注漿加固對深埋富水圍巖隧道開挖變形影響研究分析*

李立端 張延森 肖立拓

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽 515325； 2.徐州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 徐州 221000； 3.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院 廣州 510000)

注漿加固作為一種提高圍巖力學(xué)性質(zhì)的手段，具有堵水防滲和加固的作用。加固作用是指利用漿液充填和固結(jié)被破壞的或原有的裂隙面，從而提高巖體強(qiáng)度，并參與巷道圍巖應(yīng)力平衡過程，充分發(fā)揮巖體自身承載能力[1]。堵水作用是指將各種堵水材料制成的漿液壓入到含水巖層中的預(yù)定地點(diǎn)，并使?jié){液擴(kuò)散、凝固和硬化，從而達(dá)到堵塞水滲流空隙、隔絕水源、提高透水巖層隔水性能并封堵礦井涌水的目的[2]。目前，隧道注漿材料一般為水泥類漿材或水泥-水玻璃類漿材，注漿方法一般可分為超前預(yù)注漿、徑向注漿、局部注漿和補(bǔ)強(qiáng)注漿4種，其中超前帷幕注漿法在防止突泥、涌水方面效果較好[3]。作為隧道施工的重要輔助工法，注漿加固在高水壓隧道施工中得到比較廣泛的應(yīng)用。其中，針對高水壓斷層破碎帶和節(jié)理發(fā)育密集帶的止水注漿，及穿越軟弱、不良地質(zhì)段的加固注漿對隧道的施工安全、施工進(jìn)度及運(yùn)營后的止排水等都有顯著效果[4]。

對于深埋富水圍巖隧道，特別是斷裂破碎帶處，在高地應(yīng)力、高水壓圍巖應(yīng)力場與滲流場耦合作用下，隧道開挖圍巖變形很大且變形速度很快，因此，開展注漿加固對富水圍巖隧道開挖變形影響的研究非常必要。

1 裂隙巖體注漿加固理論

1.1 注漿加固作用

注漿加固原理是借助于壓力液壓、氣壓或電化學(xué)手段將具有膠凝功能的漿液通過一定的管路注入土層或巖層中的空隙、裂隙與空洞中，將其中的水分與空氣趕走，并將松散破碎的巖土層膠結(jié)起來?？梢赃_(dá)到改善巖土層性能，降低巖、土層的滲透性，提高巖、土層的強(qiáng)度與承載能力，減少巖、土層變形的目的。

注漿是廣泛用于交通土建工程、水電工程、工業(yè)民用建筑及人防工程的加固技術(shù)。在不同的工程中，注漿的目的是不同的。對于隧道工程，注漿的目的主要有以下幾種。

1) 防滲。注漿時，漿液被高壓注入巖土體的裂隙中,減少巖體的空隙率，降低巖體的滲透性，消除或減少地下水的滲流量，降低工程場壓力或空隙水壓力，提高巖體的抵抗?jié)B透變形能力，起到防滲的作用。

2) 堵水。注漿漿液凝固后，封堵巖土體中的裂隙，截?cái)鄮r體中的水流通道，提高其防水性，使之形成一定厚度的止水圈，起到堵水作用。

3) 固結(jié)。改善巖土或結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，恢復(fù)其整體性。

4) 提高圍巖的承載能力。漿液滲透凝固后，降低巖體的空隙率，改善巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)，提高了巖體的力學(xué)性能。

5) 改善支護(hù)襯砌受力條件。通過注漿，可以充填隧道襯砌背后的大空洞和大空隙，起到改善支護(hù)襯砌受力條件的作用。

可見，注漿加固對于圍巖開挖變形的影響主要有2個方面：① 注漿加固提高加固區(qū)圍巖的強(qiáng)度，使得圍巖開挖卸載后的回彈變形變小；②注漿加固后加固區(qū)圍巖滲透系數(shù)的大小不僅關(guān)系到隧道的排水量[5]，還決定開挖滲流對圍巖變形的影響程度。另外，注漿圈的厚度及滲透系數(shù)的選擇關(guān)系到施工難度及施工成本。

1.2 注漿對圍巖參數(shù)的影響

1.2.1對彈性模量的影響

灌漿漿液經(jīng)高壓滲入巖塊破裂面后，能夠較好地固結(jié)巖塊，提高其承載能力，并在較大的變形范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的承載力。

有關(guān)巖石注漿前后巖體的靜彈性模量統(tǒng)計(jì)表明，圍巖在進(jìn)行注漿加固以后，其彈性模量一般的都能提高30%以上，更有甚者能使之提高到375%，極大地提高了圍巖的性能。

1.2.2對粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響

灌漿后的節(jié)理巖體內(nèi)充填了水泥漿，而且裂隙面受到灌漿壓力作用而被壓緊，變?yōu)殚]合狀態(tài)，從整體上增加了裂隙間的咬合，這些有助于巖體抗剪強(qiáng)度的提高。另外，由于節(jié)理面的貫通性受到改變并受到一定的閉合壓力，弱面破壞受到一定比例的阻止。因此，灌漿對巖體的凝聚力和摩擦系數(shù)均有所提高。

前蘇聯(lián)M·卡姆別霍爾及別廖也夫?qū)笞{加固圍巖的力學(xué)過程進(jìn)行了理論分析和現(xiàn)場測試，結(jié)果表明，注漿后巖石的黏結(jié)力增加40%～70%，平均增加50%。一般認(rèn)為，對于巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角能提高20%～30%。圍巖力學(xué)參數(shù)的提高，對隧道的順利安全施工創(chuàng)造了條件。

1.2.3對滲透系數(shù)的影響

水在圍巖中的滲流能力取決于圍巖中裂隙本身的寬度、間距、連通度、粗糙度及巖體的應(yīng)力狀態(tài)。一般而言，裂隙的寬度越大、間距越小、連通度越好、粗糙度越小或裂隙面法向應(yīng)力越小，則圍巖的滲透系數(shù)越大。

在隧道圍巖中注漿，用高壓將漿液充填到巖體裂隙中，通過漿液的凝固結(jié)石，減小裂隙的寬度，增加裂隙的粗糙度，使裂隙面受到灌漿壓力作用而被壓緊，變?yōu)殚]合狀態(tài),達(dá)到減小圍巖滲透系數(shù)，降低圍巖滲透性的作用。

對圍巖的注漿實(shí)踐表明，注漿結(jié)束后圍巖的透水系數(shù)一般為原來圍巖透水系數(shù)的0.1%～0.5%，因此，對圍巖進(jìn)行高壓固結(jié)注漿堵水后，其滲透系數(shù)可以減小，以達(dá)堵水的目的。

2 注漿后隧道的孔隙水壓力分布

設(shè)一圓形隧道，隧道內(nèi)半徑為ra，承受內(nèi)水水頭ha，二次襯砌外半徑為r，二次襯砌外側(cè)水頭為h2，初期支護(hù)外半徑r1，初期支護(hù)外側(cè)水頭為h1，注漿加固圈外半徑為rg，注漿加固圈外側(cè)水頭為hg，海水深度hw。假定隧道襯砌及周圍巖土體都是均質(zhì)體，忽略介質(zhì)的自重，同時假設(shè)材料的滲透系數(shù)在各個方向相同，且滲流方向以徑向?yàn)橹?，則滲流體積力中浮力部分比例較小，為研究隧道開挖后地下水滲流的影響機(jī)制，浮力的影響可不考慮。假定半徑r0以外形成的穩(wěn)定滲流場水頭與隧道中心點(diǎn)的原始靜水壓力水頭h0相等，本文中，取r0=h0=rw+H，將h0作為模型計(jì)算外邊界水頭。在以上假設(shè)前提下，可近似按軸對稱平面應(yīng)變問題分析隧道地下水滲流場分布，如圖1所示。

圖1 隧道地下水滲流模型

圍巖滲透系數(shù)為ks，注漿加固區(qū)滲透系數(shù)kg，初期支護(hù)滲透系數(shù)為k1，二次襯砌滲透系數(shù)為k2。根據(jù)地下水滲流力學(xué)理論[6]，可求解隧道滲水量Q、二次襯砌外水壓力p2、初期支護(hù)外水壓力p1、注漿加固圈外壁水壓力pg，遠(yuǎn)場圍巖水壓p0。

(1)

p2=γwh2=γw×

(2)

p1=γwh1=γw×

(3)

pg=γwhg=γw×

(4)

p0=γwh0

(5)

(6)

(7)

(8)

由水力學(xué)中的達(dá)西定律和地下水連續(xù)方程可知[7-8]，孔隙水壓u與滲透系數(shù)K的關(guān)系如式(9)。

(9)

式中：K為滲透系數(shù)；γw為地下水容重，kN/m3。

在穩(wěn)定滲流中，有?/?t=0，則2u=0；由對稱性可知?/?θ=0，由式(9)可得：

1) 在二襯范圍內(nèi)(ra≤r≤r2)，孔隙水壓力

(10)

2) 在初支范圍內(nèi)(r2

(11)

3) 在注漿圈范圍內(nèi)(r1

(12)

4) 注漿圈外圍巖(rg

(13)

由此可知，隧道的初期支護(hù)、二次襯砌、注漿圈的厚度、滲透系數(shù)及圍巖滲透系數(shù)的大小均會影響隧道的滲水量和孔隙水壓力分布。但是在隧道開挖過程中，隧道滲水量及圍巖孔隙水壓力分布主要由注漿圈與圍巖的滲透系數(shù)的比值及注漿圈的厚度決定，注漿圈越厚、注漿圈與圍巖滲透系數(shù)比值越大，注漿圈所承受的水壓力越大，隧道滲水量越小。

3 注漿加固對圍巖開挖變形影響模擬分析

某隧道位于丘陵區(qū)，隧道按分離式布設(shè)，左線隧道里程為ZK14+390-ZK17+390，最大埋深280 m。右線隧道里程為K14+380-K17+388，最大埋深270 m。隧址區(qū)基底主要為燕山期花崗巖，局部見輝綠巖巖脈，覆蓋層由黏土、全～強(qiáng)風(fēng)巖組成，基巖由中～微風(fēng)化巖組成。地下水以大氣降水和山谷匯水下滲補(bǔ)給為主，排泄方式則以蒸發(fā)和側(cè)向徑流排泄為主。隧道在ZK16+450-Z16+600(K16+400-K16+580)段存在F3區(qū)域大斷裂(圖2a))，該斷層處圍巖破碎，裂隙發(fā)育，工程地質(zhì)復(fù)雜，屬于IV、V級圍巖，且其上方約150 m處存在一水庫(圖2b))。隧道開挖過程中改變了天然地下水的補(bǔ)、徑、排條件，隧道成為新的局部排泄基準(zhǔn)，易發(fā)生塌方、涌水、水資源流失、生態(tài)環(huán)境破壞等不良情況。破碎帶涌水情況如圖2c)所示。

圖2 工程地質(zhì)情況匯總

3.1 模型建立及計(jì)算參數(shù)選取

選取隧洞右線深埋富水段作為研究對象，研究注漿加固對圍巖開挖變形的影響。采用midas GTS NX軟件，隧道埋深取150 m，每次進(jìn)尺的長度2 m，模擬開挖30步，模型的計(jì)算范圍為120 m×120 m×210 m，整個數(shù)學(xué)模型共劃分為97 679個實(shí)體單元、4 480個板單元、17 469個節(jié)點(diǎn)，見圖3所示。開挖網(wǎng)格組分布見圖4所示。

圖3 隧道模型圖

圖4 開挖網(wǎng)格組分布圖

模擬圍巖為V級圍巖，根據(jù)地質(zhì)勘探資料確定巖體的物理力學(xué)參數(shù)，采用等效連續(xù)介質(zhì)模型，D-P彈塑性屈服準(zhǔn)則。巖體采用實(shí)體單元模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)用板單元模擬。初噴在圍巖開挖后跟進(jìn)施作，二襯只在開挖前20 m施作，只作為開挖前支護(hù)條件，不隨著開挖的進(jìn)行而跟進(jìn)施作。

隧道埋深較大，隧道在垂直方向的初始地應(yīng)力取巖體的自重，水平方向的初始地應(yīng)力按側(cè)壓力系數(shù)λ=1考慮。假定隧道開挖前，圍巖處于飽和狀態(tài)。開挖后，地下水在隧道開挖區(qū)域的邊界上為自由透水邊界，滲流水壓力為0。采用超前帷幕全斷面注漿加固，注漿加固效果可通過提升注漿區(qū)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)模擬，注漿參數(shù)如圖5所示。

圖5 注漿圈參數(shù)圖

圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)、注漿區(qū)及破碎帶的模擬計(jì)算參數(shù)，如表1所示。其中，對于襯砌只考慮其支護(hù)作用，不考慮其堵水作用，因此取襯砌的滲透系數(shù)為無窮大。

表1 計(jì)算參數(shù)表

3.2 注漿圈厚度對圍巖開挖變形影響分析

3.2.1滲流場分析

取注漿圈滲透系數(shù)為2.0×10-5cm/s，模擬注漿圈厚度分別為0(未注漿)，2.5，5.0，7.5，10 m時對圍巖開挖的滲流場影響，孔隙水頭分布如圖6所示。

圖6 不同注漿圈厚度下的孔隙水頭分布圖

由圖6可見：

1) 當(dāng)對隧道采用了超前注漿加固，地下水直接通過注漿圈滲透進(jìn)隧道，隧道開挖對滲流場的影響區(qū)域比未注漿前有所減小，注漿加固圈分擔(dān)了一部分的水壓力，滲流速度矢量的方向?yàn)樗淼缽较蚍较颉?/p>

2) 注漿圈厚度對于隧道開挖滲流場的影響較小，開挖邊界周圍區(qū)域孔隙水壓力只隨著加固圈厚度的增大而略微增大。

3.2.2位移場分析

進(jìn)行應(yīng)力-滲流耦合分析，得到注漿圈厚度分別0(未注漿)，2.5，5.0，7.5，10 m時圍巖的位移結(jié)果，提取不同注漿圈厚度的拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂計(jì)算結(jié)果，如圖7所示。其中圖中水平軸負(fù)值表示該斷面未開挖，正值表示該斷面已開挖。

圖7 不同注漿圈厚度下位移場曲線圖

由圖7可見：

1) 注漿加固可有效地抑制有水開挖滲流作用引起圍巖的變形，尤其是對圍巖開挖后的變形抑制更為明顯，可以看出，圍巖在注漿加固后的拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂總值均比無注漿時大幅減小；另外，圍巖在采用注漿加固后減小了圍巖的變形速度，縮短了圍巖的變形收斂時間。

2) 隨著注漿圈厚度的增大，圍巖的拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂值均逐漸減小，加固效果越來越好；但另一方面，圍巖變形減小速度越來越小，加固效果越來越不明顯。

例如，圍巖拱頂下沉總值在0(未注漿)，2.5，5.0，7.5，10 m加固圈情況下分別為20.72，16.70，14.95，13.91，13.26 mm；相互差值分別為4.02，1.75，1.04，0.65 mm。圍巖變形值在注漿加固后減小主要是由于注漿區(qū)圍巖物理力學(xué)參數(shù)的提升，但隧道開挖滲流對周邊圍巖影響區(qū)域有限，因此，只有在隧道開挖邊界一定范圍內(nèi)，注漿加固的效果才比較明顯。

3.3 注漿圈滲透系數(shù)對圍巖開挖變形影響分析

3.3.1滲流場分析

取注漿圈厚度為5 m，模擬注漿圈滲透系數(shù)分別為3.0×10-5，2.0×10-5，1.0×10-5，0.5×10-5，0.1×10-5cm/s時注漿圈滲透系數(shù)對圍巖開挖的滲流場影響，孔隙水頭分布如圖8所示。

圖8 不同注漿圈滲透系數(shù)下的孔隙水頭分布圖

由圖8可見：

1) 注漿圈滲透系數(shù)對于隧道開挖滲流場的影響較大，隨著注漿圈滲透系數(shù)的增大，注漿加固區(qū)分擔(dān)的水壓力越來越大。

2) 隨著注漿圈滲透系數(shù)的增大，開挖邊界區(qū)域孔隙水壓力大幅增大，顯著地減小了開挖滲流場的影響區(qū)域。當(dāng)滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s時，開挖施工只對注漿圈區(qū)域的滲流場的影響較大，對其余地方影響很小，接近未開挖時的圍巖滲流場。

3.3.2位移場分析

進(jìn)行應(yīng)力-滲流耦合分析，得到注漿圈滲透系數(shù)分別為3.0×10-5，2.0×10-5，1.0×10-5，0.5×10-5，0.1×10-5cm/s時圍巖的位移結(jié)果，提取不同注漿圈滲透系數(shù)的拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂結(jié)果，如圖9所示。

圖9 不同注漿圈滲透系數(shù)下位移場曲線圖

由圖9可見：

1) 隨著注漿圈滲透系數(shù)的減小，拱頂下沉值越來越小，拱底隆起值越來越大，水平收斂值變化很小。

2) 由于滲透系數(shù)的減小，注漿加固區(qū)分擔(dān)的水壓力越來越大，減小了開挖滲流場的影響區(qū)域，開挖滲流引起的隧道整體固結(jié)沉降也逐漸減小，并且由于注漿加固區(qū)圍巖物理力學(xué)參數(shù)的提升限制了圍巖的收斂變形，因此注漿圈滲透系數(shù)對于隧道凈空影響不大，只表現(xiàn)出隧道整體的固結(jié)沉降，注漿圈滲透系數(shù)的大小主要影響隧道的總體位置。

4 結(jié)論

1) 注漿加固對于提升圍巖的彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角及滲透系數(shù)等參數(shù)有顯著作用，注漿加固會改變開挖滲流場影響下圍巖的孔隙水壓力分布。

2) 隧道滲水量及圍巖孔隙水壓力分布主要由注漿圈與圍巖滲透系數(shù)的比值及注漿圈的厚度決定,注漿圈越厚,注漿圈與圍巖滲透系數(shù)比值越大，注漿圈所承受的水壓力越大，隧道滲水量越小。

3) 注漿加固會減小滲流影響下圍巖開挖變形速度及變形量，在開挖邊界一定范圍內(nèi)注漿效果比較明顯，注漿圈滲透系數(shù)的大小決定隧道的固結(jié)沉降值，主要影響隧道的總體位置。注漿圈滲透系數(shù)的大小直接關(guān)系到隧道的滲水量，考慮實(shí)際施工難度和成本問題，并不是注漿圈厚度越大、滲透系數(shù)越小對于圍巖變形的抑制作用效果越好，而是存在相對經(jīng)濟(jì)合理的參數(shù)值。

[1] 陳炎光,陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[2] 宋彥波,高全臣.有機(jī)高水材料注漿堵水機(jī)理研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2006,23(3):321-322.

[3] 卿三惠,楊家松,黃世紅.高壓富水地層超深埋特長隧道施工技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2009(1):86-91.

[4] 張成平,張頂立,王夢恕,等.高水壓富水區(qū)隧道限排襯砌注漿圈合理參數(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007(11):2270-2276.

[5] 任文峰.高水壓隧道應(yīng)力場-位移場-滲流場耦合理論及注漿防水研究[D].長沙：中南大學(xué),2013.

[6] 王建宇.再談隧道襯砌水壓力[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2003(3):5-10.

[7] 吉小明,王宇會.隧道開挖問題的水力耦合計(jì)算分析地下空間與工程學(xué)報(bào),2005(6):848-852.

[8] 朱耀庭,胡文華,吳福泉,等.溶洞上覆土層注漿加固應(yīng)用分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2017,41(6):954-957,963.