随着我国经济建设的飞速发展，中国高速公路建设已进入到新一轮的发展高峰，体现在公路等级不断提高、高等级公路建设不断向山区延伸、隧道工程在高速公路里程中所占比例越来越大、建设规模和隧道开挖断面越来越大、隧道穿越的地形和地质条件也越来越复杂等方面[1-2]。为满足人们对出行的需求，在山区丘陵地带修建大断面甚至超大断面隧道越来越普遍，而在这些隧道修建过程中难免需要穿越岩体破碎、岩石强度低、围岩赋存环境差的不良地质段，我们称此类隧道为大断面软弱围岩隧道[3]。

说来也怪，自有这观音阁后，村里的水渠与河流从没有干涸过，也没泛滥过。而之前，村里是发过大水的，水漫过渠道，冲破堤岸，冲毁桥梁，淤塞了河床。

大断面软弱围岩隧道开挖后，地应力将重新分布，围岩发生的变形量大且变形速度快，在受拉或受压条件下会产生显著的塑性变形[4]，一旦施工方法和使用的工程防护措施不当极易产生大变形，以至产生初期支护侵陷甚至隧道塌方等工程灾害[5-7]。为防止此类工程事故发生，在隧道开挖前对其进行预支护十分必要[8-9]，经验表明，超前小导管注浆支护在隧道穿越软弱破碎围岩等不良地段时发挥了重要作用[10-11]。为研究超前小导管注浆对大断面软弱围岩隧道中的支护效应，本文以郑州中原西延线韩门隧道为工程依托，利用有限差分软件FLAC3D对隧道进行超前小导管注浆支护的数值模拟，分析大断面软弱围岩隧道进行超前小导管注浆支护围岩的应力场以及位移场，研究超前小导管注浆在大断面软弱围岩隧道中的支护效果。

1 工程概况

韩门隧道地处河南省巩义市站街镇韩门村，是一座分离式双向6车道隧道，单洞净跨15 m，净高9.4 m，单洞开挖断面在150 m2，属于超大断面隧道。隧址区属于低山丘陵区，地形高山深切，出口段沟谷总体呈“V”型，局部发育陡崖，植被较发育。隧道区内的岩性主要为三迭系和二迭系，以泥质砂岩、砂质泥岩、砂岩为主，岩层呈层状，强风化层节理裂隙较发育，厚度为2.6～24.2 m。韩门隧道分为南北两个洞：北侧左洞长约1 370 m，起始里程为ZK16+145；南侧右洞长约1 175 m，起始里程为YK16+270。隧道围岩类型以IV、V围岩为主，隧道衬砌结构如图1所示。

《规划》提出以下六大重点任务：一是全面深化体制改革，积极探索机制创新。二是集聚优势科教资源，提升创新服务能力。三是培育科技创新主体，发展高新技术产业。四是优化创新创业环境，提高园区双创能力。五是鼓励差异化发展，完善园区建设模式。六是建设美丽宜居乡村，推进园区融合发展。

  

图1 隧道衬砌结构示意图

2 数值分析

由计算结果可知，隧道在两种情况下拱顶发生的位移最大，在没有超前小导管注浆时拱顶竖向位移为4.55 mm，对隧道进行超前小导管支护时拱顶竖向位移为3.07 mm，与没有超前支护时相比下降约32%；隧道拱肩和拱脚处的位移量逐渐降低，在无超前小导管注浆时分别为3.81 mm和2.38 mm，有超前小导管注浆时分别为2.59 mm和1.67 mm，同比下降分别约为32%和30%。由位移云图也可以看出，采用超前小导管注浆使支护区各部位的竖向位移明显减小的同时，也抑制了隧道掌子面的预收敛。

无超前小导管注浆时隧道围岩Z方向应力分布云图如图9所示，有超前小导管注浆时隧道围岩Z方向应力分布云图如图10所示。

 

表1 模型物理参数

  

材料类型弹性模量(E)/GPa泊松比(μ)重度(γ)/(kN·m3)粘聚力(C)/MPa摩擦角(φ)/(°)围岩V级1.50.35200.124超前小导管注浆区50.2220.535初期支护29.50.223--

  

图2 数值分析模型

3 计算结果分析

3.1 围岩Z方向位移分析

无超前小导管注浆时隧道围岩Z方向位移云图如图3所示，有超前小导管注浆时隧道围岩Z方向位移云图如图4所示，各测点Z方向位移变化趋势如图5所示。

  

图3 Z方向位移云图(无超前小导管注浆)

  

图4 Z方向位移云图(有超前小导管注浆)

  

图5 各测点Z方向位移变化趋势图

采用三维有限差分法(FLAC3D)对韩门隧道V围岩段进行数值分析，隧道采用台阶法开挖，循环进尺为2 m，分为采用超前小导管注浆和不采用超前小导管注浆两种情况。在隧道模型拱顶、左右拱肩和左右拱腰设置监测点，对比分析超前小导管注浆对大断面软弱围岩的隧道支护效果[12-13]。

3.2 围岩X方向位移分析

奈斯的生态自我实现需要人类的精神有种进一步的成熟成长和一种超越人类的包括非人类世界的确证，这种思想深受印度民族解放运动思想家甘地的影响，甘地认为当一个人寻求神的真理时，惟一必要的手段就是爱，即非暴力，神就是爱。人们可以通过爱来感化别人。[9]33

无超前小导管注浆时隧道围岩X方向位移云图如图6所示，有超前小导管注浆时隧道围岩X方向位移云图如图7所示，各测点X方向位移变化趋势如图8所示。

  

图6 X方向位移云图(无超前小导管注浆)

  

图7 X方向位移云图(有超前小导管注浆)

  

图8 各测点X方向位移变化趋势图

由计算结果可知，隧道在两种情况下水平方向最大位移发生在拱肩处，无超前小导管支护时拱肩水平位移为0.8 mm，有超前小导管注浆时拱肩水平位移为0.32 mm，与无超前小导管支护时相比减少约60%；无超前小导管支护时拱脚水平位移为0.72 mm，有超前小导管注浆时拱脚水平位移为0.19 mm，与无超前小导管支护时相比减少约73%。

3.3 围岩的应力分析

根据韩门隧道具体尺寸及各计算参数建立三维数值模型。隧道围岩采用莫尔库伦(Morh-Coulomb)模型，超前小导管注浆支护区通过改变围岩地层参数实现[14-16]。模型计算边界：取X方向为横向80 m，Y方向为纵向60 m，Z方向为竖向50 m，模型前后两侧施加Y向位移约束，底部施加Z向位移约束，左右两侧施加X向位移约束，顶部自由无约束，模型的物理参数如表1所示，建立的隧道模型如图2所示。

  

图9 Z方向应力分布云图(无超前小导管注浆)

  

图10 Z方向应力分布云图(有超前小导管注浆)

由两种情况下的竖向应力分布云图可以看出，无超前小导管注浆时，隧道开挖后在拱脚处产生了应力集中区，最大压应力值为5.4 MPa，在隧道边墙约至拱肩这一范围内，围岩应力值也相当大，约为5.0 MPa；当有超前小导管支护时，隧道拱脚处的应力最大值为4.0 MPa，隧道其他部位的应力值都相比无超前小导管注浆时有明显降低，且各部位应力分布较均匀，在拱脚处无应力集中现象，但在边墙处产生了应力集中区，应力值约为4.5 MPa，这是因为拱部进行超前小导管注浆，在支护范围内形成的承载拱，承受上部荷载传递至边墙，在其边墙处形成了应力集中区。

4 结 论

1)数值分析表明，对大断面软弱围岩隧道采用超前小导管注浆支护，能够有效改善支护区域围岩的物理力学性质，提高加固区围岩的强度，超前小导管注浆区会形成承载拱，其产生的棚护作用，使隧道拱顶、拱肩和拱脚处的竖向位移以及拱肩和拱脚处的水平位移明显降低，且能够抑制隧道掌子面的预收敛。

2)进行超前小导管注浆使隧道围岩应力的大小较无超前小导管注浆时明显降低，且应力分布更加均匀，使拱脚处不再产生应力集中区，有助于大断面软弱围岩隧道的安全施工。

1.3 统计学处理 采用SSPS19.0统计软件进行分析。计量资料以表示，采用t检验；计数资料以率表示，采用χ2检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

参考文献：

[1] 宋公仆.洞湾隧道超前支护施工技术分析[J].交通科技与经济,2013,15(4):54-56.

[2] 皇民,肖昭然,郭成龙,等.双侧壁导坑与CD法对超大断面隧道开挖影响分析[J].交通科技与经济,2016,18(4):63-66，70.

[3] 关宝树,赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011.

[4] 皇民,肖昭然,郭成龙.大断面山岭隧道台阶法施工中台阶高度优化研究[J].河南科学,2016(2):247-251.

[5] 吴恒滨.小净距大断面隧道施工力学特性及长期稳定性研究[D].重庆：重庆交通大学,2009.

[6] 余永强,陈天恩,张文新.超前小导管注浆对软岩隧道稳定性的影响[J].金属矿山,2013(3):32-35.

[7] 王建鹏.隧道超前小导管作用机理及影响因素分析[D].郑州：郑州大学,2009.

[8] 张蓓,王建鹏,王复明,等.隧道超前小导管对掌子面稳定性影响分析[J].郑州大学学报(工学版),2009,30(4):30-34.

[9] 焦守林.浅埋大跨度隧道施工超前支护效应研究[D].济南：山东科技大学,2009.

[10] 台启民,张顶立,房倩,等.软弱破碎围岩隧道超前支护确定方法[J].岩石力学与工程学报,2016,35(1):109-118.

[11] 赵晋乾.山岭公路隧道注浆效果评价及技术指南研究[D].成都：成都理工大学,2009.

[12] 闵书.隧道超前小导管注浆预加固数值分析[D].重庆:重庆大学，2013.

[13] 潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京:中国铁道出版社，1995.

[14] 赵菁菁.超前小导管注浆等效模拟及参数设计研究[D].广州：华南理工大学,2015.

[15] 卫涛．膨胀土洞口滑坡及裂缝处治研究—李家坪隧道案例[J].交通科技与经济，2017，19(5)：65-70．

[16] 李强，欧阳院平，王明年.软弱围岩隧道洞口段超前支护的三维数值分析[J].铁道建筑,2005(3):32-34.