應(yīng)力圖如圖5所示。

圖3 豎向應(yīng)力圖(不注漿)

圖4 豎向應(yīng)力圖(拱部注漿)

圖5 豎向應(yīng)力圖(全環(huán)注漿)

通過應(yīng)力云圖的剖析發(fā)現(xiàn)，在不注漿時洞身上面的土層將會受到拉應(yīng)力作用，最大值為8.43 kPa，拱部受到極小的拉應(yīng)力，下邊墻會受到極小的壓應(yīng)力作用，左右邊墻受到壓應(yīng)力，其余土層均產(chǎn)生壓應(yīng)力作用且從上到下依次增大；拱部注漿時拉壓應(yīng)力的分布大致與不注漿時的相同，其靠上的土層最大拉應(yīng)力為8.77 kPa，但左右邊墻外的塑性區(qū)的位置會產(chǎn)生一個壓應(yīng)力集中的極區(qū)，此處最大值在1.4×103kPa左右；全環(huán)注漿時則靠上的土層產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大值為14.02 kPa,之前左右邊墻的應(yīng)力極區(qū)擴(kuò)散，其值最大為1.2×103kPa。

3種方案的豎向位移圖如圖6—圖8所示。

圖6 豎向位移圖(不注漿)

圖7 豎向位移圖(拱部注漿)

圖8 豎向位移圖(全環(huán)注漿)

豎向位移情況：不注漿時左右邊墻及以外的土層和拱頂及其以上的土層均會下沉，拱頂下降高度最大，為17.36 mm，左右邊墻下沉5 mm左右，仰拱及以下的土層會產(chǎn)生向上的位移，仰拱上升最大高度為7.85 mm；拱部注漿時較之不注漿上下移動的位移有所減小，其拱頂下沉13.75 mm,左右邊墻下沉2.5 mm左右，仰拱最大上升高度為7.74 mm；全環(huán)注漿時則位移范圍明顯縮小且極值也大大降低，拱頂下沉12.55 mm,左右邊墻下沉2.0 mm左右，仰拱最大上升高度為7.02 mm。對于地表下沉3種情況均符合相關(guān)規(guī)范，且注漿范圍越大情況越理想，不注漿方案拱頂下沉過大，拱部注漿位移情況較為理想，全環(huán)注漿能夠明顯減小位移數(shù)值，是最理想的一種情況。

3種方案的橫向位移圖如圖9—圖11所示。

圖9 橫向位移圖(不注漿)

圖10 橫向位移圖(拱部注漿)

圖11 橫向位移圖(全環(huán)注漿)

橫向位移情況：不注漿時塑性區(qū)以外的土層會產(chǎn)生向內(nèi)部橫向位移，值為2 mm左右，塑性區(qū)中越靠近邊墻位置位移越大，左右邊墻為不利位置，會向內(nèi)部移動，極值為10.93 mm；拱部注漿時拱頂土層和仰拱以下土層及塑性區(qū)靠外的土層幾乎沒有橫向位移，最大值為0.154 mm，左右邊墻為不利位置會向內(nèi)部移動，極值為8.38 mm；全環(huán)注漿時較之拱部注漿效果明顯，橫向位移的影響被減弱，左右邊墻會向內(nèi)移動，最大值為6.68 mm。

在模擬計算過程中，模擬分析洞室拱頂、拱腰、拱腳處位移在不同方向的位移變化圖如圖12、圖13所示，可以清楚直接地觀察到施工注漿方式對圍巖穩(wěn)定性的影響。

圖12 沉降量對比圖

圖13 水平位移對比圖

綜上圖12、圖13環(huán)形注漿方式對圍巖的穩(wěn)定性有明顯作用且與其它方式相比優(yōu)點更突出。

3.3 塑性區(qū)云圖剖析

3種方案的塑性云圖如圖14—圖16所示。

圖14 塑性云圖(不注漿)

圖15 塑性云圖(拱部注漿)

圖16 塑性云圖(環(huán)形注漿)

塑性變形是不隨荷載的卸除而消失的永久變形，它所發(fā)生的區(qū)域稱為塑性區(qū)。在沒有防護(hù)的情況下，洞口周圍大面積都是塑性區(qū)，而且引起拱部上側(cè)的土層也成為塑性區(qū)，此時洞身將會受到諸多方向的剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力，嚴(yán)重威脅了隧道前期的穩(wěn)定性。在洞周圍噴射砂漿會縮小塑性區(qū)，全環(huán)注漿效果明顯與拱部注漿，在仰拱和左右邊墻處縮小了范圍，洞身上減少了部分剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力；拱部注漿會使拱部、邊墻、仰拱的塑性區(qū)成多區(qū)域分布，各個區(qū)域的屈服強(qiáng)度不一致，洞身的強(qiáng)度要以其中最小值為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)且測量繁瑣任務(wù)重；全環(huán)注漿的拱頂和邊墻處于同一塑性區(qū)，仰拱塑性分區(qū)也較之拱部注漿塑性分區(qū)種類少，從某種程度上方便了設(shè)計工作加快了施工進(jìn)程。

4 結(jié) 論

1)按不同工況，運用FLAC3D模擬計算了圍巖體及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，闡述了隧道采用全環(huán)注漿這一方式明顯有利于整體穩(wěn)定性，杜絕了開挖支護(hù)以及注漿盲目而造成局部偏弱偏強(qiáng)和資源浪費等現(xiàn)象。選擇在合理位置范圍注漿，既能保證圍巖的穩(wěn)定性又能縮短工期減少工程造價。

2)不同注漿范圍下，隧道變形和位移較不利位置有所偏差，其中拱頂產(chǎn)生的豎向位移最大，拱腳和墻角產(chǎn)生的水平位移較大，是較不利位置。在實際施工時應(yīng)注意最不利位置的監(jiān)測與加強(qiáng)相應(yīng)的施工管理。

3)三種注漿方式均能產(chǎn)生相應(yīng)的塑性區(qū)，相同點是越靠近洞口應(yīng)力越集中，洞頂在大多數(shù)情況下都為最不利位置，其次是邊墻處的應(yīng)力不容忽視；不同點是全環(huán)注漿方式比另外兩種方式所產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍要小得多，而且在應(yīng)力的大小上也比較小，但是拱部注漿的拱腳和全環(huán)注漿的墻角所在的塑性區(qū)應(yīng)力較大，較突出，故在施工時應(yīng)著重注意注漿方法的不同所引起的易破壞位置是不同的，應(yīng)著重處理。

4)對于大斷面軟弱圍巖，注漿方式在其他相同的條件下，不注漿的隧道圍巖應(yīng)力和變形過大，不能保證施工過程中隧道圍巖的整體穩(wěn)定性；環(huán)形注漿和拱部注漿均能從不同程度上改善這一影響，從位移和應(yīng)力應(yīng)變能夠保證隧道的正常使用以及前期施工的安全，而且全環(huán)注漿的效果更為顯著，整體穩(wěn)定性優(yōu)于拱部注漿。

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