注漿對大變形隧道圍巖及襯砌力學(xué)特性影響數(shù)值模擬研究

王廣勇, 孫小康, 連躍杰, 王 瑋, 張永斌

(1.冀中能源峰峰集團有限公司 河北 邯鄲 056503；2.南陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院 河南 南陽 473000)

0 引言

眾所周知，我國山地面積占到全國總面積的三分之二，西部腹地更是山嶺重重。隨著第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標(biāo)建議的提出[1]，我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化將進入加速發(fā)展階段，隧道工程建設(shè)也逐漸向西部極端復(fù)雜環(huán)境延伸，例如川藏鐵路是世界上地質(zhì)環(huán)境最復(fù)雜的鐵路，其涉及的多個隧道工程都面臨高應(yīng)力、高水壓、圍巖破碎等問題。隧道工程技術(shù)和大型工程項目向復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境區(qū)域發(fā)展，會產(chǎn)生一系列的工程問題，如隧道的塌方、大變形、突水等災(zāi)害[2-4]，其中在破碎圍巖區(qū)域施工遇到的隧道圍巖大變形，襯砌開裂、掉塊等問題不僅影響隧道的開挖與運行，增加隧道的施工成本和維護費用，還會對施工人員人身安全造成威脅，是隧道工程所面臨的難題之一，1997年對我國運營的5000余座隧道調(diào)查表明，由于開裂、滲漏水等原因影響運營的隧道數(shù)量高達1502座，占隧道總數(shù)的30.04%[5]。如何通過有效的手段來改善隧道圍巖及襯砌的受力狀態(tài)，控制隧道圍巖及襯砌穩(wěn)定，從而實現(xiàn)隧道工程安全也成為一項重大難題[6]。

混凝土襯砌開裂原因主要有以下幾方面：不良的地質(zhì)條件、隧道設(shè)計不合理、開挖和支護施工操作不當(dāng)、不良環(huán)境條件(地下水、溫度、空氣質(zhì)量等)及其他因素。為解決隧道襯砌開裂問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，韋猛[7]對黏土層引起隧道襯砌開裂的機理進行研究，并根據(jù)實際情況有針對性地提出了注漿加固方案，取得了良好的效果；蘇香龍[8]對山岳隧道襯砌開裂滲水成因進行了分析，提出施工期間應(yīng)采用隧道全斷面防排水系統(tǒng)，運營期間通過在襯砌背后形成防滲帷幕防治襯砌開裂滲水；黃宏偉[9]采用擴展有限元研究了襯砌在主要影響因素作用下的裂縫分布規(guī)律、裂縫擴展過程、裂縫外觀表現(xiàn)形式及發(fā)生機制；韓旭[10]通過數(shù)值模擬研究了對稱組合裂縫和非對稱組合裂縫對襯砌外側(cè)水壓力分布和結(jié)構(gòu)受力的影響。

注漿是用隧道圍巖加固常用的技術(shù)手段，不但能夠改善圍巖自身的力學(xué)性能，并且施工工藝簡單，施工成本低，施工空間要求也較小[11-13]。因此，本文以穿越IV級破碎圍巖的某隧道為背景，隧道施工采用注漿加固的方式改善隧道圍巖的不良地質(zhì)條件，以此來改善襯砌受力狀態(tài)，進而達到防止襯砌開裂的目的。為研究注漿加固對隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響，采用數(shù)值模擬的方式，通過改變圍巖粘聚力和摩擦角模擬圍巖加固注漿效果，分析注漿加固強度和注漿加固圈厚度對隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性影響，為隧道穿越破碎圍巖時采用注漿加固技術(shù)控制圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供參考。

1 工程背景

本文依某隧道右洞K107+545-K107+610標(biāo)段，該標(biāo)段地應(yīng)力測試結(jié)果表明，此處豎直應(yīng)力約為7.5 MPa，水平應(yīng)力約為9.0 MPa，側(cè)壓力系數(shù)約等于1.2，隧道寬為11 m，高為5 m，隧道襯砌采用單心圓內(nèi)輪廓斷面，襯砌厚度0.5 m，隧道斷面及襯砌設(shè)計圖如圖1所示，隧道圍巖較破碎，隧道開挖過程中圍巖變形嚴(yán)重，屬Ⅳ級圍巖。取隧道圍巖并開展單軸壓縮試驗，實驗結(jié)果如圖2所示，隧道圍巖單軸抗壓強度約為25.8 MPa，彈性模量約為8.3 GPa。為控制隧道圍巖變形及保證襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，擬采用注漿的方式加固隧道圍巖。

圖1 隧道襯砌設(shè)計圖

圖2 圍巖單軸壓縮試驗曲線

2 數(shù)值模型建立

為分析注漿加固對隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性影響，采用FLAC3D建立隧道數(shù)值計算模型(如圖3所示)，模型長×寬×高=80 m×40 m×40 m，隧道模型寬11 m，高11 m，襯砌厚度為0.5 m，模型上表面采用應(yīng)力約束，施加均布載荷q=7.5 MPa，測壓系數(shù)取1.2，其他邊界采用位移約束，圍巖密度取2500 g/cm3。隧道圍巖單軸壓縮試驗表明，巖石破裂后強度隨變形增加而迅速降低，因此采用應(yīng)變軟化模型描述圍巖的本構(gòu)關(guān)系，通過建立單軸壓縮數(shù)值計算模型，模擬巖石單軸壓縮試驗，并調(diào)整數(shù)值模擬參數(shù)使得數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本重合(如圖4所示)，通過實驗擬合獲得的材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。根據(jù)王永秀[14]等人通過正交實驗法得出的研究成果可知，巖體的性質(zhì)會受節(jié)理和裂縫等結(jié)構(gòu)面的影響，經(jīng)過與實驗的對比發(fā)現(xiàn)，在數(shù)值模擬過程中彈性模量、黏聚力和抗拉強度等物理參數(shù)取值應(yīng)為巖塊物理參數(shù)的1/5～1/3，巖體的泊松比是巖塊泊松比的1.2～1.4倍，在本次數(shù)值模擬中隧道圍巖力學(xué)參數(shù)見表2。

圖3 隧道數(shù)值計算模型

圖4 數(shù)值模擬曲線與實驗曲線對比

表1 實驗擬合所得材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 巖體數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)

圖5 應(yīng)力檢測線分布圖

破裂巖石注漿固結(jié)后的力學(xué)性能的提高可以通過廣義黏聚力和廣義內(nèi)摩擦角的增加來表示[15]。影響注漿加固效果的參數(shù)主要是注漿加固圈厚度(即注漿范圍)和注漿加固圈的強度(漿液填充率和黏結(jié)強度)，注漿加固圈厚度表示注漿管的長度，在數(shù)值模擬中通過限定注漿范圍實現(xiàn)，本次數(shù)值模擬注漿圈范圍分別為2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m；注漿加固圈強度表示漿液填充圍巖裂隙的充填率及漿液固結(jié)后對結(jié)構(gòu)面的加固效果，在數(shù)值模擬中以注漿后單元粘聚力提升表示，本次數(shù)值模擬研究注漿加固圈強度為注漿后黏聚力分別為注漿前的1.2倍、1.4倍、16倍、1.8倍、2.0倍，注漿判別標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)單元最大塑性應(yīng)變不小于0.003時漿液可以填充裂隙完成注漿。為分析注漿加固效果，在隧道模型拱頂、邊墻和仰拱處分別設(shè)置監(jiān)測線如圖5所示。a線為拱頂檢測線，主要監(jiān)測水平應(yīng)力；b線是邊墻檢測線，主要監(jiān)測豎直應(yīng)力；c線是仰拱檢測線，主要監(jiān)測水平應(yīng)力。

3 結(jié)果與分析

3.1 注漿加固圈厚度對隧道圍巖及襯砌影響

為分析注漿加固圈厚度對隧道圍巖及襯砌影響，建立隧道數(shù)值計算模型，注漿圈厚度分別設(shè)置為2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m，在圍巖變形量達到80 mm時對隧道圍巖注漿，隧道注漿模擬是對注漿加固圈范圍內(nèi)塑性應(yīng)變大于0.003的巖體提高黏聚力為原來的1.6倍，內(nèi)摩擦角為原來的1.2倍。當(dāng)隧道圍巖穩(wěn)定后分別統(tǒng)計監(jiān)測線a、b、c上的最大水平集中應(yīng)力和豎直集中應(yīng)力、襯砌最大水平集中應(yīng)力和豎直集中應(yīng)力，分析不同載荷隨注漿厚度增加變化規(guī)律(如圖6和圖7所示)。

從圖6中可以看出，隨著注漿加固圈厚度增加，隧道圍巖水平應(yīng)力最大值先增大后減小，襯砌水平應(yīng)力最大值先降低后增加。當(dāng)注漿加固圈厚度小于3.0 m時，隧道圍巖水平應(yīng)力最大值逐漸增加，這是因為隨著注漿加固圈厚度增加，破碎圍巖被重新加固，破碎區(qū)圍巖承載的水平應(yīng)力得到提高，這對于隧道圍巖的整體穩(wěn)定具有積極意義。與之相反，襯砌水平應(yīng)力最大值隨著注漿加固圈厚度增加逐漸降低，從最初的4.55 MPa降到了3.22 MPa，降低幅度達到了29.23%。這是由于隨著注漿加固圈厚度的增加，破碎圍巖承載力得到較大提高，從而降低了襯砌承載的圍巖壓力，這可以極大地預(yù)防襯砌的開裂，保證襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。當(dāng)注漿加固圈厚度大于3.0 m后，隨著注漿加固圈厚度增加隧道最大水平應(yīng)力逐漸降低，這是因為注漿加固圈厚度大于3.0 m后，隨著注漿加固圈厚度的增加，破裂區(qū)圍巖承載能力和范圍逐漸增加，進而導(dǎo)致圍巖水平應(yīng)力最大值逐漸減?。灰r砌最大水平應(yīng)力隨著注漿加固圈厚度增加而逐漸增加，但這種變化并不明顯，這表明當(dāng)注漿加固圈厚度大于3.0 m后，其對隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力影響下降。

圖6 隧道水平應(yīng)力最大值隨注漿加固圈厚度變化規(guī)律

從圖7中可知，隨著注漿加固圈厚度增加，隧道圍巖豎直應(yīng)力最大值先減小后增加，襯砌豎直應(yīng)力最大值先增加后趨于穩(wěn)定。當(dāng)注漿加固圈厚度小于3.0 m時，隧道圍巖豎直應(yīng)力最大值隨注漿加固圈厚度增加而減小，這是因為隨著注漿加固圈厚度增加，邊墻處圍巖承載能力及承載范圍增加，進而有效減低了圍巖的豎直應(yīng)力最大值；襯砌豎直應(yīng)力最大值隨著注漿加固圈厚度增加而增加，這是因為當(dāng)注漿加固圈厚度小于3.0 m時，襯砌在邊墻位置處于塑性狀態(tài)(見圖8)，隨著注漿加固圈厚度增加，襯砌邊墻承載能力迅速增加，并在注漿加固圈厚度達到3.0 m襯砌結(jié)構(gòu)不再出現(xiàn)塑性區(qū)。當(dāng)注漿加固圈厚度大于3.0 m時，隧道圍巖及襯砌豎直應(yīng)力隨著注漿加固圈厚度增加變化不明顯，這表明當(dāng)注漿加固圈厚度大于等于3.0 m時可保障襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不出現(xiàn)開裂等問題。

圖7 隧道豎直應(yīng)力最大值隨注漿加固圈厚度變化規(guī)律

圖8 襯砌結(jié)構(gòu)塑性區(qū)隨注漿加固圈厚度變化云圖

從圖9中可以看出，拱頂和邊墻變形隨注漿加固圈厚度增加逐漸減小。注漿加固圈厚度從2.0 m增加到2.5 m過程中，拱頂變形從108 mm減小到了98.6 mm，變形量降低了8.7%，邊墻變形量從73.9 mm減小到了57.5 mm，變形量降低了22.2%，當(dāng)注漿加固圈厚度從2.5 m增加到4.0 m過程中，拱頂和邊墻變形量分別降低了4%和2.4%，變形量明顯趨于平緩。這表明當(dāng)注漿加固圈厚度大于2.5 m后，加固圈厚度對隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形影響已不明顯。綜合隧道應(yīng)力及襯砌變形分析，建議該隧道注漿加固圈厚度不小于3.0 m。

圖9 隧道襯砌變形隨注漿加固圈厚度變化規(guī)律

3.2 注漿加固圈強度對隧道圍巖及襯砌影響

注漿加固是將漿液填充到圍巖裂隙內(nèi)部，漿液固結(jié)可以增加劈裂巖體結(jié)構(gòu)面強度，進而實現(xiàn)圍巖加固效果。在數(shù)值模擬過程中，通過提高注漿后的數(shù)值模型的黏聚力和內(nèi)摩擦角來模擬注漿加固的效果。注漿加固圈的強度以注漿后黏聚力的提升倍數(shù)表示，即以注漿加固后粘聚力提升倍數(shù)1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2.0倍來表示注漿加固圈強度。不同注漿加固圈強度條件下隧道圍巖及襯砌應(yīng)變變化規(guī)律如圖10和圖11所示。

圖10 隧道水平應(yīng)力隨注漿加固圈強度變化規(guī)律

圖11 隧道豎直應(yīng)力隨注漿加固圈強度變化規(guī)律

從圖10中可以看出，隧道圍巖和襯砌水平應(yīng)力隨注漿加固圈強度增加逐漸降低，且當(dāng)注漿加固圈強度從1.2增加至1.6過程中，隧道圍巖及襯砌水平應(yīng)力最大值迅速降低，其中圍巖水平應(yīng)力從16.95 MPa降到了15.98 MPa，降低了5.7%；襯砌水平應(yīng)力從4.57 MPa降到了3.33 MPa，降低了27.1%。這是因為隨著注漿加固圈強度增加，破裂圍巖的承載力和穩(wěn)定性得到顯著改善，圍巖應(yīng)力顯著增加，導(dǎo)致圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)承受的水平應(yīng)力最大值降低，這有利于隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。當(dāng)注漿強度大于1.6后，注漿加固圈強度對隧道水平應(yīng)力的影響逐漸減小。從圖11中可以看出，隧道圍巖豎直應(yīng)力隨著注漿加固圈強度增加而逐漸減小，這與圍巖水平應(yīng)力變化規(guī)律相似。與之相反，隧道襯砌豎直應(yīng)力最大值隨著注漿加固圈強度增加先增加后趨于穩(wěn)定。這是因為當(dāng)注漿加固圈強度不夠時，襯砌邊墻在高應(yīng)力作用下發(fā)生破裂并導(dǎo)致承載力急劇下降，隨著注漿加固圈強度增加到1.6，襯砌結(jié)構(gòu)承載的應(yīng)力下降，保障了襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和完整，襯砌結(jié)構(gòu)承載力得到提升。當(dāng)注漿加固圈強度大于1.6后，注漿加固圈強度的變化對襯砌受力影響不大。綜合上述分析，注漿加固圈強度應(yīng)不小于1.6，如此才能保障隧道圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖12 隧道襯砌變形隨注漿加固圈強度變化規(guī)律

從圖12中可以看出，拱頂和邊墻變形隨注漿加固圈強度增加先迅速降低，后逐漸趨于平緩。當(dāng)注漿加固圈強度從1.2增加到1.6過程中，拱頂變形從113.2 mm減小到了94.6 mm，變形量降低了16.4%，邊墻變形量從73.5 mm減小到了55.7 mm，變形量降低了24.2%。這表明增加注漿加固圈強度可以有效降低襯砌變形，對隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有顯著效果。當(dāng)注漿加固圈強度從1.6繼續(xù)增加時，拱頂和邊墻變形量明顯趨于平緩。這表明當(dāng)注漿加固圈強度大于1.6后，其對隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形影響已不明顯。

綜合注漿加固圈厚度和注漿加固圈強度對隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形分析，隧道注漿加固圈厚度不小于3.0 m，注漿加固圈強度不低于1.6時，隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，在應(yīng)力作用下變形較小，能夠保證隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，因此建議隧道支護過程中注漿錨桿的長度應(yīng)不小于3.0 m，注漿漿液制備建議使用黏結(jié)強度較高的水泥基注漿材料。

4 結(jié)論

本文依托穿越Ⅳ級破碎圍巖的某隧道為背景，針對該隧道大變形的問題，通過數(shù)值仿真計算，分析了注漿加固圈厚度和注漿加固圈強度對隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性影響，得到如下結(jié)論：

(1) 當(dāng)注漿加固圈厚度小于3.0 m時，隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力較大，且襯砌結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生了塑性破壞，當(dāng)注漿加固圈厚度大于3.0 m后，隨著注漿加固圈厚度增加，隧道圍巖及襯砌承載載荷逐漸趨于穩(wěn)定。隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形隨著注漿加固圈厚度增加逐漸減小，且當(dāng)注漿加固圈厚度大于2.5 m后，加固圈厚度對隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形影響已不明顯。因此，建議隧道支護過程中注漿錨桿的長度應(yīng)不小于3.0 m。

(2) 隨著注漿加固圈強度增加，隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的受力都能得到有效改善，且增加注漿加固圈強度可以有效降低襯砌變形。隨著注漿加固圈強度從1.2增加到1.6，拱頂變形量降低了16.4%，邊墻變形量降低了24.2%。因此建議注漿漿液制備使用黏結(jié)強度較高的水泥基注漿材料。