正盤臺(tái)隧道超前帷幕注漿合理范圍

王 聰，朱永全

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043)

隧道施工面臨著復(fù)雜的地質(zhì)條件,當(dāng)隧道穿越富水?dāng)鄬蛹捌扑閹r(shí)極易發(fā)生突水涌泥災(zāi)害,造成嚴(yán)重人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失,為解決此類典型問題,超前帷幕注漿加固技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。中外學(xué)者對(duì)帷幕注漿機(jī)理及注漿方案進(jìn)行了研究： Liu等[1]通過建立滲流-侵蝕耦合模型研究了帷幕注漿厚度對(duì)滲流侵蝕過程的影響；何兵[2]依托三泉隧道分析了是否考慮多場(chǎng)耦合及不同注漿圈厚度對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響；俞文生[3]重點(diǎn)研究了漿液在斷層泥質(zhì)充填介質(zhì)中的劈裂擴(kuò)散理論及漿液在斷層過水?dāng)嗝婧蛿鄬咏Y(jié)構(gòu)面中的擴(kuò)散機(jī)理；文獻(xiàn)[4-7]分析了注漿后加固圈厚度、彈性模量、滲透系數(shù)對(duì)隧道涌水和圍巖穩(wěn)定性的影響；文獻(xiàn)[8-12]建立隧道瞬態(tài)滲流模型,研究帷幕注漿和徑向注漿不同工況下不同注漿范圍及參數(shù)對(duì)排水流量、水位變化及襯砌水壓荷載的影響效應(yīng)；信春雷等[13]、Jiang等[14]分析了支護(hù)與襯砌外水壓的力學(xué)特征,得到了滲流場(chǎng)的分布規(guī)律；孫振宇等[15]對(duì)全斷面加固方式下圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū)半徑進(jìn)行了理論推導(dǎo)；閆成偉等[16]提出了在淺埋大斷面地鐵隧道中先探測(cè)再注漿,地表注漿和隧道注漿相結(jié)合的思路。

上述研究對(duì)隧道突涌水的防治均具一定指導(dǎo)意義,其中超前帷幕注漿方案研究大多集中于注漿圈厚度、滲透系數(shù)的選取等,對(duì)全斷面、周邊、半斷面等不同注漿方式缺乏深入探索。尋求在隧道帷幕注漿施工中兼顧安全性與實(shí)用性,創(chuàng)新性地將未注漿開挖、拱墻周邊注漿開挖、全周邊注漿開挖、半斷面帷幕注漿開挖和全斷面帷幕注漿開挖共5種工況進(jìn)行對(duì)比,探索不同注漿范圍對(duì)圍巖穩(wěn)定性、滲流變化的影響,以期為指導(dǎo)施工提供新思路。

1 工程背景及模型設(shè)置

1.1 工程背景

京張鐵路正盤臺(tái)隧道是崇禮支線段全線最長(zhǎng)的隧道。其中,2～3號(hào)斜井區(qū)間正洞段落含有1 030 m 多期噴發(fā)火山角礫巖軟弱帶,為Ⅴ級(jí)圍巖,弱風(fēng)化,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體整體較破碎,穩(wěn)定性較差,是突涌水災(zāi)害治理的重點(diǎn)區(qū)。隧道掘進(jìn)過程中,在該段大里程方向發(fā)生了2次突涌水事故,最大涌水量約7 000 m3/h,工期滯后約135 d。為防止災(zāi)害再次發(fā)生,確保工程順利貫通和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全,本工程采用超前帷幕注漿方法進(jìn)行突涌水封堵和系統(tǒng)的圍巖加固,大規(guī)模突涌水現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 大規(guī)模突涌水現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Large-scale water and mud inrush

1.2 計(jì)算模型

依據(jù)工程DK35+407典型斷面,將隧道簡(jiǎn)化為靜水壓力作用下的平面應(yīng)變模型,引入等效加固區(qū)來體現(xiàn)超前加固效果,為避免邊界約束效應(yīng)的影響,3D模型采用長(zhǎng)104 m、高100 m、縱深48 m的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。開挖斷面取三心圓結(jié)構(gòu),模型上表面距隧頂42.7 m,下表面距隧底45 m。初期支護(hù)為28 cm 厚C30噴射混凝土,注漿加固區(qū)邊界為開挖斷面外擴(kuò)5 m。隧道埋深220 m,自由水面取模型上表面。模型前表面、后表面、左表面、右表面和下表面均采用限制法向位移的位移邊界條件及不透水的滲流邊界條件,上部為自由邊界。模型采用三臺(tái)階法開挖方法,其中,上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階長(zhǎng)度均為4 m,開挖進(jìn)尺取1 m,仰拱長(zhǎng)度為3 m,開挖進(jìn)尺取3 m,隧道貫通共需60步。

本文強(qiáng)調(diào)初期支護(hù)的作用,未考慮二襯。采用ANSYS建模導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行加載和運(yùn)算的方法,圍巖及初支均假設(shè)為連續(xù)均質(zhì)各向同性的八節(jié)點(diǎn)六面體單元。隧道斷面如圖2所示,關(guān)于X軸對(duì)稱的剖面立體圖如圖3所示。

圖2 隧道斷面Fig.2 Section of the tunnel

圖3 模型設(shè)置及尺寸Fig.3 Model setting and size

周邊帷幕厚度取5 m。5種對(duì)比工況分別為未注漿開挖(工況1)、拱墻周邊注漿開挖(工況2)、全周邊注漿開挖(工況3)、半斷面帷幕注漿開挖(工況4)、全斷面帷幕注漿開挖(工況5)。其中4種注漿開挖方法對(duì)應(yīng)注漿范圍如圖4所示。

圖4 不同注漿范圍示意圖Fig.4 Schematic diagram of different grouting ranges

1.3 計(jì)算參數(shù)

圍巖力學(xué)參數(shù)由工程勘察資料提供,并結(jié)合規(guī)范要求和數(shù)值模擬中參數(shù)折減的需要,根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和本工程注漿效果檢驗(yàn)后的粗略估計(jì),注漿后彈性模量提高30%,密度提高10%,摩擦角提高30%,黏聚力提高50%,其他參數(shù)不變。具體參數(shù)如表1所示。

表1 地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.1 隧道位移

拱頂沉降、水平收斂、底部隆起及掌子面擠出是隧道開挖過程中的重要位移控制指標(biāo),為減小邊界條件對(duì)提取位移的影響,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置設(shè)在模型的中部位置即Y=24 m處,分別在開挖斷面頂部設(shè)置拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)1,在拱肩、拱腰、拱腳處分別設(shè)置水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)2～7,底部設(shè)置隧底隆起監(jiān)測(cè)點(diǎn)8,三臺(tái)階中心處分別設(shè)置掌子面隆起監(jiān)測(cè)點(diǎn)9～11。Y=24 m處隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置如圖5所示。

圖5 Y=24 m處隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.5 Tunnel section monitoring point at Y=24 m

5組位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨施工進(jìn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。隧道貫通后開挖斷面位移終值如表2所示,開挖過程中掌子面各點(diǎn)最大擠出位移如表3所示。

SW為上臺(tái)階開挖;ZW為中臺(tái)階開挖;XW為下臺(tái)階開挖;YW為仰拱開挖圖6 斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移Fig.6 Displacement of section monitoring points

表2 隧道貫通后開挖斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移終值

表3 掌子面擠出最大變形量

基于各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得,隧洞開挖會(huì)對(duì)未開挖斷面圍巖產(chǎn)生“預(yù)變形”,注漿開挖對(duì)于限制圍巖位移場(chǎng)的變化量有顯著影響,有效避免了拱頂圍巖塌塊、仰拱隆起等現(xiàn)象。其中,工況5提升最為顯著,工況2優(yōu)越性不佳。工況5各組監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移均較注漿前均至少減少25%,其中掌子面擠出變形量均可減少66%以上。由于工況2和工況4未在底部隆起監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近進(jìn)行注漿加固,開挖時(shí)在底部隆起和下臺(tái)階掌子面擠出位移降幅遜于其他工法,工況2尤為明顯。工況3和工況4在位移量控制方面各有所長(zhǎng),工況3優(yōu)越性體現(xiàn)在拱腳水平收斂及底部隆起,其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移擾動(dòng)均大于工況4,但工況3各測(cè)點(diǎn)位移較未注漿均可減小26.9%以上,提升較為均衡。

2.2 圍巖塑性區(qū)

為避免邊界效應(yīng),截取Y=6～40 m處分析施工過程中圍巖塑性區(qū)特征,利用fish語言可實(shí)現(xiàn)塑性區(qū)總體積的計(jì)算統(tǒng)計(jì),塑性區(qū)范圍特征描述如表4所示。

表4 塑性區(qū)范圍特征

塑性區(qū)的范圍與網(wǎng)格劃分方式和致密程度有關(guān),在統(tǒng)一模型網(wǎng)格的前提下,可見注漿后均可顯著減少塑性區(qū)體積,縮小松動(dòng)圍巖擾動(dòng)范圍。當(dāng)分別采用拱墻周邊注漿、全周邊注漿、半斷面帷幕注漿、全斷面帷幕注漿開挖時(shí),施工過程中塑性區(qū)X-Z平面最大半徑較未注漿開挖分別降低了8.2%、26.1%、20.3%、28.2%；施工過程塑性區(qū)距上臺(tái)階開挖面最大縱深分別減小了7.1%、14.3%、35.7%、50%；貫通后的塑性區(qū)總體積分別降低了20.4%、31.6%、43.2%、68.5%。綜上所述,全斷面帷幕注漿效果最優(yōu)。

2.3 孔隙水壓力

為研究隧道超前注漿幾種工況對(duì)止水效果的影響,監(jiān)測(cè)隧道貫通后孔隙水壓力分布可體現(xiàn)隧道注漿防水效果。為避免邊界效應(yīng),在Y=24 m處布置KY1、KY2兩條孔壓監(jiān)測(cè)線,孔壓線布置如圖7所示,孔壓分布監(jiān)測(cè)結(jié)果分別如圖8所示。

圖7 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)線Fig.7 Pore water pressure monitoring lines

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得,隧洞周邊孔隙水壓會(huì)因注漿加固作用發(fā)生重分布,整體形成以隧洞為中心的降落漏斗,隧道頂部4.5 m范圍內(nèi)圍巖孔隙水壓力會(huì)隨注漿面積的增大而減小,隧道仰拱2 m范圍內(nèi)圍巖孔隙水壓會(huì)隨注漿后周邊圍巖的相對(duì)強(qiáng)度變化。工況2和工況4均未對(duì)仰拱附近圍巖進(jìn)行加固,故相對(duì)強(qiáng)度較低,孔隙水壓力較高；反之,工況3和工況5在仰拱附近的孔隙水壓力較低。幾種注漿開挖方法均使圍巖整體水位降深明顯減少,注漿總面積越大,對(duì)水位降深的控制效果越明顯,模型隧洞上方圍巖工況2、工況3、工況4水位降深較為接近；隧洞下方圍巖工況3、工況5的水位降深接近,總體全斷面帷幕注漿效果最佳。

2.4 涌水量

隧道超前注漿的主要目的就是封堵地下水,既可保護(hù)地下水資源,又可保證施工安全,施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的隧道涌水量監(jiān)測(cè)可直觀體現(xiàn)幾種工況的注漿防水效應(yīng)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。

圖8 孔隙水壓力曲線Fig.8 Pore water pressure curves

表5 涌水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

開挖初期隧道涌水量最大,隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作和仰拱的封閉作用,涌水量得以有效減少。由表5中工況2～5可得,不同注漿范圍對(duì)涌水量控制區(qū)別較大,全斷面帷幕注漿開挖在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的涌水量分別比未注漿開挖下降了56.3%和33.6%,封堵效果顯著。全周邊注漿止水效果在運(yùn)營(yíng)階段得以顯現(xiàn),涌水量減少了30.2%,僅次于全斷面帷幕注漿,但因掌子面未注漿加固,施工階段涌水量仍較大。拱墻周邊注漿控制效果有限。綜合而言,無論施工階段還是運(yùn)營(yíng)階段,全斷面帷幕注漿加固顯然最有效；全周邊帷幕注漿在運(yùn)營(yíng)階段可實(shí)現(xiàn)較好止水效果,性價(jià)比較高。

3 結(jié)論

依據(jù)隧道富水段地層實(shí)際情況,提出了未注漿、拱墻周邊注漿、全周邊注漿、半斷面帷幕注漿及全斷面帷幕注漿5種對(duì)比工況,通過分析幾種注漿范圍的止水效果及變形,得到以下結(jié)論。

(1)富水軟巖施工過程中,采用超前帷幕注漿的核心控制點(diǎn)在于涌水量,同時(shí)保證圍巖位移穩(wěn)定及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全,保證隧洞順利施工。

(2)綜合正盤臺(tái)隧道實(shí)際,擬在水量較小時(shí),采用帶水開挖強(qiáng)行通過涌水段的方案,在掌子面打泄水孔提前排水降壓后直接進(jìn)行帶水作業(yè)施工；單孔涌水量小于40 m3/h,總涌水量小于300 m3/h時(shí)采用全周邊注漿施工方案；總涌水量大于300 m3/h時(shí),采用全斷面帷幕注漿施工方案。

(3)全周邊注漿與半斷面注漿互有優(yōu)劣。其中,全周邊注漿優(yōu)越性主要體現(xiàn)在注漿工程量少、運(yùn)營(yíng)階段止水效果、拱頂下沉和底部隆起位移量控制,考慮到富水軟巖施工中涌水量為關(guān)鍵控制因素,綜合時(shí)間成本及經(jīng)濟(jì)效益,建議在工法選定時(shí),全周邊帷幕注漿優(yōu)先于半斷面帷幕注漿。

在工程實(shí)際中,隧道超前注漿是在復(fù)雜群體中多因素(注漿材料、注漿壓力、涌水量、圍巖孔隙率、圍巖裂隙發(fā)育程度等因素)干擾下進(jìn)行的,暫未對(duì)其他因素進(jìn)行綜合談?wù)?。在今后的研究?望進(jìn)一步的延伸與擴(kuò)展,為類似工況隧洞施工提供依據(jù)。