注漿加固對含泥質(zhì)砂巖隧道進出口段穩(wěn)定性影響研究

陳 耀

（湖南映晟交通建設(shè)工程有限公司，湖南 長沙 414000）

引言

含泥質(zhì)砂巖隧道進出口段往往面臨著偏壓和破碎等不穩(wěn)定因素，如果施工不當會給工程施工帶來巨大的安全隱患和經(jīng)濟損失［1-2］。張健儒等［3-4］通過理論和數(shù)值模擬等手段研究了注漿加固區(qū)相關(guān)參數(shù)對堵水及減輕圍巖水壓力等的作用；張慶松等［5-6］將研究重點集中在注漿材料參數(shù)優(yōu)化上；張成平等［7］根據(jù)前期勘察數(shù)據(jù)合理地設(shè)計了注漿參數(shù)后，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對注漿效果進行了評價；王迪和徐濤［8］根據(jù)理論計算確定隧道開挖圍巖加固圈的厚度，并通過注漿加固后現(xiàn)場揭露的方式對注漿效果進行了評價。

1 工程概況

松潘隧道地處岷江山脈中段，川西高原與龍門山過渡地帶，位于青藏高原東南邊緣，隧道全長3.2 km，為雙向行車特長隧道，松潘隧道開挖輪廓線寬13.84 m，屬于大斷面隧道范疇。隧道圍巖較破碎，屬于V 級圍巖，圍巖拱頂巖石易塌落，側(cè)壁易出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌。巖層屬軟巖，裂隙較發(fā)育，卸荷松弛較強烈，層間結(jié)合較差，巖體以薄層狀及鑲嵌破裂狀構(gòu)造為主，局部散體狀。斷層破碎帶極易發(fā)生圍巖大變形失穩(wěn)和塌方冒頂?shù)葐栴}。隧址區(qū)地震基本烈度為VIII 度，屬區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定區(qū)，隧道位于岷江斷裂帶內(nèi)，屬全新世發(fā)震斷裂，隧道大部分洞身位于斷裂上盤且與之平行，距離斷裂面130～340 m，并于K4+900 附近穿過斷裂帶，岷江斷裂發(fā)震會對隧道發(fā)生剪切破壞，故隧道屬抗震危險地段。

隧道支護形式由初期的噴錨支護加鋼筋混凝土的二次襯砌組成，初期支護厚度為30 cm，主要施工方式為噴錨支護，錨噴支護主要包括了工字鋼拱架、超前小導(dǎo)管、超前錨桿、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)及C30噴射混凝土；后期支護厚度為60 cm，混凝土等級均為C30。隧道開挖斷面較寬，且進出口段埋深較淺，圍巖等級較差，不易成洞，因此，需要布置超前長管棚并進行管棚注漿加固。

2 模型創(chuàng)建

依托COMSOL 數(shù)值模擬軟件進行計算，計算模型寬度、長度和高度分別為50 m、120 m 和100 m，仰坡角度取40°，計算模型主要包含圍巖、初期襯砌和加固區(qū)。三維計算模型見圖1。三維計算模型的網(wǎng)格劃分采用細化的自由四面體網(wǎng)格，該模型中網(wǎng)格單元尺寸范圍在0.15～4.0 m 之間，在臨空面周圍對網(wǎng)格進行了加密處理，以便提高計算精度。

圖1 模型網(wǎng)格劃分局部

在模型計算中，將初期和二次襯砌視為一個整體，即襯砌計算厚度設(shè)置為90 cm；為了充分考慮初期襯砌和二次襯砌的力學(xué)性能差異，結(jié)合現(xiàn)場二次襯砌緊跟初期襯砌的施工方案，在計算模型中取襯砌距掌子面距離為5 m。通過現(xiàn)場取樣測試，得到管棚注漿加固前后圍巖的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 計算模型相關(guān)參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

以加固區(qū)彈性模量0.5 GPa、管棚間距50 cm 和注漿半徑0.9 m 的工況研究管棚沉降規(guī)律，模擬結(jié)果見圖2。

圖2 管棚沉降規(guī)律

從圖2 中可以看出，40 m 管棚注漿范圍內(nèi)，隨著開挖施工的進行，管棚沉降表現(xiàn)出明顯的分段特征。首先在初期襯砌的作用下，管棚沉降較??；然后在臨空面至掌子面范圍內(nèi)，管棚的沉降量快速增加，并達到最大值；最后在未開挖區(qū)域內(nèi)，管棚的沉降量逐漸降低，最終趨近于零。管棚的最大沉降量大約為14 cm，相對于整體長度較長的管棚而言較小，管棚的沉降曲率較小，不會超出材料的彈性變形范圍，為隧道安全施工提供了保障。

以隧道拱頂管棚處最大沉降量的研究對象，研究不同施工參數(shù)對其影響規(guī)律，結(jié)果見圖3。從圖3（a）中可以看出，當管棚間距為50 cm，注漿半徑為0.9 m 時，隨著加固區(qū)彈性模量的逐漸增大，管棚區(qū)的最大沉降值逐漸減小，且變化速率逐漸降低，說明加固區(qū)的彈性模量對于隧道拱頂?shù)挚棺冃蔚哪芰哂写龠M作用，但是當彈性模量上升到一定值時，這種促進作用將會減弱。從圖3（b）中可以看出，當加固區(qū)彈性模量為0.5 GPa，注漿半徑為0.9 m 時，隨著管棚間距的增大，管棚區(qū)的最大沉降值逐漸增大，但是變化的幅度較小，當管棚間距從0.3 m 增大到0.9 m 時，沉降量從-13.26 cm 增大到-13.47 cm。從圖3（c）中可以看出，當管棚間距為50 cm，加固區(qū)彈性模量為0.5 GPa 時，隨著注漿半徑的增大，管棚區(qū)的最大沉降值逐漸減小，因為隨著注漿半徑的增大，加固區(qū)的厚度和體積等也會隨之增大，從而增強其力學(xué)性能及抵抗變形的能力。

圖3 不同施工參數(shù)對管棚最大沉降量的影響

4 工程實例

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及經(jīng)濟效益分析，擬定在隧道工程中采用加固區(qū)彈性模量0.5 GPa、注漿半徑0.9 m 和注漿間距0.5 m 的施工參數(shù)進行現(xiàn)場施工。為了同時保障注漿材料的擴散范圍及加固區(qū)的長期力學(xué)性能，現(xiàn)場采用的注漿材料有水灰比為1 ∶1的水泥漿液和水泥漿液與水玻璃漿液的體積比為3.5 ∶1 的水泥-水玻璃漿液兩種?，F(xiàn)場通過掌子面護壁情況及拱頂沉降監(jiān)測共同表證注漿效果。

為了保證管棚加固區(qū)的均勻性，通過后退式分段注漿的方式進行注漿，以“量、壓”雙控作為注漿結(jié)束的標準，即注漿壓力與注漿量。通過管棚注漿后，隧道進洞實現(xiàn)了安全施工。

當隧道進口開挖深度達3 m 時，將激光傳感器安裝在距離掌子面2 m 處的隧道墻壁上，通過遠程控制系統(tǒng)對傳感器實時采集的數(shù)據(jù)進行分析，得出隧道進口段開挖施工的拱頂沉降量。開挖過程中管棚拱頂?shù)淖畲蟪两盗勘O(jiān)測結(jié)果見圖4。

圖4 管棚拱頂沉降監(jiān)測曲線

從圖4 可以看出，隨著開挖不斷進行，管棚拱頂?shù)淖畲蟪两盗繛?4.38 cm，比數(shù)值模擬得到的最大沉降量13.36 cm 略大，歸結(jié)于數(shù)值模擬對現(xiàn)場環(huán)境進行了一定的簡化，但是兩者差距較小，說明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可靠性。

5 結(jié)語

（1）以控制變量的方式，對各施工參數(shù)對隧道進口段開挖穩(wěn)定性的影響進行了定量研究，加固區(qū)彈性模量和注漿半徑與沉降量成負相關(guān)，管棚間距與沉降量成正相關(guān)，管棚間距變化對管棚沉降量影響最弱。（2）在管棚注漿加固區(qū)域內(nèi)，管棚沉降量從襯砌、臨空面、掌子面到未開挖區(qū)域呈現(xiàn)先增大后減小的分段趨勢，模擬最大沉降量結(jié)果為13.36 cm，與現(xiàn)場監(jiān)測的最大沉降量14.38 cm 接近。（3）針對泥質(zhì)砂巖特征，現(xiàn)場制定了水泥漿液和水泥-水玻璃漿液共同作為注漿材料的方案，加固區(qū)開挖后結(jié)果表明該方案加固效果良好。