淺埋小凈距隧道中夾巖柱穩(wěn)定性及加固方案研究

閆振虎，王 凱，唐 坤，梁 斌，李文杰

(1.中鐵十五局集團(tuán) 第三工程有限公司，成都 611730； 2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

1 研究背景

隨著我國(guó)基礎(chǔ)交通建設(shè)的大力發(fā)展，高速公路修建過(guò)程中不可避免地穿過(guò)山嶺重丘[1]。穿山隧道在選線時(shí)往往受到地形地貌限制，使得雙洞間距<1.5倍開(kāi)挖洞徑，遠(yuǎn)小于普通分離式隧道雙洞間距，由此產(chǎn)生了小凈距隧道這種新型結(jié)構(gòu)形式[2]。由于小凈距隧道中夾巖柱厚度較小且承受了較大圍巖豎向壓力，在施工過(guò)程中受到施工擾動(dòng)影響以及爆破開(kāi)挖帶來(lái)的損傷后很容易發(fā)生塑性破壞[3-4]。因此，有必要對(duì)小凈距隧道中夾巖柱上覆圍巖壓力影響因素及其穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者主要通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)等方法對(duì)小凈距隧道中夾巖柱穩(wěn)定性及加固方案進(jìn)行研究。在理論計(jì)算方面，晏莉等[5]參照煤礦開(kāi)采條帶中煤柱安全系數(shù)計(jì)算方法對(duì)雙孔隧道中間巖柱穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。李術(shù)才等[6]建立中巖墻承載模型，通過(guò)理論分析給出小凈距隧道中墻穩(wěn)定性判據(jù)，進(jìn)而得到中墻合理厚度。夏夢(mèng)然[7]通過(guò)理論推導(dǎo)研究了淺埋超小凈距隧道中夾巖柱失穩(wěn)機(jī)理，計(jì)算得到中夾巖柱上覆壓力，結(jié)合土體極限應(yīng)力公式分析了中夾巖柱失穩(wěn)破壞特征。李享松等[8]基于普氏平衡拱理論，建立中夾巖力學(xué)分析模型，推導(dǎo)得到中夾巖破裂面的下滑力、抗滑力計(jì)算公式。在數(shù)值模擬方面，唐陶文等[9]、張桂生等[10]、張海兵等[11]、耿建儀等[12]依托實(shí)際工程，對(duì)比分析了小凈距隧道在不同凈距條件下中夾巖柱位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分布等變化規(guī)律，以此選出最佳凈距。姚勇等[13]、劉蕓等[14]、陳佳[15]研究了不同加固措施(對(duì)穿錨桿加固、預(yù)應(yīng)力錨桿加固、小導(dǎo)管注漿加固等)對(duì)小凈距隧道中夾巖柱受力變形的控制效果，并結(jié)合具體工程選出最優(yōu)加固方案。在模型試驗(yàn)方面，相關(guān)研究較少且通常與數(shù)值計(jì)算方法相結(jié)合，盡管有學(xué)者[16-17]建立了相應(yīng)物理模型并研究了不同結(jié)構(gòu)形式、不同凈距和不同加固方案條件下的小凈距隧道中夾巖柱力學(xué)特性，得到一定成果，但由于室內(nèi)試驗(yàn)費(fèi)用高昂難以得到廣泛應(yīng)用。

上述研究成果為研究小凈距隧道中夾巖柱力學(xué)特性和有效加固措施積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，但在Ⅴ級(jí)圍巖、淺埋偏壓條件下不同隧道凈距和不同中夾巖柱加固方式對(duì)小凈距隧道中夾巖柱穩(wěn)定性影響方面的研究較少。

本文依托四川德陽(yáng)遂德高速白竹山1號(hào)隧道工程，基于普氏平衡拱理論，結(jié)合小凈距隧道施工過(guò)程中兩種極限平衡拱情況對(duì)中夾巖柱穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行研究，并分析中夾巖柱在不同隧道凈距工況下隨隧道開(kāi)挖過(guò)程變化的受力變形特性，同時(shí)對(duì)中夾巖柱進(jìn)行分區(qū)，研究不同中夾巖柱加固方案對(duì)圍巖位移的控制效果并提出合理加固方案，以期為類似小凈距隧道中夾巖柱最小安全凈距及加固設(shè)計(jì)和施工提供借鑒與參考。

2 工程概況

白竹山1號(hào)隧道位于四川省德陽(yáng)市境內(nèi)，隧道采用分離式雙向四車(chē)道設(shè)計(jì)，單洞開(kāi)挖高度10.5 m，寬度13.2 m，左線起訖里程Z2K98+110—Z2K98+788，全長(zhǎng)678 m，最大埋深88 m，屬中隧道；右線起訖里程K98+146—K98+793，全長(zhǎng)647 m，最大埋深90 m，屬中隧道。白竹山1號(hào)隧道進(jìn)洞口如圖1所示。

圖1 白竹山1號(hào)隧道進(jìn)洞口

隧道進(jìn)口端地形陡峭，自然坡度20°～25°，表層上覆黏土，厚度較薄，邊坡開(kāi)挖后以強(qiáng)-中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎-較破碎，呈散體狀結(jié)構(gòu)，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，穩(wěn)定性極差。根據(jù)鉆探及工程地質(zhì)調(diào)繪綜合分析，隧道區(qū)地層巖性主要為殘坡積黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及中風(fēng)化礫巖。洞口小凈距段地質(zhì)橫斷面如圖2所示。

圖2 地質(zhì)橫斷面圖

3 淺埋小凈距隧道中夾巖柱圍巖壓力機(jī)理分析

3.1 單洞普氏平衡拱理論

普氏理論認(rèn)為，在軟弱破碎圍巖條件下開(kāi)挖地下洞室，洞室拱頂破碎巖體塌落形成保持相對(duì)穩(wěn)定的拋物線平衡拱，承受拱上部覆蓋巖層重量，此時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)處于減壓狀態(tài)，支護(hù)結(jié)構(gòu)上覆荷載由平衡拱內(nèi)塌落巖體重量確定[18]。單洞普氏平衡拱計(jì)算模型如圖3所示。圖中：H、B分別為洞室開(kāi)挖高度和跨度；h為單洞平衡拱高度；φ為圍巖計(jì)算內(nèi)摩擦角；Bm為單洞平衡拱跨度；Hn為洞室破裂面與開(kāi)挖輪廓線下端距離；Bp為洞室墻角到平衡拱拱座的水平距離。

圖3 普氏平衡拱理論曲線

平衡拱高度h和平衡拱跨度Bm可以表示為：

(1)

Bm=B+2(H-Hn)tan(45°-φ/2) 。

(2)

式中f為普氏圍巖堅(jiān)固性系數(shù)，f=tanφ。

3.2 中夾巖柱圍巖壓力

3.2.1 荷載分布模式

依據(jù)中夾巖柱在小凈距隧道施工中的承載能力大小，建立小凈距隧道圍巖兩種極限平衡拱計(jì)算模型，如圖4所示，圖中，Bz為隧道凈距，hm為極限平衡拱高度。兩種極限平衡拱分別為[19]：

(1)單側(cè)平衡拱。小凈距隧道開(kāi)挖方式合理且中夾巖柱穩(wěn)定具有較高承載能力，此時(shí)平衡拱形成范圍較小，各洞室上方形成獨(dú)立平衡拱，兩洞室平衡拱互無(wú)影響，如圖4曲線①所示。

圖4 小凈距隧道兩種極限平衡拱

(2)極限平衡拱。由于小凈距隧道開(kāi)挖方式或加固措施不合理，導(dǎo)致中夾巖柱完全失穩(wěn)，不再具備承載上方松散土體的能力，洞室開(kāi)挖后整體形成一個(gè)較大的極限平衡拱，如圖4曲線②所示。極限平衡拱高度hm為

(3)

式中Bmp為雙洞極限平衡拱跨度。

小凈距隧道施工過(guò)程中，中夾巖柱加固措施關(guān)乎整個(gè)隧道工程施工的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[20]結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)提出在Ⅴ級(jí)松散破碎圍巖條件下，凈距在0.25B～0.5B的小凈距隧道，一般采用小導(dǎo)管注漿+對(duì)拉預(yù)應(yīng)力錨桿的中夾巖加固措施；凈距在0.5B～0.67B的小凈距隧道，一般采用小導(dǎo)管注漿的中夾巖加固措施(B為隧道開(kāi)挖寬度)。中夾巖柱采用合理加固措施能夠極大增強(qiáng)其承載能力，加固后小凈距隧道平衡拱的形成介于圖4兩種平衡拱之間。

根據(jù)小凈距隧道圍巖荷載作用模式，隧道拱頂及中夾巖上部垂直壓力可以看作基本壓力q與附加壓力q′的組合作用，其中，基本壓力q為單個(gè)隧道平衡拱的壓力，可以將其簡(jiǎn)化為均布?jí)毫?；附加壓力q′為極限平衡拱下圍巖壓力減去基本壓力。文獻(xiàn)[9]將附加壓力簡(jiǎn)化為三角分布，由此可將隧道小凈距段圍巖及中夾巖荷載分布表示為圖5。圖中e1、e2、e′1、e′2均為水平向應(yīng)力。

圖5 小凈距段荷載分布

3.2.2 巖柱壓力計(jì)算公式

淺埋隧道頂部基本壓力q為

式中γ為圍巖重度。

附加壓力q′最大值為

(5)

式中ξ為附加壓力修正系數(shù)，當(dāng)中夾巖柱下沉量很小時(shí)，取ξ=0.2～0.4，反之ξ越大，一般取ξ=0.5～0.8。

根據(jù)三角形相似關(guān)系可得隧道拱頂附加壓力q1為

(6)

中夾巖上部豎向圍巖壓力q0為基本壓力q與附加壓力最大值q′之和，隧道頂部圍巖豎向壓力q′1為隧道拱頂附加壓力q1與基本壓力q之和，則中夾巖柱豎向圍巖壓力q0和隧道拱頂豎向圍巖壓力q′1分別表示為：

q0=q′+q=γh+ξγ(hm-h)=

(7)

q′1=q1+q=

(8)

淺埋小凈距隧道以基本豎向壓力q為基礎(chǔ)計(jì)算淺埋隧道頂部和中夾巖柱圍巖豎向壓力，相較于普通分離式隧道，本文圍巖豎向壓力計(jì)算公式中引用了附加壓力修正系數(shù)ξ和隧道凈距Bz兩個(gè)參數(shù)，而ξ與Bz之間存在一定關(guān)聯(lián)。當(dāng)Bz增大時(shí)，中夾巖柱上部平衡拱內(nèi)塌落巖體減少，則ξ隨之減小，直至接近于0，此時(shí)隧道頂部圍巖豎向應(yīng)力表示為

q′1=q1+q=

(9)

3.3 圍巖壓力影響因素分析

上述研究結(jié)果表明， 小凈距隧道開(kāi)挖方式、 中夾巖柱加固措施、 隧道凈距對(duì)中夾巖柱上覆圍巖壓力影響較大， 直接影響平衡拱的形成及圍巖壓力的大小。 此外， 工程實(shí)踐和理論研究表明， 隧道斷面尺寸及形式、 圍巖等級(jí)、 隧道埋深等因素對(duì)隧道圍巖壓力還存在著一定影響， 但影響相對(duì)較小[21]。

4 中夾巖柱穩(wěn)定性分析與合理凈距確定

以四川德陽(yáng)遂德高速白竹山1號(hào)隧道為背景，采用MIDAS GTS NX軟件建立隧道凈距分別為2.64 m(0.2B)、5.28 m(0.4B)、7.92 m(0.6B)、10.56 m(0.8B)、13.2 m(1B)、26.4 m(2B)共計(jì)6種凈距工況的淺埋小凈距隧道三維數(shù)值模型(B為開(kāi)挖洞寬)，分析隧道開(kāi)挖對(duì)中夾巖柱的施工擾動(dòng)以及中夾巖柱在上覆豎向壓力作用下的受力特性[22]。

4.1 計(jì)算模型

結(jié)合實(shí)際工程并考慮邊界效應(yīng)的影響，本文模型邊界選取水平向(x軸)125 m；因隧址區(qū)地形存在偏壓，豎向(z軸)上邊界至原地表，下邊界模型底部距隧道洞底40 m(4倍開(kāi)挖洞高)；隧道縱深(y軸)40 m。隧道開(kāi)挖以2 m進(jìn)尺為一個(gè)開(kāi)挖循環(huán)，采用中隔法進(jìn)行施工。隧道三維模型及中夾巖柱中部測(cè)點(diǎn)示意圖如圖6所示。

圖6 隧道三維模型及中夾巖柱中部測(cè)點(diǎn)示意圖

4.2 模型參數(shù)

隧道圍巖為三維實(shí)體單元，采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型；初期支護(hù)和中隔墻采用二維板單元模擬，其中初期支護(hù)考慮鋼拱架與噴射混凝土的組合作用，其等效彈性模量由式(10)確定；中空砂漿錨桿采用一維植入式桁架單元模擬[23]。隧道巖土體參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)根據(jù)白竹山1號(hào)隧道地質(zhì)勘查報(bào)告確定，如表1所示。

表1 隧道巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)

(10)

式中：E為初期支護(hù)等效彈性模量(MPa)；E0為噴混彈性模量(MPa)；Sg為鋼拱架截面積(m2)；Eg為鋼拱架彈性模量(MPa)；Sc為噴射混凝土截面積(m2)。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 圍巖位移分析

不同凈距工況下隧道左洞拱頂沉降隨開(kāi)挖步序改變的變化曲線如圖7(a)所示，右洞拱頂沉降趨勢(shì)與左洞相似，此處不再贅述。由圖7(a)可知，不同隧道凈距工況下隧道左洞拱頂沉降變化趨勢(shì)基本相同，呈現(xiàn)出先緩慢增加后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，且最終拱頂沉降隨著凈距減小而增大；隧道凈距為0.2B和0.4B時(shí)，左洞拱頂沉降明顯增大，圍巖變形產(chǎn)生突變，最終沉降分別達(dá)到了11.81 mm和9.75 mm，此時(shí)必須對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固；當(dāng)隧道凈距≥0.8B時(shí)，拱頂沉降曲線十分接近且沉降值較小。

不同隧道凈距工況下中夾巖柱水平位移變化曲線如圖7(b)所示，圖中位移負(fù)值表示向左發(fā)生變形，正值表示向右發(fā)生變形。由圖7(b)可知，隨著隧道凈距不斷增加，中夾巖柱左側(cè)測(cè)點(diǎn)水平位移負(fù)值不斷增大，右側(cè)測(cè)點(diǎn)水平位移正值不斷減小，且水平位移曲線與水平坐標(biāo)軸相交零點(diǎn)位置不斷左移，表明隨著凈距的增大，中間巖柱左右側(cè)相互錯(cuò)動(dòng)逐漸減小，穩(wěn)定性提高。當(dāng)凈距≥0.8B時(shí)中夾巖柱水平位移曲線較為平緩，中夾巖柱中部測(cè)點(diǎn)水平位移值相差不大，僅在靠近中夾巖柱邊緣測(cè)點(diǎn)位置出現(xiàn)較大位移。綜上所述可將隧道合理凈距定為0.8B～2B。

圖7 不同隧道凈距工況下圍巖位移變化

4.3.2 中夾巖柱塑性區(qū)分布

不同隧道凈距工況下中夾巖柱塑性區(qū)分布如圖8所示。由圖8可知，隨著中夾巖柱厚度不斷增加，左右洞邊墻塑性區(qū)差異越來(lái)越大，呈現(xiàn)出左洞塑性區(qū)分布范圍較右洞大的現(xiàn)象；當(dāng)隧道凈距為0.2B～0.4B時(shí)，中夾巖柱塑性區(qū)完全貫通，此時(shí)中夾巖柱變形顯著增加，處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，分析其原因，中夾巖柱厚度太小，無(wú)法承受上部較大圍巖壓力，且隧道雙洞施工過(guò)程中開(kāi)挖應(yīng)力場(chǎng)重疊也會(huì)對(duì)中夾巖柱造成嚴(yán)重影響，尤其是中夾巖柱中心厚度最小處；當(dāng)凈距為0.6B時(shí)，中夾巖柱塑性區(qū)已經(jīng)分離，但塑性區(qū)分布范圍較大；當(dāng)凈距≥0.8B時(shí)，中夾巖柱塑性區(qū)完全分離，其核心部位受塑性破壞影響較小，中夾巖柱處于穩(wěn)定狀態(tài)；隧道凈距持續(xù)增大到2B時(shí)，雙洞塑性區(qū)分布范圍與普通分離式隧道相差無(wú)異，違背了小凈距隧道設(shè)計(jì)的初衷。由此可將隧道合理凈距定為0.8B～1B。

圖8 不同凈距工況下中夾巖柱塑性區(qū)分布

4.3.3 中夾巖柱豎向應(yīng)力分析

經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算提取出6種不同凈距工況下中夾巖柱測(cè)點(diǎn)豎向應(yīng)力，其分布情況如圖9所示。由圖9可知，在地形偏壓作用影響下，以中夾巖柱中部11號(hào)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)，中夾巖柱左側(cè)豎向應(yīng)力值較右側(cè)大。當(dāng)隧道凈距為0.2B和0.4B時(shí)，豎向應(yīng)力曲線呈現(xiàn)單峰分布，中夾巖柱中部應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，此時(shí)塑性區(qū)已貫通，中夾巖柱處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，必須進(jìn)行加固；隧道凈距增大到0.6B時(shí)，豎向應(yīng)力曲線接近直線，說(shuō)明在隧道開(kāi)挖引起的壓力拱疊加作用下中夾巖柱豎向應(yīng)力分布較為均勻；當(dāng)隧道凈距大于0.6B時(shí)，應(yīng)力曲線呈現(xiàn)雙峰馬鞍形分布，中夾巖柱中部測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值下降速率較兩側(cè)大，且凈距越大應(yīng)力曲線下凹趨勢(shì)越明顯，這說(shuō)明隨著凈距增大，中夾巖柱中部受隧道施工擾動(dòng)越小，其越穩(wěn)定越好。綜上所述，隧道安全凈距應(yīng)≥0.8B。

圖9 不同凈距工況下中夾巖柱測(cè)點(diǎn)豎向應(yīng)力曲線

4.3.4 隧道合理凈距確定

小凈距隧道合理凈距受到圍巖地質(zhì)條件、隧道埋深以及圍巖等級(jí)的影響，但更重要的是以拱頂沉降、中夾巖柱水平位移和塑性區(qū)分布范圍不再發(fā)生顯著變化，中夾巖柱豎向應(yīng)力無(wú)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象為準(zhǔn)則。隧道凈距越小，隧道開(kāi)挖雙洞之間的影響越大，中夾巖柱越不穩(wěn)定，無(wú)形中加大了施工成本與難度。當(dāng)隧道凈距>0.8B時(shí)，不同凈距條件下的隧道拱頂沉降以及中夾巖柱水平位移曲線十分接近且沉降量和水平位移值較小；中夾巖柱塑性區(qū)完全分離且分布范圍隨著凈距增大無(wú)明顯改變；中夾巖柱中部豎向應(yīng)力下降速率隨凈距增大而增大，表明中夾巖柱中部受隧道開(kāi)挖影響不斷減小。當(dāng)隧道凈距為2B時(shí)，中夾巖柱受力變形特征與普通分離式隧道無(wú)異，不符合小凈距隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，由此可將合理凈距定為0.8B～1B，白竹山1號(hào)隧道進(jìn)口端線間距為13.94 m(1.05B)是合理的。

5 中夾巖柱注漿加固方案優(yōu)化

中夾巖柱的穩(wěn)定關(guān)乎整個(gè)小凈距隧道的穩(wěn)定，在Ⅴ級(jí)軟弱圍巖地質(zhì)條件下，即便隧道凈距符合小凈距隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)且中夾巖柱力學(xué)特性分析結(jié)果良好，還應(yīng)對(duì)中夾巖柱采取加固措施。大量研究結(jié)果表明，Ⅴ級(jí)圍巖條件下，小導(dǎo)管注漿加固中夾巖柱的效果最優(yōu)，能有效提高中夾巖柱整體性和穩(wěn)定性，但對(duì)中夾巖柱不同部分進(jìn)行注漿的加固效果不盡相同，由此展開(kāi)中夾巖柱注漿加固方案優(yōu)化研究。

5.1 小導(dǎo)管注漿加固機(jī)理

小凈距隧道中夾巖柱小導(dǎo)管注漿加固主要通過(guò)小導(dǎo)管本身和注漿兩方面來(lái)改變圍巖力學(xué)參數(shù)，增強(qiáng)中夾巖柱承載能力。小導(dǎo)管本身對(duì)中夾巖柱的加固作用與普通系統(tǒng)錨桿相似，當(dāng)圍巖產(chǎn)生變形時(shí)，依靠其支護(hù)抗力限制圍巖進(jìn)一步變形。通過(guò)小導(dǎo)管向中夾巖柱注入漿液后，漿液向周?chē)浫跗扑閲鷰r裂隙擴(kuò)散，以此形成整體性強(qiáng)、剛度較大的加固區(qū)域[24]。采用小導(dǎo)管注漿后提高了中夾巖柱巖體的彈性模量E、黏聚力c和巖體內(nèi)摩擦角φ，減小了巖體泊松比μ?；谀?庫(kù)倫準(zhǔn)則，中夾巖柱安全系數(shù)為[25]

(11)

式中K為中夾巖柱安全系數(shù)。

采用小導(dǎo)管注漿加固改善了圍巖土體參數(shù)，中夾巖柱安全系數(shù)也相應(yīng)增大，極大地增強(qiáng)了其穩(wěn)定性，延緩了小凈距隧道雙洞開(kāi)挖時(shí)中夾巖柱塑性區(qū)形成時(shí)間以及分布范圍。

5.2 不同加固方案位移差異分析

為了分析小凈距隧道中夾巖柱在不同加固方案情況下的受力、變形特征，中夾巖柱加固分別考慮未加固、上巖盤(pán)加固、中巖盤(pán)加固、下巖盤(pán)加固和中夾巖柱上、下巖盤(pán)加固5種方案。本次研究采用近似等效方法，即Ⅴ級(jí)圍巖中夾巖柱加固后采用Ⅲ級(jí)圍巖代替。

為進(jìn)一步研究不同加固方案對(duì)圍巖位移的影響，選取測(cè)線L進(jìn)行地表沉降觀測(cè)，選取a、b、c為地中觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)布置及加固區(qū)域劃分如圖10所示，圖中A、B、C分別表示中夾巖柱上巖盤(pán)、中巖盤(pán)和下巖盤(pán)加固區(qū)域。不同加固方案工況下地中及地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降比較如圖11所示。

圖10 觀測(cè)點(diǎn)布置及加固區(qū)域劃分

由圖11(a)可知，在地形偏壓作用下，地中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移表現(xiàn)出左洞中心上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移大于中夾巖柱和右洞中心上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移。從減小地中位移效果來(lái)看，不同加固方式對(duì)控制地中位移均起到一定作用，其中，對(duì)中夾巖柱中巖盤(pán)加固效果最好，其次是上、下巖盤(pán)加固和下巖盤(pán)加固，單獨(dú)對(duì)上巖盤(pán)進(jìn)行注漿加固效果并不理想。

由圖11(b)可知，隧道開(kāi)挖完成后地表沉降呈現(xiàn)非對(duì)稱的“W”形，地表沉降較大值出現(xiàn)在左、右洞中心對(duì)應(yīng)的地表處。不同加固方式對(duì)地表沉降均能起到一定程度較小作用，減小幅度為11.50%～48.51%，從減小最終地表沉降效果來(lái)看，有以下排列：中巖墻加固>上、下巖盤(pán)加固>下盤(pán)加固>上巖盤(pán)加固>未加固。

圖11 不同加固方案沉降比較

對(duì)小凈距隧道中夾巖柱進(jìn)行分區(qū)并對(duì)不同分區(qū)及其組合進(jìn)行注漿加固，以地中和地表位移作為重要評(píng)判指標(biāo)探討不同加固方案的加固效果，研究結(jié)果表明，在軟弱圍巖條件下，對(duì)中夾巖柱中巖盤(pán)加固效果最好，甚至好于上、下巖盤(pán)加固，因此對(duì)中巖盤(pán)進(jìn)行加固是有必要的；值得說(shuō)明的是，在中夾巖柱加固設(shè)計(jì)和施工中，經(jīng)常對(duì)上巖盤(pán)進(jìn)行重點(diǎn)加固卻忽略下巖盤(pán)加固的作用，從本研究結(jié)果來(lái)看，應(yīng)重視下巖盤(pán)的加固。

綜上，在此提出中夾巖柱合理加固方案：對(duì)于極其軟弱Ⅴ級(jí)圍巖，建議采用中夾巖柱上、中、下巖盤(pán)全加固方案；對(duì)于一般軟弱Ⅴ級(jí)圍巖，建議采用中、下巖盤(pán)組合加固方案；對(duì)于較好的Ⅴ級(jí)圍巖，建議采用上、中巖盤(pán)組合加固方案或單獨(dú)加固中巖盤(pán)。

5.3 中夾巖柱注漿加固效果分析

白竹山1號(hào)隧道洞口小凈距段采用長(zhǎng)4.5 m厚3.5 mm的Φ42 mm無(wú)縫鋼花管對(duì)中夾巖柱中巖盤(pán)進(jìn)行注漿加固，環(huán)縱間距0.6 m×0.5 m。小導(dǎo)管管身泄?jié){孔按梅花形布設(shè)，孔徑6～8 mm，沿管身間距20～30 cm。小導(dǎo)管垂直于開(kāi)挖輪廓線打設(shè)，其布置形式如圖12所示。

圖12 小導(dǎo)管注漿布置形式

施工現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)對(duì)地表和拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，選取K98+176斷面進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖13 所示，選取DB3、DB4、DB5為地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取GD1和GD2為左右洞拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。所得現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圍巖變形結(jié)果如圖14所示。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖14 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圍巖變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖14可知，地表和拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降呈現(xiàn)出在監(jiān)測(cè)前期不斷增大最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，且在地形偏壓作用下深埋側(cè)地表和拱頂沉降大于淺埋側(cè)。隧道洞口小凈距段施工完成后地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB3—DB5的最終沉降量分別為4.3、2.6、2.8 mm，較上文對(duì)中巖盤(pán)加固后對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降增大0.3～0.8 mm，數(shù)值計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值相差不大，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的合理性與正確性。左、右洞拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)GD1和GD2最終沉降值分別為3.5 mm和5.7 mm，相比未加固工況下左洞拱頂沉降(4.2 mm)和右洞拱頂沉降(8.5 mm)顯著減小，表明現(xiàn)場(chǎng)采用小導(dǎo)管注漿加固中夾巖柱后，很好地增強(qiáng)了中夾巖柱整體性、剛度以及穩(wěn)定性，限制了圍巖變形，確保了隧道安全快速施工，中夾巖柱注漿加固效果如圖15所示。

圖15 中夾巖注漿加固效果

6 結(jié) 論

(1)小凈距隧道開(kāi)挖方式、中夾巖柱加固措施以及隧道凈距對(duì)隧道平衡拱的形成和上覆圍巖壓力影響較大，應(yīng)重點(diǎn)研究這些因素對(duì)中夾巖柱的影響。

(2)運(yùn)用MIDAS GTS NX有限元軟件對(duì)6種隧道凈距工況下中夾巖柱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際工程確定了Ⅴ級(jí)圍巖下白竹山1號(hào)隧道進(jìn)口小凈距段合理凈距為0.8B～1B，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)凈距為13.94 m(1.05B)是合理的。

(3)通過(guò)研究不同加固方案下的圍巖位移差異得到，中夾巖柱中巖盤(pán)加固效果最好，對(duì)其加固是有必要的，且在工程實(shí)踐中還應(yīng)重視下巖盤(pán)加固的作用。

(4)對(duì)于極其軟弱Ⅴ級(jí)圍巖，建議采用全加固方案；對(duì)于一般軟弱Ⅴ級(jí)圍巖，建議采用中、下巖盤(pán)組合加固方案；對(duì)于較好的Ⅴ級(jí)圍巖，建議采用上、下巖盤(pán)組合加固方案或單獨(dú)加固中巖盤(pán)方案。

(5)白竹山1號(hào)隧道洞口小凈距段采用小導(dǎo)管注漿的方法對(duì)中夾巖柱中巖盤(pán)進(jìn)行加固，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明了數(shù)值計(jì)算的合理性與正確性以及采用小導(dǎo)管注漿加固后極大地增強(qiáng)了中夾巖柱的整體性和穩(wěn)定性，限制了圍巖變形，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。