深埋破碎圍巖隧道圍巖特征曲線及注漿加固范圍

張明偉 金 純 田斌華 李浚元

(1.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟南 250061； 2.西北勘查設(shè)計研究院，陜西 西安 710000)

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深埋破碎圍巖隧道圍巖特征曲線及注漿加固范圍

張明偉1金 純1田斌華1李浚元2

(1.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟南 250061； 2.西北勘查設(shè)計研究院，陜西 西安 710000)

借助新奧法和新意法基本思想，采用數(shù)值模擬方法，研究了不同注漿加固圈厚度作用下，馬蹄形深埋隧道圍巖特征曲線及最佳注漿加固范圍，結(jié)果表明：注漿加固能有效減小圍巖松動壓力，延遲初支支護時機，減小支護結(jié)構(gòu)荷載承擔(dān)比率，通過圍巖反力釋放率與注漿圈厚度關(guān)系可得到最佳注漿范圍。

深埋破碎圍巖，注漿加固，特征曲線，有限差分法

新奧法開始于1934年L.V.拉布采維茨在地下工程中使用的噴漿護壁，其本質(zhì)是充分利用圍巖的承載效能和斷面空間約束作用。隨后此方法被不斷改進和創(chuàng)新，Pietro和Lunardi基于圍巖壓力拱理論和新奧法，提出了新意法[1]，即巖土控制變形分析法(ADECO-RS)，它是一種隧道掌子面前方核心土穩(wěn)定性研究和信息化設(shè)計支護相結(jié)合，保證隧道安全通過復(fù)雜地層的動態(tài)設(shè)計施工原則。新意法中強調(diào)超前核心土的剛度影響掌子面(擠出變形、預(yù)收斂變形)和隧道(收斂變形)的變形，這使得超前核心土變?yōu)橐环N調(diào)節(jié)隧洞穩(wěn)定的途徑工具。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及多方面因素，新奧法和新意法都包括對圍巖破碎區(qū)進行超前支護，主要目的都是為保證圍巖穩(wěn)定，不同的學(xué)者們提出了不同的圍巖穩(wěn)定分析方法(力學(xué)分析、圍巖分類和位移反分析等方法)，其中收斂—約束法起源于法國，理論基礎(chǔ)為圓形隧洞的彈塑性分析，其關(guān)鍵在于對圍巖與支護的相互作用和動態(tài)作用的分析[2]。隧洞開挖時洞周巖體必定會產(chǎn)生一定松動，這一松動范圍往往呈環(huán)狀，這部分環(huán)狀區(qū)域稱為圍巖松動圈[3]。李云等[4]基于松動圈理論采用數(shù)值模擬以及巷道變形量觀測的方法對二次注漿加固支護效果進行了檢驗。結(jié)果表明二次注漿加固提高了圍巖的整體強度，使塑性區(qū)大幅減小，可有效解決破碎圍巖的持續(xù)變形問題。陳慶敏等[5]基于霍克—布朗的節(jié)理巖體經(jīng)驗強度準(zhǔn)則，研究了有關(guān)破壞巖石變形圍巖特征曲線方程。本文結(jié)合新奧法和新意法基本思想，通過注漿加固控制圍巖預(yù)收斂變形，采用數(shù)值法研究不同注漿加固圈厚度作用下隧道圍巖特征曲線及最佳注漿加固范圍。

1 約束—收斂法基本原理

隧道穩(wěn)定是一種復(fù)雜多結(jié)構(gòu)作用體系，圍巖與支護的相互依存關(guān)系是這一體系中的關(guān)鍵，約束—收斂法即特征曲線法，將彈塑性解析和巖石力學(xué)相關(guān)理論融入進來，進一步闡釋了這種依存關(guān)系。其原理如圖1中曲線所示，坐標(biāo)軸上部分是隧道內(nèi)壁徑向位移ur和隧道內(nèi)壁上圍巖應(yīng)力中徑向壓應(yīng)力σr(或洞壁支護反力Pi)的關(guān)系曲線，坐標(biāo)軸下部分為隧道內(nèi)壁徑向位移ur和時間t的關(guān)系曲線。

2 基于寶興水電站的數(shù)值分析

2.1 工程概況

寶興水電站引水隧洞全長18.05 km，屬傍山深埋隧道，分為CⅠ～CⅤ個標(biāo)段施工，不良地質(zhì)洞段位于CⅡ標(biāo)段，全長3 500 m。研究區(qū)域位于糜棱巖斷層帶，為Ⅴ級圍巖，埋深400 m左右，地下水埋深100 m～170 m。隧道為馬蹄形斷面，直徑5.4 m，初期支護采用超前固結(jié)灌漿、管棚、鋼拱架、噴混凝土來解決成洞問題；二期支護采用鋼筋混凝土襯砌，用來承擔(dān)運行期內(nèi)水壓力及外水壓力的作用。

2.2 計算模型

計算模型采用厚度為0.5 m的準(zhǔn)二維數(shù)值模型，考慮模型的邊界效應(yīng)，取3倍～5倍隧道洞徑[6]。因此，模型尺寸為80 m×60 m×0.5 m。網(wǎng)格模型如圖2所示。模型共計2 126個單元體，包含4 398個網(wǎng)格節(jié)點。

計算模型四周的外邊界僅約束邊界面法向位移，模型底部y=-30 m采用固定約束，該模擬區(qū)段隧道埋深為400 m，在模型表面施加8 MPa豎向應(yīng)力?？紤]構(gòu)造應(yīng)力場，側(cè)壓力系數(shù)[7]取1.2，地下水水頭高度為230 m，考慮孔隙水壓力，得到最終孔隙壓力云圖如圖3所示，不考慮地下水的滲流作用。

選用應(yīng)變硬化/軟化本構(gòu)模型來模擬圍巖材料，Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[8]模擬注漿圈，支護結(jié)構(gòu)采用均質(zhì)彈性模型模擬。計算過程中，圖4曲線為應(yīng)變軟化模型采用的單元應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

2.3 計算參數(shù)

研究區(qū)域位于糜棱巖斷層帶，取V級圍巖參數(shù)，圍巖物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。各支護結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2～表4。考慮噴射混凝土的早期強度特性，1 d齡期噴射混凝土的彈性模量約為28 d齡期的0.66倍[9]。

2.4 加固圈厚度研究

以側(cè)墻中點為研究關(guān)鍵點，考慮注漿加固厚度為0 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，3 m，3.5 m，4 m，4.5 m，5 m 10種工況，得到不同注漿加固范圍對應(yīng)側(cè)墻收斂值如表5所示。

表1 引水隧洞圍巖物理力學(xué)參數(shù)建議值

表2 注漿加固區(qū)參數(shù)

表3 噴射混凝土參數(shù)

表4 型鋼參數(shù)

表5 不同注漿范圍對應(yīng)側(cè)墻收斂值

由圖5可知，隨著隧道注漿加固圈厚度的增加，隧道圍巖側(cè)墻收斂值不斷減小，曲線越來越平緩，當(dāng)加固圈厚度大于2.5 m時，注漿加固對側(cè)墻收斂變形影響不明顯。因此，注漿加固圈最佳厚度為2.5 m。

2.5 圍巖特征曲線研究

以拱頂節(jié)點為研究關(guān)鍵點，考慮注漿加固厚度為0 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，3 m，3.5 m，4 m，4.5 m，5 m 10種工況，得到不同注漿加固圈厚度作用下的圍巖特征曲線，如圖6所示。

由于寶興水電站引水隧洞處于糜棱巖斷層帶，屬于Ⅴ級圍巖。隧道開挖后，圍巖強度減弱甚至喪失，于是洞周有松動區(qū)形成，松動區(qū)巖石作用在支護結(jié)構(gòu)上，產(chǎn)生松動壓力，然后圍巖特征曲線停止下降，開始上升，具體變化過程見圖6。

從上述結(jié)果中提取最大支護反力P0和最小支護反力P1，可得到不同注漿圈厚度作用下對應(yīng)隧道圍巖反力釋放率，如表6所示，反力釋放率定義為(P0-P1)/P0。

表6 不同注漿圈厚度下圍巖反力釋放率

注漿圈范圍越大，隧道圍巖松動壓力越小，巖土體由形變壓力轉(zhuǎn)化為松動壓力對應(yīng)的臨界位移和支護反力均減小，說明隧道圍巖注漿能有效控制隧道圍巖位移，減小作用在支護上的壓力，延遲初支支護時機。由圖7可知，隧道反力釋放率隨隧道注漿圈厚度的增加而增加，但增長速度越來越慢，由此可以得到最大注漿圈厚度，即2.5 m，與上一部分得到的結(jié)果吻合。

3 結(jié)語

1)采用FLAC3D有限差分軟件，可以通過選用應(yīng)變硬化/軟化模型和控制時步的方法得到形變壓力和松動壓力兩部分組成的圍巖特征曲線。

2)注漿加固支護措施能有效延遲隧道支護時機，減小支護結(jié)構(gòu)承擔(dān)的隧道圍巖荷載和荷載承擔(dān)比率。由圍巖節(jié)點反力釋放率與注漿圈厚度的關(guān)系可得到最佳注漿加固范圍，且結(jié)果與參考位移得到的結(jié)果一致。

[1] Lunardi P. Design and Construction of Tunnels: Analysis of Controlled Deformations in Rock and Soils(ADECO-RS)[M]. Springer Science & Business Media,2008.

[2] 陳峰賓,張頂立,扈世民,等.基于收斂約束原理的大斷面黃土隧道圍巖與初支穩(wěn)定性分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報,2011,35(4):28-32.

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[4] 李 云,韓立軍,孫昌興,等.大松動圈破碎圍巖二次注漿加固試驗研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(12):19-23.

[5] 陳慶敏,袁 亮.考慮巖石破裂后變形特性的巷道圍巖特征曲線[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,1997(5):151-155.

[6] 蘇曉堃.隧道開挖數(shù)值模擬的圍巖邊界取值范圍研究[J].鐵道工程學(xué)報,2012(3):64-68.

[7] 謝啟東.斷層區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場特征及其對隧道圍巖穩(wěn)定性影響分析[D].長沙：中南大學(xué),2010.

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Research of ground characteristic curve and grouting range on the deep tunnel within cracked surrounding rocks

Zhang Mingwei1Jin Chun1Tian Binhua1Li Junyuan2

(1.Geotechnical and Structural Engineering Research Center， Shandong University， Jinan 250061， China；2.Xibei Engineering Corporation Limited， Xi’an 710000， China)

Taking the basic idea of new Austrian method and new method, using the numerical simulation method, this paper researched the surrounding rock characteristic curves and optimum grouting reinforcement range of horseshoe deep tunnel under different grouting reinforcement circle thickness, the results showed that the grouting reinforcement could effectively reduce the surrounding rock loose pressure, delay initial support time, reduce the support structure load bear ratio, through the relationship of surrounding rock anti stress release rate and grouting circle thickness could get the best grouting range.

deep buried broken rock, grouting reinforcement, characteristic curve, finite difference method

1009-6825(2017)08-0152-03

2017-01-05

張明偉(1989- )，男，在讀碩士； 金 純(1993- )，女，在讀碩士； 田斌華(1993- )，男，在讀碩士； 李浚元(1975- )，男，工程師

U457.3

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