注漿壓力作用下隧道圍巖變形規(guī)律與安全控制

惠　冰， 張　立， 張慶松， 江　海， 張文俊, 柴　霞

(1. 山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司， 山東 濟(jì)南　250101； 2. 山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院，

山東 濟(jì)南　250014； 3. 山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南　250061)

?

注漿壓力作用下隧道圍巖變形規(guī)律與安全控制

惠冰1， 張立2， 張慶松3， 江海1， 張文俊1, 柴霞1

(1. 山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司， 山東 濟(jì)南250101； 2. 山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院，

山東 濟(jì)南250014； 3. 山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南250061)

摘要：注漿是隧道圍巖加固與涌水封堵的主要技術(shù)手段，當(dāng)圍巖較為破碎且自穩(wěn)能力較差時(shí)，注漿過(guò)程中若采取了不合適的注漿壓力，極易造成圍巖大變形甚至塌方等次生災(zāi)害?；跐B流-應(yīng)力耦合理論，選取典型隧道開(kāi)挖斷面，建立注漿作用下滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用COMSOL多物理場(chǎng)耦合軟件分析注漿過(guò)程中注漿壓力作用下隧道圍巖的變形規(guī)律。結(jié)果表明，圍巖等級(jí)為Ⅴ時(shí)，注漿過(guò)程中注漿壓力不斷向隧道周圍地層中擴(kuò)散與傳遞，滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布隨注漿孔深度增加呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)； 隨著注漿壓力的提高，應(yīng)力發(fā)生急劇變化，并不斷地向圍巖深部轉(zhuǎn)移； 注漿初期，圍巖變形速率急劇上升，注漿后期圍巖變形速率下降，且變形量趨于穩(wěn)定。依托具體工程實(shí)例，提出了合理選擇注漿壓力的控制技術(shù)，保證了圍巖的穩(wěn)定和安全。

關(guān)鍵詞：隧道； 注漿壓力； 圍巖變形； 滲流-應(yīng)力耦合； 安全控制

0引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通工程建設(shè)規(guī)模的不斷發(fā)展，大量深埋長(zhǎng)大隧道(洞)正在建設(shè)、修建，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，施工過(guò)程中突涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，地下水災(zāi)害成為影響隧道安全建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵問(wèn)題。隧道建設(shè)過(guò)程中的突涌水問(wèn)題成為急需解決的熱點(diǎn)問(wèn)題，然而注漿是隧道圍巖加固與涌水封堵的主要技術(shù)手段，當(dāng)圍巖破碎嚴(yán)重，且自穩(wěn)能力較差時(shí)，注漿過(guò)程中注漿壓力的選擇至關(guān)重要，如果選取不合適的注漿壓力，極易造成圍巖大變形甚至塌方等次生災(zāi)害[1-4]。

高延法等[5]根據(jù)注漿減沉實(shí)驗(yàn)成果，分析了注漿減沉過(guò)程中注漿壓力的變化規(guī)律。孫闖等[6]采用FLAC軟件對(duì)上海某越江隧道施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了注漿壓力對(duì)管片上浮的影響。謝自韜等[7]采用FLAC程序?qū)Χ軜?gòu)區(qū)間隧道施工在不同注漿壓力條件下引起的地表沉降及圍巖變形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。李方楠等[8]針對(duì)影響地層沉降變形與頂管施工的幾個(gè)關(guān)鍵因素，提出了考慮注漿壓力時(shí)頂管施工引起的地層移動(dòng)的計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者[9-13]采用有限元、離散元等方法對(duì)地下工程的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并做了相關(guān)研究工作。然而對(duì)于注漿過(guò)程中注漿壓力對(duì)隧道圍巖變形的影響研究甚少。

基于此，本文基于滲流-應(yīng)力耦合理論和數(shù)值分析相結(jié)合的方法開(kāi)展研究，選取典型隧道開(kāi)挖斷面，建立了注漿過(guò)程中滲流-應(yīng)力耦合數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用COMSOL多物理場(chǎng)耦合軟件分析注漿過(guò)程中注漿壓力作用下隧道圍巖的變形規(guī)律。

1注漿作用下隧道圍巖變形影響因素

在圍巖等級(jí)一定條件下，注漿壓力、漿液自重、地應(yīng)力和地下水壓力等多種荷載共同作用于隧道圍巖上，其中僅考慮注漿作用時(shí)，影響圍巖變形的主要因素有漿液自重、注漿壓力、孔口管長(zhǎng)度和注漿孔布置等。

1.1漿液自重

漿液是原材料用水或其他溶劑混合后所配制的液體，是注漿時(shí)所用的材料。漿液作為一種體積力，作用于地層中，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力發(fā)生再次重新分布，漿液自重是圍巖發(fā)生變形的重要誘因之一。

1.2注漿壓力

注漿注漿壓力是為克服漿液流動(dòng)阻力并使?jié){液擴(kuò)散一定范圍所需的壓力。注漿壓力既是漿液擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，同時(shí)也是圍巖附加荷載。注漿壓力過(guò)低會(huì)減小漿液擴(kuò)散范圍，無(wú)法滿足實(shí)際工程需求；注漿壓力過(guò)高容易導(dǎo)致軟弱圍巖變形量過(guò)大，誘發(fā)次生災(zāi)害。作為圍巖變形的關(guān)鍵影響因素，合理選擇注漿壓力，是保證圍巖穩(wěn)定和安全的重要措施。

1.3孔口管長(zhǎng)度

孔口管是連接注漿管路、阻隔注漿壓力對(duì)淺層圍巖作用的重要裝置。其長(zhǎng)度對(duì)注漿壓力的傳遞與漿液的滲透路徑有顯著影響，孔口管能減小注漿壓力對(duì)周邊圍巖的破壞，在注漿孔附近形成穩(wěn)固安全的承壓荷載體，確保注漿壓力向深部巖層的傳遞。

1.4注漿孔布置

根據(jù)特定地層條件及漿液擴(kuò)散半徑合理設(shè)計(jì)注漿孔位置，需要確定注漿孔數(shù)量、布置、間距以及每個(gè)鉆孔的傾角和方位角等參數(shù)。由于不同的地層及含水構(gòu)造等因素具有不確定性，即注漿孔的布置不同，依據(jù)注漿孔的布置進(jìn)行注漿，對(duì)周邊圍巖穩(wěn)定性影響各異。

2注漿過(guò)程滲流-應(yīng)力耦合數(shù)學(xué)模型

2.1基本假設(shè)

1)地下水滲流為單相流，且具有不可壓縮性。

2)不考慮溫度對(duì)巖體物性的影響。

3)固體為各向同性介質(zhì)。

4)漿液為各向同性不可壓縮流體。

2.2注漿過(guò)程中滲流場(chǎng)方程

考慮到滲流-應(yīng)力耦合效應(yīng)，滲流過(guò)程中骨架顆粒也會(huì)存在一定的運(yùn)動(dòng)速度，因此將流體質(zhì)點(diǎn)速度分解為流體運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度vf和骨架顆粒運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速vs，根據(jù)定義可得

vs=?u/?t。

(1)

對(duì)于傳統(tǒng)的流體運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度，只考慮地下水中的孔隙水壓力及重力作用下的達(dá)西滲流速度，然而注漿過(guò)程中漿液自重和注漿壓力不可忽視，可得以下公式：

(2)

式中： φ為孔隙率； k為滲透率，m2； μ為流體動(dòng)力黏度，Pa·s； pw為注漿壓力，Pa； pg為孔隙水壓力，Pa； ρw為流體密度，kg/m3； ρg為漿液密度，kg/m3； h為水頭高度，m。

根據(jù)質(zhì)量守恒即可得到在注漿過(guò)程中滲流-應(yīng)力耦合下滲流場(chǎng)方程

(3)

式中： Ks為固體骨架體積壓縮模量； Kf為水泥漿液的體積壓縮模量； p為注漿壓力和孔隙水壓力之和。

2.3注漿過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)方程

基于多孔介質(zhì)的有效應(yīng)力原理，建立以位移和孔隙水壓力為因變量的基本方程，來(lái)描述注漿過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)的影響。Terzaghi 有效應(yīng)力可表示為

σij′=σij-φpδij。

(4)

式中： σij′為Terzaghi有效應(yīng)力； σij為總應(yīng)力； φ為多孔介質(zhì)的孔隙率； p為注漿壓力; δij為Kroneckey符號(hào)，有δij=1(i=j),δij=0(i≠j)。

根據(jù)有效應(yīng)力原理與應(yīng)力平衡條件，即可得到注漿過(guò)程中固體骨架的應(yīng)力場(chǎng)方程

(5)

k=k0+f(σ1-σ3)。

(6)

(7)

式中： εv=εx+εy+εz+εg，其中εg為注漿壓力引起的圍巖體積應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

2.4邊界條件及初始條件

水頭邊界上所有點(diǎn)水頭壓力h給定: h=f1(x,y,z)或h=f2(x,y,z,t)，其中f1， f2為已知函數(shù)。

1)位移邊界條件。常用的位移邊界條件有底邊固定、頂邊自由、兩側(cè)豎直邊橫向位移為零和豎向自由。

2)滲流場(chǎng)初始條件。h(x,y,z,0)=fh(x,y,z)，式中fh為已知函數(shù)。巖體應(yīng)力場(chǎng)初始條件，初始時(shí)刻位移為零，應(yīng)力場(chǎng)為實(shí)際巖體的應(yīng)力情況。

2.5巖體破壞準(zhǔn)則

采用Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則評(píng)判注漿過(guò)程中圍巖變形及破壞情況。Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則，也稱為狹義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則。其表達(dá)式為

(8)

式中： σ1、σ3分別為巖體破壞時(shí)的最大、最小主應(yīng)力，MPa； σc為巖體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa； m、s均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

3注漿壓力作用下隧道圍巖變形規(guī)律與控制技術(shù)

3.1計(jì)算模型及物理力學(xué)參數(shù)

針對(duì)圍巖破碎自穩(wěn)能力較差的巖體注漿，圍巖等級(jí)設(shè)置為Ⅴ，選取典型隧道開(kāi)挖斷面，運(yùn)用COMSOL數(shù)值模擬注漿壓力對(duì)隧道圍巖變形的影響，建立二維水文地質(zhì)模型，進(jìn)行滲流-應(yīng)力耦合分析。

由于地下洞室開(kāi)挖后的應(yīng)力和應(yīng)變影響區(qū)域?yàn)榫喽词抑行?～5倍開(kāi)挖寬度的范圍內(nèi)[14]。選取隧道開(kāi)挖尺寸15 m×12 m，埋深32.0 m，斷面面積145.31 m2。

向下取至洞跨的3倍，橫向取洞跨的3倍。整個(gè)模型尺寸100 m×80 m。計(jì)算模型運(yùn)行前進(jìn)行初始地應(yīng)力位移清零工作，不考慮地應(yīng)力對(duì)隧道圍巖變形的影響。

注漿注漿材料為42.5R硅酸鹽水泥，水灰比為0.8～1.0。 根據(jù)工程實(shí)踐鉆孔布置在隧道的右壁上，其中傾角42°，孔深30 m；孔口管長(zhǎng)度2 m(見(jiàn)圖1)。注漿壓力作為外荷載作用在鉆孔位置，分別設(shè)置為4、6、8 MPa?？卓诠芤蚱鸬阶韪糇{壓力作用，不設(shè)置外荷載。不考慮注漿對(duì)隧道圍巖體的加固作用。圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

邊界條件： 模型上部設(shè)置為自由邊界，模型下部設(shè)置為固定約束，模型的兩端設(shè)置為輥支承，其中隧道開(kāi)挖面周邊設(shè)置為自由邊界。

圖1　注漿孔布置圖

表1　物理力學(xué)參數(shù)

3.2監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為研究注漿作用下隧道圍巖變形規(guī)律，在硐室周邊設(shè)置4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行圍巖變形量監(jiān)測(cè)，如圖2所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3、4分別監(jiān)測(cè)頂板、左側(cè)、右側(cè)、底板。

3.3注漿壓力作用下隧道圍巖變形規(guī)律

圍巖等級(jí)為Ⅴ時(shí)，圍巖自穩(wěn)能力很差，巖體破碎嚴(yán)重，注漿過(guò)程中注漿壓力極易引起隧道圍巖大變形及次生災(zāi)害。分析模擬結(jié)果可知，注漿壓力作用于隧道圍巖巖體中，應(yīng)力集中分布在注漿孔周圍，注漿壓力不斷向隧道周圍地層中擴(kuò)散與傳遞，滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)分布隨注漿孔深度增加呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)。隨著注漿壓力的提高，隧道圍巖變形量加劇。注漿終壓為4、6、8 MPa時(shí)，圍巖最大變形量分別為35.38、40.12、43.22 mm(見(jiàn)圖3—8)。

圖2　監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3　注漿壓力4 MPa時(shí)滲流壓力分布圖

圖4　注漿壓力4 MPa時(shí)圍巖變形分布圖

Fig. 4Surrounding rock deformation under grouting pressure of 4 MPa

圖5　注漿壓力6 MPa時(shí)滲流壓力分布圖

圖6　注漿壓力6 MPa時(shí)圍巖變形分布圖

Fig. 6Surrounding rock deformation under grouting pressure of 6 MPa

圖7　注漿壓力8 MPa時(shí)滲流壓力分布圖

圖8　注漿壓力8 MPa時(shí)圍巖變形分布圖

Fig. 8Surrounding rock deformation under grouting pressure of 8 MPa

注漿注漿初期，圍巖變形速率急劇上升，注漿后期圍巖變形速率下降，且變形量趨于穩(wěn)定。當(dāng)注漿時(shí)間1 800 s時(shí)，圍巖變形速率最大，隨著注漿的不斷進(jìn)行，注漿壓力對(duì)圍巖變形影響持續(xù)增加，但變形速率在不斷下降。當(dāng)注漿結(jié)束后圍巖變形趨于穩(wěn)定，注漿壓力為4、6、8 MPa時(shí)，隧道左壁圍巖變形量分別為3.71、4.75、5.45 mm； 隧道右壁圍巖變形量分別為7.98、9.34、10.31 mm，相比于左壁圍巖變形分別增加53.5%、49.14%、47.14%。隧道底板圍巖變形量為5.88、6.56、7.03 mm； 隧道頂板圍巖變形量分別為11.39、13.57、15.02 mm，相比于底板圍巖變形分別增加48.38%、51.66%、53.2%(見(jiàn)圖9)。

(a)1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

(b)2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

(c)3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

(d)4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

Fig. 9Total surrounding rock deformation of Metro station mea-sured from monitoring point No. 1 to No. 4

3.4注漿壓力作用下隧道圍巖應(yīng)力變化

注漿過(guò)程中，注漿壓力作為外荷載施加于隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致隧道圍巖應(yīng)力重新分布，并且隧道圍巖Tresca應(yīng)力集中在注漿孔周邊，隨著注漿終壓的提高，應(yīng)力發(fā)生急劇變化，并不斷地向圍巖深部轉(zhuǎn)移(見(jiàn)圖10)。

(a)注漿壓力4 MPa時(shí)

(b)注漿壓力6 MPa時(shí)

(c)注漿壓力8 MPa時(shí)

Fig. 10Surrounding rock stress under grouting pressure of 4 MPa,that of 6 MPa and that of 8 MPa

注漿的持續(xù)進(jìn)行導(dǎo)致隧道淺層圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，極易誘發(fā)次生災(zāi)害。注漿終壓分別為4、6、8 MPa時(shí)，隧道左側(cè)、右側(cè)圍巖Tresca應(yīng)力分布見(jiàn)表2。

表2不同注漿壓力下隧道圍巖應(yīng)力分布

Table 2Stress distribution of surrounding rocks under different grouting pressures

注漿壓力/MPa隧道左側(cè)/(×106N/m2)隧道右側(cè)/(×106N/m2)41.341.5161.411.6281.571.86

3.5合理選擇注漿壓力的控制技術(shù)

對(duì)于隧道圍巖自穩(wěn)能力較差、巖體破碎嚴(yán)重的情況，合理選擇注漿壓力是保證注漿過(guò)程中圍巖穩(wěn)定與安全的重要保障。根據(jù)以上研究成果可知，Ⅴ級(jí)圍巖注漿壓力應(yīng)不高于6 MPa，且在注漿過(guò)程中進(jìn)行圍巖變形的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在注漿初期，注漿壓力導(dǎo)致圍巖變形速率急劇增加，可選擇間歇式注漿方法。在圍巖變形穩(wěn)定后繼續(xù)進(jìn)行注漿，并根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)情況，調(diào)整合理的注漿壓力(見(jiàn)圖11)。特別對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖的高壓動(dòng)水注漿，需要采取淺層加固手段，保證注漿過(guò)程中淺層圍巖穩(wěn)定。根據(jù)地下工程開(kāi)挖面距離、涌水量、靜水壓力及淺層圍巖情況，綜合確定淺部圍巖加固區(qū)域、厚度、布孔數(shù)量及注漿孔深度，對(duì)淺部破碎圍巖注漿加固。在注漿材料完全固化后進(jìn)行后期注漿封堵動(dòng)水,后期根據(jù)圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、淺層圍巖加固體強(qiáng)度合理選擇注漿壓力。

圖11　現(xiàn)場(chǎng)注漿壓力控制

4工程實(shí)例

4.1工程概況及注漿治理方案

重慶市軌道交通一號(hào)線中梁山隧道為單洞雙線輕軌專用隧道。一號(hào)線歌樂(lè)山隧道長(zhǎng)4 294 m，當(dāng)出口端掘進(jìn)至K27+227～+248里程時(shí)側(cè)壁出現(xiàn)涌水，主要集中在3個(gè)出水點(diǎn)，出水量84 m3/h，水壓達(dá)1 MPa。該涌水地層巖性為灰色，黃灰色厚層塊狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、鹽溶角礫巖，屬雷口坡組與嘉陵江組結(jié)合部，為巖溶水富水層，圍巖裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，強(qiáng)度較低(見(jiàn)圖12)。

由于涌水區(qū)域圍巖破碎嚴(yán)重且為動(dòng)水注漿封堵涌水通道，采用淺層圍巖加固，待漿液固化達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，合理選擇注漿壓力保證注漿過(guò)程中隧道圍巖的安全。

圖12　隧道涌水圖

注漿過(guò)程中注漿材料采用42.5R硅酸鹽水泥，水灰比為0.8～1.0。一般注漿終壓為靜水壓力的2～3倍，故注漿終壓設(shè)定為4 MPa。深孔注漿孔采用φ108 mm鉆頭開(kāi)孔，安裝8～10 m孔口管，采用孔口管內(nèi)注漿返漿的方法進(jìn)行孔口管封閉，孔口管封閉完成后采用φ75 mm鉆進(jìn)至終孔，詳細(xì)鉆孔見(jiàn)圖13。

圖13　深部注漿鉆孔投影圖

4.2圍巖變形監(jiān)測(cè)

注漿注漿過(guò)程中，注漿壓力引起隧道圍巖發(fā)生大變形，如果注漿壓力選擇不合適，極易引起次生災(zāi)害發(fā)生。因此，在注漿區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)了圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)(K26+785，K26+795，K26+805，K26+815)(見(jiàn)圖14)。對(duì)注漿過(guò)程中的圍巖變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為每天2次(見(jiàn)圖15)。

圖14　監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫斷面布置圖

(a)K26+785

(b)K26+795

(c)K26+805

(d)K26+815

分析圖15中注漿階段隧道圍巖變形數(shù)據(jù)可知，注漿壓力是導(dǎo)致圍巖變形的主要因素，而非開(kāi)挖支護(hù)引起的圍巖變形。注漿壓力為4 MPa時(shí)，隧道圍巖最大變形量為22 mm/d。注漿結(jié)束后，隨著注漿材料的凝結(jié)固化，圍巖變形會(huì)逐漸減小并趨于穩(wěn)定，有效保證了隧道圍巖的安全與穩(wěn)定。

4.3注漿治理效果

注漿注漿治理過(guò)程中共施工鉆孔242個(gè)，鉆探進(jìn)尺2 000多m，消耗注漿材料1 000多t。該段工程涌水量由95 m3/h減少至7.5 m3/h，堵水率達(dá)92%(見(jiàn)圖16)。

圖16　注漿治理后效果圖

5結(jié)論及展望

1)注漿過(guò)程中注漿壓力、漿液自重、地應(yīng)力和地下水壓力等多種荷載共同作用于隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)上，分析了注漿作用下隧道圍巖變形影響主要因素漿液自重、注漿壓力、注漿孔布置和孔口管長(zhǎng)度等。

2)基于滲流-應(yīng)力耦合理論，選取典型隧道開(kāi)挖斷面，運(yùn)用COMSOL多物理場(chǎng)耦合軟件模擬注漿過(guò)程中注漿壓力下隧道圍巖變形規(guī)律。結(jié)果表明，圍巖等級(jí)為Ⅴ時(shí)，注漿過(guò)程中注漿壓力不斷向隧道周圍地層中擴(kuò)散與傳遞，滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布隨注漿孔深度增加呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)； 隨著注漿壓力的提高，應(yīng)力發(fā)生急劇變化，并不斷地向圍巖深部轉(zhuǎn)移； 注漿初期，圍巖變形速率急劇上升，注漿后期圍巖變形速率下降，且變形量趨于穩(wěn)定。

3)提出合理選擇注漿壓力的控制技術(shù)，保證了注漿過(guò)程中隧道圍巖的穩(wěn)定。由于隧道及地下空間工程的隱蔽性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，考慮不同注漿階段的多變性，注漿過(guò)程中其他因素對(duì)隧道圍巖變形的影響需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]汪小兵.盾構(gòu)穿越引起運(yùn)營(yíng)隧道沉降的注漿控制研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2011,7(5): 1035-1039.(WANG Xiaobing.Grouting control of the settlement of operating Metro tunnel caused by shield passing across[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2011,7(5): 1035-1039.(in Chinese))

[2]惠冰,張慶松,張立,等.高孔隙率砂巖涌水滲流場(chǎng)特征與注漿治理[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(增刊1): 184-190.(HUI Bing, ZHANG Qingsong,ZHANG Li,et al. Study on the seepage field characteristics and plugging of high porosity sandstone inflow under grouting[J].Journal of China Coal Society,2014,39(S1): 184-190. (in Chinese))

[3]王余富,薛勇,沈艷峰,等. 圓礫卵石層的淺埋水底地表注漿試驗(yàn)與分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2011,7(5): 847-852.(WANG Yufu, XUE Yong，SHEN Yanfeng，et al. The ground grouting test design and analysis to the shallow-buried underwater tunnel in the gravel and cobble layer[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2011,7(5): 847-852. (in Chinese))

[4]肖立,張慶賀,趙天石,等.泥水盾構(gòu)同步注漿材料試驗(yàn)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2011,7(1): 59-64. (XIAO Li,ZHANG Qinghe,ZHAO Tianshi,et al.Study on mortar material of tail void grouting in slurry shield tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2011,7(1): 59-64. (in Chinese))

[5]高延法,牛學(xué)良,廖俊展.礦山覆巖離層注漿時(shí)的注漿壓力分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(增刊2): 5244-5247.(GAO Yanfa, NIU Xueliang, LIAO Junzhan.Analysis on grouting pressure when grouting in overburden bed-separations in mine[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(S2): 5244-5247. (in Chinese))

[6]孫闖,張建俊,劉家順,等.盾構(gòu)隧道壁后注漿壓力對(duì)地表沉降的影響分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2012,29(11)： 68-72.(SUN Chuang,ZHANG Jianjun,LIU Jiashun,et al. Effect of shield tunnel backfill grouting pressure on the ground surface subsidence[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2012,29(11): 68-72. (in Chinese))

[7]謝自韜,江玉生,劉品.盾構(gòu)隧道壁后注漿壓力對(duì)地表沉降及圍巖變形的數(shù)值模擬研究[J].隧道建設(shè),2007,27(4): 12-15.(XIE Zitao, JIANG Yusheng, LIU Pin.Numerical simulation study on surface settlement and surrounding rock deformation caused by backfill grouting pressure in shield tunneling[J]. Tunnel Construction,2007,27(4): 12-15. (in Chinese))

[8]李方楠,沈水龍,羅春泳.考慮注漿壓力的頂管施工引起土體變形計(jì)算方法[J].巖土力學(xué),2012,33(1): 204-208.(LI Fangnan,SHEN Shuilong,LUO Chunyong. Prediction approach of ground deformation induced by pipejacking construction considering grouting pressure[J]. Rock and Soil Mechanics,2012,33(1): 204-208. (in Chinese))

[9]李志鵬,張慶松,李術(shù)才,等.瞬變電磁預(yù)報(bào)方法在膠州灣海底隧道穿越F1-2含水?dāng)鄬又械膽?yīng)用[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,41(1): 101-104. (LI Zhipeng,ZHANG Qingsong,LI Shucai,et al.The application of TEM geological forecast about the F1-2 water-bearing fault of the Kiaochow Bay subsea tunnel[J].Journal of Shandong University(Engineering Science), 2011,41(1): 101-104. (in Chinese))

[10]李璐,程鵬達(dá),鐘寶昌，等.黏性漿液在小孔隙多孔介質(zhì)中擴(kuò)散的流固耦合分析[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2011,26(2): 209-216.(LI Lu，CHENG Pengda，ZHONG Baochang，et al.Fluid-solid coupling analysis of grout in small porous medium[J].Chinese Joural of hydrodynamics,2011,26(2): 209-216. (in Chinese))

[11]Chryssanthakis P,Barton N. Dynamic loading of physical and numerical models of very large underground openings[C]//Proc.of the 8th Int. Conference on Rock Mech.. Tokyo:[s.n.],1995: 1313-1316.

[12]Dasgupta B,Dham R,Lorig L J. Three-dimensional dis-continue analysis of the underground power house for SardarSarovar Project,India[C]// Proc. of the 8th Int. Conference on Rock Mech.. Tokyo: [s.n.],1995: 551-554.

[13]馬秀媛,李逸凡,張立,等.數(shù)值方法在礦井涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,41(5): 86-91.(MA Xiuyuan, LI Yifan,ZHANG Li. et al. Numerical methods in predicting mine discharge[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science Edition), 2011,41(5): 86-91. (in Chinese))

[14]張蓓,王建鵬,王復(fù)明,等.隧道超前小導(dǎo)管對(duì)掌子面穩(wěn)定性影響分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2009, 30(4): 30-34.(ZHANG Bei,WANG Jianpeng,WANG Fuming, et al. Analysis of tunnel leading conduit affecting the stability of tunnel face[J].Journal of Zhengzhou University(Engineering Science),2009,30(4): 30-34. (in Chinese))

Deformation Regulation and Safety Control of Tunnel Surrounding

Rocks Under Different Grouting Pressures

HUI Bing1, ZHANG Li2, ZHANG Qingsong3, JIANG Hai1, ZHANG Wenjun1， CHAI Xia1

(1.ShandongZhengyuanConstructionEngineeringCo.,Ltd.,Jinan250101,Shandong,China;

2.ShandongUrbanConstructionVocationalCollage,Jinan250014,Shandong,China;

3.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,Shandong,China;)

Abstract:Large deformation and collapse may occur when irrational grouting pressure is used for reinforcement of tunnel surrounding rocks characterized by poor self-stability. In this paper, typical tunnel excavation cross-sections are chosen, and a mathematic model in which seepage field and stress field are considered under various grouting pressures is established. The deformation of tunnel surrounding rocks under different grouting pressures is analyzed by means of multi-physical field coupling software COMSOL based on seepage-stress coupling theory. The results of surrounding rocks Grade V show that: 1) The grouting pressure can be transmitted to surrounding rocks during grouting. 2) The stress field decreases with increasing length of grouting hole. 3) The stress significantly varies and passes to surrounding rocks. 4) The deformation speed of surrounding rocks rises rapidly in the primary phase and drops in later phase. In the end, the stability and safety of the surrounding rocks are guaranteed by using rational grouting pressure control technologies proposed in this paper, which can provide theoretical support and technical guidance for similar projects in the future.

Keywords:tunnel; grouting pressure; surrounding rock deformation; seepage-stress coupling; safety control

中圖分類號(hào)：U 455.49

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)01-0037-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.006

作者簡(jiǎn)介：第一 惠冰(1986—)，男，山東棗莊人，2013年畢業(yè)于山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，巖土工程專業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事巖土工程中地下結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定及數(shù)值分析研究工作。E-mail： yzxcdd@sohu.com。

基金項(xiàng)目：山東局青年科技基金資助項(xiàng)目； 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272385)； 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20130131110032)

收稿日期：2015-04-20； 修回日期： 2015-07-01