（道路与铁道工程专业论文）隧道超前小导管作用机理及影响因素分析.pdf

嫠捌太堂亟土论室 摘要 超前小导管注浆法是一种超前预支护技术，在隧道穿越浅埋、软弱破碎地层 等不良地段的施工过程中发挥了重要作用。超前小导管注浆法特别适用于小洞室 的超前支护和在处理塌方施工中应用。本论文主要就山岭隧道开挖过程中超前小 导管作用机理和影响因素进行研究，主要研究内容和研究成果如下： 1 以济( 源) 邵( 原) 高速公路王坑隧道浅埋段为工程背景，建立有超前 小导管支护和无超前小导管超前支护两种工况下隧道三维有限元计算模型，并利 用现场实测数据对建立的有限元计算模型进行验证。结果表明本文所建立的隧道 三维有限元计算模型是合理的，能够基于该模型分析超前小导管的作用机理及主 要影响因素。 2 利用建立的两种工况下的隧道三维有限元模型进行隧道开挖模拟计算，以 研究超前小导管的作用机理并得出以下结论： ( 1 ) 小导管在超前支护中主要起到荷载传递的作用。超前小导管的存在， 改变了掌子面和衬砌的荷载和应力的分布，将隧道开挖释放的荷载向前传递给掌 子面前方的围岩，向后传递给初支，使得掌子面所承受的荷载减少，而衬砌所承 受的荷载增加。 ( 2 ) 超前小导管的存在，不仅使掌子面上承受的开挖释放荷载减小，竖向 位移减小，而且在纵向对掌子面起到了一定的约束作用，使掌子面纵向位移减小， 稳定性增强，防止塌方事故的发生，有利于隧道的安全施工。 3 在以上研究的基础上，进一步探讨小导管分布范围、小导管管径、开挖 步长、初支弹性模量等因素对超前小导管作用效果的影响，得出以下结论： ( 1 ) 超前小导管的环向分布范围对掌子面拱顶和拱腰的受力影响较大，而 对起拱线的受力影响很小。 ( 2 ) 超前小导管管径的变化对掌子面的竖向荷载和位移的变化影响较小， 增大管径并不能有效改善掌子面的受力。 ( 3 ) 在隧道开挖过程中，开挖步长对隧道掌子面的荷载、水平位移、竖向 应力、水平应力都有较大的影响。 ( 4 ) 初支模量的增加对超前小导管的荷载传递作用非常有效。 本文在理论分析及模型验证研究了隧道超前小导管作用机理及影响因素，对 隧道工程的优化设计、施工有积极的指导意义。 关键词：隧道；超前小导管；三维有限元；应力分布；荷载传递 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t l e a d i n gd u c t u l ei n j e c t i n gm e t h o di sap r o - s u p p o r tm e t h o d i th a sp l a y e da l l i m p o r t a n tr o l e i nt u n n e l c o n s t r u c t i o nt h r o u g hb a dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ss u c ha s s h a l l o wb u r y i n g , w e a kb r o k e ns t r a t u m , e t c l e a d i n gd u c t u l ei n j c o t i n ge s p i c a l l ya p p l y i ns m a l lc a v e r np r e - s u p p o r ta n dt u n n e lc o l l a p s et r e a t m e n t t h eo b j e c t i v eo ft h ep r e s e n t m a s t e rd i s s e r t a t i o ni st oi i l s i g h ti n t ot h ee f f e c tm e c h a n i s mo fl e a d i n gd u c t u l ed u r i n g t u n n e lc o n s t r u c t i o nt h r o u g hm o u n t a i n so rh i l l s m a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h i sp a p e r a r ea sf o l l o w s ： 1 i nt h eb a c k g r o u n do fs h a l l o wb u r y i n g p a r to fw a n g k e n gt u n n e l ，t w ok i n d so f 3 df i n i t ee l e m e n ta n a l y t i c a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d ，o n em o d e lw i t hl e a d i n gd u c t u l e a n dt h eo t h e rm t h o m t h em o d e l sa r ev e r i f i e db yf i e l dt e s td a t a , a n dr e s u l t ss h o wt h a t t h o s em o d e l sa r er e a s o n a b l ea n dc a nb eu s e df o ra n a l y z i n gt h ee f f e c tm e c h a n i s mo f l e a d i n gd u c t u l e 2 a f t e rc o m p a r a t i v ea n a l y s i sb e i n gm a d ef r o mc a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h o s et w o k i n d so fm o d e l s ，t h ee f f e c tm e c h a n i s mo fl e a d i n gd u c t u l ec a nb ei n d u c e di n t ot w o p o i n t s ： ( 1 ) t h el o a da n ds t r e s so ft h et u n n e lf a c ea n ds u p p o r ts y s t e ma r ec h a n g e db yt h e l e a d i n gd u c t u l e t h er e l e a s e1 0 a di st r a n s f e r r e dt ot h es u p p o r ts y s t e ma n dt h es t r a t u m i nf r o n to ft u n n e lf a c eb yt h ef u n c t i o no fl e a d i n gd u c t u l e t h el o a do ft h et t m n e lf a c e i sr e d u c e da n dt h el o a do ft h es u p p o r ts y s t e mi ss t r e n g t h t h ed u c t u l ei np r e s u p p o r t p l a yt h er o l eo f l o a dt r a n s f e r ( 2 ) b o t hv e r t i c a la n dl o n g i 【t u d i n a ld i s p l a c e m e n t so ft u n n e lf a c ea r er e d u c e db y t h ef u n c t i o no fl e a d i n gd u c t u l e ，a sar e s u l t ，t h es t a b i l i t yo ft u n n e lf a c ei ss t r e n g t h e n e d 3 o nt h eb a s i so ft h eo b o v es t u d i e s ，t h ei n f l u e n c eo ff a c t o r so nt h ee f f e c t m e c h a n i s mo fl e a d i n gd u c t u l ei sf u r t h e rd i s c u s s e d ，s u c ha sd u c t u l ed i s t r i b u t i o nr a n g e ， d i a m e t e r , s t e ps i z ea n dm o d u l u so fs u p p o r te t c ，a n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) l e a d i n gd u c t u l ed i s t r i b u t i o nr a n g eh a v eg r e a te f f e c to nv a u l ta n dh a n c eo f t u n n e lf a c e ，b u th a v el i t t l ee f f e c to nt h es p r i n g i n gl i n e ( 2 ) l e a d i n gd u c t u l ed i a m e t e rh a v el i t t l ee f f e c to nt h el o a da n dd i s p l a c e m e n t so f t h et u n n e lf a c e t h ee n l a r g e i n gt h ed u c t u l ed i a m e t e rc a n te f f e c t i v e l yc h a n g et h el o a d o ft u r m e lf a c e ( 3 ) i nt h ep r o c e s so ft u n n e le x c a v a t i o n ，s t e ps i z eh a sg r e a te f f e c to nl o a d ， n h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t , v e r t i c a ls t r e s sa n dh o r i z o n t a ls t r e s s ( 4 ) a st h em o d u l u so fs u p p o r ti n c r e a s e si sb e t t e rf o rt h er e l e a s ee f f e c to fl e a d i n g d u c t u l e t h ea c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ri n v e s t i g a t et h ee f f e c tm e c h a n i s mo fl e a d i n g d u c t u l ea n dt h ei n f l u e n c eo ff a c t o r s ，a n dm a k ec l e a rt h ei n f l u e n c eo ff a c t o r so n s t a b i l i t yo ft u n n e lf a c e ，a n dh a v ep o s i t i v es i g n i f i c a n c et oo p t i m i z a t i o nd e s i g na n d c o n s t r u c t i o no f t u n n e le n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：t u n n e l ；l e a d i n gd u c t u l e ；3d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t ；s t r e s s d i s t r i b u t i o n ；l o a dt r a n s f e r i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：王建月鹏 日期：沙。夕年6 n e i 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学根据 郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位 论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学保密论文在解密后应遵守此 规定。 学位论文作者：岛蹲同鹃日期：。如d 年舌月中日 嫠趟太堂亟坐位论毫笙二童绪j 金 第一章绪论 1 1 引言 随着国民经济蓬勃发展，客货运输量大幅度增长，公路特别是高速公路通行 能力不足的矛盾日益突出因此修建高速公路和扩大干线公路的通行能力，已成 为今后一个时期公路建设的重中之重。 在山岭地区修建高等级公路时，常常用公路隧道来缩短公路里程，改善线形 和保护环境。隧道既能保持最佳道路线形便利行车，又可有效防止山地陡坡的 滚石、泥石流等自然灾害，提高了行车的可靠性和安全性，同时又能和当地环境 相协调及保全自然景观等。 目前，高等级公路己经从沿海地区向西北、西南山岭区延伸，随着隧道建设 的规模越来越大、建筑地域日益广阔，也自然经常要在软弱地层中修建铁路、公 路隧道及城市地下铁道等工程。软弱松散地层的自稳性能非常差，在这样的地层 中修建隧道，经常采用的方法主要有：明挖法、顶管法、浅埋暗挖法、管幕工法 等。明挖法施工对城市既有交通干扰太大，扰民严重，给城市居民的出行、生活 带来很多不便，管线迁移、保护费用昂贵；修建山岭隧道时明挖法开挖量大，且 易形成高边坡，后期维护工作量大。顶管法施工机械化程度高，掘进速度快，对 地面环境影响小，但受制于矩形顶管机，对地下通道的断面大小、断面形状等适 应能力差。管幕工法是在顶管工法的基础上用小口径顶管机构筑大断面地下空间 的施工方法，该工法具有以下有点：管道可以在没有气压情况下，穿越饱和的砂 土和淤泥质粘土，在既有建筑物临近情况下施工，地表沉降通常可以控制在 2 0 m m 以内乜吲，一般不需要对基础进行基础托换。该方法的主要缺点是作为管幕 的钢管埋入土体，不能再回收利用，成本较高，高精度的顶管机研制或购置费用 较高。浅埋暗挖法对地层条件、通道断面大小和形状、障碍物等适应性较强，而 造价相对较低，因此浅埋暗挖法便成为解决上述问题的首选方案。 在浅埋暗挖法中，预加固和预支护措施对于隧道施工的成败起着举足轻重的 作用。已有的研究表明，地表沉降量的3 0 - - - 4 0 ，地下土层沉降量的4 0 - - - 5 0 是在隧道初期支护产生作用之前发生的。所以，对隧道工作面前方的土层进行预 加固和预支护，以便在隧道开挖之前最大程度地限制土体的变位，是控制沉降和 稳定掌子面的关键环节。工程实践和理论研究均表明，超前预支护对于地表沉降 的约束作用始于工作面前方一定距离处，一般为1 至2 倍洞径，其对地表沉降的 控制可达3 0 , - 一5 0 ，对洞顶沉降的控制高达4 0 。现在工程预加固措施很多，预 支护手段主要有工作面超前锚杆、机械预切槽、预衬砌、水平旋喷桩和管棚等。 超前加固方法主要包括工作面深孔注浆、小导管超前预注浆等h 1 。 小导管注浆是沿隧道纵向在拱上部开挖轮廓线外一定范围内向前上方倾斜 一定角度的密排注浆钢花管。小导管预注浆的注浆施工工艺相对简单，支护技术 在很小的空间内利用简单的工具即可进行钻眼及布管工作，遇到地层变化时可随 时调整施工方案，经济效益显著。从八十年代起，随着我国经济的快速发展，隧 道及地下工程在我国大量兴建，在施工中遇到了各种各样的困难地层，小导管注 浆技术以其适应性强而得到大量的应用。 1 2 隧道超前预支护加固方法综述 隧道超前预支护是指在隧道开挖之前，在掌子面前方的地层里，沿隧道横断 面设置一个类似拱壳的连续体或加固体，用以加固掌子面前方的地层，保证掌子 面及围岩的稳定，控制围岩的变形，形成一个超前的支护体系。施工实践和研究 均表明，超前预支护能从空间上、时间上有效抑制掌子面前方的地层变位和隧道 支护变形。 隧道施工中，主要预支护方法有：插板法；地表锚杆注浆法；小导管法；水 平旋喷法；冷冻法；管幕工法；管棚工法等【5 。1 2 1 。 1 、插板法 插板法是在隧道开挖之前，先沿着隧道外轮廓线想围岩内向围岩内夯入一定 长度的密排木板或钢板，利用其作为超前支护进行隧道掘进。插板法在隧道施工 技术不发达的早期应用较多，主要是因为当时缺乏有效的钻孔机具和注浆机具， 对围岩一般不进行注浆加固，现基本不再使用。 2 、浅层地表锚杆注浆加固法 地表砂浆锚杆预加固是对洞口段或浅埋围岩进行加固的有效措施之一，它是 在洞口段或浅埋低端预计破裂范围内从地表向下钻孔灌入水泥砂浆再打入锚杆， 使砂浆锚杆与岩土结成一体，提高地层的整体强度和稳定性，抑制隧道开挖后岩 土体的移动，防止塌方事故的发生。 地表砂浆锚杆对地层的加固效果体现在： ( 1 ) 抑制地表沉陷 地表砂浆锚杆群加固了围岩，增强了浅埋地层的整体稳定性，有效地控制了 围岩自地表向隧道内的变位( 地表沉陷) 。 ( 2 ) 抑制洞内开挖时产生的拱顶下沉和围岩内部位移。 ( 3 ) 防止洞口段或浅埋段地层的坍塌。 3 、水平旋喷或水平搅拌法 高压喷射注浆技术是2 0 世纪6 0 年代后期由日本日产冷冻有限公司开发的一 2 种加固松软土体的技术。该技术采用钻机先钻进土层的预定位置，由钻杆一端安 装的特别喷嘴把水泥浆液高压喷出，以喷射流切割搅动土体。同时，钻杆边旋转 边提升，使土体与水泥浆混合凝固，从而造成一个均匀的圆柱状水泥加土固体， 以达到加固地基和止水防渗的目的。这种地层加固方法，我们称之为旋转喷射注 浆法，简称旋喷法。一般情况，钻机都为垂直钻孔，称为垂直旋喷注浆法。顾名 思义，水平旋喷注浆法，就是在土层中水平( 亦可作小角度的俯、仰和外斜) 钻进 成孔，注浆管呈水平状，喷咀由里向外移动进行旋喷、注浆。它适用于砂类土、 粘性土、黄土和人工填土等地层。 水平旋喷桩的主要优点是：效率高，水平搅拌桩无需成孔，其钻进、搅拌、 注浆同步进行，施工速度快，安全可靠，质量稳定；另外，将其应用于城市浅埋 隧道施工，还有止水、防渗作用，可避免过分抽排地下水引起地表下沉。 主要缺点是：钻进方向可控性差，桩长受限制，一般桩长为8 - - - - 1 2 m ，若桩 太长，其尾部容易向下偏移；遇障碍物难以处理，一旦卡钻，则只好将钻头丢弃； 对地层扰动大。 4 、机械预切槽法 机械预切槽法就是在隧道掌子面开挖之前，先用锯割机械沿着隧道拱背线切 割出一条宽为4 c m - , 3 5 c m 的切槽，随后再将切槽所界定的掌子面开挖出来。在硬 岩条件下，这条切槽是空的，利用它作为爆破开挖的临空面；在软弱围岩和松散 地层中，这条切槽则用混凝土充填成为预置拱圈，然后就可在其下进行开挖。土 木工程中机械预切槽法始用于5 0 年代的美国。机械预切槽法在中等硬度到坚硬的 粘性地层中效果较好，软弱地层的切槽相对比硬岩的切槽要宽一些并用喷混凝土 加以填塞。硬岩地层中的预切槽法几乎完全消除了超挖的情况，减少了钻炮孔的 数量和表面修整作业以及拱背回填注浆量，减少了岩石塌落的危险，在硬岩地层 中应用的最大弱点是推进速度慢，较适合用于市区隧道工程、松散地层和大断面 隧道。软弱、松散地层中的预切槽法主要是通过预置拱圈作为拱顶支护，其支护 在开挖作业之前就已建好，土方工程完全可以在坚固结构的防护下进行，较少地 扰动地层和保护相邻地层的稳定，还可以把地层沉降降低到最小程度。随着预切 槽机械的发展，预置拱圈的长度已从1 6 0 m 增 j i l 至l j 5 m ，厚度从1 5 c m 增加到2 5 c m 3 5 c m 。 5 、预衬砌法 预衬砌法隧道施工技术的施工原理与机械预切槽法基本相同，其特点是支撑 着开挖的混凝土衬砌先于隧道完成，在进行切槽的同时填充混凝土，混凝土的压 力使切削刀具沿隧道轮廓线推进，由于在切槽和混凝土浇筑阶段有切割机控制着 围岩，在隧道开挖阶段有混凝土衬砌控制着围岩，从而确保了施工的安全。预切 3 槽技术的缺点是能够获得的开挖长度和厚度有限，还要求切槽必须保持敞开直至 用喷混凝土填充为止。预衬砌施工技术主要应用于粘结力较小的软弱地层的大断 面隧道、覆盖层较薄的隧道，以及需要防止地表位移和挤压严重的埋置较深的隧 道。预衬砌法的设备是由一个自行推进的设有导向架的履带式推进装置组成，并 配备有支撑架以支撑和导引切割刀具沿隧道轮廓旋转。 6 、管棚工法 管棚工法的主要原理是在隧道开挖之前，沿着隧道开挖轮廓线外的设定部位 铺设钢管，并可以通过钢管的注浆孔向围岩注浆，对管棚周围的围岩进行加固， 使管棚成为隧道后续开挖的防护伞( 棚) ，达到安全施工的目的。 管棚工法的主要优点： ( 1 ) 一次施作长度长，施工效率高； ( 2 ) 钢管长度长、刚度大、承载能力强，可应用于塌方段处理等较为困难 的工程； ( 3 ) 若采用非开挖技术，可解决普遍地质钻机施工中存在管棚方向控制难 的问题，管棚方向控制精度可以很高，大大拓展了适用和应用领域； 管棚工法的主要缺点：必须采用专门的钻机，施工空间要求高，一次花费较 大。 7 、冷冻法 地层冷冻法( 简称冷冻法) 是一项加固含水地层的特殊工法。其基本施工过 程如下：在拟建地下构筑物周围地层中安装冷冻管，并在冷冻管内循环低温液体 或气体，使冷冻管周围的含水地层逐步结冰，形成冻土帷幕，然后在冻土帷幕包 围中安全地进行地下构筑物施工。由于冻土帷幕强度较高，冻土帷幕本身的密封 性及其与其他结构物如混凝土等的粘接性极好，几乎适用于各种复杂地层，且对 施工条件要求较宽，只要能钻孔即可。冷冻法主要工程对象是含水地层，尤其适 用于流沙、淤泥等极不稳定地层。 冷冻法施工的主要优点是： ( 1 ) 适应性强。冷冻法适应于各种复杂地质及水文条件下的任何含水地层 的加固，并且基本上不受主要构筑物几何形式和尺寸的限制。 ( 2 ) 支护结构灵活、易控制。可根据不同地质条件，环境及场地条件灵活 的布置冷冻孔，调节冷媒剂的温度，从而获得高质量的冻土帷幕，特殊情况下， 还可以采用液氮进行快速抢险，近年来，可通过地温监测指导施工，符合现代信 息化施工的要求。 ( 3 ) 隔水性好。它本身就是地下水的控制系统，防渗性能是其他施工方法 无法相比的。 4 ( 4 ) 环境影响小。它充分利用土体自身的特点，材料是土体本身，对地下 水及周围环境无污染，冷冻壁解冻后，冷冻管可回收，地下土层恢复原状，对环 境较为有利。 冷冻法施工的缺点是：造价昂贵，工期长，后期混凝土结构施作困难，解冻后对 地层和结构影响大。 8 、管幕法 管幕法，也叫排管顶进法，其施工原理与管棚工法施工原理相似，在始发井 与接受井之间，利用小型顶管机顶进钢管到土体中，各单管间依靠锁口在钢管侧 面相接形成管排，并在锁口空隙注入止水剂以达到止水要求，形成超前支护，然 后再采用开挖方案或箱涵顶进方案进行地下构筑物施工的一种新型暗挖法施工 技术。 管幕法具有以下优点： ( 1 ) 不影响地面的正常交通，地面道路不用改道； ( 2 ) 无需进行道路改建，即不需开挖道路和重新铺设路面； ( 3 ) 无需进行管线改接，从而不会发生断电、断水、断煤气等影响市民生 火的情况； ( 4 ) 不抽取地下水，地面沉降较小； ( 5 ) 无需加固房屋地基和桩基； ( 6 ) 无噪声、无振动，可以2 4 h 连续施工； ( 7 ) 管幕钢管锁口注浆后可有效地防止渗漏水。 管幕法的主要缺点是：高精度的顶管机研制或购置费用较高，工程投入大， 单位延米造价高。 9 、超前小导管注浆法 超前小导管注浆施工法是在工作面周边按一定角度将具有渗洞的小导管打 入岩体中，通过注浆泵的压力，将水泥浆液通过小导管渗透、扩散到岩体孔圈和 裂圈中，以改善和增强围岩的力学性能，在预挖隧洞周围形成一层止水、稳定的 承载壳；同时，管体又可起到超前锚杆的作用，从而达到增加岩体的自稳时间， 提高开挖面周围岩体的自稳能力，限制地层松动变形的目的。 小导管注浆技术的优缺点： 小导管注浆技术的最大优点是施工设备简单，工艺简单，可以根据实际情况， 随时确定小导管注浆的适用与否；小导管注浆适应性强，可以根据实际情况，随 时变更施工方法。 小导管注浆技术的缺点是缺乏很完善的理论基础，缺乏规范化，对小导管注 浆技术的理论研究有待加强；小导管注浆施工规模小，加固范围相对较小；注浆 5 效果不能完全确定，常用的注浆基本检测方法显得与之不太配套和适应，所以其 可靠性相对较差。 1 3 隧道超前小导管注浆国内外应用与研究状况 超前小导管特别适用于小洞室的超前支护和在处理塌方施工中应用。在隧道 较常用的超前支护方法中，采用超前大管棚支护技术时必须有专用钻机，要求较 高的施工空间，一次花费大；采用全面预注浆方法时，需要很大的施工范围，施 工程序繁杂，并且可靠性难以确定；而采用超前小导管注浆方法相对于超前大管 棚和全面预注浆来说，超前小导管注浆的施工工艺相对简单得多，只需要很小的 支护空间，支护设备也只需要简单的手持风钻即可进行钻眼及布管工作，遇到地 层变化时可随时调整施工方案，经济效益显著。随着我国高等级公路和城市地铁 工程修建规模的不断扩大，隧道及地下工程在我国大量兴建，在施工中遇到了各 种各样的困难地层，人们在不断地摸索和开发新的地层加固技术，小导管注浆技 术以其适应性强而得到大量的应用。 1 、超前小导管注浆在破碎围岩中的应用 在破碎围岩中施作小导管注浆的主要原理是渗透灌浆理论，主要目的是使浆 液充填岩体中的裂隙，在裂隙中形成浆液和充填物的固结体，增加颗粒之间的粘 接力，提高岩体的整体强度；另一方面，因为破碎板岩的颗粒大，小导管也将发 挥较为明显的棚架和锚杆作用n 3 1 。隧道通过软弱破碎的围岩地层时，以锚喷混凝 土做施工支护进行开挖有一定困难时，可以用小导管注浆结合格栅钢架和网喷混 凝土联合支护措施的方法进行施工。虽然也可以采用深孔注浆，但是由于深孔注 浆造价高，工程进度慢，而且即使在深孔注浆后为了达到安全掘金的目的，仍需 采用小导管注浆；注水泥砂浆也能达到固结地层和止水的目的，但由于注入水泥 砂浆后的凝固时间较长，注浆后不能立即开挖，因而会延误工期。 广州地铁1 号线公园前站一纪念堂站区间的二线渡线大跨度隧道全长2 9 m ， 其中2 1 m 为暗挖隧道。设计开挖跨度2 1 6 m ，开挖高度1 4 2 m ，开挖断面2 5 3 7 m 2 。 隧道拱顶覆盖厚度为1 3 8 m ，隧道所处位置为第四系冲击洪层，从上到下依次为 杂填土3 m 、粉质粘土( 可塑) 5 m 、粉质粘上( 硬塑) 6 m 和全风化砂岩2 8 m ，其下为 强风化及中风化砂岩。地下水埋深2 4 m ，主要为孔隙水和基岩裂隙水。隧道所 处地面环境比较复杂，高层建筑和地下管线较多。施工时要求严格控制地下水的 流失及地表沉降变形，以确保地面及地下结构物的安全。施工中，开挖前对围岩 采取了超前支护等辅助施工措施，在隧道拱部采用了管棚注浆，在边墙和底部采 用了超前注浆小导管的方法对围岩进行加固n 钔。 中铁一局集团五公司承建赣龙铁路吊钟岩隧道全长1 9 6 6 m ，进出口均地处高 6 约2 0 0 m 的悬崖峭壁之上，围岩风化严重，稳定性差，极易坍塌。鉴于地质条件 复杂，设计方案变更后，运用大管棚注浆和索脚小导管注浆等技术后全线安全贯 通n 5 1 。 2 、超前小导管注浆在断层破碎带中的应用 超前小导管注浆在断层破碎带的施工具有许多优点。1 ) 超前小导管加格栅钢 架和钢筋网及喷混凝土的联合支护方式对不良地质段隧道的掘进是一种有效措 施。2 ) 在隧道断层破碎带一般采用加密超前小导管预注纯水泥浆进行加固，涌水 量大的地段采用双液注浆，小导管双液注浆的在涌水量大的地段是很明显的止水 效果。 土耳其b o h u 隧道是欧洲t e m ( t r a n s i te u r o p e a nm o t o r w a y ) 通道的重要组成部 分，由两个中心线间距4 0 m 两条三车道隧道组成，左线全长3 2 8 7 m ，右线全长 3 2 3 6 m 隧道最大埋深2 5 0 m 。根据地质条件及支护的不同，开挖断面面积大约 1 4 0 , - 一2 2 0 m 2 。在距b o h u 隧道入口、出口分别为7 0 0 m 和1 5 0 m 处各有一大规模断层， 两断层都呈小角度与隧道相交，在隧道轴线的投影影响长度分别达2 3 3 m 和1 9 7 m 。 这两个断层均为逆断层，断层裂隙内充填大量粘土矿物。在断层破碎带，采用双 侧壁导坑法施工，其中侧壁导坑拱部采用注浆小导管超前支护。在原设计支护措 施下，围岩位移严重超限，采用重型支护措施( b e m o l d 衬砌) 后，围岩变形得到 了有效控制n 引。 3 、超前小导管注浆在砂层和砂粘土层中的应用 由于砂层和砂粘土层一般土质比较松软均匀，小导管容易打入，注浆效果相 对容易控制，因此在这类地层中非常适合采用小导管注浆技术。施作小导管注浆 的主要原理是劈裂注浆，目的是使浆液在压力作用下，克服地层的初始应力和抗 拉强度，引起砂体和砂粘土体结构的破坏和扰动，从而使得地层的结构得到改变， 同时也有部分的渗透注浆原理。 南京地铁t a l 2 标段有3 2 1 6 m 隧道穿越“软流塑 地层。原设计采用冷冻法 施工方案，在地层中打进冷冻管，使用冷冻设备将地层冻结起来，然后在冷冻层 打隧道。后来变更冷冻法方案为“超前大管棚加密小导管掌子面预注浆加固 方 案n 7 1 。 4 、超前小导管注浆在通过塌方段的应用 在隧道施工中，发生塌方的主要原因大多是采取的施工方法不当，在处理塌 方过程中主要方法有：对塌体实行全断面注浆进行加固；采用在地表注浆对塌体 进行加固；采用大管棚方法通过塌方段，这些方法虽然也都取得了成功，但是相 对来说施工周期较长，造价高。在隧道相对较小断面下如果采用超前小导管注浆 技术通过塌方段是非常有效1 ) 大面积坍塌稳定后进行小导管施工，这一应急措 7 施容易被作业人员所接受，因为其工艺简单，机具要求不高，抢险比较及时。2 ) 注浆后在拱顶范围内形成防护罩，使开挖，支护在安全条件下进行。小导管打入 后的外露尾端通常支于开挖面后方的格栅上，共同形成预支护系统，承受拱顶的 围岩压力，并提高围岩的稳定性，抑制围岩松弛变形，提高施工安全性，使加固 效果更稳妥可靠。 梅坎铁路坎市隧道为铁路单线隧道，在丘陵缓坡地带，表层为第四纪残坡积 层砂粘土，含碎砾石2 ，下伏泥质粉砂岩，风化极严重。在二次模筑衬砌进展至 d k i + 1 9 5 1 5 处，进行拱部开挖和支护时，由于土层坍塌，初期支护此时尚不能承 受地层压力，以致出现冒顶。根据隧道围岩压力计算值，结合隧道塌方现场实际 情况，经比选决定采用小导管超前注浆加固、短开挖快支护的办法穿越塌方地段。 经过4 0 d 快速有序的施工，成功地通过了长1 2 m 的塌方地段n 引。 5 、超前小导管研究现状 尽管超前小导管已经在隧道中普遍使用，但对于它的理论研究却非常少，一 些学者对小导管进行了实验研究。工程中小导管的应用大多根据经验或采用工程 类比法。 李河玉n 在她的论文当中对小导管注浆的作用原理进行了详细的阐述。作者 认为：小导管注浆的加固原理分为两个部分：一是，小导管自身加固原理，包括 小导管的锚杆管棚作用；小导管的浆液通道作用；小导管的棚架作用。二是：小 导管浆液加固原理，包括浆液的扩散形式理论以及注浆后围岩强度增长机理。 王幼明啪1 以黑石岭隧道左线不良地质段l k 7 3 + 3 3 6 断面附近的超前注浆小导 管支护为例，建立超前注浆小导管真实三维结构，采用更加符合超前注浆小导管 力学效应的计算单元，以此建立动态施工数值模型，分析隧道掘进中超前注浆小 导管力学响应。通过对小导管轴力、弯矩、扭矩和剪力的分析，在其文章涉及的 工程背景下，弯矩、扭矩和剪力可以忽略不计，以承受轴力为主。这体现了小导 管的承压特性。通过对小导管的轴力分析，在力学支护机制上，体现了小导管的 锚杆桩作用。 晏启祥船订等人结合董家山小净距隧道进洞施工这一工程背景，对围岩超前小 导管注浆两种加固范围工况的加固效应进行了有限差分计算模拟。计算采用了 f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a 岩土工程分析软件。在模型的建立过 程中对小导管超前加固采用提高加固区围岩参数的方式来实现，而对于小导管本 身的作用机理却没有做出分析。 张宏洲口2 1 在他的论文中根据岩土工程的位移反分析理论，提出采用有限元分 析软件a n s y s 的优化设计技术对超前小导管注浆区域的力学参数进行弹一塑性确 定性反分析，借助于a p d l 实现了参数化确定性反分析，获取小导管注浆区域的 8 嫠捌太堂亟堂位论毫箍= 重绪论 力学参数。在此基础上应用获取的围岩参数，通过a n s y s 有限元程序进行施工动 态分析，确认施工方案的可行性。 p a s it o l p p a n e n p a u l is y r j a n e n 在论文中详细的阐述了注浆需要、注 浆材料、注浆设备、注浆设计以及注浆质量和注浆过程的控制。并且认为当前的 注浆材料和设备已经可以做到防止渗水，保证隧道开挖在一个干燥和稳定的环境 中进行。但是，建立计算机模型为注浆过程设计提供有用信息是十分必要的。 c h a nm a np i u 幽3 的论文中讨论了五种注浆方式的设计方法和注浆效果如何达 到设计要求。作者认为不同的注浆技术有不同的注浆机理，这些将导致不同的加 固围岩效果，在不同的地质条件下正确选择注浆方式是非常重要的。作者通过建 立2 d 有限元模型比较了几种注浆方式的优缺点，并且认为通过有限元方法模拟 注浆来控制注浆范围的尺寸和改善围岩性质的程度来达到注浆工作的最佳设置 是可行的。 1 4 隧道超前小导管研究中存在的主要问题 超前小导管注浆是在隧道拱项一定范围内沿掌子面向前方以一定的仰角打 入前方围岩，沿隧道轴线方向各排小导管有一定的搭接长度，因此这种空间布局 在几何建模中是一个非常复杂的三维问题；同时，在三维有限元数值分析中小导 管的计算单元需要嵌入到岩土体中；再者，在动态施工模拟中小导管上荷载的确 定也是数值模拟的一大障碍。这些种种困难使得超前注浆小导管乃至类似的超前 支护结构的数值模拟进展异常缓慢。 在国内，超前注浆小导管支护结构的数值模拟，大部分局限于二维计算模型， 对于陆续出现的三维计算模型，往往把超前小导管的支护效果折算到被加固区域 的力学参数里。对于文献 2 5 虽然建立了超前注浆小导管的真实三维结构，但是 采用了锚杆单元对小导管进行网格划分，这种单元仅仅能反映小导管的轴力。 1 5 主要研究方法及研究意义 以上论述表明，尽管小导管已经在在隧道工程中得到了普遍应用，但对它的 理论研究却极少。针对这种情况，本课题将采用三位有限元模型模拟超前小导管 支护的作用形式，分析超前小导管作用机理以及影响超前小导管作用效果的主要 因素。 主要内容及法如下： 1 小导管对隧道围岩稳定性影响机理分析 利用a n s y s 软件建立隧道开挖穿过破碎带时无小导管和有小导管两种情况 下的三维有限元计算模型，根据模型分别计算两种情况下围岩的荷载、位移、应 9 力、应变，分析围岩的稳定性，从而确定超前小导管作用机理。 2 确定影响超前小导管作用效果的主要因素 在以上研究的基础上，进一步探讨小导管分布范围、小导管管径、开挖步长、 初支弹性模量等因素对超前小导管作用效果的影响。 1 0 第二章隧道施工过程数值模拟基本理论 2 1 概述 隧道围岩是一种特定环境下具有塑性变形性质的复杂力学介质，其工程岩体 力学性质主要表现为非线性变形。尤其对于采用新奥法( n a t m ) 施工的隧道，一 般采用分层开挖、分块施工的开挖方式，即隧道的开挖过程是( 一个) 随时空不 断变化的。用力学观点分析这一施工过程，实质上就是对隧道围岩的不同部位， 按施工工序进行复杂的加载和卸载的过程。在此过程中，由于岩石的非线性变形 力学性质，不同的加载、卸载( 施工工序) 顺序产生的围岩变形也会不同。隧道 开挖可看作解除内部约束，是广义的加载( 符合塑性力学加载准则) ，而后施加的 支护或支撑又可能会引起局部的卸载效应。因此对于隧道及地下工程，其受力、 变形与围岩有密切的关系，支护结构与围岩形成一个统一的受力体系呦啪1 。 隧道及地下建筑物的受力状态是空间问题。但由于三维空间数值分析需要大 量计算资源，计算量大且数据处理十分复杂，而将隧道力学问题简化为平面应变 问题进行分析，计算量将减少。因此地下工程界对隧道工程进行初步分析仍广泛 采用二维分析方法。本章将简要介绍本文所涉及到的岩土材料弹塑性理论，即弹 塑性应力应变关系、屈服准则、破坏准则和流动法则，重点阐述在隧道施工过程 数值分析中如何应用和发展岩土材料弹塑性理论，建立材料的本构关系，同时介 绍了隧道围岩地应力分布，及开挖后应力调整的方法。此外，本章还介绍了利用 非线性有限元模型对隧道施工过程进行数值分析的方法和步骤，为随后的数值模 拟提供了理论依据与准备。 2 2 围岩的本构关系与强度理论 2 2 1 围岩材料的屈服准则 屈服是指材料受到外界荷载作用时，随着荷载的增加，结构的应力由弹性过 渡到塑性的过程。屈服面是指由弹性应力向塑性应力过渡的临界应力状态组成的 应力空间。用屈服函数f 表示，屈服面上的应力满足： f ( o u ) = 0 当f ( c r # ) 0 时，表示结构处于塑 性状态；当，( 仃；，) = 0 时，表示结构处于屈服临界状态。 ( 1 ) 摩尔一库仑( m o h r - c o u l o m b ) 屈服准则。1 9 0 0 年，摩尔和库仑提出了 m o h r - c o u l o m b 准则，其表达式如下： l = c 一仃。t g # = t m x ( 2 1 ) 式中：c = - 材料粘聚力；一材料内摩擦角；毛一剪切面上的剪应力；巳一为剪切 面上的正应力；f 一材料极限剪应力。 其中： 吒= 圭( 吼+ 码) + 三( 吼一吧) s i n 毛= 三( q 一c o s 妒 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 得。 三( q 一吒) c o s 矽= c - 三h + 玛) + 三p 。一仃，) s ；n 矽 留 整理得摩尔一库仑屈服准则的表达式如下： 甜。+ 佤= k s l n 口 口= o 3 ，( 9 ) 舯： 2 需 f ( t g ) ：c o st ? + 百s i n 8 一s i n 簪i ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) m o h r - c o u l o m b 准则在应力空间中表现为一六棱锥面( 图2 1 示) ，它是t r e s e a 准则的推广。 屈服面 7 夕一 南 么o l 1 2 歹。 一a l ( 2 ) 德鲁克普拉格( d r u c k e r - p r a g e r ) 屈服准n - 啦+ 厶= k ( 2 6 ) 1 1 2 0 t + oy + o z 式中： 以= 1 - ( o - , 一q ) 2 + ( q 一吒) 2 + ( 吒一吒) 2 】+ 2 + + 2 口：坠： k：一、i3ccos x 9 + 3 s i n 2 x 3 + s i n 2 ( 2 7 ) d r u c k c r - p r a g c r 准则在应力空间中为内切于m o b s - c o u l o m b 屈服面的圆锥面 ( 图2 2 示) ，是v m i s e s 准则的推广。该准则不仅计入中间应力的影响，而且考 虑了静水压力的作用，因此克服了m o b s - c o u l o m b 准则的主要弱点，在国内外岩 土力学与工程的数值计算分析中获得了广泛的应用【2 外。 西安交通大学的俞茂宏将单剪和双剪强度理论统一，对d r u c k e r - p r a g e r 准 则进行了修正，给出了一个十分简单的统一强度理论数学表达式： q 一南( 6 吒坞) 弧吒箐等 击( 吼+ b o 2 ) 一酊，= q ，啦箐手 ( 2 8 ) 当b - - o 时为单剪，当b = l 时为双剪【3 0 】。 2 2 2 围岩材料的弹塑性本构关系 根据上节中的材料屈服准则，可判断结构中某部分是否屈服。对没有屈服处 于弹性状态的结构应按照弹性本构关系进行分析；而对已经屈服进入塑性状态的 部分，需用弹塑性本构关系进行分析【3 1 1 。 根据弹塑性理论，当空间某一点的应力状态进入屈服阶段后，其应力应变关 系是非线性的，此时应变增量可分解为弹性应变增量和塑性应变增量两部分： d p = d p y + d 黏p ( 2 9 ) 其中弹性应变满足虎克定律，而塑性应变，则符合塑性关联流动正交法则， 即： d p 广= 随r l d p ( 2 1 0 ) j p ) q 为0 1 0 ( 2 f 1 3 将式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 代入( 2 9 ) 式中，整理得到： = 瞳卜掀皿l a o - l j ) 眨 已知岩土材料的弹塑性力学响应特征为： 州，= 掀 f = f ( ，g ) = 0 面= d a h ( 2 1 3 ) 式甲： g 为反映加载j 力史和望性焚彤的内变量；d a 为比例常数；h 为反映 材料软、硬化特性的参数。