隧道工程富水?dāng)鄬悠扑閹ё{加固機(jī)理及應(yīng)用研究

張克陽(yáng)

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引 言

在我國(guó)云貴川地區(qū)修建隧道工程，需要面臨地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜、地層巖性多變以及突水涌泥、拱頂坍塌等諸多災(zāi)害的嚴(yán)峻考驗(yàn)。這是因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)受到印度次大陸板塊與歐亞板塊的劇烈碰撞，誘發(fā)了大范圍的區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，造就了區(qū)域內(nèi)的地形起伏劇烈、溝谷縱橫，巖土體內(nèi)部也出現(xiàn)擠壓、抬升、張裂等應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)象，使得巖土體在空間分布上具有明顯的各向異性，形成的斷層破碎往往控制區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害特征[1-3]。在隧道工程開挖過(guò)程中，斷層破碎帶受到不恰當(dāng)?shù)氖┕_動(dòng)、地下水環(huán)境的壓力、充填物質(zhì)的軟弱力學(xué)性質(zhì)以及水土物質(zhì)的運(yùn)移，極易造成隧道突水涌泥、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效破壞，引發(fā)工程災(zāi)害事故。因此，研究注漿加固技術(shù)成為解決富水?dāng)鄬悠扑閹淼朗┕?wèn)題的有效途徑[4]。

1 工程背景

1.1 隧道概況

擬建的某山嶺公路隧道工程位于四川省雅安市境內(nèi)，隧道長(zhǎng)度為7 033 m，里程為K104+525—K111+558，隧道工程是樂山通往金口河、漢源的交通咽喉，也是通往瀑布溝、烏斯河、順河彝族鄉(xiāng)的必經(jīng)之路。該隧道屬重要工程，工程安全等級(jí)為一級(jí)；場(chǎng)地地形地貌復(fù)雜，為一級(jí)場(chǎng)地；巖土種類較多，性質(zhì)變化較大。

1.2 隧道場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)背景

隧道地形地貌屬于構(gòu)造剝蝕低山地貌，受到構(gòu)造和剝蝕作用，山地侵蝕切割造成坡地與山谷之間存在較大的相對(duì)高程，最大相對(duì)高差達(dá)178 m。相對(duì)于區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面而言，山嶺受到的自然剝蝕、河流切割作用更為劇烈，切割相對(duì)高程大于300 m。由于受構(gòu)造及巖性控制山體被切割起伏的形態(tài)變化較大，隧址范圍內(nèi)以深切的溝谷陡崖區(qū)地貌為主，上覆地層主要為松散的第四系坡積層，分布范圍較廣，且厚度大小變化不一，基巖主要以石炭系巖石為主。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)出露的基巖，分布廣泛。在隧道斷面中下部，地層巖性主要為紫紅色的泥質(zhì)粉砂巖，由于粉砂巖的含泥量較高，盡管在取出后巖塊具有一定的強(qiáng)度，取芯率可以達(dá)到70%～85%，巖體完整度等級(jí)為較完整，柱狀的巖芯上肉眼可見分布的網(wǎng)狀的節(jié)理裂隙，膠結(jié)程度較好，但遇水極易軟化，受到陽(yáng)光暴曬和空氣中氧化后，形成碎裂的土塊，手捏極易破碎巖體的基本質(zhì)量等級(jí)判別為V類。在隧道斷面上部分布的斷層破碎帶主要為泥巖，巖質(zhì)極軟，遇水軟化后無(wú)自穩(wěn)能力，極易誘發(fā)垮塌和突水涌泥。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)的構(gòu)造以北北東-南南西的褶皺為主，其次有北西-南東向褶皺構(gòu)造疊加。由于場(chǎng)區(qū)處于復(fù)式背斜的東翼近核部位置，場(chǎng)區(qū)斷層破碎帶發(fā)育，地下水豐富。場(chǎng)區(qū)斷層破碎帶統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 場(chǎng)區(qū)斷層破碎帶統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

2 水泥注漿在富水?dāng)鄬悠扑閹е械募庸虣C(jī)理

水泥注漿在富水?dāng)鄬悠扑閹е械募庸虣C(jī)理十分復(fù)雜，它是通過(guò)壓力設(shè)備將水泥流體注入巖土體的裂隙和孔隙中，達(dá)到初始充填，并借助水泥流體的壓力傳導(dǎo)效應(yīng)進(jìn)行擴(kuò)散，在巖土體中發(fā)生離子交換、擠密固結(jié)等一系列物理化學(xué)反應(yīng)，水泥漿液在巖土體內(nèi)部形成漿液網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得斷層破碎帶的力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)、滲透性能得到改善，進(jìn)而達(dá)到加固斷層破碎帶的目的[5]。

在注漿加固機(jī)理分析中，可以通過(guò)建立理想化的分析模型，通過(guò)數(shù)學(xué)分析手段進(jìn)行水泥注漿的擴(kuò)散及加固方程的求解[6]。在建立數(shù)學(xué)模型前，可以假設(shè)水泥漿液為賓漢體(Bingham)漿液，這種理想化的漿液考慮了水泥的固相顆粒，且具有非均勻的懸浮液特性。這種漿液流體在受到剪切應(yīng)力作用后，其剪應(yīng)力小于流體屈服剪切力時(shí)，流體發(fā)生線彈性變形；而當(dāng)剪應(yīng)力大于屈服剪應(yīng)力后，流體將產(chǎn)生牛頓流體運(yùn)動(dòng)，黏度發(fā)生時(shí)變性。水泥漿液在注入巖土體后其擴(kuò)散規(guī)律為徑向劈裂擴(kuò)散，認(rèn)為其流動(dòng)過(guò)程為層流，不發(fā)生邊界滑移，且在巖土體內(nèi)部形成的劈裂半徑足夠大，在注漿范圍內(nèi)的巖土體為均勻連續(xù)介質(zhì)[7-8]。建立的注漿加固數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

圖1 水泥注漿在富水?dāng)鄬悠扑閹е械募庸棠Ｐ?/p>

由流體力學(xué)可知，水泥漿液內(nèi)部的剪切力和速度分布分別如公式(1)、公式(2)所示：

(1)

式中：τ為水泥漿液受到的剪應(yīng)力；hp為水泥漿液的流動(dòng)核心區(qū)半徑；y為漿液擴(kuò)散方向上的坐標(biāo)；A為漿液在空隙內(nèi)的斷面面積。

(2)

式中：μ(t)為黏滯力；v為水泥漿液的擴(kuò)散速度。

水泥漿液在巖土體內(nèi)的擴(kuò)散可以認(rèn)為是圓柱體擴(kuò)散，因此可以采用積分方法對(duì)單位時(shí)間內(nèi)沿?cái)U(kuò)散方向上的注漿量進(jìn)行求解，得到公式(3)如下：

式中：Fx為注漿壓力。

變換公式(3)，得到：

(4)

在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，注漿漿液的擴(kuò)散距離與時(shí)間的關(guān)系如公式(5)所示：

(5)

聯(lián)合以上方程，符合邊界條件x=r0，p=p0可以得到：

式中：Δp為斷層破碎帶中的水泥漿用量；tg為注漿時(shí)間；R為水泥漿最大擴(kuò)散半徑；r0為注漿孔初始半徑；ρ為密度；g為重力加速度；n和k為水泥漿的時(shí)變參數(shù)指標(biāo)；α為斷層破碎帶的傾角；θ為注漿擴(kuò)散角度。

公式(6)即為水泥注漿的擴(kuò)散-加固控制方程，描述了水泥注漿的時(shí)間過(guò)程以及注漿參數(shù)，表達(dá)了水泥注漿量的時(shí)空演變過(guò)程。

3 注漿加固應(yīng)用效果分析

在隧道掘進(jìn)至里程K109+345(斷層破碎帶編號(hào)LX1的起點(diǎn))段落時(shí)，在設(shè)計(jì)的支護(hù)措施基礎(chǔ)上進(jìn)一步采取了加固措施，具體的加固手段為隧道全斷面采用密集鋼架支護(hù)，鋼架的每榀間距為600 mm，材質(zhì)為I20b型鋼；在隧道拱墻位置布置了φ8的鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片的網(wǎng)格大小為20 cm×20 cm，并增加混凝土噴射厚度，噴射厚度值為27 cm，采取的混凝土等級(jí)為C25，而在仰拱的位置保留原有的混凝土設(shè)計(jì)噴射厚度，噴射厚度值為25 cm，噴射混凝土等級(jí)為C25；在隧道拱頂位置，布設(shè)了Φ22組合中空錨桿，在隧道拱頂縱向方向上，按照每延米12根進(jìn)行布置；在隧道邊墻位置，同樣地布設(shè)了Φ22砂漿錨桿，但布設(shè)的間距更為密集，在隧道邊墻縱向方向上按照每延米10根進(jìn)行布置。但是在上臺(tái)階拱架安裝完畢后，施工超前小導(dǎo)管過(guò)程中，掌子面突然出現(xiàn)土塊掉落現(xiàn)象，并且越來(lái)越嚴(yán)重，然后右側(cè)拱腳處突然出現(xiàn)較大的流水，緊接著掌子面右側(cè)出現(xiàn)涌泥現(xiàn)象，并且越來(lái)越大，在短短10 min內(nèi)突水涌泥達(dá)8 m3之多，如圖2所示。此時(shí)，在K109+353.9處上方出現(xiàn)2道寬約15 cm的環(huán)向裂縫，上臺(tái)階右側(cè)及拱部出現(xiàn)縱向裂縫，接著K109+356—K109+345初期支護(hù)發(fā)生嚴(yán)重的變形，根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，最大變形量達(dá)36.80 cm。

圖2 隧道突水涌泥狀況

針對(duì)實(shí)際的地質(zhì)條件，結(jié)合工程現(xiàn)狀，K109+325—K109+345(斷層破碎帶編號(hào)LX1)段隧道掌子面采取注漿預(yù)加固軟弱地層，加固范圍長(zhǎng)20 m、寬30 m(隧道中線兩邊各15 m)，鉆孔長(zhǎng)42 m，注漿加固范圍為隧道拱部以上8 m，嵌入至隧道上斷面泥巖以下4 m，注漿間距為0.7 m×0.7 m，梅花形布置；注漿加固采用P.O 42.5水泥配制漿液，其水灰比W/C=0.5，外加3%的CaCl2作為速凝劑。

如圖3所示，對(duì)隧道拱頂?shù)淖冃伪O(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在隧道開挖初始階段(0～16 d)，拱頂?shù)某两迪鄬?duì)較小，從1.80 mm至7.24 mm逐漸抬升，但抬升速度較慢，而在突水涌泥階段(16～21 d)，隧道的拱頂位移急劇增加，從開挖第16 d的7.24 mm急劇增加到第21 d的36.8 mm，增加幅度為408%，這時(shí)候采取注漿措施后，拱頂?shù)奈灰迫岳^續(xù)增加，但呈現(xiàn)收斂趨勢(shì)，在逐漸完成后(25 d以后)，拱頂位移趨于穩(wěn)定，沉降值約為65.50 mm。以上表明，采取的注漿措施能夠有效地控制富水?dāng)鄬悠扑閹У乃淼拦绊斘灰疲鸬搅肆己玫募庸套饔谩?/p>

圖3 隧道拱頂沉降變化過(guò)程

圖4 隧道注漿量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

按照公式(6)對(duì)富水?dāng)鄬悠扑閹У淖{量進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較，如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著時(shí)間的變化，水泥注漿量呈現(xiàn)出先增加后趨于收斂的非線性變化，而監(jiān)測(cè)值與計(jì)算理論值具有良好的一致性，注漿誤差小于5%，表明根據(jù)公式(6)計(jì)算得到的注漿量具有較好的實(shí)用性。

對(duì)隧道里程范圍K109+325—K109+345富水?dāng)鄬悠扑閹ё{前后的滲透系數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖5、表2所示。從圖5中可以看出，在注漿前，富水?dāng)鄬悠扑閹У臐B透系數(shù)變化范圍為(5.88～8.24)×10-4cm/s，而注漿后的富水?dāng)鄬悠扑閹У臐B透系數(shù)得到大大降低，其變化范圍為(0.15～0.68)×10-5cm/s。由此表明，采取的注漿加固措施對(duì)富水?dāng)鄬悠扑閹У臐B透性具有明顯的改善作用，填充了巖土體之間的孔隙，并形成有效的阻水骨架，大大降低了斷層破碎帶的滲透性。

圖5 富水?dāng)鄬悠扑閹У臐B透系數(shù)比較

表2 富水?dāng)鄬悠扑閹ё{前后的滲透系數(shù)變化

4 結(jié) 論

以某山嶺隧道工程富水?dāng)鄬悠扑閹У淖{加固為例，采用理論手段對(duì)水泥注漿加固機(jī)理進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出了水泥注漿的擴(kuò)散-加固控制方程，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段，對(duì)隧道的拱頂位移、注漿量和富水破碎帶的滲透系數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

(1) 采取注漿加固后，拱頂位移趨于穩(wěn)定，沉降值約為65.50 mm，表明采取的注漿措施能夠有效地控制富水?dāng)鄬悠扑閹У乃淼拦绊斘灰?，起到了良好的加固作用?/p>

(2) 隨著時(shí)間的變化，水泥注漿量呈現(xiàn)出先增加后趨于收斂的非線性變化，而監(jiān)測(cè)值與計(jì)算理論值具有良好的一致性，注漿誤差小于5%，表明根據(jù)文中所列的公式(6)計(jì)算得到的注漿量具有較好的實(shí)用性。

(3) 采取的注漿加固措施對(duì)富水?dāng)鄬悠扑閹У臐B透性具有明顯的改善作用，填充了巖土體之間的孔隙，并形成有效的阻水骨架，大大降低了斷層破碎帶的滲透性。