1、1黏土隧道小导管注浆离心机模型试验基金项目： 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（CDJZR10200022） ； 国家自然科学基金资助项目（51109231） 作者简介： 许明（1975-） ，男，副教授，博士后，主要研究方向为地下工程与边坡工程，电话：15696120975，E-mail： 文章编号： 0258-2724（2013）03-0423-06 DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.005 摘要： 为探讨小导管注浆范围对隧道稳定性及地面沉降的影响，进行了超前导管注浆加固机理与性能优化的系列离心机模型试验.试验隧道在平面应变条件下的超固结黏土
2、中开挖，小导管注浆加固区设置在圆形隧道开挖面外围，采用具有一定刚度的环状合成树脂模拟.试验结果表明：随着小导管环向布置范围的扩大，隧道塑性区及滑移面由拱顶向拱脚转移，深部土体逐渐开始参与承载，隧道稳定性提高；“洞侧加固”方案对提高加固效果最为经济；覆跨比等于 2 时，该方案可使黏土隧道施工期间的最大地面沉降减小约 10%. 关键词： 隧道；小导管注浆；地面沉降；离心机模型试验 中图分类号： U451.5 文献标志码： A 超前预支护是具有开放工作面的软土隧道掘进施工过程中一种常见的工艺方法，是在隧道开挖前，在掌子面前方的地层里沿隧道横断面设置一个类似伞形拱壳的连续体或加固体，用以加固掌子面前方
3、的地层，2保证掌子面及地层的稳定，抑制地面沉降，形成一个超前的支护体系. 在实际工程中，虽然已经制定隧道小导管超前注浆的参数设计、施工工艺、质量管理和计量控制等相关标准1-2，但主要基于经验类比.小导管注浆的加固机理一般均简化为梁拱效应和地层加固效应3-6；加固效果的评价多采用环状加固区力学参数反演基础上的数值计算方法7-8.而小导管注浆对于地面沉降和隧道塌陷机制的效应尚缺乏理论分析与试验验证. 为掌握圆形隧道在超前小导管注浆支护作用下的塑性变形规律，本文采用伦敦城市大学的 Acutronic 661 型离心机，对超前小导管的作用机理以及小导管环向布置范围对隧道稳定性和地面沉降的影响进行了试验
4、研究，并提出了优化的小导管布置方案，以提高小导管注浆支护效果，减小地下开挖对邻近建筑结构的危害. 1 离心模型试验 1.1 隧道模型 离心试验机的转动半经为 1.8m，加速度设为 100g（g 为重力加速度）.隧道直径为 50mm，覆跨比（隧道埋深 C 与隧道直径 D 之比）取为 2.根据相似原理，试件可模拟直径 5m 的隧道，是一种常用的隧道建筑限界.隧道拱脚距离模型箱底 1 倍直径以上，模型两侧的宽度为 5 倍隧道直径.其他类似尺寸的离心机试验结果表明，该距离可以将边界效应对试验结果的影响减小到最低. 试验隧道用一个外径 50mm 的薄壁不锈钢管开凿，隧道轴线与模型箱宽度方向一致.隧道内壁
5、用厚度 0.75 mm 的柱状密封橡胶膜覆盖，通过定3量控制膜内空气压力的方式模拟隧道的地层损失.模型地面沉降采用 12个间距 45 mm 的线性位移传感器（LVDTs）测量，地面以下位移则采用闭路电视摄像头（CCTV）对试件侧面布置的观测点进行不间断图像采集，通过图形采样分析系统（Visimet）对不同时刻观测点几何位置的分析获得各测点的位移9-12.每个观测点由一个直径 3 mm 的黑色圆柱状塑料钉标记，如图 1（a）所示. 1.2 注浆小导管 试验共设计了 5 组不同加固方案的试件，注浆导管环向排列密度以及浆液扩散半径保持不变，仅注浆导管布设方位与数量不同，表 1 为模型试验方案. 试验
6、方案中，FP1 为无注浆导管的参照试件；试件 FP2 采用洞侧加固方案，试件 FP3、FP4 和 FP5 采用拱顶加固方案，注浆范围逐渐增大. 试验关键之处在于确保试件处于二维平面应变条件下，以考察隧道内壁所需的支撑压力与土体变形的关系.小导管加固区虽然忽略了实际工程中注浆花管的倾角，但由于隧道变形集中在与隧道轴线垂直的平面内，这种简化除了不能模拟隧道掌子面的破坏外，是一种有效的近似14. 1.3 试验流程 2 隧道变形机制 FP1 和 FP3 的隧道坍塌主要集中于拱腰以上周界（上拱圈破坏） ，而试件 FP2 和 FP4 的破坏集中于拱腰以下周界（下拱圈破坏）.造成二者差异的主要原因在于，前者
7、小导管布置在隧道拱顶 120的范围内，后者布置在超过 180的范围内.小导管环向布置范围若超过隧道半拱圈，可使4隧道塑性区由拱顶向拱脚转移，深部土体逐渐开始承载.隧道两侧（轴心深度处）是否有注浆小导管加固，将改变隧道的失效机制，拱腰位置是支护设计的关键部位.当加固区达到拱顶 270范围时，隧道失效表现为拱脚回弹（图 3（c） ）. 从表 2 可见，无支护隧道所需的支撑压力大于有支护隧道，说明隧道轮廓线外围的注浆导管既能对隧道拱圈提供一定的支撑，又能加固一定范围内的洞壁土体，进而提高隧道稳定性.试件 FP4 较之 FP3 的优势，仅在隧道大变形时才能体现出来，当地层损失率较小时，加固区范围从隧道
8、拱顶 120增加到 180，对改善加固效果的作用十分有限.试件 FP5的布置方案虽然对提高隧道稳定性效果最为显著，但所需的注浆材料与工时也最多. 从注浆导管加固区面积与临界支撑压力的比率来看，试件 FP2 是一个折衷的最优方案. 3 位移模式分析 3.1 地面沉降 图 4 为 5 组试件在地层损失率 VL=10%时的横向地面沉降，其形态可由高斯分布曲线描述，此时隧道尚处于稳定状态，地面沉降值足够大，不受系统误差的影响.5 组试件中土样的不排水剪切强度非常接近，可忽略其对地面沉降的影响. 与参照试件 FP1 比较，试件 FP2 和 FP5 在隧道中心线处的最大地面沉降量减小 10%左右，两侧地面
9、沉降略有增大；试件 FP3 和 FP4 的沉降曲线与 FP1 相近. 3.2 沉降曲线反弯点至隧道中心的距离 5图 5 显示了 5 组试验中 i 随 z 的变化情况.由参照试件 FP1 获取的 i值，不论在地面，还是在地面以下，均与式（2）的理论值一致，隧道埋深越大，沉降槽宽度越小.相对于无加固方案，试件 FP3 的沉降槽宽度系数减小，试件 FP4 持平，而试件 FP2 和 FP5 增大. 沉降槽宽度系数增大意味着沉降槽宽度增大，在地层损失率相同的情况下，最大地面沉降变小，与图 4 中试件 FP2 和 FP5 的地面沉降观测结果一致.由于沉降曲线反弯点处剪应变最大，当地层处于极限状态时该点剪应
10、力达到极限值，成为地层破坏的控制点，因此，i 值的变化意味着滑移面的位置随小导管布置范围发生改变，进而形成不同的隧道塑性变形机制. 4 结论 通过不同小导管注浆范围条件下圆形隧道变形机制的离心机模型试验，探讨了超前导管注浆加固机理与最优注浆范围.结果表明： （1） 注浆导管能对隧道拱圈提供一定的支撑，又能加固一定范围内的洞壁土体.随着环向布置范围的扩大，隧道塑性区及滑移面由拱顶向拱脚转移，深部土体逐渐开始参与承载，隧道稳定性得以提高.隧道两侧（拱腰）是超前支护的关键部位. （2） 不同的小导管环向布置范围对黏土隧道的加固作用不同，以加固效果显著性排序，依次是 FP5 （拱顶 270加固方案）
11、、FP2 （洞侧120加固方案） 、FP4 （半圆形式加固方案）和 FP3 （拱顶 120加固方案） ；从注浆导管加固区面积与临界支撑压力的比率来看， “洞侧加固”方案最为经济. 6（3） “洞侧加固”方案的沉降槽宽度系数较大，覆跨比等于 2 时，该方案可使黏土隧道施工期间的最大地面沉降减小约 10%. 致谢：伦敦城市大学 R N TAYLOR 教授对圆形隧道稳定性分析给予了悉心指导，在此表示衷心感谢. 参考文献： 1重庆交通科研设计院. JTG D702004 公路隧道设计规范S. 北京：人民交通出版社，2004： 214-215. 2张凤爱. 浅谈对隧道超前小导管注浆的质量管理J. 公路交
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