炭質(zhì)泥巖隧道洞頂?shù)乇砹严杜都白{加固

胡思維

(保利長大工程有限公司, 廣州 510620)

0 引言

炭質(zhì)泥巖具有強度低、節(jié)理多、整體性差等影響隧道施工安全和效率的不利因素，這使得在炭質(zhì)泥巖地層中的隧道施工難度驟增。在隧道施工過程中，洞口段的施工難度相比進洞后也更大，主要是受到偏壓、洞口邊坡風(fēng)化程度高、缺乏有效約束等因素的制約。為保證隧道進洞施工安全，需采用注漿等方法，對施工影響范圍內(nèi)的軟弱地層進行加固。

關(guān)于圍巖注漿加固及相關(guān)作用的研究較多，相關(guān)學(xué)者從數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗、劈裂注漿機理等方面進行了全面的研究。余俊[1]等建立了考慮松散地層隧道進洞段管棚注漿加固效應(yīng)的隧道開挖三維有限元計算模型，定量分析了不同管棚注漿加固參數(shù)對隧道開挖穩(wěn)定性的影響，并通過工程實踐驗證了數(shù)值計算結(jié)果。岳洪武[2]等為研究淺埋破碎軟巖隧道采用管棚預(yù)注漿超前支護后的加固效果，建立了管棚預(yù)注漿超前支護、僅采用管棚支護以及無任何超前支護作用下的三種開挖模型，研究結(jié)果表明，管棚加預(yù)注漿超前支護可改善地層成拱能力，并有效控制了地表下沉、拱頂沉降和應(yīng)力集中等現(xiàn)象。Hweiger，HF[3]利用有限元仿真模型對劈裂注漿的沉降補償機理進行數(shù)值模擬研究。趙繼偉[4]以羅漢山2#隧道右YK5+350～YK5+425區(qū)段為例，通過運用地表注漿加固技術(shù)，對隧道施工過程中的洞內(nèi)坍塌、涌水等險情進行有效整治，并總結(jié)了施工參數(shù)。李楊[5-9]等在實際隧道工程洞口段施工中采用注漿加固技術(shù)，一定程度上提高了圍巖物理力學(xué)方面的性質(zhì)，并取得了較好的效果。王玉平[10]利用模型試驗，總結(jié)了軟土劈裂的注漿壓力及注漿量隨時間的變化規(guī)律。官治立[11]對粵東山區(qū)淺埋偏壓隧道進洞施工技術(shù)進行了優(yōu)化研究，認(rèn)為軟巖地層進口段隧道采用“管棚+地表小導(dǎo)管注漿+混凝土反壓護拱”的措施，可以起到加固圍巖的作用。

通過對現(xiàn)有相關(guān)研究成果的梳理可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的研究對隧道周圍地層的注漿加固作用已經(jīng)研究得較為完善。但在實際工程應(yīng)用方面，對于注漿加固的影響范圍，洞口、洞身等不同位置的加固作用，不同地層的加固作用等有待深入研究。為此，本文結(jié)合其古頂隧道施工過程中遇到的問題，基于數(shù)值模擬和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析炭質(zhì)泥巖隧道洞頂?shù)乇砹严蹲{的加固效果。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合開挖后的現(xiàn)場實際情況，對洞頂?shù)乇砹严蹲{加固的限制因素進行分析，以為類似工程提供參考。

1 工程概況

其古頂隧道位于梅州市梅縣丙村鎮(zhèn)橫石村，左線隧道起訖樁號L1K9+397～L1K11+519，隧道長度為2 122m;右線隧道起訖樁號K9+393～K11+528，隧道長度為2 122m。隧道為深埋長隧道，隧道穿過丘陵地貌區(qū)，地形起伏大，地面標(biāo)高169～417m，最大相對高差約為248m，隧道最大埋深約229.5m。

前期勘察和施工期間現(xiàn)場觀測表明，其古頂隧道IV級圍巖占比45%，V級圍巖占比55%。根據(jù)開挖揭露的圍巖，其古頂隧道圍巖主要為全-強風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，由巖粉、壓碎的巖石碎屑、碎片等組成。試驗結(jié)果表明，圍巖具有膨脹性，開挖后易風(fēng)化，遇水軟化、崩解。隧道圍巖變化較大，同一斷面的圍巖存在較大差異，地質(zhì)偏壓現(xiàn)象明顯，施工難度大。

在其古頂隧道淺埋段進洞施工時，支護結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變形及大面積的地表沉降。此外，施工過程中還出現(xiàn)了如洞口邊坡開裂滑移、開挖擾動區(qū)較大、圍巖穩(wěn)定性差時常掉塊等問題，嚴(yán)重影響施工進度和工程安全。初支變形及沉降收斂超限是其古頂隧道在開挖過程中面臨的普遍問題，自隧道進洞以來，第三方監(jiān)控聯(lián)測單位共發(fā)出沉降預(yù)警24次。對斷面K11+493和斷面K11+482(右洞口附近)地表下沉進行監(jiān)測，從圖1～圖4可以看出，右側(cè)地表沉降累計值小于左側(cè)沉降累計值，監(jiān)測區(qū)域沉降量較大，其中主要原因是同一斷面圍巖破碎且破碎程度存在明顯差異。

圖1 K11+493斷面地表日沉降關(guān)系

圖2 K11+493斷面地表下沉累計關(guān)系

圖3 K11+482斷面地表日沉降關(guān)系

圖4 K11+482斷面地表下沉累計關(guān)系

為保證隧道施工安全，控制圍巖的變形，施工過程中采取了對隧道洞頂?shù)牡乇砹严杜哆M行劈裂注漿的措施，以期通過注漿加固地層，減少圍巖的擾動和變形。本文為探究裂隙披露并注漿加固的作用效果，結(jié)合洞口附近斷面K11+493和K11+482地表下沉監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬的方法進行分析。

2 洞頂?shù)乇砹严杜都白{加固

2.1 有限元模型

本文基于有限元計算軟件MIDAS-GT/SNX，對其古頂隧道右線K11+449～K11+508區(qū)段(長56m)進行裂隙披露及注漿加固分析，斷面具體位置如圖5所示。該區(qū)段下伏基巖為淺色砂頁巖及灰黑色薄層狀碳質(zhì)泥頁巖等，淺色砂頁巖上覆于灰黑色薄層狀碳質(zhì)泥頁巖，因厚度不大建模忽略不計。本文所構(gòu)建的三維模型如圖6所示，計算模型由圍巖、隧道、裂隙(注漿加固區(qū))組成，其中材料參數(shù)見表1。

圖5 隧道斷面分布

圖6 三維計算模型

表1 三維計算模型材料參數(shù)

為了方便觀察計算結(jié)果，以通過隧道中心線的豎直平面為對稱面，取整個研究區(qū)域的一半進行計算，該豎直平面即計算模型的對稱邊界。為模擬實際工況，模型表面邊界設(shè)置為自由邊界，通過隧道中線的豎直平面設(shè)置為對稱邊界。兩個豎直邊界設(shè)置為只發(fā)生豎向位移、不發(fā)生水平位移的輥支撐邊界，下部邊界設(shè)置為固定邊界，在該邊界上不允許發(fā)生任何位移。圍巖內(nèi)部裂隙及開挖臨空面設(shè)置為自由變形邊界。

2.2 模擬結(jié)果及分析

為分析劈裂注漿加固對炭質(zhì)泥巖隧道圍巖穩(wěn)定性、成拱能力的提升作用，假設(shè)炭質(zhì)泥巖隧道圍巖存在兩處裂隙，分別模擬各裂隙披露情況以及隨著施工進度產(chǎn)生的變形情況。在本文的數(shù)值模擬中，分別設(shè)置了兩處未披露裂隙、左側(cè)披露裂隙并加固、右側(cè)披露裂隙并加固、兩側(cè)披露裂隙及加固四種工況進行模擬，模擬結(jié)果如圖7～圖10所示，各工況變形最大值見表2。

圖7 位移云圖-兩處未披露裂隙

圖8 位移云圖-披露左側(cè)裂隙并注漿加固

圖9 位移云圖-披露右側(cè)裂隙并注漿加固

圖10 位移云圖-披露兩側(cè)裂隙并注漿加固

表2 各工況下變形最大值 (單位：mm)

工程施工中，對隧道洞頂?shù)乇磉M行了大范圍的加固處理，其沉降觀測值與兩側(cè)披露裂隙并加固的工況相接近，即實際地表日沉降量觀測最大值約為26mm，模擬結(jié)果為25.85mm,吻合較好。

對比圖7～圖10的模擬結(jié)果可見，隨著裂隙都被披露和加固，隧道開挖施工的影響范圍和地表沉降量均有明顯的改善。主要表現(xiàn)為：隨著兩側(cè)裂隙被披露和加固，圍巖變形的影響范圍逐漸收縮，變形幅度也顯著減小。通過對比模擬結(jié)果可知，裂隙是否得到披露并進行注漿加固對隧道拱頂變形有較大影響；通過第一處裂隙模擬結(jié)果表明，在圖7(a)與圖9(a)中考慮各種因素作用下未能披露的第一處裂隙，隧道開挖經(jīng)過該裂隙時，拱頂上方出現(xiàn)明顯的拱頂變形；而在圖8(a)與圖10(a)中，因?qū)υ摿严哆M行了注漿加固，有效控制了開挖穿越時出現(xiàn)的拱頂變形現(xiàn)象。劈裂注漿加固在隧道拱頂?shù)乇砹严渡喜啃纬闪思庸處В惺芰瞬糠炙淼篱_挖區(qū)域的圍巖荷載，改善了地層成拱能力，從而有效控制了地表下沉和拱頂沉降。

3 開挖情況及制約因素分析

其古頂隧道右洞部分山體經(jīng)過注漿加固措施后，穩(wěn)定性得到了一定的改善，但在后續(xù)開挖進尺中，部分段落還是出現(xiàn)了沉降異?，F(xiàn)象。經(jīng)分析，主要原因為：(1)漿液通過其他通道流失造成浪費；(2)巖層過于密實，使其無法被劈裂，影響漿液擴散效果；(3)炭質(zhì)泥巖物理力學(xué)特性較差，注漿液無法顯著改善其強度。

根據(jù)其古頂隧道出口段后期的地質(zhì)補勘資料(圖11)，隧道出口部分地段存在溶洞以及炭質(zhì)泥巖、砂巖與灰?guī)r的交界破碎帶，部分漿液可能經(jīng)由巖溶管道或者破碎帶裂隙流失，造成注漿漿液浪費，降低了注漿效果，這與注漿施工過程中注漿壓力表有異常回落等狀況對應(yīng)。

圖11 后期補勘地質(zhì)資料

在實際加固和開挖的過程中，可以發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域炭質(zhì)泥巖地層密實度較高，使得劈裂注漿施工難度增加。這與鉆孔施工時頻繁卡鉆、鉆孔較困難等情況對應(yīng)，且某些注漿管超過設(shè)計壓力，卻無法注入設(shè)計量的漿液。

此外，由于其古頂隧道出口端圍巖主要為全-強風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，由巖粉、壓碎的巖石碎屑、碎片等組成，呈薄片狀，有大量密集的節(jié)理，圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角很低。施工過程中經(jīng)過注漿處理后，雖然圍巖整體性得到了一定的改善，但炭質(zhì)泥巖本身具有膨脹性，開挖后依舊易風(fēng)化，風(fēng)化后很快就分解為鱗片狀或粉末狀，遇水軟化、崩解，影響了部分注漿加固的效果。

4 結(jié)語

(1)通過建立含裂隙的隧道-圍巖地質(zhì)開挖模型，分析了不同工況下的圍巖位移情況。對比分析發(fā)現(xiàn)，通過對洞頂?shù)乇砹严蹲{，使開挖輪廓線外一定范圍的圍巖形成固結(jié)圈，在一定范圍內(nèi)有效控制了圍巖的變形，減少了施工擾動。

(2)其古頂隧道洞口段施工時，出現(xiàn)了地表及洞頂沉降異常等問題。通過對地質(zhì)條件較差的炭質(zhì)泥巖進行注漿后，明顯改善了土體基本物理指標(biāo)，提高了剪切強度，減少了地表及隧道拱頂?shù)某两?。?shù)值模擬結(jié)果較好地驗證了地表裂隙注漿的加固效果。

(3)分析了施工中部分?jǐn)嗝娉霈F(xiàn)的沉降異?，F(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)炭質(zhì)泥巖地層中的注漿加固效果受到地質(zhì)條件、巖層性質(zhì)、地應(yīng)力條件等因素的制約，有待進一步深入研究。