富水黃土隧道圍巖大變形控制技術(shù)研究
——以銀百高速甜永段榆林子隧道為例

梁慶國,陳星宇，劉曉杰，孫緯宇

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

近年來，隨著“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的深入推進(jìn)，我國西北地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來了空前的發(fā)展，黃土隧道的數(shù)量也在不斷增加。由于黃土具有結(jié)構(gòu)疏松、大孔隙、水敏性等特點(diǎn)，在富水段施工時(shí)極易產(chǎn)生涌水突泥、塌方冒頂、大變形等工程災(zāi)害，給現(xiàn)場施工帶來了巨大的難題與挑戰(zhàn)。如銀西高鐵驛馬一號隧道[1]、上閣村隧道[2]、賈家灣隧道[3]、蒙華鐵路郭旗隧道[4]、通定高速團(tuán)結(jié)隧道[5]、西會高速龐灣隧道[6]、西安地鐵5號線暗挖隧道[7]、二莊科隧道[8]、古成嶺隧道[9]、寶蘭客專石鼓山隧道[10]、吉河高速喬原隧道[11]和付家窯隧道[12]等，都屬于富水黃土隧道，其在開挖時(shí)多采用臺階法進(jìn)行施工，施工過程中均出現(xiàn)了隧道圍巖大變形、掌子面滲涌水涌泥、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、仰拱開裂等工程災(zāi)害，針對富水黃土隧道病害的治理措施主要是通過隧道圍巖注漿加固、地表降水、支護(hù)結(jié)構(gòu)加固等途徑來實(shí)現(xiàn)。本文以銀百高速甜永段榆林子富水黃土隧道為依托，對該富水黃土隧道圍巖變形特征進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測與分析，利用MIDAS-GTS-NX有限元分析軟件對大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)、基底旋噴樁支護(hù)、拱腳鋼管樁+基底旋噴樁支護(hù)、帷幕注漿加固4種加固措施下隧道圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，并對采取帷幕注漿加固措施的隧道加固效果進(jìn)行現(xiàn)場測試與論證，以為富水黃土隧道工程的理論研究和設(shè)計(jì)施工提供依據(jù)。

1 工程背景

1. 1 隧道工程概況

圖1 榆林子隧道地理位置圖Fig.1 Location of Yulinzi tunnel

1. 2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

榆林子隧道全段處于Ⅴ級富水圍巖中，初期支護(hù)由鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土組成，二襯采用50 cm厚C30鋼筋混凝土，二襯環(huán)向主筋Φ22 mm、間距為20 cm。該隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，見圖3。

圖2 榆林子隧道右線縱斷面圖[14]Fig.2 Longitudinal section of right line of Yulinzi tunnel[14]

圖3 榆林子隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖[14]Fig.3 Design drawing of support structure of Yulinzi tunnel[14]

1. 3 現(xiàn)場施工特點(diǎn)與難點(diǎn)

1.3.1 地下水豐富

榆林子隧道YK280+265～YK280+630段處于極強(qiáng)濕陷性深厚富水黃土地質(zhì)帶，隧道洞身圍巖平均含水率在25.7%～27.0%之間，屬于飽和黃土，土體基本呈軟塑甚至流塑狀(見圖4)?？辈炱陂g地下水水位埋深約為54 m，水位線位于隧道開挖斷面以上。根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》中的經(jīng)驗(yàn)公式，可計(jì)算得到隧道的涌水量。其計(jì)算公式如下：

Qs=LKH(0.676-0.006K)

(1)

Qo=L(0.025 5+1.922 4KH)

(2)

式中：Qs為隧道正常涌水量(m3/d)；Qo為隧道最大涌水量(m3/d)；L為隧道長度(m)，取1 985 m；H為自然情況下含水層厚度(m)，隧道洞底以上潛水含水層的厚度取20.0 m；K為巖層滲透系數(shù)(m/s)，取0.05 m/s。

圖4 榆林子隧道YK280+265～YK280+630段滲水情況Fig.4 Water seepage of tunnel in Yulinzi tunnel YK280+ 265～YK280+630 section

根據(jù)式(1)、(2)，可計(jì)算得到隧道正常涌水量為1 341.26 m3/d，隧道最大涌水量為3 866.58 m3/d。

1.3.2 隧道圍巖強(qiáng)度低

圖5 地表塌陷[15]Fig.5 Surface collapse[15]

圖6 地表開裂Fig.6 Surface cracking

1.3.3 隧道圍巖變形大、變形速率快

榆林子隧道圍巖變形不僅大，而且變形速率極快，由現(xiàn)場監(jiān)測的隧道圍巖變形數(shù)據(jù)可知，伴隨著每層臺階的開挖，隧道拱頂沉降速率都會突然增加，在上臺階開挖之后的5 d內(nèi)，其變形速率最大，隧道拱頂沉降速率最大可達(dá)到20.5 mm/d，直到仰拱閉合之后隧道拱頂?shù)某两邓俾什艜呌诜€(wěn)定狀態(tài)，最終隧道拱頂累計(jì)沉降量可達(dá)308 mm。

2 隧道圍巖變形特征現(xiàn)場監(jiān)測與分析

對隧道圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測是隧道安全施工的重要保證，根據(jù)隧道圍巖變形的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可以判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性，從而指導(dǎo)隧道的下一步施工[16]。本文以榆林子隧道YK280+265.45斷面為例，根據(jù)隧道圍巖變形的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制了該斷面拱頂沉降和周邊收斂的時(shí)程曲線，見圖7。隧道變形控制基準(zhǔn)采用《黃土公路隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)范》(DB62/T 4131—2020)的要求，隧道洞內(nèi)邊墻水平收斂推薦基準(zhǔn)值為(0.1～0.2)D%，隧道洞內(nèi)拱頂下沉推薦基準(zhǔn)值為(0.6～1.6)D%(其中D為開挖洞室最大跨度)。隧道圍巖變形的穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)為：若U≤U0時(shí)，隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)；若U>U0時(shí)，隧道處于失穩(wěn)狀態(tài)。其中，U為隧道圍巖位移實(shí)測值(mm)，U0為隧道圍巖極限相對位移值(mm)。隧道拱頂沉降和周邊收斂控制基準(zhǔn)分別按最大控制基準(zhǔn)取值，分別為1.6D%、0.2D%，經(jīng)計(jì)算可得榆林子隧道拱頂控制基準(zhǔn)值為202.24 mm，周邊收斂控制基準(zhǔn)值為25.25 mm。

圖7 榆林子隧道YK280+265.45斷面拱頂沉降和 周邊收斂的時(shí)程曲線[14]Fig.7 Time-history curves of vault subsidence and peripheral convergence of YK280+265.45 section of Yulinzi tunnel[14]

由圖7可知：榆林子隧道YK280+265.45斷面持續(xù)監(jiān)測時(shí)間為48 d，隧道拱頂累計(jì)沉降量為308 mm，已經(jīng)超過隧道拱頂沉降控制基準(zhǔn)值202.24 mm，隧道周邊收斂累計(jì)收斂量為127.7 mm，已經(jīng)超出隧道周邊收斂控制基準(zhǔn)值25.25 mm；當(dāng)上臺階開挖完成時(shí)，隧道拱頂累計(jì)沉降量達(dá)到70.07 mm，約占隧道總沉降量的26.87%,最大沉降速率為20 mm/d，隧道周邊收斂累計(jì)收斂量達(dá)到33.72 mm，約占隧道總收斂量的26.41%，最大收斂速率為14.3 mm/d，該階段為變形快速發(fā)展階段；中臺階至下臺階開挖結(jié)束后，隧道拱頂累計(jì)沉降量達(dá)到284.65 mm，占隧道總沉降量的92.42%，隧道周邊收斂累計(jì)收斂量達(dá)到112.78 mm，約占隧道總收斂量的88.32%，該階段內(nèi)變形還在不斷發(fā)展，處于變形發(fā)展階段[17]；當(dāng)仰拱閉合后，隧道拱頂沉降和周邊收斂速率都控制在5 mm/d以下，該階段為變形穩(wěn)定階段。

合理的回歸函數(shù)模型能夠反映隧道圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)律，根據(jù)所得的規(guī)律可評價(jià)隧道圍巖的穩(wěn)定性以及預(yù)測隧道圍巖最終的累計(jì)變形值，因此有必要對所監(jiān)測的隧道圍巖變形數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合。通過對榆林子隧道YK280+265.45斷面拱頂沉降和周邊收斂曲線(見圖7)進(jìn)行擬合分析發(fā)現(xiàn)，該富水黃土隧道的拱頂沉降和周邊收斂曲線可用修正的指數(shù)函數(shù)來進(jìn)行擬合。修正的指數(shù)函數(shù)可表示為

u=A-Be-Ct

(3)

式中：u為隧道累計(jì)變形量預(yù)測值(mm)；t為監(jiān)測時(shí)間(d)；A、B、C為回歸系數(shù),對于拱頂沉降曲線，A=333.12、B=359.41、C=0.064，對于周邊收斂曲線，A=137.63、B=136.09、C=0.069。

根據(jù)式(3)，可計(jì)算得到：榆林子隧道YK280+265.45斷面拱頂沉降量預(yù)測值與實(shí)測值相差為25.12 mm，誤差率為8.15%，相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.989；其周邊收斂量預(yù)測值與實(shí)測值相差為9.93 mm，誤差率為7.29%，相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.99?？梢姡拚闹笖?shù)函數(shù)對于富水黃土隧道圍巖變形的預(yù)測較為合適。

3 隧道圍巖大變形控制技術(shù)的加固效果數(shù)值模擬與分析

為了探討不同控制技術(shù)對于富水黃土隧道圍巖變形控制的加固效果，以榆林子隧道實(shí)際工程為背景，采用MIDAS-GTS-NX有限元分析軟件對該隧道圍巖大變形控制技術(shù)的加固效果進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。本次建模計(jì)算采用的MIDAS-GTS-NX軟件是常用的關(guān)于巖土與隧道的有限元分析軟件，其集合了目前很多有關(guān)巖土與隧道分析軟件的優(yōu)點(diǎn)，且功能強(qiáng)大，即具有中文操作界面、直觀的前處理功能、多種分析功能、豐富的本構(gòu)模型以及簡潔且全面的后處理功能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于世界很多大型的巖土與隧道工程[18]。

3. 1 建模及參數(shù)選取

為了減小邊界條件的影響，提高模型計(jì)算的精度，隧道上部取實(shí)際埋深，隧道下部取3倍洞高，隧道左右兩側(cè)各取5倍洞徑，模型厚度取39 m。土體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，襯砌及支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型；模型尺寸為150 m×150 m×39 m；有限元網(wǎng)格生成的單元數(shù)為53 068個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為45 387個(gè)。在模型側(cè)部、底部均設(shè)置總節(jié)點(diǎn)水頭為96 m，在隧道開挖面處設(shè)置壓力水頭為0的邊界條件，模型地表設(shè)置為自由面。榆林子隧道整體三維數(shù)值模型見8(a),大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)、基底旋噴樁支護(hù)、拱腳鋼管樁+基底旋噴樁支護(hù)、帷幕注漿加固4種加固措施的計(jì)算模型，見8(b)～圖8(e)。

圖8 榆林子隧道加固措施計(jì)算模型Fig.8 Calculation model of reinforcement measures for Yulinzi tunnel

在隧道的施工過程中，大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)并不是單根梁的支撐作用，而是共同形成一個(gè)承載拱，依靠著管棚的承載拱效應(yīng)起到預(yù)支護(hù)的作用。在一定的注漿壓力條件下，隧道圍巖中的水和空氣可以被漿液代替，并與巖土體發(fā)生化學(xué)膠結(jié)作用，從而改善巖土體的物理力學(xué)參數(shù)[19-22]。因此，大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)加固措施等效為隧道拱頂120°范圍內(nèi)采用注漿加固，注漿厚度為1.2 m，在施工階段通過改變單元屬性來模擬?；仔龂姌?、拱腳鋼管樁+基底旋噴樁支護(hù)時(shí)，鋼管樁采用植入式桁架單元進(jìn)行模擬，旋噴樁參考大量實(shí)際工程，最終確定旋噴樁采用的參數(shù)為：直徑0.6 m，樁長 6 m，間距1.2 m×1.2 m，采用梅花形布置。帷幕注漿加固是利用液壓、氣壓或其他方法，通過注漿鉆孔將具有膠凝能力的漿液注入土層中的裂隙、空隙和空洞中，將其中的水分和空氣趕走，將原來松散的土?；蛄严赌z結(jié)成整體，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)新、強(qiáng)度大、防水性能強(qiáng)和化學(xué)穩(wěn)定性良好的結(jié)石體，以達(dá)到加固地層和防滲堵漏的目的[23]。針對上述加固措施進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)主要通過在隧道施工階段改變隧道周圍3 m范圍內(nèi)土體單元屬性來實(shí)現(xiàn)。

表1 榆林子隧道土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

3. 2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.2.1 隧道圍巖變形分析

對于榆林子隧道圍巖變形控制，本文共采取了4種加固措施，模擬得到不同加固措施下該隧道拱頂沉降的變化曲線,見圖9。

圖9 不同加固措施下榆林子隧道拱頂沉降的變化曲線Fig.9 Variation curves of crown settlement of Yulinzi tunnel under different reinforcement measures

由圖9可知：現(xiàn)場監(jiān)測未加固狀態(tài)下隧道拱頂沉降為308.00 mm，數(shù)值模擬未加固狀態(tài)下隧道拱頂沉降達(dá)到348.04 mm，其與實(shí)際監(jiān)測值相比增加了40.04 mm，相對誤差為13%，誤差在可接受范圍之內(nèi)，證明了所建模型的合理性；采用大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)加固后，隧道拱頂沉降較未加固時(shí)減少了70.04 mm；采用基底旋噴樁支護(hù)加固后，隧道拱頂沉降較未加固時(shí)減少了80.62 mm；采用拱腳鋼管樁+旋噴樁支護(hù)加固后，隧道拱頂沉降較未加固時(shí)減少了85.62 mm；采用帷幕注漿加固后，隧道拱頂沉降較未加固時(shí)減少了238.69 mm，其對隧道拱頂沉降的控制效果最為明顯。

本文模擬得到不同加固措施下榆林子隧道周邊收斂的變化曲線，見圖10。

圖10 不同加固措施下榆林子隧道周邊收斂的變化曲線Fig.10 Variation curves of peripheral convergence of Yulinzi tunnel under different reinforcement measures

由圖10可知：采用大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)加固后,隧道周邊收斂較未加固時(shí)減少了70.01%；采用基底旋噴樁支護(hù)加固后，隧道周邊收斂較未加固時(shí)減少了72.97%；采用拱腳鋼管樁+基底旋噴樁支護(hù)加固后，隧道周邊收斂較未加固時(shí)減少了83.82%；采用帷幕注漿加固后，隧道周邊收斂較未加固時(shí)減少了86.50%，其對隧道周邊收斂的控制效果最為明顯。

綜合分析來看，采取大管棚+超前注漿小導(dǎo)管、拱腳鋼管樁+基底旋噴樁支護(hù)加固措施對隧道拱頂沉降有一定的控制效果，但兩者最終拱頂沉降值都已經(jīng)超過富水黃土隧道拱頂沉降控制基準(zhǔn)值?？梢姡邳S土隧道富水段采用帷幕注漿加固更為合適。

模擬得到加固前后榆林子隧道洞周豎向位移的變化曲線，見圖11。

圖11 加固前后榆林子隧道洞周豎向位移的變化曲線 (單位：mm)Fig.11 Variation curves of vertical displacement around Yulinzi tunnel before and after reinforcement (unit:mm)

由圖11可知：4種加固措施都對隧道拱頂沉降控制起到了一定的作用，在隧道仰拱隆起控制方面，帷幕注漿加固措施的控制效果最佳，從未加固時(shí)隧道隆起401 mm降至152 mm；但大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)加固措施對于隧道仰拱隆起的治理效果甚微，仰拱隆起量僅僅減少了52.72 mm。

4種加固措施下榆林子隧道不同施工階段圍巖變形占比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見圖12。

圖12 4種加固措施下榆林子隧道不同施工階段圍巖 變形占比的統(tǒng)計(jì)圖Fig.12 Proportion of surrounding rock deformation in different construction stages of Yulinzi tunnel under four different reinforcement measures

由圖12可以看出:上臺階開挖階段，各種加固措施下隧道圍巖變形的占比為7.64%～46.2%，其中大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)加固措施在上臺階開挖階段隧道圍巖產(chǎn)生的變形占比最??；在中臺階開挖階段，各種加固措施下隧道圍巖變形的占比為13.8%～34.2%；在下臺階開挖階段，各種加固措施下隧道圍巖變形的占比為16.3%～59.8%，其中大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)加固措施在該階段內(nèi)隧道圍巖變形的占比最大，為59.8%，這說明該加固措施在開挖前期能有效控制隧道圍巖變形，但一旦拱腳部位受到擾動后其變形將會加劇，因此在隧道拱腳部位開挖時(shí)，應(yīng)及時(shí)對其做好加固措施。

3.2.2 隧道圍巖縱向位移分析

在隧道修建過程中，由于隧道圍巖的擾動及支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作并產(chǎn)生支護(hù)抗力，其位移場與應(yīng)力場都在發(fā)生變化，由掌子面開挖造成的隧道圍巖變形具有一定的空間效應(yīng)。然而，在實(shí)際施工中由于受到技術(shù)條件的限制，無法對隧道圍巖變形進(jìn)行空間上的分析，只能依托數(shù)值模擬進(jìn)行研究。本文模擬得到不同加固措施下榆林子隧道拱頂沉降量隨掌子面距離的變化曲線，見圖13。

圖13 不同加固措施下榆林子隧道拱頂沉降隨掌 子面距離的變化曲線Fig.13 Variation curves of tunnel crown settlement with Yulinzi tunnel face distance under different reinforcement measures

由圖13可知：隨著掌子面與監(jiān)測斷面距離的減小或增大，掌子面的開挖對隧道監(jiān)測斷面拱頂沉降的影響在增大或減小，且在掌子面與監(jiān)測斷面相距大約為2D時(shí)，隧道拱頂沉降基本上已經(jīng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)；在考慮地下水且未施加任何加固措施的情況下，隧道拱頂先前的沉降量已經(jīng)占總拱頂沉降量的45%，即在監(jiān)測斷面未開挖之前，該斷面處的拱頂已經(jīng)產(chǎn)生了很大的變形；采取了一系列加固措施后，隧道監(jiān)測斷面處拱頂先前的沉降量占拱頂總沉降量的比例有了明顯的減小，采取大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)、基底旋噴樁支護(hù)、拱腳鋼管樁+基底旋噴樁支護(hù)、帷幕注漿加固后，隧道監(jiān)測斷面處拱頂先前的沉降量占拱頂總沉降量的比例分別為35.80%、30.01%、29.05%、21.55%，可見帷幕注漿加固措施對于富水黃土隧道圍巖變形的控制效果最佳。

由圖13還可知，每個(gè)施工步驟的進(jìn)行，都會引起隧道圍巖變形速率的改變。為了進(jìn)一步了解開挖步與隧道圍巖變形的規(guī)律，采用變位分配法原理，分析每個(gè)施工步驟變形所占的比例，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

由表2可知：每個(gè)施工步驟的完成都會引起隧道圍巖發(fā)生大的變形，所以隧道開挖完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，以控制隧道圍巖的變形；除此之外，仰拱的閉合也是隧道圍巖變形的控制性節(jié)點(diǎn)，而盡早封閉成環(huán)對于控制隧道圍巖變形具有重要的意義。

表2 4種加固措施下隧道不同施工階段圍巖變形比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

通過對隧道拱頂沉降隨掌子面距離的變化曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，隧道拱頂沉降空間效應(yīng)曲線與Boltzmann曲線規(guī)律吻合度較高[24]，相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.997 2。在富水黃土隧道中采用三臺階七步開挖法，由于空間效應(yīng)的影響，其拱頂沉降空間效應(yīng)曲線可表示為

(4)

式中：u(x)為隧道拱頂沉降量(mm)；x為掌子面距離監(jiān)測斷面的距離(m)；A、B、C、D為常數(shù)，與隧道圍巖參數(shù)、初始地應(yīng)力場、隧道開挖方法、隧道支護(hù)措施等有關(guān)。

3.2.3 隧道仰拱填充層受力分析

本文模擬得到加固前后榆林子隧道填充層最大主應(yīng)力的變化曲線，見圖14。

圖14 加固前后榆林子隧道填充層最大主應(yīng)力的變化 曲線Fig.14 Change curves of maximum principal stress of backfill layer of Yulinzi tunnel before and after reinforcement

由圖14可知：隧道仰拱填充層單元的最大主應(yīng)力在隧道中心位置兩側(cè)基本成對稱分布，最大主應(yīng)力從隧道仰拱中心處向兩邊依次減??；隧道仰拱中心處未加固時(shí)仰拱填充層的最大拉應(yīng)力為1 128 kPa，已經(jīng)超過了C25混凝土的抗拉強(qiáng)度，易造成隧道仰拱開裂，這與現(xiàn)場的實(shí)際情況類似，其原因可能與隧道仰拱的隆起有關(guān)，由于隧道圍巖軟化對隧道仰拱填充層應(yīng)力的影響較大，因此在現(xiàn)場施工過程中應(yīng)及時(shí)清除隧道仰拱填充層附近的積水，避免圍巖遇水軟化，出現(xiàn)仰拱底鼓破壞；采用大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)加固后，隧道仰拱處的最大主應(yīng)力為1 005 kPa，相比未加固時(shí)最大主應(yīng)力減小了223 kPa，說明大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)加固對于隧道仰拱處的治理效果甚微；采用基底旋噴樁支護(hù)、拱腳鋼管樁+基底旋噴樁支護(hù)、帷幕注漿加固后，隧道仰拱處的最大主應(yīng)力分別為842 kPa、820 kPa、795 kPa，較未加固時(shí)最大主應(yīng)力分別減小了386 kPa、408 kPa、433 kPa，說明這3種加固措施有效地控制了隧道仰拱的開裂，同時(shí)也抑制了隧道仰拱的隆起。

3.2.4 隧道初襯最大主應(yīng)力分析

本文模擬得到加固前后榆林子隧道初襯各個(gè)位置處最大主應(yīng)力的變化曲線，見圖15。

圖15 加固前后榆林子隧道初襯最大主應(yīng)力的變化 曲線(單位：kPa)Fig.15 Change curves of maximum principal stress of primary lining of Yulinzi tunnel before and after reinforcement (unit:kPa)

由圖15可知：隧道初襯的最大主應(yīng)力基本呈對稱分布，呈現(xiàn)出“兩頭大，中間小”的特征；未加固時(shí)隧道初襯拱頂、左右拱肩、仰拱中心、左右拱腳處的最大主應(yīng)力分別為963.02 kPa、773.50 kPa、876.99 kPa、1 554.96 kPa、849.85 kPa、1 175.40 kPa，隧道仰拱中心處有被拉裂的風(fēng)險(xiǎn)；采用大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)加固后，隧道拱頂、左右拱肩處最大主應(yīng)力分別為380.02 kPa、350.83 kPa、432.42 kPa，較未加固時(shí)分別減小了60.5%、54.6%、50.7%，這是由于小導(dǎo)管經(jīng)過高壓注漿后，水泥漿液入滲充填了原本圍巖中的裂隙形成了加固圈，同時(shí)管棚形成了較好的拱殼支撐結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了隧道拱部圍巖的力學(xué)參數(shù)，使得隧道拱部圍巖具有一定的自承能力，從而使得隧道拱頂及左右拱肩位置的圍巖壓力減小，進(jìn)一步減小了隧道初襯的最大主應(yīng)力，但該加固措施對于隧道仰拱處的治理效果欠佳；采用基底旋噴樁支護(hù)、拱腳鋼管樁+基底旋噴樁支護(hù)加固后，隧道仰拱中心及左右拱腳處的最大主應(yīng)力有明顯的減小，有效抑制了隧道仰拱初襯結(jié)構(gòu)的開裂；采用帷幕注漿加固后的控制效果最為明顯，隧道拱頂、左右拱肩、仰拱中心、左右拱腳處的最大主應(yīng)力分別為293.65 kPa、179.54 kPa、203.56 kPa、937.25 kPa、563.16 kPa、779.33 kPa，較未加固時(shí)分別減小了69.50%、76.78%、76.79%、39.72%、33.73%、33.69%，其原因?yàn)椴扇♂∧蛔{加固措施后，隧道圍巖土體中的孔隙、裂隙、節(jié)理等被充填密實(shí)，使土體可塑性提高，注漿區(qū)域的土體將會固結(jié)形成一定的隔障，改變了地下水的滲流路徑，提高了原開挖土體的自穩(wěn)性和承載力，從而使得隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的圍巖壓力減小，確保了隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

4 隧道帷幕注漿加固效果現(xiàn)場觀測與論證

采取帷幕注漿加固措施對榆林子富水黃土隧道進(jìn)行加固處理，現(xiàn)場帷幕注漿加固效果見圖16。

圖16 榆林子隧道現(xiàn)場帷幕注漿加固效果圖Fig.16 Effect drawing of on-site curtain grouting reinforcement of Yulinzi tunnel

由圖16可見,由于高壓注漿的填充、擠密、劈裂、固結(jié)以及隔障作用[25]，使得原土層內(nèi)的孔隙、裂縫、節(jié)理等被水泥漿充填并擠壓密實(shí)，地下水的滲流通道得到控制，隧道圍巖的滲透性變小、穩(wěn)定性增強(qiáng)，可確保隧道安全施工。

本文模擬得到帷幕注漿加固措施下榆林子隧道YK280+396斷面拱頂沉降和周邊收斂的時(shí)程曲線,見圖17。

圖17 帷幕注漿加固措施下榆林子隧道YK280+396斷面拱頂沉降和周邊收斂的時(shí)程曲線Fig.17 Time history curves of crown settlement and peripheral convergence at YK280+396 section of Yulinzi tunnel under curtain grouting reinforcement measures

由圖17可知，隧道YK280+396斷面采取帷幕注漿加固后，隧道拱頂沉降和周邊收斂均有了明顯的減小，其最終的拱頂沉降和周邊收斂穩(wěn)定值均小于基準(zhǔn)控制值，進(jìn)一步論證了帷幕注漿加固措施在富水黃土隧道地層中的適用性。

5 結(jié) 論

針對富水黃土隧道圍巖大變形問題，本文以銀百高速甜永段榆林子隧道為依托，提出了大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)、基底旋噴樁支護(hù)、拱腳鋼管樁+基底旋噴樁支護(hù)、帷幕注漿加固4種加固措施，并采用MIDAS-GTS-NX有限元軟件對4種加固措施的控制效果進(jìn)行了對比分析與論證，得到如下結(jié)論：

(1) 通過對榆林子隧道YK280+265.45斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，富水黃土隧道圍巖變形都表現(xiàn)出變形快速發(fā)展—變形持續(xù)發(fā)展—變形穩(wěn)定3個(gè)階段的變化趨勢，并且可利用指數(shù)函數(shù)模型對富水黃土隧道圍巖變形進(jìn)行預(yù)測。

(2) 對大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)、基底旋噴樁支護(hù)、拱腳鋼管樁支護(hù)、帷幕注漿加固4種加固措施的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明：大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)加固后,隧道拱頂沉降較未加固時(shí)減少了20.11%；采用基底旋噴樁支護(hù)加固后，隧道拱頂沉降較未加固時(shí)減少了23.16%;采用拱腳鋼管樁+基底旋噴樁支護(hù)加固后,隧道拱頂沉降較未加固時(shí)減少了24.60%；采用帷幕注漿加固后，隧道拱頂沉降較未加固時(shí)減少了68.58%,其對于隧道拱頂沉降的控制效果最為明顯；采用大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)、基底旋噴樁支護(hù)、拱腳鋼管樁+基底旋噴樁支護(hù)、帷幕注漿加固后,隧道拱頂先前的沉降量占總沉降量的比例分別為35%、30%、29%、21%；從隧道拱頂沉降和周邊收斂兩方面控制效果來講，帷幕注漿加固措施對于富水黃土隧道圍巖變形的控制效果最佳。通過對隧道拱頂沉降隨掌子面距離的變化曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，隧道拱頂沉降空間效應(yīng)曲線用Boltzmann曲線擬合精度最好。

(3) 采取基底旋噴樁支護(hù)、拱腳鋼管樁+基底旋噴樁支護(hù)加固措施能有效控制隧道仰拱的隆起及開裂，采取大管棚+超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)加固措施對于隧道拱頂周邊圍巖的加固效果較為明顯，減小了隧道初襯拱頂及左右拱肩處的最大主應(yīng)力。但兩種加固措施都存在相應(yīng)的缺陷，而采取帷幕注漿加固措施后，無論是隧道圍巖的變形，還是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力都有了明顯的減小。從現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果來看，帷幕注漿加固技術(shù)在高含水率黃土地層隧道開挖中控制隧道圍巖變形的加固效果良好，具有較好的工程參考價(jià)值，建議在黃土隧道富水段的施工采用帷幕注漿技術(shù)進(jìn)行超前預(yù)加固，以提高施工安全性和工效。