黏土隧道小导管注浆离心机模型试验
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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中开挖，小导管注浆加固区设置在圆形隧道开挖面，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%.
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的地层，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.隧道内壁用厚度0.75 mm的柱状密封橡胶膜覆盖，通过定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
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）、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.
（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.
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