隧道地表坍陷深層注漿理論研究與工程實(shí)踐

喬明燦，樂金朝，牛向飛

(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450000)

注漿是巖土工程中一門專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)，用注漿處理各種巖土工程問題，已成為常用的方法。隨著注漿技術(shù)的日益成熟和發(fā)展，它的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，在隧道工程［1-2］中，地表注漿主要應(yīng)用于地質(zhì)條件差、偏壓、洞口及淺埋等地段圍巖加固中［3］。地表注漿加固技術(shù)對于提高圍巖的自穩(wěn)時間和自身承載能力，改善巖土體的物理力學(xué)性能，縮小開挖變形產(chǎn)生的松馳區(qū)范圍，減小圍巖對初期支護(hù)和二次襯砌的壓力有著很好的作用。同時注漿管可起到地表錨桿懸掛巖體作用，防止塌方冒頂。通過加固充填礦洞及其坍塌體，使得圍巖整體性得到加強(qiáng)。

經(jīng)過50多年的發(fā)展，我國的隧道注漿加固技術(shù)無論是在理論上，還是在實(shí)際應(yīng)用上，都取得了長足的進(jìn)展，并提出了不同的注漿理論。但是對于注漿壓力、注漿次序優(yōu)化選擇的研究還很少，對于注漿方案的設(shè)計更多依賴于經(jīng)驗(yàn)，缺少系統(tǒng)的理論研究。

本文以某隧道作為主要研究對象，采用探地雷達(dá)［4-5］、地震波技術(shù)［6］檢測隧道圍巖塌陷區(qū)域，確定出塌陷區(qū)的空間位置、塌陷深度以及塌陷范圍等。以此為根據(jù)，利用有限元分析軟件ABAQUS建立隧道三維有限元模型［7］，對隧道地表注漿進(jìn)行有限元仿真模擬，重點(diǎn)分析注漿壓力、注漿次序?qū)ψ{加固效果的影響。并根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，進(jìn)行施工方案的選擇。最后，通過實(shí)際的工程應(yīng)用，對比隧道變形預(yù)測值和實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，驗(yàn)證有限元數(shù)值方法模擬山頂注漿加固局部圍巖脫空隧道過程的正確性和有效性。

1 工程概況

該隧道位于平頂山市，為分離式雙洞隧道，隧道全長1 318 m，平面線形采用直線和半徑850 m的圓曲線。隧道建筑限界寬9.20 m，高5.00 m;內(nèi)輪廓凈寬12.5 m，凈高7.01 m。施工期間，隧道里程樁號LK66+446—LK66+508段巖石構(gòu)造節(jié)理裂隙擴(kuò)展，常呈不規(guī)則脈狀、團(tuán)塊狀出現(xiàn)，致使巖石整體強(qiáng)度變低，并沿裂隙面斷開。由于松散狀的覆蓋土層較厚，頂板巖石厚度薄且破碎，開挖時出現(xiàn)大面積的坍塌、冒頂現(xiàn)象。塌方平均高度12 m，寬度9 m，塌方長度62 m。該隧道運(yùn)營期間，在同樣位置對應(yīng)的山頂發(fā)生局部塌陷，塌陷區(qū)大致呈圓筒狀，直徑達(dá)10～12 m，淺處深度為1～2 m，深處深度達(dá)10～12 m，塌方量約1 200 m3。探地雷達(dá)檢測結(jié)果表明該段圍巖局部脫空、不密實(shí)嚴(yán)重。為提高圍巖強(qiáng)度，降低圍巖的透水性能，改善隧道成拱的作用，決定對該段實(shí)施地表高壓預(yù)注漿處理，進(jìn)而達(dá)到保證工程安全的目的。

2 注漿加固數(shù)值模擬計算

2.1 注漿加固的數(shù)值模擬

本文首先結(jié)合探地雷達(dá)檢測結(jié)果，對密實(shí)程度不同圍巖采用不同材料屬性來模擬注漿加固過程，通過數(shù)值模擬對注漿步序、注漿壓力等因素進(jìn)行重點(diǎn)分析。數(shù)值模擬采用以下幾個基本假定:

1)采用耦合模型方法，將山體、注漿區(qū)域和隧道作為一個共同體來建模。

2)注漿過程中，不考慮隧道內(nèi)通行車輛的影響。3)不考慮注漿管道對山體的影響。

4)假設(shè)注漿完成后，漿液以拱形均勻分布。

通過有限元程序 ABAQUS模擬［7］分析注漿加固主要包括以下內(nèi)容:

1)隧道拱頂施加沖擊荷載模擬山體塌陷，分析隧道受力特性。

2)增加不密實(shí)區(qū)域的巖體剛度和密度(通過field，variable命令實(shí)現(xiàn))，填充破碎、脫空區(qū)域(通過Model Change，add命令實(shí)現(xiàn))來模擬注漿。

3)分析注漿步序?qū)ψ{效果的影響。由于隧道左右邊墻圍巖密實(shí)情況不同(左邊墻圍巖脫空、不密實(shí)較為嚴(yán)重)，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，主要分析以下兩種注漿步序情況下的隧道應(yīng)力應(yīng)變特性:

步序A:注漿次序依次為左邊墻、右邊墻、左拱腰、右拱腰及拱頂。

步序B:注漿次序依次為右邊墻、左邊墻、右拱腰、左拱腰及拱頂。

通過對比分析，提出合理注漿步序。

4)分析注漿壓力對注漿效果影響。實(shí)際注漿過程中，注漿壓力過小不利于漿液的填充密實(shí)，壓力過大容易造成隧道的不穩(wěn)定。在合理注漿步序基礎(chǔ)上分別對1.0 MPa、1.5 MPa及2.0 MPa三種注漿壓力進(jìn)行數(shù)值模擬分析，提出合理注漿控制壓力，為理論驗(yàn)證實(shí)際注漿壓力的合理性提供依據(jù)。

2.2 建模說明

根據(jù)山體實(shí)際檢測情況和具體計算的需要，計算基礎(chǔ)深度取2倍洞徑20 m，長度取113 m;兩側(cè)基礎(chǔ)邊界均距拱腳25 m;模型拱頂上方土體平均高度取60 m。另外，根據(jù)探地雷達(dá)［8］實(shí)測數(shù)據(jù)，在模型中建立不同材料屬性區(qū)域，結(jié)構(gòu)整體建模情況及材料分區(qū)情況見圖1。山體及隧道二次襯砌材料采用摩爾—庫倫模型，計算參數(shù)見表1。山體和隧道采用六面體 C3D8R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鋼筋層采用SFM3D4單元。共劃分C3D8R單元67 545個，節(jié)點(diǎn)71 438個;SFM3D4單元18 844個，節(jié)點(diǎn)18 950個。

在數(shù)值計算中，模擬過程分9個分析步:

1)分析步1～分析步2模擬隧道開挖和修建過程，通過 ABAQUS中的 remove和 add命令來實(shí)現(xiàn)，分析圍巖塌方前山體及隧道的應(yīng)力分布情況。

圖1 隧道不密實(shí)區(qū)域模型

表1 模型計算參數(shù)

2)分析步3結(jié)合實(shí)際情況，模擬在隧道正常運(yùn)營期間，山頂巖體塌陷造成隧道內(nèi)出現(xiàn)局部裂縫，分析此次塌陷對隧道整體穩(wěn)定及應(yīng)力應(yīng)變特性的影響。

3)分析步4～分析步8模擬注漿過程，主要對不同注漿步序、注漿壓力計算分析，為最優(yōu)注漿加固方案的設(shè)計提供依據(jù)。

4)分析步9為注漿完成后，進(jìn)行隧道應(yīng)力應(yīng)變分析，評定注漿效果。

3 計算結(jié)果與分析

本文模擬地表注漿加固既有公路隧道，分析注漿加固的主要影響因素、注漿過程中隧道應(yīng)力應(yīng)變特性及注漿加固效果。

3.1 注漿施工步序的選擇

圖2給出了兩種步序下隧道應(yīng)力計算結(jié)果。分析得出:隨注漿步序不同，隧道左邊墻受拉應(yīng)力集中在0.2～0.9 MPa之間，在步序A中，應(yīng)力最大值為1.5 MPa，在步序 B中，最大應(yīng)力達(dá)到1.7 MPa;注漿過程中隧道右邊墻受拉應(yīng)力集中在0.3～0.7 MPa之間，在步序A中，應(yīng)力最大值為1.4 MPa，在步序B中，最大應(yīng)力達(dá)到1.6 MPa。

圖2 兩種步序下隧道左右邊墻應(yīng)力對比

對比兩種注漿步序計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，步序A更為合理，可以有效降低隧道受拉應(yīng)力，減小注漿對隧道的負(fù)面影響。

3.2 注漿壓力的選擇

在注漿步序A基礎(chǔ)上對注漿壓力為1.0 MPa，1.5 MPa及2.0 MPa三種情況進(jìn)行分析。從圖3可知，在三種注漿壓力下，隧道左邊墻最大應(yīng)力依次為1.2 MPa，1.5 MPa，2.1 MPa。其中在 2.0 MPa 注漿壓力下，最大應(yīng)力為2.1 MPa，超過其極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(C25標(biāo)準(zhǔn)值為1.78 MPa)，即2.0 MPa注漿壓力下可能會破壞隧道結(jié)構(gòu)。注漿壓力越大，注漿填充加固效果越明顯，但注漿壓力過大，可能會對隧道結(jié)構(gòu)造成新的破壞。綜合分析各種原因，得出1.5 MPa注漿壓力滿足要求。

圖3 不同注漿壓力下左邊墻處應(yīng)力對比

3.3 注漿加固前后隧道應(yīng)力分析

在合理的注漿步序、注漿壓力基礎(chǔ)上，對注漿加固過程進(jìn)行模擬分析。由圖4可知，注漿后，隧道應(yīng)力較注漿前明顯減小，其中左邊墻及右邊墻應(yīng)力值由原來的1.5 MPa減小至0.8 MPa以下;拱頂應(yīng)力值由原來的0.8 MPa減小至0.4 MPa左右。總之，隧道整體承受荷載減小，分布趨于均勻，注漿加固效果理想。

圖4 注漿前后隧道不同部位應(yīng)力對比

4 工程應(yīng)用及效果分析

考慮到本隧道山體的不穩(wěn)定性，為保證漿液良好的操作性、適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)安全性，漿液采用灌性好、早凝早強(qiáng)、成本經(jīng)濟(jì)的水泥漿液［8］。水灰比控制在0.6～0.8，凝固時間為8 h左右。按照步序A設(shè)計要求，以1.5 MPa注漿壓力分步注漿，具體施工步驟如下:

1)塌陷區(qū)域定位:首先采用 GPS技術(shù)［9］確定地表塌陷坑的三維空間位置，判斷該塌陷區(qū)與隧道的相關(guān)關(guān)系以及對應(yīng)的隧道里程和部位。然后采用地震波技術(shù)對山體塌方情況進(jìn)行探測，同時采用探地雷達(dá)技術(shù)對隧道襯砌及其背后圍巖密實(shí)、空洞情況進(jìn)行探測。通過以上綜合技術(shù)，可較明確定出塌陷區(qū)的空間位置、塌陷深度以及塌陷范圍等。

2)注漿孔布置:隧道注漿加固區(qū)域?yàn)?LK66+410—LK67+510段。注漿孔采用梅花形布置，沿隧道方向布置5排注漿孔，相鄰兩排間距5 m，每排相鄰兩孔間間距5 m。

3)注漿孔成孔:由 GPS確定各個注漿鉆孔的深度，然后采用電動回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔，鉆孔直徑為75 mm，每個注漿孔與隧道距離控制在2 m左右。鉆機(jī)鉆到設(shè)計深度后清理孔位并拔出鉆頭，同時下設(shè)加工好的鋼管(直徑30 mm，其中一端10 m范圍內(nèi)鉆設(shè)間距20 cm、直徑15 mm的孔眼用于注漿)于孔內(nèi)。

4)動態(tài)跟蹤注漿加固:采用隧道激光斷面儀［10］監(jiān)測并記錄隧道各斷面數(shù)據(jù)，并觀測隧道裂縫變化和滲水情況，確保注漿過程中隧道結(jié)構(gòu)安全，直至注漿完成。

注漿完成后，監(jiān)測結(jié)果表明隧道拱圈變形微小，山頂塌陷區(qū)域最大沉降量1.2 mm，整個隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定(見圖5)。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果相近，驗(yàn)證了有限元模型分析的有效性和正確性。

由于地表注漿過程中，高壓漿液具有填充和壓密作用，注漿后的隧道滲水現(xiàn)象得到有效治理，防滲效果如圖6所示。同時探地雷達(dá)檢測結(jié)果表明，填充效果明顯(見圖7)。注漿前，隧道LK66+420—LK66+435段左邊墻內(nèi)部圍巖7～12 m處脫空、不密實(shí)嚴(yán)重，注漿后，病害區(qū)域得到有效填充加固。

圖5 注漿后拱頂沉降預(yù)測值與實(shí)際監(jiān)測值對比曲線

圖6 防滲效果

圖7 注漿前后雷達(dá)探測結(jié)果對比

5 結(jié)論

1)地表注漿是對既有公路隧道防滲加固治理的有效技術(shù)措施。數(shù)值模擬可做為地表注漿加固設(shè)計的重要依據(jù)［11］。同時結(jié)合探地雷達(dá)檢測結(jié)果，對密實(shí)程度不同圍巖采用不同材料屬性來模擬注漿加固過程，能有效預(yù)測注漿加固效果，較好反映隧道變形特性。

2)注漿加固的機(jī)理十分復(fù)雜［12］，漿液水灰比的選擇、注漿步序的確定和注漿壓力的控制等，都是地表注漿必須仔細(xì)分析的關(guān)鍵。

3)考慮到隧道圍巖密實(shí)情況不同，應(yīng)先對脫空、不密實(shí)明顯的區(qū)域進(jìn)行注漿加固，避免造成結(jié)構(gòu)偏壓受力，最大限度地保證注漿工程安全。

4)注漿壓力的確定，應(yīng)綜合考慮注漿步序、結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力等因素。在不影響結(jié)構(gòu)安全前提下，通過高壓注漿，達(dá)到理想加固治理效果。

5)地表注漿是隧道防滲加固較為有效的一種方法，本文研究成果將有助于優(yōu)化選擇適合于公路隧道的注漿方案，同時為分析注漿加固既有隧道的影響因素提供一些規(guī)律性認(rèn)識。但是對于諸如注漿不均勻引起結(jié)構(gòu)不均勻形變的負(fù)面影響;注漿過程中，注漿壓力與車輛荷載耦合作用對隧道結(jié)構(gòu)的影響等問題的解決還有待進(jìn)一步完善。

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