软弱围岩隧道洞口段预加固技术分析与探究

管连永

（四川三江交通建设工程有限公司， 四川 宜宾 644000）

0 引言

近年来，我国公路行业得到飞速发展，山区高度公路网日益完善，由于受到地形、线路等因素限制，势必出现大量公路隧道，洞口段作为隧道的关键部分，因围岩条件恶劣，需采用预加固措施，确保隧道施工的质量与安全。对此，通过采用管棚与小导管等机理，使隧道洞口得到有效加固。

1 管棚与小导管的作用机理

1.1 围岩压力与变形

在隧道开挖过程中，因应力状态而改变的岩土体被称为围岩。在未开挖时，围岩处于三向应力状态，在开挖后产生应力重分布，状态变为二次应力，如若稳定则无需支护，如若不稳则需要支护，此时围岩状态为三次应力，在此过程中围岩变形与应力分布被称为围岩压力。对该项指标产生影响的因素众多，如地址因素、工程因素等，在开挖过程中，因受影响的因素不同，对围岩的扰动程度也有所区别，但隧道开挖产生的围岩变化与所处位置息息相关，形成显著的时空效应。

在隧道开挖后，掌子面前后一定范围内的围岩受应力分布影响，可能出现些许变形。在浅埋隧道中，因围岩的自承能力较弱，在上覆荷载后，很可能出现地表沉降，进而影响地面建筑，如若未进行控制，很容易因围岩松弛而塌方。在围岩纵向变形曲线中，共计分为三个阶段，即前方超前变形阶段、后方变形阶段、变形稳定段。根据开挖面距离划分，可分为微小变形段，变形量在20%—30%之间、急剧增加段，变形量在50%—60%之间、缓慢变形区，变形量在10%—15%之间以及稳定变形区[1]。

1.2 管棚力学特点

当以管棚为预支护体系时，通常与钢拱架配合使用，将管棚钢管埋入土体后，固定起来，在隧道开挖后，做好初期支护工作，将钢管后方与钢拱架固定，形成简易的支梁，通过钢筋横向连接的方式，使多根钢管形成棚架体系，确保隧道工程的安全施工。

通过对管棚的受力情况进行分析，在隧道开挖过程中，掌子面管棚段挠度达到最大，由于隧道洞口为浅埋地层，在开挖后无法形成自承拱。对此，可对管棚上方土层施加荷载，构建双参数地基梁模型，模拟单根钢管受力情况，如下图1 所示。在洞口段，围岩十分破碎，开挖自承力极差。在对管棚受力情况分析后，忽视上层土层与管棚间的联系，将土体重量施加在管棚上；对于未开挖之处，按照围岩变形规律，结合现场实测诗句，在掌子面前方形成松动区，使管棚的压力增加。

图 1 管棚受力结构图

由上图1 可知，管棚受力分析可分为四段，一是在AB 段，隧道正在开挖，且支护施工初步完成，上方荷载为上覆土重，按照地基梁进行分析考虑；二是BC段，隧道正在开挖，但未初支段，上方荷载为上覆土重；三是CD 段，尚未开挖，受掌子面开挖影响，出现变形松动等情况，管棚下方土体尚未开挖，管棚的上方土体受梯形荷载影响，下方受弹性抗力影响；四是DE 段，该段不受超前开挖影响，单纯受管棚下方弹性抗力作用。

1.3 小导管自加固原理

对于小导管技术来说，自加固原理包括三项作用，即锚杆作用、浆液通道作用与棚架作用，具体如下：

2、锚杆作用。在实际操作中，按照隧道所处的地质条件与锚杆形式，无论以何种作用为主体，另外几项作用同样存在。在联结作用下，锚杆可将隧道中松散的岩层与岩块相结合，也可打入小导管后，使岩层与岩块融合；

3、浆液通道作用。该技术可使地层情况发生改变，在施工过程中，可通过导管上方注浆孔使浆液注入岩层中，此时小导管起到浆液通道作用，并根据钻孔位置进行加工，使其成为花管，打入岩体后注入浆液，达到提前稳定围岩的目标；

4、棚架作用。在洞室开挖过程中，小导管可起到棚架作用，以掌子面钢支撑段的土体为支点，使中间段岩土体得以支撑，发挥纵向梁的作用。一般情况下，小导管长度在3—6m 之间，开挖进尺为1.0—2.0m 范围内，钢拱架距离在0.5—1.0m之间，这样不但可避免坍塌，还可确保施工人员安全[2]。

2 管棚与小导管预加固方法的有限元分析

2.1 计算原理

有限元法将连续求解域变为一个单元的组合体，在各个单元内假定近似函数表示求解域中的未知场函数，一般情况下，近似函数由单元节点处数值函数表现出来，通过离散有限自由度来解决无限自由度问题。在本文研究中，首先构建数值模型，然后对隧道开挖与支护进行模拟，最终对塑性区进行分析。

2.2 数值模型构建

在本次模型计算中，通过数值分析的方式进行模拟，对围岩进行小导管预管棚预加固后，使加固区的参数级别得以提升。因小导管与管棚的直径不同，在环向间距一致时，二者弹性模量存在一些差距。根据注浆加固圈的厚度，假设各项参数为管棚长度为30m，小导管长度为6m，外插角为1—3°，并且对浆液在围岩中的扩散半径进行分析，加固圈厚度为0.5—1m，构建的数值模型如下：

式中，R 代表的是浆液扩散半径，单位为m；L 代表的是钢管中心距离，单位为m；E 代表的是折算后加固圈地层弹性模量，单位为GPa；ER代表的是原地层模量，单位为GPa；SR代表的是钢管等效截面积，单位为m2；Sc 代表的是加固圈断面面积，单位为m2。

2.3 隧道开挖与支护模拟

在本次施工模拟中，针对施工过程进行简化，采用两台阶法进行开挖，台阶的长度为4m，一次施工结束后，应立即开展初期支护，由于喷射混凝土对强度有一定要求，在初期喷射时强度较小，在开挖过程中逐渐增加强度。在整个隧道施工中，通过MIDSA/GTS 中“钝化”与“激活”的方式来实现，由于隧道开挖是一个持续性工作，可利用MIDSA/GTS 总施工建模助手，对整个施工工序进行模拟，以此减少重复工作[3]。

2.4 围岩塑性区分析

该指标大小可体现隧道开挖的稳定性，在本次数值模拟中，对管棚加固与小导管预加固下塑性区范围、大小进行分析，特别是拱顶位置，应明确二者的加固效果与适用条件，具体如下：

一、隧道开挖后，周围出现许多厚度不同的塑性区，主要体现在加固区、拱顶、拱腰、边墙与底部等部位，与之相比，边墙处的塑性区发育更佳，受隧道形状影响，边墙与底部的应力更易集中，且应变最大值也易在此处出现；

二、在各工况下，塑性区最大值常出现在拱脚处，逐渐延伸到围岩内部，在围岩较差的隧道中，塑性区通常蔓延至拱脚下方的2—4m，该处围岩很容易被损坏，导致隧道失稳。因此，在施工中边墙与拱脚处的仰拱必须可靠；

三、在预加固技术相同情况下，随着埋深不断增加，塑性区范围也逐渐扩大，特别是在围岩条件较差时，例如，管棚预加固中，V 级围岩的埋深为30m 时，塑性区的范围占总体的10.2%，埋深为20m 时，塑性区范围占总体的7.6%，埋深为10m 时，塑性区占总体的4.3%。

3 软弱围岩隧道洞口段预加固技术的应用

3.1 工程概况

峨汉高速公路豹狸岗隧道位于峨眉市金口河区大渡河右岸，隧道全长约3.65km，为一座双向四车道特长高速公路隧道；最大开挖轮廓约13m×10m，最大埋深约700m。隧址区域属高中山峡谷地貌，隧道主要穿越炭质板岩和砂质板岩地层，岩体较破碎～极破碎，受复杂地质构造影响严重，近场地构造主要有三角寺倒转复背斜（M7）、金口河断层（F11）、共安断层（F11）以及金口河挤压破碎带，并且地下水丰富。基于以上复杂地质特点，在隧道的施工过程中遇到了软弱围岩和挤压破碎带大变形等系列问题。

3.2 预加固方案

豹狸岗隧道洞身段主要为Ⅳ和V 级围岩，V 级围岩段采用上下台阶留核心土法，但由于施工过程中，局部地段洞身围岩出现了较大的位移，因此基于施工进度和围岩变形控制要求，采用改进的CRD 工法。在隧道具体施工过程中，根据现场实际工程地质条件选择合适的开挖方法是保障隧道安全经济施工的重要前提。

图2 上下台阶留核心土法示意图

图3 改进的CRD 法示意图

3.3 测量要点

在现场测量过程中，应重视隧道情况，如若出现拱顶与周边掉块、坍塌、监测数据变动幅度加大、初支护变形等情况，应及时采取有效措施进行处理。在隧道拱顶、拱腰、拱脚处设置测量点，并随着时间变化绘制曲线，总结变化规律，一旦出现位移变化速率等问题，在增量不减缓的情况下，应立即采取措施加强支护力度，并寻找问题所在，在后续施工中加强重视。随着开挖深度不断增加，还应随时观察围岩状态、裂隙、是否出现地下水等情况，对于地表很可能出现塌陷之处，应密切监视沉降变化，特别是在地面建筑区域，更要重视监测频率，对沉降段采取必要措施。在施工现场做好协调工作，以免施工与监测量之间相互干扰。

3.4 结果分析

对于相同的测量断面来说，采用同等量测频率对拱顶下沉、地表沉降进行量测，根据道路施工规范，检测频率如下。

3.4.1 拱顶下沉结果

在YK10+282 断面中，对该断面的拱顶下沉进行监测，通过数据结果可知：在上台阶掌子面达到监测点时，下沉速率显著提升，随着掌子面的前移，沉降速率不断降低，在下台阶到达断面时，拱顶下沉速率再次增加，沉降量也出现微小的变化，在增加后逐渐稳定；在管棚预加固技术下，沉降稳定后开始后续开挖，没有出现明显的突变，这说明该技术科有效制约拱顶沉降，确保隧道安全施工。

3.4.1 地表沉降结果

在YK10+280 断面中，对地表沉降进行监测，数据结果显示：在与洞口相距10m 之处进行开挖，受施工、爆破等因素影响，监测面出现微小的沉降，当上台阶位于该断面附近时，地表沉降速率增加，随后逐渐趋于平稳，当下台阶到达该断面时，沉降速率发生突变，沉降值也随之增加，然后降低，最终在5.902mm 处趋于平稳。由此可见，数值模拟与现场量测的结果基本一致，软弱围岩隧道合理预加固技术高效可行[4]。

4 结束语

综上所述，本文通过案例分析的方式，在现有研究成果基础上构建数值模型，对洞口段不同埋深、围岩级别下，管棚与小导管预加固受力和变形规律进行分析，与现场监控测量结果相结合，使数值计算结果更加精准，为实体工程的施工与建设提供有力依据。