剛?cè)崧?lián)合注漿支護(hù)技術(shù)在深部巖溶隧道施工中的應(yīng)用

唐萬(wàn)貴

中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222

我國(guó)地大物博，地質(zhì)情況復(fù)雜，在廣大國(guó)土范圍內(nèi)分布有巖溶或喀斯特等地貌，在處于深部高地應(yīng)力環(huán)境下，極易發(fā)生隧道斷面不穩(wěn)定或者塌方現(xiàn)象，給生命及財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大損失。因此，研究地下深部巖溶隧道施工支護(hù)技術(shù)，對(duì)于提高圍巖的整體穩(wěn)定性具有重要意義[1-3]。

目前，關(guān)于巖溶隧道開(kāi)挖支護(hù)的研究比較多，且根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際提出了不同的開(kāi)挖支護(hù)施工方案，淺層溶洞和深層溶洞的處理方式是有所區(qū)別的[4-5]，并認(rèn)為預(yù)留核心土＋超前管棚＋小導(dǎo)管注漿的開(kāi)挖支護(hù)方式是較為合理可行的。林志等[6]以重慶明月山某隧道為依托工程，對(duì)特長(zhǎng)巖溶隧道的襯砌結(jié)構(gòu)方案與參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出了經(jīng)濟(jì)合理的施工方式；鐘乃龍等[7]通過(guò)數(shù)值模擬分析得到了巖溶充填物軟化對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，為巖溶隧道施工提供了相關(guān)參數(shù)；馬天明[8]則對(duì)常規(guī)的格柵拱架支護(hù)方式進(jìn)行了對(duì)比分析，為巖溶隧道格柵拱架支護(hù)施工技術(shù)提供參考；孟哲瑋等[9]通過(guò)荷載-結(jié)構(gòu)法數(shù)值分析，對(duì)比分析了3種不同鋼支撐支護(hù)下的應(yīng)力和變形特性。

剛?cè)崧?lián)合支護(hù)可以提高圍巖的完整性和穩(wěn)定性，具有工藝流程簡(jiǎn)單、施工效率高、工程成本低等特點(diǎn)，在當(dāng)前隧道施工中是比較新穎的一種施工方法。目前，關(guān)于剛?cè)崧?lián)合注漿支護(hù)技術(shù)在深部巖溶隧道施工中的應(yīng)用還比較鮮見(jiàn)，本文以實(shí)際工程為依托，設(shè)計(jì)了2種不同的剛?cè)崧?lián)合注漿支護(hù)方案，在對(duì)比原支護(hù)方案與優(yōu)化方案的應(yīng)力和位移情況后，再次進(jìn)行優(yōu)化，并運(yùn)用于實(shí)際工程，探討其支護(hù)效果，為類似巖溶隧道的支護(hù)施工提供借鑒。

1 工程背景

某隧道全長(zhǎng)12 734 m，隧道最大埋深達(dá)到432 m，隧道洞身全長(zhǎng)約有2/3要穿過(guò)可溶巖地段，圍巖以灰?guī)r及風(fēng)化的灰?guī)r為主，非可溶巖段主要為頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖等，全隧道共穿越3條斷裂帶， IV、V類圍巖占比達(dá)到80%以上。其中，樁號(hào)160＋324～162＋185段為巖溶區(qū)，巖溶裂隙發(fā)育，含水量較大，富水量較多，且分布呈無(wú)規(guī)律性，雨季施工時(shí)地下水將成倍增加，圍巖穩(wěn)定性較差，極易發(fā)生工程地質(zhì)災(zāi)害，給隧道施工帶來(lái)不利影響。故根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘察，決定對(duì)該段隧洞進(jìn)行剛?cè)崧?lián)合注漿支護(hù)。

2 支護(hù)方案

剛?cè)崧?lián)合支護(hù)是指通過(guò)注漿錨桿向破碎巖體內(nèi)注入帶有一定壓力的漿液，以提高圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，注漿材料也不再采用單一的無(wú)機(jī)水泥漿液，而是采用將剛性注漿材料（如水泥、水玻璃）與顆粒粒徑較小的柔性材料（如脲醛樹(shù)脂）相結(jié)合的注漿方式。其基本原理是在開(kāi)挖表面利用噴射混凝土方式進(jìn)行初期支護(hù)后，將長(zhǎng)錨桿與短錨桿分別布入圍巖內(nèi)，再分別注入剛性注漿材料與顆粒粒徑較小的柔性材料，在掌子面周邊圍巖形成一個(gè)剛性的支撐層，而在遠(yuǎn)離隧道的深部區(qū)域則會(huì)形成一個(gè)釋壓層，高地應(yīng)力在柔性注漿區(qū)則可以釋放一部分應(yīng)力，使得剛?cè)釁f(xié)同作用以保證隧道的整體穩(wěn)定性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察情況，本工程初步擬定3種剛?cè)崧?lián)合注漿支護(hù)方案（圖1）：

1）第一種方案：原支護(hù)方案，錨桿為梅花形布置，錨桿長(zhǎng)度一定。

2）第二種方案：在同一斷面采用長(zhǎng)、短錨桿交替注漿支護(hù)，錨桿為梅花形布置。

3）第三種方案：在不同斷面采用長(zhǎng)、短錨桿交替布置，錨桿仍呈梅花形布置。

圖1 支護(hù)方案示意

3 模擬分析

3.1 數(shù)值模型

利用FLAC 3D三維數(shù)值分析軟件，建立了隧道模型。該隧道模型包括275 490個(gè)單位和297 226個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型邊界范圍取隧道直徑的5倍；巖體材料為灰?guī)r，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，圍巖襯砌、初期支護(hù)和二次襯砌等采用線彈性本構(gòu)模型，開(kāi)挖時(shí)采用Null模型；模型兩側(cè)施加水平約束，底部施加豎直向上的位移約束，對(duì)所有節(jié)點(diǎn)施加y正方向的位移約束，隧道頂部為自由約束，建立的隧道模型見(jiàn)圖2。

圖2 隧道數(shù)值模型

3.2 應(yīng)力分析

3種支護(hù)方案下，隧道的垂直應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖3。從圖3中可以看到：在原支護(hù)方案下，周圍巖體受力均大于優(yōu)化方案周圍巖體的應(yīng)力，整體而言，垂直應(yīng)力由大到小的排序?yàn)椋涸ёo(hù)方案＞優(yōu)化方案一＞優(yōu)化方案二。在采用剛?cè)崧?lián)合注漿支護(hù)方案后，周圍巖體的應(yīng)力通過(guò)柔性注漿區(qū)得到有效釋放，而剛性注漿材料則很好地形成一道應(yīng)力拱，將圍巖兩側(cè)及頂拱應(yīng)力傳遞到拱腳附近，能夠保證隧道圍巖斷面的整體穩(wěn)定性。

3.3 垂直位移分析

3種支護(hù)方案下，隧道的垂直位移分布情況見(jiàn)圖4。從圖4中可以看到：在原支護(hù)方案下，隧道頂拱位置的沉降量較大，達(dá)到了18 cm，對(duì)整個(gè)斷面的穩(wěn)定性極為不利，當(dāng)采用優(yōu)化方案一以后，頂拱沉降量明顯減小，僅為9.6 cm，較原支護(hù)方案下降46.7%；當(dāng)采用優(yōu)化方案二以后，頂拱沉降量為6.3 cm，較原支護(hù)方案下降65%?？梢?jiàn)，采用剛?cè)崧?lián)合注漿支護(hù)技術(shù)后，對(duì)頂拱部位的沉降能夠起到有效的抑制和控制作用，這是因?yàn)槿嵝宰{區(qū)對(duì)頂拱部位的應(yīng)力進(jìn)行了部分釋放，減小了拱頂周圍的圍巖應(yīng)力，同時(shí)剛性注漿區(qū)域襯砌層共同作用形成了一道應(yīng)力拱，對(duì)頂拱圍巖起到支撐作用，因此隧道頂部的垂直位移量大大減小。

3.4 水平位移分析

3種支護(hù)方案下，隧道的水平位移分布情況見(jiàn)圖5。從圖5中可以對(duì)比得到：水平位移分布呈明顯的對(duì)稱關(guān)系，位移最大部位出現(xiàn)在隧道邊墻和底部位置；在周邊多種應(yīng)力作用下，圍巖會(huì)失去原有的平衡狀態(tài)逐漸向內(nèi)收斂，但從采用剛?cè)崧?lián)合注漿技術(shù)后的收斂效果可以看出，隧道邊墻的位移收斂情況明顯小于原支護(hù)方案，分別較原支護(hù)方案減少36.7%和47.8%，說(shuō)明剛?cè)崧?lián)合支護(hù)方案改善了隧道周邊的圍巖受力狀態(tài)，使得其更加接近于穩(wěn)定狀態(tài)，大大減小了形變量的發(fā)展。

4 實(shí)際工程應(yīng)用效果

從上文分析可以看出，在不同斷面采用長(zhǎng)、短錨桿交替布置進(jìn)行剛?cè)崧?lián)合注漿支護(hù)方案，具有明顯改善圍巖受力和抑制隧道變形的作用，因此是最佳的支護(hù)方案。將此方案運(yùn)用到該段隧道的實(shí)際支護(hù)施工中，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括頂拱下沉、左右邊墻收斂及拱腳收斂，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。從頂拱累計(jì)下沉量可以看出：在開(kāi)挖支護(hù)24 d后，頂拱的累計(jì)下沉量為7.4 mm，下沉速率呈逐漸降低趨勢(shì)，在開(kāi)挖支護(hù)15 d后，頂拱的下沉量為7.15 mm，基本達(dá)到沉降穩(wěn)定狀態(tài)，這說(shuō)明采用剛?cè)崧?lián)合注漿支護(hù)技術(shù)后能夠減小隧道頂拱的沉降量且能促使圍巖盡早進(jìn)入沉降穩(wěn)定期；左右邊墻和拱腳的收斂情況與頂拱下沉情況類似，變形速率均逐漸減小，左右邊墻進(jìn)入收斂穩(wěn)定期的時(shí)間為15 d左右，收斂量?jī)H為4.1 mm，而拱腳處進(jìn)入收斂穩(wěn)定期的時(shí)間略有滯后，約為21 d（收斂量為5 mm），這是因?yàn)閯傂允芰皩⒉糠謶?yīng)力傳至拱腳，使得拱腳處應(yīng)力有所增大和集中，因此變形收斂時(shí)間略滯后于左右邊墻。

圖3 垂直應(yīng)力模擬結(jié)果

圖4 垂直位移模擬結(jié)果

從模擬分析再回到實(shí)際應(yīng)用的效果來(lái)講：采用剛?cè)崧?lián)合支護(hù)后，不僅可以有效降低隧道的變形收斂量，而且可以使得填充溶洞的底層結(jié)構(gòu)及周圍巖體的強(qiáng)度得到有效提升，在柔性注漿區(qū)則能夠?qū)Σ糠謶?yīng)力進(jìn)行釋放，減小隧道周圍巖體的受力以保持其穩(wěn)定性；同時(shí)，剛?cè)崧?lián)合注漿技術(shù)采用無(wú)毒無(wú)害的材料，對(duì)土體和水源不會(huì)產(chǎn)生污染問(wèn)題，既安全又環(huán)保，具有很好的社會(huì)環(huán)境效應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

圖5 水平位移模擬結(jié)果

圖6 隧道施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

剛?cè)崧?lián)合注漿支護(hù)技術(shù)能夠有效地改善深部巖溶隧道圍巖的受力狀態(tài)，減小隧道的形變以及收斂量，在深部巖溶隧道等復(fù)雜地質(zhì)工程中取得了較好的支護(hù)效果，具有很好的社會(huì)環(huán)境效益，可在類似工程地質(zhì)的隧道施工中推廣運(yùn)用。