黃竹口隧道穿越軟弱危巖區(qū)隧道變形特性及加固措施研究

摘要：為研究穿越軟弱危巖區(qū)隧道變形特性及加固措施，文章以廣西賀州市昭平縣黃竹口隧道為例，基于數(shù)值模擬軟件FLAC 3D分析了三臺(tái)階七步、環(huán)形預(yù)留核心土以及CD法開挖下的隧道圍巖變形特性，并提出采用超前小導(dǎo)管方案對(duì)軟弱危巖進(jìn)行加固。結(jié)果表明：軟弱危巖的存在會(huì)加劇開挖中圍巖形變；三臺(tái)階七步開挖法對(duì)隧道拱底、拱肩及拱頂具有較好的控制作用，但對(duì)拱腳圍巖控制作用不佳；采用超前注漿加固方案對(duì)穿越軟弱危巖區(qū)隧道變形具有控制性作用，可有效控制圍巖變形。

關(guān)鍵詞：軟弱危巖區(qū)；隧道變形特性；加固措施；超前注漿

中圖分類號(hào)：Y457+3" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.043

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0144-04

0引言

隧道工程作為基礎(chǔ)建設(shè)中的重要組成部分，其施工技術(shù)先進(jìn)性與安全性備受社會(huì)關(guān)注。在隧道修建過程中不可避免地會(huì)穿越地質(zhì)條件復(fù)雜、巖體結(jié)構(gòu)破碎區(qū)域，此類區(qū)域隧道變形量大、支護(hù)效果差，進(jìn)而嚴(yán)重威脅到隧道的施工安全，因此研究軟弱危巖區(qū)隧道變形特性及加固措施具有重要的理論與實(shí)際意義。

目前，針對(duì)隧道變形特性的研究主要采用數(shù)值模擬、物理試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析隧道圍巖變形規(guī)律與影響因素、新型支護(hù)措施加固效果以及評(píng)估地質(zhì)改良技術(shù)等。路德春等［1］結(jié)合實(shí)際工程利用ABAQUS軟件建立下穿既有隧道三維數(shù)值模型，分析了隧道變形、圍壓以及內(nèi)力變化規(guī)律，進(jìn)一步揭示其變形機(jī)理。陳子娟等［2］依托南通某隧道工程，利用DEM-FDM耦合數(shù)值模擬方法，探究了樁距、樁長(zhǎng)對(duì)隧道變形的影響。王俊杰等［3］提出將“超前應(yīng)力釋放+環(huán)向注漿+加長(zhǎng)錨桿”的變形控制方法運(yùn)用于控制圍巖大變形并利用FLAC 3D離散元軟件構(gòu)建軟巖峰后強(qiáng)度劣化模型，結(jié)果表明超前導(dǎo)洞可有效減小圍巖變形，環(huán)向注漿有助于控制圍巖變形松動(dòng)，提高其圍巖承載力。呂海亮等［4］以某隧道工程為例，基于有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)施工全過程進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力與軟巖強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上提出新型加固體系“隧道預(yù)支護(hù)-初期支護(hù)-圍巖相互作用”。趙志浩等［5］以某軟土隧道為研究對(duì)象，分析軟土隧道長(zhǎng)期變形特征，結(jié)果表明泊松比變化對(duì)隧道長(zhǎng)期變形影響不大，而隧底旋噴加固可有效控制軟土隧道沉降。竇廷明［6］對(duì)隧道破碎帶坍塌機(jī)理進(jìn)行分析，并提出新型注漿加固-臨時(shí)鋼支撐聯(lián)合措施控制隧道圍巖變形，結(jié)果表明聯(lián)合治理后圍巖穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，隧道拱頂沉降為19.2 mm，拱腰收斂為13.5 mm。梁夏［7］將數(shù)值模擬與實(shí)際工程相結(jié)合，探討了圍巖等級(jí)以及初始應(yīng)力對(duì)隧道開挖的影響規(guī)律，結(jié)果表明圍巖等級(jí)與初始地應(yīng)力是影響支護(hù)選擇的重要因素。

綜上所述，研究學(xué)者對(duì)隧道變形與加固技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，但較少涉及軟弱危巖區(qū)隧道變形的研究，并未考慮不同工法對(duì)隧道圍巖變形特征的影響。因此，本文在前人研究基礎(chǔ)上，以賀巴高速公路（昭平至蒙山段）黃竹口隧道工程為例，基于離散元數(shù)值模擬軟件，分析不同工況下隧道圍巖變形規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出新型加固措施，該研究有助于保障穿越軟弱危巖區(qū)隧道施工。

1項(xiàng)目概況及工程地質(zhì)條件

1.1項(xiàng)目概況

黃竹口隧道入口位于廣西壯族自治區(qū)賀州市昭平縣，隧道總體走向約266°。左線起止樁號(hào)為ZK68+930.611～ZK73+695，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為4 764 m。右線起止樁號(hào)為YK68+925～YK73+682，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為4 757 m。

1.2工程地質(zhì)條件

工程項(xiàng)目區(qū)地勢(shì)高低起伏，山脈走向?yàn)楸睎|-南西向，與隧道區(qū)域構(gòu)造線走向基本一致。地層巖性主要由碎石粉質(zhì)黏土、中厚層強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中厚層中風(fēng)化砂巖構(gòu)成，巖體破碎，裂隙較為發(fā)育。進(jìn)出洞口開挖后仰坡易發(fā)生淺層崩塌、掉塊現(xiàn)象。

1.3隧道圍巖評(píng)價(jià)

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘查規(guī)范》，黃竹口隧道存在高地應(yīng)力，隧道圍巖以軟巖為主，裂隙發(fā)育程度高，巖爆可能性低。隧道洞身圍巖的穩(wěn)定性除與其本身的巖性特征及強(qiáng)度有關(guān)外，還與地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度、地下水的活動(dòng)等條件有關(guān)。圖1為隧道左右側(cè)各級(jí)圍巖占比情況。

2數(shù)值模型的建立

為進(jìn)一步對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化，本文以黃竹口隧道傾斜軟弱危巖區(qū)為研究對(duì)象，利用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件建立含危巖區(qū)三維數(shù)值模擬。

2.1FLAC 3D基本原理

FLAC 3D是以離散單元法為基礎(chǔ)構(gòu)建的數(shù)值模擬軟件，利用拉格朗日分析離散法將四面體作為基本單元，通過改變基本單元的接觸關(guān)系使模型達(dá)到預(yù)期效果。FLAC 3D軟件在處理巖土體模擬方面具有一定優(yōu)勢(shì)，可用于模擬各類巖土體力學(xué)試驗(yàn)過程，因此被廣泛運(yùn)用于巖土工程領(lǐng)域。圖2為有限差分法流程圖。

2.2有限元模型的構(gòu)建

2.2.1細(xì)觀參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)與野外調(diào)查資料，確定黃竹口隧道巖石以及危巖區(qū)材料細(xì)觀參數(shù)，如表1所示。

2.2.2隧道模型

由于隧道開挖存在諸多限制條件，本文對(duì)模型進(jìn)行了尺寸調(diào)整，即長(zhǎng)為150 m、寬為80 m、高為100 m，破碎帶為45°，厚為25 m，隧道斷面寬為18 m、高為10 m，根據(jù)工程實(shí)際建立有限元數(shù)值模型，模型中部為軟弱危巖帶，各斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范分別計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1不同開挖方式下隧道變形分析

本節(jié)重點(diǎn)考慮環(huán)形預(yù)留核心土法、三臺(tái)階七步開挖法以及CD法下各斷面隧道變形分析，開挖示意見圖4。

3.1.1拱頂變形

圖5為不同開挖方式下拱頂變形特征曲線圖。由圖5可知，隨著開挖的進(jìn)行，不同開挖方式下（三臺(tái)階七步、環(huán)形預(yù)留核心土以及CD法）位移變化趨勢(shì)基本相同，均呈現(xiàn)先增大后減小變化，當(dāng)位于斷面3處時(shí)其變形量最大，最大下沉位移分別為81.05 mm、102.71 mm、124.09 mm。以斷面3為例，當(dāng)采用三臺(tái)階七步法開挖時(shí)下沉位移最小，而當(dāng)采用CD法時(shí)其下沉位移最大，是三臺(tái)階七步法的1.53倍。

3.1.2拱底變形

下頁圖6為不同開挖方式下拱底變形特征曲線圖。由圖6可知，隨著開挖的進(jìn)行，不同開挖方式下（三臺(tái)階七步、環(huán)形預(yù)留核心土以及CD法）拱底位移變化趨勢(shì)相同，均表現(xiàn)為拱底隆起。其中CD法下斷面3隆起量最高為200.89 mm，而三臺(tái)階七步法最低為168.78 mm，兩者相差32.11 mm。

3.1.3拱腳變形

圖7為不同開挖方式下拱腳變形特征曲線圖。由圖7可知，拱腳位移變化規(guī)律與拱底與拱頂一致，均表現(xiàn)為隨著開挖深度的增加，出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，其中各開挖工法下位移量最大值出現(xiàn)在斷面3，而位移最小值出現(xiàn)在斷面5。不同開挖方式下（三臺(tái)階七步、環(huán)形預(yù)留核心土以及CD法）位移最大值分別為52.36 mm、54.86 mm、57.01 mm，而位移最小值分別為39.86 mm、42.13 mm、45.30 mm，兩者比值為1.31、1.30、1.25。

3.1.4拱肩變形

圖8為不同開挖方式下拱肩變形特征曲線圖。由圖8可知，不同開挖工法下拱肩均表現(xiàn)為向下沉降，其中斷面3仍為最薄弱面，沉降量最大，而CD法開挖下拱肩沉降量最大，其值為125.36 mm。不同開挖方式下（三臺(tái)階七步、環(huán)形預(yù)留核心土以及CD法）斷面（1～5）拱肩位移分別為：三臺(tái)階七步法53.21 mm、60.96 mm、66.64 mm、61.96 mm、60.98 mm；環(huán)形預(yù)留核心土法56.66 mm、67.32 mm、75.98 mm、62.68 mm、55.32 mm；CD法91.98 mm、108.68 mm、125.36 mm、108.68 mm、93.21 mm。

3.1.5拱腰變形

圖9為不同開挖方式下拱腰變形特征曲線圖。由圖9可知，不同開挖工法下拱腰均表現(xiàn)為膨脹。CD法下的膨脹量最大，而三臺(tái)階七步開挖法膨脹變形量最小。

對(duì)比不同工法下各斷面部位變形特征可以發(fā)現(xiàn)，三種開挖方式下位移最大量均發(fā)生在斷面3處。而通過圖3（b）各斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)可以發(fā)現(xiàn)，斷面3位于軟弱危巖區(qū)，該現(xiàn)象說明在開挖過程中軟弱危巖會(huì)加劇圍巖的變形，在實(shí)際施工過程中應(yīng)重點(diǎn)排查軟弱危巖帶變形情況，必要時(shí)需進(jìn)行加固治理。

同時(shí)從圖5～9可以發(fā)現(xiàn)，采用CD法開挖時(shí)各斷面變形量最大，而采用三臺(tái)階七步開挖法時(shí)其變形量最小，這是由于采用三臺(tái)階七步開挖法其支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力小，與前人研究理論計(jì)算中平衡點(diǎn)應(yīng)力相近?？傮w而言，三臺(tái)階七步開挖法對(duì)隧道拱底、拱肩及拱頂具有較好的控制作用，但對(duì)拱腳圍巖控制作用不佳，三者拱腳圍巖位移相近。綜上所述，該工程段宜采用開挖方式為三臺(tái)階七步開挖法。

3.2超前注漿加固下隧道變形分析

根據(jù)前文研究，該工程段宜采用開挖方式為三臺(tái)階七步開挖法，但發(fā)現(xiàn)該開挖方法在斷面3處仍然存在較大變形現(xiàn)象，因此為保障工程施工的順利進(jìn)行，應(yīng)對(duì)軟弱危巖區(qū)進(jìn)行加固處理。選用超前注漿加固方案，位移變形量均取正值，圖10為超前注漿加固下斷面3各部位變形量變化曲線圖。

由圖10可知，超前注漿加固后各部位變形量均有不同程度的降低，拱底位置位移量降低了108.71 mm，降幅為64.2%，加固效果最佳，而拱腳位置位移量降低了26.10 mm，降幅為49.8%，加固效果良好。該現(xiàn)象說明超前小導(dǎo)管注漿可有效控制圍巖位移，其對(duì)拱底有明顯的控制效果。

總體而言，采用超前注漿加固方案對(duì)穿越軟弱危巖區(qū)隧道變形具有控制性作用，可有效控制圍巖變形。因此該隧道工程宜采用三臺(tái)階七步開挖法，加固方法選用超前小導(dǎo)管注漿方案。

4結(jié)語

本文以黃竹口隧道為例，基于離散元數(shù)值模擬軟件FLAC 3D，分析不同開挖工法下各斷面部位變形特征，研究了超前注漿加固方案對(duì)穿越軟弱危巖區(qū)隧道變形特征的控制作用。該研究可為同類型隧道施工及加固方案的選擇提供參考。

本文得到如下主要結(jié)論：

（1）不同開挖方式（三臺(tái)階七步、環(huán)形預(yù)留核心土以及CD法）、不同部位處圍巖位移變化趨勢(shì)基本相同，均呈現(xiàn)先增大后減小變化。

（2）三臺(tái)階七步開挖法對(duì)隧道拱底、拱肩及拱頂具有較好的控制作用，超前小導(dǎo)管注漿可有效控制圍巖位移，對(duì)拱底位移控制效果顯著。

（3）開挖過程中軟弱危巖會(huì)加劇圍巖的變形，在實(shí)際施工過程中應(yīng)重點(diǎn)排查軟弱危巖帶變形情況，必要時(shí)需進(jìn)行加固治理。

（4）本次隧道工程宜采用三臺(tái)階七步開挖法，加固方法選用超前小導(dǎo)管注漿方案。

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作者簡(jiǎn)介：藍(lán)洋（1978—），高級(jí)工程師，主要從事隧道施工研究工作。

收稿日期：2024-05-16