隧道下穿水庫注漿加固圍巖穩(wěn)定性分析

尹文平

(天津地鐵建設(shè)發(fā)展有限公司，天津 300000)

0 引言

某隧道出口段開挖揭示巖體為泥質(zhì)、炭質(zhì)板巖質(zhì)糜棱巖及角礫巖，揭露時(shí)片理清楚，層厚小于2 cm，巖體富水。隨著隧道開挖不斷接近水庫影響區(qū)，圍巖逐漸富水飽和，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)砂礫狀圍巖飽和體不能自穩(wěn)。在隧道穿越水庫后，可能產(chǎn)生滲漏和涌水。因此，為確保今后的運(yùn)營安全，需要對(duì)隧道行經(jīng)庫底區(qū)域進(jìn)行地表加固處理。

采用有限元方法對(duì)地層加固前后的隧道開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，其目的是研究地層用高壓旋噴樁加固的可行性，同時(shí)預(yù)測不同加固效果下隧道開挖時(shí)拱頂?shù)某两?，為隧道下穿水庫的安全施工提供幫助?/p>

1 注漿加固措施

對(duì)洞頂水庫出露地表及水庫影響范圍內(nèi)的土層進(jìn)行加固，加固采用高壓旋噴樁，樁徑為50 cm，樁間距1.0 m，梅花形布置。根據(jù)實(shí)地勘測，加固范圍取50 m×60 m，旋噴樁自地表加固至隧底2 m，樁長19 m～34 m，共需加固樁3 051根/80 851.5 m。

2 隧道下穿水庫施工方案的有限元數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

有限元計(jì)算模型的范圍沿隧道方向取為27 m，沿隧道斷面方向100 m，上表面邊界取至地表，下表面邊界取至隧道底部以下24 m(見圖1)。

圖1 有限元計(jì)算模型

如圖2所示為計(jì)算模型與隧道和地層加固范圍的位置關(guān)系，其中矩形ABCD為高壓旋噴樁加固地層的范圍。

2.2 計(jì)算參數(shù)及材料模型

數(shù)值模擬中采用的圍巖參數(shù)根據(jù)JTG D70-2004隧道設(shè)計(jì)規(guī)范附錄A中圍巖分級(jí)有關(guān)規(guī)定來選取，具體取值見表1。

該段隧道圍巖的級(jí)別設(shè)計(jì)為Ⅵ級(jí)，其強(qiáng)度和剛度較低，受力時(shí)有較大的變形，可假設(shè)為彈塑性材料，材料塑性屈服采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則模擬。

2.3 施工工序模擬

本次有限元分析時(shí)，施工工序的模擬即按照采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法步序進(jìn)行。此外，考慮到地層加固后圍巖等級(jí)的提高，在模擬計(jì)算中還考慮了采用臺(tái)階法進(jìn)行開挖。

圖2 計(jì)算模型與隧道和地層加固范圍的位置關(guān)系

表1 有限元計(jì)算模型材料參數(shù)表

3 有限元模擬計(jì)算結(jié)果及其分析

3.1 模擬計(jì)算工況的確定

本次數(shù)值模擬考慮了三種不同的地層加固情況，針對(duì)不同的地層加固效果，計(jì)算并分析了不同施工方法開挖隧道時(shí)隧道的變形。不同的地層加固和隧道開挖方法共分為以下六種工況，作為比較其中加入了地層未加固的情況。

工況一:

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，洞內(nèi)采用大管棚、超前小導(dǎo)管、徑向小導(dǎo)管注漿對(duì)拱頂進(jìn)行支護(hù)，但不加固水庫底部地層;

工況二:

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，洞內(nèi)不采用大管棚、超前小導(dǎo)管、徑向小導(dǎo)管注漿對(duì)拱頂進(jìn)行支護(hù)，加固水庫底部地層至Ⅴ級(jí)圍巖強(qiáng)度;

工況三:

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，洞內(nèi)不采用大管棚、超前小導(dǎo)管、徑向小導(dǎo)管注漿對(duì)拱頂進(jìn)行支護(hù)，加固水庫底部地層至Ⅳ級(jí)圍巖強(qiáng)度;

工況四:

采用臺(tái)階法施工，洞內(nèi)采用大管棚、超前小導(dǎo)管、徑向小導(dǎo)管注漿對(duì)拱頂進(jìn)行支護(hù)，不加固水庫底部地層;

工況五:

采用臺(tái)階法施工，洞內(nèi)不采用大管棚、超前小導(dǎo)管、徑向小導(dǎo)管注漿對(duì)拱頂進(jìn)行支護(hù)，加固水庫底部地層至Ⅴ級(jí)圍巖強(qiáng)度;

工況六:

采用臺(tái)階法施工，洞內(nèi)不采用大管棚、超前小導(dǎo)管、徑向小導(dǎo)管注漿對(duì)拱頂進(jìn)行支護(hù)，加固水庫底部地層至Ⅳ級(jí)圍巖強(qiáng)度。

3.2 各工況的拱頂沉降

各個(gè)工況下的隧道施工產(chǎn)生的地層豎向位移分布見圖3，其中隧道拱頂?shù)淖畲蟪两狄姳?。旋噴樁加固起到了很好的改善地層條件、減小拱頂沉降和控制隧道變形的作用，另外采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工要比臺(tái)階法施工引起的拱頂沉降小很多，但施工工序要比臺(tái)階法復(fù)雜。

表2 各個(gè)施工工況下隧道拱頂?shù)淖畲蟪两抵?mm

4 結(jié)語

1)高壓旋噴樁加固起到了很好的改善地層條件、減小拱頂沉降和控制隧道變形的作用，另外采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工要比臺(tái)階法施工引起的拱頂沉降小很多，但施工工序要比臺(tái)階法復(fù)雜。

圖3 各工況下施工過程中隧道拱頂?shù)某两登€

2)在地層得到加固的條件下，采用臺(tái)階法施工時(shí)拱頂沉降不算很大，雖然臺(tái)階法施工簡單，但考慮到工法轉(zhuǎn)換的困難，不建議改換工法。