雷嘯天，潘夢陽，趙玉如

(1.河南工程學院 土木工程學院，河南 鄭州 451191；2.中鐵上海設計院集團有限公司，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，需要不斷加強相關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，設計縱坡1‰，起始里程為ZK16+145；右洞隧道1 175 m，設計縱坡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)已學的巖體性質(zhì)和力學本構(gòu)方程對韓門隧道進行建立模型。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

設計3種方案，當不注漿時，豎向應力圖如圖3所示，拱部注漿時，如圖4所示，全環(huán)注漿時，豎向應力圖如圖5所示。

圖3 豎向應力圖(不注漿)

圖4 豎向應力圖(拱部注漿)

圖5 豎向應力圖(全環(huán)注漿)

通過應力云圖的剖析發(fā)現(xiàn)，在不注漿時洞身上面的土層將會受到拉應力作用，最大值為8.43 kPa，拱部受到極小的拉應力，下邊墻會受到極小的壓應力作用，左右邊墻受到壓應力，其余土層均產(chǎn)生壓應力作用且從上到下依次增大；拱部注漿時拉壓應力的分布大致與不注漿時的相同，其靠上的土層最大拉應力為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)生的拉應力最大值為14.02 kPa,之前左右邊墻的應力極區(qū)擴散，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力和拉應力，嚴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力和拉應力；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)域的屈服強度不一致，洞身的強度要以其中最小值為設計標準且測量繁瑣任務重；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計工作加快了施工進程。

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，杜絕了開挖支護以及注漿盲目而造成局部偏弱偏強和資源浪費等現(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。在實際施工時應注意最不利位置的監(jiān)測與加強相應的施工管理。

3)三種注漿方式均能產(chǎn)生相應的塑性區(qū)，相同點是越靠近洞口應力越集中，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)應力較大，較突出，故在施工時應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，從位移和應力應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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