動(dòng)載作用下斷層隧道施工注漿效果分析

凌同華，李 潔，高 亮

（長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004）

隨著交通建設(shè)不斷迅猛地發(fā)展，隧道工程穿越復(fù)雜地質(zhì)的現(xiàn)象越來越普遍［1］。近年來，注漿技術(shù)作為一種重要且有效的支護(hù)手段，得到了大力地推廣及應(yīng)用，也是處理斷層等不良地質(zhì)最常用和最有效的方法之一。它有助于提高巖體的物理力學(xué)參數(shù)，形成抗?jié)B性能強(qiáng)和強(qiáng)度高的巖體，同時(shí)控制圍巖的變形和失穩(wěn)破壞。

針對斷層隧道，眾多學(xué)者對其注漿加固技術(shù)進(jìn)行了研究。黃戡［2］建立了劈裂注漿模型試驗(yàn)，通過對注漿機(jī)理的分析，推導(dǎo)了注漿壓力及土體塑性區(qū)半徑等公式。陳蘭云［3］采用UEPP2D程序，建立了圍巖注漿模型，進(jìn)行了數(shù)值分析，提出了注漿控制方法與檢測手段。劉猛［4］采用FLAC3D軟件與監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，分析了注漿前、后圍巖塑性區(qū)和位移的變化，進(jìn)行了軟弱圍巖隧道的注漿效果研究。從已有的研究成果來看，大多數(shù)研究集中于斷層圍巖在靜力和地震作用下的施工力學(xué)行為，但注漿加固技術(shù)在爆破開挖下的研究還不夠深入。當(dāng)注漿范圍過大時(shí)，會(huì)造成工程量的增大、漿液的浪費(fèi)及施工成本的增加；當(dāng)注漿范圍過小時(shí)，達(dá)不到預(yù)期的控制效果，不利于圍巖的安全穩(wěn)定性。作者擬采用ANSYS／LS－DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，針對預(yù)注漿加固技術(shù)，對斷層圍巖的動(dòng)力響應(yīng)影響問題進(jìn)行討論，從不同的注漿寬度和長度出發(fā)，分析注漿對斷層圍巖的影響；通過對斷層圍巖加固效果的評價(jià)，得到適合葵壩路隧道的最優(yōu)注漿范圍。

1 注漿加固理論

在隧道工程中，注漿機(jī)理主要有滲透注漿、壓密注漿、劈裂注漿及電動(dòng)化學(xué)注漿4種［5］。根據(jù)漿液的物質(zhì)組成和作用機(jī)理不同，分別適用于不同類別的土體和巖石中。

注漿是把漿液注入到巖體的弱結(jié)構(gòu)面內(nèi)，堵塞或充填裂隙，使之形成封閉裂隙，阻止地下水對巖體的侵蝕，以達(dá)到增強(qiáng)圍巖的整體性、控制變形及改善圍巖的力學(xué)性質(zhì)的目的。

在相同應(yīng)力作用下，未注漿時(shí)巖體強(qiáng)度達(dá)到極限狀態(tài)；而注漿后的巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)，自承能力有所提高［6］。因此，注漿技術(shù)主要是通過提高結(jié)構(gòu)面的粘聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)，在摩爾－庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則下，使得巖體的強(qiáng)度得到了不同程度地提高。摩爾－庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則包絡(luò)線如圖1所示。巖體的強(qiáng)度增量表達(dá)式為：

式中：Δσ為巖體強(qiáng)度的增量；σ1，σ2和σ3均為巖體的強(qiáng)度；c1，c2分別為注漿前、后巖體的粘聚力；φ1，φ2分別為注漿前、后巖體的內(nèi)摩擦角。

圖1 摩爾－庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則包絡(luò)線示意Fig.1 The envelope diagram of Mohr－Coulomb strength criterion

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

葵壩路隧道位于深圳市東部邊境，全長4 792m（樁號YK0＋746～YK5＋538），上、下行分修，單向行駛。本工程巖體以花崗巖為主，受構(gòu)造作用的影響，存在4條規(guī)模較大的斷層。主要研究F2斷層，其夾角為60°，產(chǎn)狀310°／SW 55°，長5km，寬度5～10m，受原巖的性質(zhì)所控制。

2.2 有限元模擬

2.2.1 模型的建立

依據(jù)葵壩路隧道巖體的分布特征，從最不利因素出發(fā)，選取F2斷層為研究對象。通過運(yùn)用ANSYS／LS－DYNA軟件，進(jìn)行斷層隧道在爆破開挖下的數(shù)值仿真計(jì)算。由于左、右線隧道開挖進(jìn)度不一致，且兩隧道相距40m；因此，僅選取一個(gè)隧道進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)研究。隧道開挖的影響范圍為洞徑的3～5倍，結(jié)合實(shí)際斷面與地質(zhì)條件，則模型參數(shù)設(shè)定為：模型尺寸為96m×50m×60m（L×W×H，如圖2所示），其中，深色部分為斷層，厚度7m且傾角60°。邊界條件為：①前、后、左、右及底部邊界施加法向約束，即位移為零；②頂部為自由邊界，且不計(jì)上部荷載；③均為無反射邊界，防止爆炸應(yīng)力波反射到模型中。

圖2 隧道計(jì)算模型Fig.2 Computation model of tunnel

2.2.2 斷層模擬及參數(shù)選取

斷層模擬的基本方法為參數(shù)弱化法和接觸面定義法［7］。參數(shù)弱化法就是弱化巖體的物理力學(xué)參數(shù)，使其與周邊巖體的性質(zhì)有顯著差別；接觸面定義法就是對分界面的法向和切向剛度以及兩側(cè)巖體的容重、粘聚力和彈性模量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為確保巖體的連續(xù)性和控制網(wǎng)格的變形，采用參數(shù)弱化法來進(jìn)行斷層的模擬。

在爆破作用下，圍巖的力學(xué)參數(shù)發(fā)生了顯著的改變。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［8］和工程經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)泊松比是靜泊松比的0.8倍；而動(dòng)彈性模量會(huì)有著不同程度的提高，如：堅(jiān)硬致密巖體的動(dòng)彈性模量會(huì)提高到1～5倍，軟弱破碎巖體的動(dòng)彈性模量會(huì)提高到20倍。圍巖的動(dòng)力力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖的動(dòng)力力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock

2.2.3 模擬方案的設(shè)計(jì)

在爆破掘進(jìn)開挖之前，考慮到掌子面頂部存在斷層圍巖，應(yīng)對斷層圍巖進(jìn)行加固處理。擬采用小導(dǎo)管超前預(yù)注漿來改善斷層圍巖的力學(xué)性能。

為了得到預(yù)注漿技術(shù)對斷層圍巖控制作用的大小，擬分別討論未注漿和預(yù)注漿處理后斷層圍巖的位移、振速及最大主應(yīng)力的動(dòng)力響應(yīng)特征分布規(guī)律。同時(shí)，為了尋求本隧道工程的最優(yōu)注漿范圍，擬在不同預(yù)注漿寬度和長度下，對圍巖的位移、振速及最大主應(yīng)力峰值進(jìn)行對比和分析。擬定注漿范圍：沿隧洞開挖線以外2，3，4和5m；且沿掌子面前方分別為3，4和5m。

3 預(yù)注漿對斷層圍巖的影響分析

斷層具有低強(qiáng)度、大變形、強(qiáng)透水性及自穩(wěn)能力差等特征。在爆破荷載作用下，斷層圍巖會(huì)產(chǎn)生大變形和強(qiáng)振動(dòng)，而拱頂圍巖是隧道中最薄弱的部位，因此，僅討論斷層拱頂圍巖的動(dòng)力響應(yīng)分布特征。

3.1 不同預(yù)注漿寬度的影響分析

在注漿長度和其他材料參數(shù)維持不變的前提下，研究不同注漿寬度對斷層圍巖在爆破載荷作用下的影響。不同注漿寬度（2，3，4和5m）下，拱頂圍巖的豎向位移和最大主應(yīng)力的變化曲線分別如圖3，4所示。

圖3 注漿寬度對圍巖豎向位移的影響Fig.3 The influence of grouting width on the vertical displacement of surrounding rock

1）豎向位移

從圖3中可以看出，在特定注漿長度下，隨著注漿寬度的增加，拱頂圍巖的豎向位移隨之減小。注漿長度為3m時(shí)，圍巖豎向位移最大，而長度4和5m的豎向位移分布相近、曲線接近重合。由此可見，在一定注漿長度內(nèi)，即豎向位移隨著注漿寬度的增加而減小。

2）最大主應(yīng)力

從圖4中可以看出，在進(jìn)行預(yù)注漿處理后，圍巖的最大主應(yīng)力分別為1.773，1.727，1.700和1.693MPa。注漿長度4和5m時(shí)，圍巖最大主應(yīng)力分布曲線接近重合。由此可見，在特定注漿長度下，最大主應(yīng)力隨著注漿寬度的增加而減小。當(dāng)注漿寬度＞4m時(shí)，最大主應(yīng)力的變化較為顯著；隨著注漿寬度的增大，最大主應(yīng)力的變化趨于平緩。

圖4 注漿寬度對圍巖最大主應(yīng)力的影響Fig.4 The influence of grouting width on the maximum principal stress of surrounding rock

因此，不同的注漿寬度對圍巖豎向位移和最大主應(yīng)力的分布有較大影響，動(dòng)力響應(yīng)特征值都隨著注漿寬度的增加而減小。

3.2 不同預(yù)注漿長度下的影響分析

討論不同注漿長度下斷層圍巖的豎向位移和最大主應(yīng)力分布情況。不同注漿長度（3，4和5 m）下，拱頂圍巖的豎向位移和最大主應(yīng)力的變化曲線分別如圖5，6所示。

1）豎向位移

從圖5中可以看出，寬度為2m時(shí)，在不同注漿長度下，圍巖豎向位移分別為0.680，0.665和0.655mm，它們相差甚??；而注漿寬度為5m時(shí)，3種注漿長度的位移相差甚微，均不超過0.33mm。隨著注漿長度的增加，拱頂圍巖的豎向位移變化緩慢，尤其在4～5m范圍內(nèi)。由此可知，不同注漿長度對拱頂圍巖豎向位移的影響很小。

圖5 注漿長度對圍巖豎向位移的影響Fig.5 The influence of grouting length on the vertical displacement of surrounding rock

圖6 注漿長度對圍巖最大主應(yīng)力的影響Fig.6 The influence of grouting length on the maximum principal stress of surrounding rock

2）最大主應(yīng)力

從圖6中可以看出，在各工況下，圍巖的最大主應(yīng)力峰值為1.773MPa，最小主應(yīng)力為1.6MPa。注漿長度＜4m時(shí)，最大主應(yīng)力的變化較為明顯；隨著注漿長度的增加，最大主應(yīng)力的變化趨于平穩(wěn)。由此可見，當(dāng)注漿長度≥4m時(shí)，不同注漿長度對圍巖最大主應(yīng)力的影響很小。

因此，不同的注漿長度對圍巖豎向位移的分布沒有影響；注漿長度＜4m時(shí)，其對最大主應(yīng)力的分布有一定的影響，隨著長度的增加而減小。

3.3 有無注漿的影響分析

為了對預(yù)注漿處理后斷層圍巖的加固效果進(jìn)行評價(jià)，有必要對未注漿處理的斷層隧道進(jìn)行數(shù)值模擬。在預(yù)注漿處理后的圍巖中，注漿長度為3m和寬度為2m時(shí)的斷層圍巖，其豎向位移和最大主應(yīng)力最大，是不同注漿范圍中最不利的條件。在未注漿和最不利注漿條件下，進(jìn)行斷層圍巖的動(dòng)力響應(yīng)分析，得到圍巖最大豎向位移、振速及最大主應(yīng)力，見表2。

從表2中可以看出，在爆破荷載的作用下，與采用預(yù)注漿工序相比，未注漿拱頂圍巖的動(dòng)力響應(yīng)特征表現(xiàn)顯著。其中，豎向位移為5.181mm，而振速高達(dá)0.521m／s，分別為注漿區(qū)特征值的7.6倍和3倍，可能發(fā)生振動(dòng)破壞。同時(shí)，斷層圍巖所受應(yīng)力較小，但其抗拉強(qiáng)度為零，仍可能產(chǎn)生拉伸破壞。而注漿區(qū)的最大主應(yīng)力為1.773MPa，但注漿后圍巖的抗拉強(qiáng)度都高于2MPa，且位移和振速均較小。因此，注漿后的拱頂圍巖也不會(huì)發(fā)生拉伸破壞。這表明進(jìn)行預(yù)注漿處理可以在很大程度上改善圍巖的動(dòng)力響應(yīng)，使之在預(yù)警值范圍內(nèi)，保證斷層隧道在爆破施工下的安全穩(wěn)定。

表2 圍巖的動(dòng)力響應(yīng)特征Table 2 The dynamic response characteristics of surrounding rock

3.4 綜合分析

在不同的注漿長度下，4m和5m的圍巖豎向位移和最大主應(yīng)力分布接近重合，可認(rèn)為最優(yōu)注漿長度為4m；在注漿寬度≥4m時(shí)，不同的注漿寬度對最大主應(yīng)力的影響較小，且對圍巖豎向位移的影響較小，不超過0.4mm。因此，在達(dá)到成本經(jīng)濟(jì)、進(jìn)度合理及保證安全的前提下，建議實(shí)際隧道工程注漿寬度和長度均為4m。

4 結(jié)論

1）在預(yù)注漿支護(hù)技術(shù)下，斷層圍巖的動(dòng)力響應(yīng)特性有了顯著的改善。其中，豎向位移變化和振速峰值均較小，而注漿處理后的圍巖最大主應(yīng)力顯著增加。

2）斷層圍巖的動(dòng)力響應(yīng)與不同注漿寬度的有關(guān)。在一定的注漿范圍內(nèi)，圍巖豎向位移和最大主應(yīng)力隨注漿寬度的增加而減小。

3）不同注漿長度對圍巖豎向位移的影響甚??；而當(dāng)注漿長度＜4m，圍巖的最大主應(yīng)力隨著注漿長度的增加而減小。

4）綜合考慮圍巖位移、振速及最大主應(yīng)力的分布特征，建議對斷層圍巖采取小導(dǎo)管超前預(yù)注漿支護(hù)，且注漿最優(yōu)范圍為隧道輪廓線外4m和掌子面前方4m。

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