淺埋偏壓隧道地表預(yù)注漿加固力學(xué)行為研究

羅 剛 邱紅勝 王 哲 楊 雨

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

在山嶺隧道的修建中，經(jīng)常會遇到地質(zhì)條件復(fù)雜的地層，其中淺埋偏壓隧道是指由于客觀原因而致圍巖壓力呈現(xiàn)出較為明顯的不均勻性，且偏壓荷載易對隧道的支護和施工產(chǎn)生不利影響.在山嶺地區(qū)修建隧道也常常需要穿越淺埋破碎帶，施工過程中易發(fā)生坍塌和涌水等危險情況.為減輕偏壓荷載以及破碎帶給施工帶來的不利影響，除了優(yōu)化開挖方式外，還需采用輔助施工方法.注漿法就是一種極為有效的輔助施工方法，將能固化的漿液注入土體的孔隙和裂縫之中，通過改變不同的注漿材料、強度及注漿方式深入研究注漿體在實施作業(yè)過程的力學(xué)行為規(guī)律，以達到改善土體物理力學(xué)性質(zhì)，增強土體強度的效果.

針對隧道開挖中會遇到的淺埋、偏壓、破碎帶、地下水[1-4]等復(fù)雜地形條件下的注漿加固，近年來出現(xiàn)了很多新型的注漿材料，從開始的超細水泥、丙凝、硅酸鹽到后來改良的非堿性硅酸鹽，更加追求高效和環(huán)保.在隧道領(lǐng)域，注漿材料主要采用水泥水玻璃雙漿液，在現(xiàn)場進行配合比試驗選擇合適的水泥水灰比以及水玻璃和水泥的質(zhì)量比[5-7].施工方法包括地表注漿法、大管棚加超前小導(dǎo)管斷面注漿法以及帷幕注漿法[8-9]等等.文獻[10]進行模擬實驗總結(jié)了注漿前后土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律.文中以柚子樹隧道為背景，采用地層注漿加固法對偏壓、淺埋并穿越破碎帶的地層進行加固，研究不同注漿強度下，隧道開挖過程中圍巖豎直和水平方向上的位移以及襯砌受力的變化規(guī)律.以此來分析隨注漿強度變化，土體加固后力學(xué)行為的變化規(guī)律.

1 工程概況

柚子樹隧道總長度為1 906 m,其中V級圍巖段有1 476 m,IV級圍巖段有370 m，破碎帶為60 m，正常涌水量為1 254.3 m3/d.隧道主洞內(nèi)輪廓凈寬11.5 m,凈高9.75 m.隧道洞口段位置處邊、仰坡均為不穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，施工時存在滑塌風(fēng)險.且臨近隧道進、出口端上覆土多為粉質(zhì)黏土、碎石土，洞口段偏壓淺埋、進洞施工難度大.洞身內(nèi)圍巖主要以軟弱巖性為主，開挖過程中極易出現(xiàn)不良地質(zhì)條件下垮塌、涌水、涌泥等現(xiàn)象，施工風(fēng)險較高.隧道出口端位置地形條件復(fù)雜，洞口右側(cè)邊坡屬于不穩(wěn)定型邊坡，洞身范圍存在斷層破碎帶，可能會產(chǎn)生突泥、突水.結(jié)合以上地質(zhì)條件，為防止在開挖過程中發(fā)生垮塌、涌水、涌泥等危險情況，需要對隧道四周圍巖進行注漿加固，以提高隧道周圍土體的物理力學(xué)性質(zhì)，增加圍巖強度，降低圍巖滲透率，確保工程安全.

2 地表預(yù)注漿方案

2.1 注漿范圍

注漿范圍的確定要綜合考慮土體的各項物理力學(xué)性質(zhì)及地形地質(zhì)情況.一般而言，注漿加固的半徑應(yīng)為隧道開挖半徑的2～3倍，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件惡劣時，可適當(dāng)增大.因此，根據(jù)工程實際情況綜合考慮，本次注漿加固豎向范圍定為開挖隧道拱頂以上4.25 m、拱底以下6 m、橫向范圍為隧道輪廓以外4.25 m，具體加固范圍見圖1.

圖1 加固范圍(單位：m)

2.2 注漿孔的布設(shè)及注漿次序

注漿孔采用梅花型布置，注漿孔間距的選取需結(jié)合注漿擴散半徑考慮，一般取擴散半徑的80%～170%倍，排間距則取孔間距的0.8～1.0倍，深度的選取宜穿越軟弱土層.注漿擴散半徑的選取，要綜合考慮注漿壓力、注漿時間以及漿液和土體的物理力學(xué)性質(zhì)等多方面因素.柚子樹隧道所處地質(zhì)復(fù)雜，地層不均勻，很難從理論上準(zhǔn)確計算擴散半徑.因此，在注漿過程中，應(yīng)及時根據(jù)現(xiàn)場試驗對注漿壓力、注漿量和注漿時間等因素進行調(diào)整.根據(jù)類似工程研究的經(jīng)驗，現(xiàn)初步確定本次注漿的擴散半徑為1.5 m，注漿壓力初壓為0.2～0.5 MPa，終壓為2～3 MPa.施工時可在此基礎(chǔ)上參考，并可根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整.

考慮注漿順序時，每排注漿孔中，宜先灌注兩端的孔，然后間隔交錯灌注，這樣可以防止內(nèi)圈注漿時漿液的流失，能有效加強土體的注漿效果.注漿段邊緣注漿孔可采用雙液漿形成止水、止?jié){帷幕，這樣可以有效防止因進口段注漿圍巖孔隙率大、含水量大而產(chǎn)生跑漿、冒漿，以提升注漿效果.

2.3 注漿材料及參數(shù)

注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿,漿液的制備是采用不同的水灰比以及水玻璃和水泥的質(zhì)量比進行配合比實驗，最終通過現(xiàn)場試驗得到的凝結(jié)時間以及強度等參數(shù)指標(biāo)，再結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備所能達到的要求，來確定適合現(xiàn)場實際情況下的最佳配合比.

通過調(diào)整不同的水灰比以及水玻璃和水泥的質(zhì)量比來配制漿液，為更好地進行數(shù)據(jù)處理，在保證在注漿壓力范圍內(nèi)，按照漿液的強度，列出了配合比試驗數(shù)據(jù)，見表1.

表1 配合比試驗結(jié)果

選擇采用漿液水灰比為0.8∶1，水玻璃占水泥的質(zhì)量分數(shù)為15%時，進行注漿加固后土體的體積模量為1.5 GPa，內(nèi)摩擦角和泊松比變化很小，可以視為不變，密度由原狀土的2 000提升到2 100 kg/m，變化不大；黏聚力由0.2提升到0.4 MPa.

因為試驗數(shù)據(jù)有限，而仿真模擬又需要多組數(shù)據(jù)，現(xiàn)根據(jù)上述配合比試驗結(jié)果及土體進行注漿加固后物理力學(xué)參數(shù)提升的規(guī)律，使用插值法列出了有代表性的幾組工況，見表2.

表2 注漿段物理力學(xué)參數(shù)分組

3 FLAC3D數(shù)值分析模型

3.1 計算模型

模型計算區(qū)域為橫向100 m、豎向60 m，即左右側(cè)計算邊界為4倍隧道總跨徑，下部計算邊界為3倍隧道總高度.豎直方向上，深埋側(cè)為60 m，淺埋側(cè)為45 m，形成了左高右低的偏壓地形，隧道埋深為12 m，為淺埋隧道.圍巖采用M-C模型，初期支護和二次襯砌采用彈性模型；圍巖和二次襯砌使用實體單元模擬，圍巖與二次襯砌剛性連接.初期支護使用殼單元進行模擬.注漿段的強度通過改變注漿段圍巖的材料屬性來實現(xiàn)，用實體單元進行模擬.

3.2 施工模擬

本工程為淺埋偏壓隧道，且圍巖等級為Ⅴ級，所以開挖方式選擇臺階法，具體施工步驟為：①自重應(yīng)力場模擬；②開挖上臺階；③進行初期支護；④開挖下臺階；⑤施加二次襯砌.

3.3 材料參數(shù)

圍巖、初期支護以及二次襯砌的具體參數(shù)見表3.

表3 圍巖與結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 豎向位移結(jié)果分析

圖2為注漿前后圍巖的豎向位移圖.

圖2 注漿豎向位移圖

由圖2可知：所選區(qū)段模擬開挖后，z方向的位移主要集中在拱頂和拱底處.在沒有進行注漿加固的情況下，因為偏壓地形的原因，隧道最大沉降變形出現(xiàn)在拱頂偏左處，最大沉降值為10.07 mm；隧道的最大的隆起變形出現(xiàn)在拱底偏右處，其值為14.75 mm.

圖3為拱頂，拱底豎向變形-體積模量曲線.由圖3可知：當(dāng)注漿段的體積模量由0.2 GPa提高到1.0 GPa時，拱頂和拱底的位移變形有了明顯的減小，拱頂沉降由10下降到2.7 mm，減小了73%，拱底隆起由14.7下降到3.1 mm，減小了80%，效果較明顯.但是繼續(xù)加大體積模量后，效果不佳，沒有明顯改善.

圖3 拱頂，拱底豎向變形-體積模量曲線

4.2 凈空收斂結(jié)果分析

圖4為注漿前后圍巖水平位移圖.

圖4 注漿水平位移圖

由圖4可知：水平位移集中出現(xiàn)在拱底偏深埋側(cè)，拱底偏淺埋側(cè)，以及深埋側(cè)拱腰下沿，淺埋側(cè)拱腰上沿.而水平收斂的最大值出現(xiàn)在左右拱腰處，分別為3.73和3.63 mm.因為地形偏壓的原因，偏壓側(cè)地表土層也向淺埋側(cè)發(fā)生了水平位移.

圖5為水平位移-體積模量曲線.由圖5可知：當(dāng)注漿段的體積模量由0.2提高到1.0 GPa時，左拱腰的水平位移由3.73減小到0.82 mm，減小了78%；右拱腰的水平位移由3.64減小到0.76 mm，減小了79%.但繼續(xù)增加注漿體模量，監(jiān)測點的水平位移變化很小.

圖5 水平位移-體積模量曲線

4.3 初期支護彎矩圖結(jié)果分析

因為地形為偏壓，初期支護的最大正彎矩以及最大負彎矩出現(xiàn)在埋深較大側(cè)，圖6為注漿前后初期支護的彎矩圖.

圖6 初期支護彎矩圖

由圖6可知：在沒有進行任何注漿加固時，最大正彎矩出現(xiàn)在左拱腰處下沿，最大正彎矩值為30 335 N·m，最大負彎矩出現(xiàn)在左拱腰處中部，值為5 030.3 N·m.

圖7為最大彎矩-體積模量曲線.由圖7可知：當(dāng)進行不同強度的注漿后，圍巖的強度得到了加強，很好的改善了其成拱作用，從而減小了初期支護的受力.當(dāng)注漿段的體積模量由0.2提高到1.0 GPa時，最大正彎矩減小了70%；而注漿段的體積模量由0.2提高到2.0 GPa時，最大正彎矩減小了85%.當(dāng)注漿段的體積模量由0.2提高到1.0 GPa時，最大負彎矩減小了46%；而注漿段的體積模量由1.0提高到2.0 GPa時，最大負彎矩減小了68%.適當(dāng)增加注漿的強度可以很好地減輕初期支護的受到的彎矩.但當(dāng)強度到一定的值時，所起的效果會大打折扣，所以要基于安全和經(jīng)濟兩方面綜合考慮.在本例中，就初期支護的彎矩變化來看，很明顯將注漿段的強度提升到1.0 GPa左右,最為經(jīng)濟合理.

圖7 最大彎矩-體積模量曲線

4.4 二次襯砌最大應(yīng)力

圖8為當(dāng)土體體積模量為0.2 GPa二次襯砌最大應(yīng)力的云圖.由圖8可知：最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂內(nèi)側(cè)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳內(nèi)側(cè).

圖8 二次襯砌應(yīng)力云圖

圖9為最大應(yīng)力-體積模量曲線.由圖9可知：當(dāng)注漿段的體積模量由0.2 GPa提高到1.0 GPa時，最大拉應(yīng)力減小了近64%，最大壓應(yīng)力減小了40%.這說明注漿很好地改善了圍巖的整體受力特征，效果顯著.當(dāng)注漿段的體積模量由1.0 GPa提高到2.0 GPa時，最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力變化趨于平緩，故繼續(xù)增大注漿強度性價比很低.

圖9 最大應(yīng)力-體積模量曲線

5 結(jié) 論

1) 針對柚子樹隧道淺埋偏壓、穿越破碎帶的地質(zhì)情況，為解決開挖過程中可能出現(xiàn)的垮塌、涌水等危險情況，提出采用地表注漿法對地層進行加固.注漿材料采用水泥水玻璃雙漿液，并給出了注漿范圍以及漿液的配合比.基于現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，使用插值法取值，利用FLAC3D分析了不同注漿強度下圍巖的力學(xué)行為變化規(guī)律.

2) 當(dāng)注漿后土體體積模量為1.0 GPa時，與注漿前相比，隧道的拱頂和拱底的變形分別減小了73%和80%；隧道左拱腰的水平位移由減小了78%；右拱腰的水平位移減小了79%；初期襯砌的最大正彎矩和最大負彎矩分別減小了70%和46%；二次襯砌的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別減小了64%和40%.綜合以上數(shù)據(jù)，注漿后土體的體積模量由0.2 GPa提升到1.0 GPa時，土體的力學(xué)性能改善效果明顯.

3) 隨注漿強度的增強，直到土體的孔隙被填滿不能再進行注漿時，隧道施工指標(biāo)的提升效果在不斷減弱，整體變化的曲線呈反比例函數(shù)分布.

4) 當(dāng)注漿段土體的體積模量提升為原狀土的5倍左右時，對隧道圍巖的改善效果顯著，繼續(xù)增大后注漿效果不明顯.因此，選擇合適的注漿強度至關(guān)重要，在能滿足加固要求的同時又能減少不必要的成本.