Ⅳ級軟巖公路隧道注漿加固合理范圍優(yōu)化設(shè)計

孫龍淼

（中交一公局集團有限公司,北京 100000）

0 引言

在《國家公路網(wǎng)規(guī)劃》提出全國公路規(guī)劃至2035年的布局方案大背景下，國家各個省與直轄市也出具相應(yīng)的公路規(guī)劃，高速公路、國道、省道與縣道等修建工作仍然在如火如荼地進行中，其中高速公路的修建無疑是最具難度的挑戰(zhàn)，山區(qū)隧道屢見不鮮，也是存在已久的“大問題 ”[1]。

山區(qū)高速公路由于地質(zhì)巖層形成原理復(fù)雜，圍巖呈現(xiàn)出不單一與復(fù)合的特性，隧道的修筑過程中時常遭遇多種不同巖性的圍巖，例如黃土、濕陷土巖溶、地下水發(fā)育等不良地質(zhì)區(qū)域，由于軟巖性質(zhì)較差導(dǎo)致塌方與涌水等工程災(zāi)害時常出現(xiàn)，隧道施工與運營的安全穩(wěn)定性也面臨著較大的挑戰(zhàn)，所以對于高速軟弱圍巖隧道穿越巖溶、地下水等發(fā)育等不良地質(zhì)區(qū)域時，加固措施顯得至關(guān)重要[2]。軟弱圍巖一般出現(xiàn)在地下水發(fā)育區(qū)段，遇水圍巖可作降級處理，鑒于此國內(nèi)外專家總結(jié)得出對隧道軟弱圍巖區(qū)域進行注漿加固，可以有效地改善隧道周圍巖層的力學(xué)特性。龔斌等[3]依托實際工程對高水壓盾構(gòu)隧道穿越斷裂區(qū)域的預(yù)先加固方案優(yōu)劣進行分析，通過現(xiàn)場試驗與實際監(jiān)測，對加固效應(yīng)進行了綜合評價，為后來相似工程提供相應(yīng)的參考價值。周新星綜合評價隧道突水突泥機理與典型案例，對突水突泥注漿處治技術(shù)應(yīng)用進行總結(jié)，評價了隧道斷層破碎帶突水突泥注漿安全防護技術(shù)。劉彬等以成都軌道交通30號線出入段區(qū)間隧道為對象，采用數(shù)值計算對不同地層條件下盾構(gòu)隧道下穿高速公路時注漿加固范圍開展了研究。高峰等為探討注漿前后隧道周邊圍巖的力學(xué)穩(wěn)定性，對單洞隧道進行注漿加固模型試驗，確定了襯砌模型、圍巖材料與注漿方法，驗證了試驗方案的可行性。付堯為解決大跨度淺埋軟弱圍巖隧道的進出口施工難度較大的問題，以實際隧道為依托工程，針對進洞施工的技術(shù)特點與難點，詳細闡述鋼花管應(yīng)用于注漿加固技術(shù)的工藝流程、關(guān)鍵技術(shù)與適用性。

綜合以上學(xué)者的實驗與數(shù)值分析，可以看出為了讓軟巖隧道整體結(jié)構(gòu)在施工期間保持良好的安全穩(wěn)定性，其重難點在于分析隧道周邊圍巖位移、塑性區(qū)與初期支護受力如何變化，是否存在整體破壞或者局部破壞的可能性，結(jié)合現(xiàn)在人員安全、施工安全與環(huán)保適用的建設(shè)方針，在施工期間對隧道周邊圍巖進行注漿加固設(shè)計顯得越來越具有研究價值。該文針對Ⅳ級軟巖公路隧道施工階段進行注漿加固展開分析，研究在不同注漿范圍情況下，隧道圍巖塑性區(qū)、變形與初期支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的變化規(guī)律，為相關(guān)軟巖公路隧道施工階段的安全穩(wěn)定性提供相應(yīng)參考意見。

1 工程簡介

該文工程背景為某Ⅳ級軟巖公路隧道，為分離式單向兩車道，平均埋深為66 m，內(nèi)輪廓高9.6 m、寬11.3 m。隧道周邊圍巖以泥灰?guī)r與云母片巖為主，巖石空隙與裂隙發(fā)育，遇見地下水發(fā)育，巖石易處于飽和狀態(tài)且發(fā)生較大變形，采用分層臺階法進行開挖，初期支護為25 cm的噴射混凝土，二次支護采用45 cm的鋼筋混凝土，數(shù)值模擬觀測點為結(jié)構(gòu)拱頂、拱腰、邊墻、拱腳、仰拱。

2 模擬與設(shè)計參數(shù)

結(jié)合隧道施工階段影響圍巖范圍為5倍左右洞口直徑，建立注漿加固圍巖二維數(shù)值模型（縱向為單位長度），模型大小為120 m×100 m×1 m。圍巖采用摩爾庫倫模型，初期支護與二次支護分別采用彈性的實體單元與殼單元。

力學(xué)：上端為自由邊界，下端采用全固定，左右前后均約束法向位移。

滲流：水頭距隧頂11 m，上下前后左右均不透水，初期支護滲水且開挖斷面始終為零水壓，注漿加固后的彈性模量等參數(shù)按照一定范圍進行優(yōu)化設(shè)。

數(shù)值模擬加固圈范圍工況為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m與3.0 m，數(shù)值模型見圖1。隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 隧道結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)取值

圖1 Ⅳ級軟巖公路隧道網(wǎng)格模型圖

3 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)研究

3.1 隧道圍巖變形位移研究

選擇拱頂豎向沉降、邊墻水平位移與拱底豎向隆起共同作為位移特征值進行研究分析，提取0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m與3.0 m等6種加固圈范圍工況的相應(yīng)位移特征值，統(tǒng)計不同加固圈范圍工況下的位移變化規(guī)律見圖2，其中拱頂豎向沉降與拱底豎向隆起允許位移值為10.3 mm，水平位移允許位移值為8.6 mm，分析相關(guān)數(shù)據(jù)得出下列結(jié)論：

圖2 不同加固圈范圍的圍巖位移變化

（1）拱頂豎向沉降、邊墻水平位移與拱底豎向隆起均隨加固圈范圍的增加而減小，在加固圈范圍由0.5 m變至3 m時，拱頂沉降、水平收斂與拱底隆起分別由4.9 mm、1.6 mm與7.9 mm減小至4.3 mm、1.2 mm與6.7 mm。周邊圍巖變形位移最大數(shù)值均表現(xiàn)于0.5 m加固圈范圍工況。隨著加固范圍的增大，隧道將越來越穩(wěn)定，0.5 m工況的豎向位移與水平位移均小于10.3 mm與8.6 mm，可以得出隧道在施工階段處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）由位移特征值大小可以看出，拱底隆起位移最大，說明隧道底部容易處于受拉狀態(tài)，可能存在受拉破壞的可能性，而水平位移較小，表明水平擠入不明顯。位移特征值變化速率亦是拱底隆起，變化速率隨加固圈范圍增大而減小，在2 m加固范圍工況時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，在加固范圍達到2 m后位移基本不發(fā)生變化，若繼續(xù)進行逐漸加固，加固效應(yīng)不明顯，結(jié)合環(huán)保經(jīng)濟可以得出加固圈合理范圍為2.0 m。

3.2 隧道圍巖塑性區(qū)研究

位移與塑性區(qū)是有所關(guān)聯(lián)的，位移由彈性變形與塑性變形以及其他變形所組成，分析塑性區(qū)分布規(guī)律可有效知曉隧道結(jié)構(gòu)整體受力特性，圖3是不同加固圈范圍工況下的塑性區(qū)面積變化規(guī)律與塑性區(qū)范圍分布云圖（0.5 m與3.0 m加固范圍），結(jié)合相關(guān)學(xué)者專家的理論與應(yīng)用，將塑性區(qū)面積為隧道全斷面面積的85%作為圍巖塑性區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)，隧道橫斷面面積為105 m2，塑性區(qū)面積安全范圍則為89 m2。

圖3 不同加固范圍的圍巖塑性區(qū)面積變化規(guī)律

分析0.5~3.0 m的加固圈范圍工況下的隧道圍巖塑性區(qū)面積變化規(guī)律可以看出：

（1）從圖中的塑性區(qū)云圖可以看出，當(dāng)加固范圍由0.5 m變化為3.0 m時，塑性區(qū)范圍與侵入深度明顯減小，變化較為明顯的地方為拱腰、邊墻與拱腳處，拱頂與拱底處塑性區(qū)變化不明顯。塑性區(qū)的存在說明了隧道可能存在拉伸或者剪切破壞的可能性。塑性區(qū)在施工階段會較快形成，當(dāng)二次支護完成后進行運營階段，塑性區(qū)亦會有繼續(xù)發(fā)展的趨勢，最不利節(jié)點為拱腳。施工階段在注漿加固應(yīng)該重視拱腳處的注漿加固效果并動態(tài)調(diào)整設(shè)計，確保隧道圍巖在拱腳處不發(fā)生局部破壞。

（2）塑性區(qū)面積安全范圍89 m2為界限，分析得出當(dāng)注漿加固范圍在為0.5 m與1.0 m時，塑性區(qū)整體面積分別為133 m2與100 m2，均大于安全范圍89 m2，表明還應(yīng)繼續(xù)增大加固范圍。當(dāng)加固圈范圍達到1.5 m后才滿足設(shè)計要求，達到2.0 m的注漿范圍后，塑性區(qū)整體面積變化均在70 m2左右。繼續(xù)擴大注漿加固范圍，對隧道周邊圍巖塑性區(qū)減小并無更多促進作用，結(jié)合塑性區(qū)整體面積與經(jīng)濟實惠而言最合理的加固圈范圍為2.0 m。

3.3 初期支護安全系數(shù)研究

已經(jīng)分別分析了隧道圍巖位移變形與塑性區(qū)范圍變化規(guī)律，為了保證隧道施工階段的安全穩(wěn)定性，作為其中重要的荷載承擔(dān)者初期支護的施工要求就顯得至關(guān)重要。3.3小節(jié)就不同加固圈范圍工況下的初期支護內(nèi)力狀態(tài)進行分析研究，運用結(jié)構(gòu)設(shè)計原理對軟弱圍巖Ⅳ公路隧道施工期間的初期支護安全系數(shù)進行計算，從數(shù)值的角度去分析并且評價出隧道穩(wěn)定性，結(jié)合經(jīng)濟實用的角度去得出加固圈合理范圍，不同部位的初期支護內(nèi)力值計算所得的安全系數(shù)見圖4，綜合確定初期支護抗壓與抗壓能力，將抗拉安全系數(shù)與抗壓安全系數(shù)界限數(shù)值均定為2。

圖4 不同加固圈范圍工況下的初期支護安全系數(shù)變化規(guī)律

分析不同注漿加固圈范圍條件下的隧道初期支護內(nèi)力數(shù)值與安全系數(shù)得出：

（1）隧道初期支護的內(nèi)力數(shù)值均隨加固圈范圍的增大而減小，圍巖與初期支護在施工階段一起承擔(dān)隧道周邊圍巖荷載。當(dāng)加固范圍變大時，圍巖自身屬性得到提高進而可以承擔(dān)更多的荷載，反之初期支護的內(nèi)力就有所減小。不同工況的彎矩最大數(shù)值均位于拱腳處，由于剪切應(yīng)力的作用，在拱腳的兩端彎矩呈現(xiàn)出不同符號，所以在施工階段，應(yīng)該盡快封閉拱腳成環(huán)，抵擋圍巖對初期支護的剪切應(yīng)力，降低隧道初期支護發(fā)生局部破壞的可能性。

（2）分析表中的初期支護安全系數(shù)變化規(guī)律，結(jié)合安全穩(wěn)定性進行分析，不同加固圈厚度工況下的拱頂、拱腰、邊墻與拱底處的初期支護安全系數(shù)均高于界限數(shù)值2，例外的是在加固圈范圍0.5~1.0 m的范圍內(nèi)，初期支護的安全系數(shù)小于2，表明在加固圈范圍2 m以下，隧道初期支護拱腳處易發(fā)生局部破壞，綜合拱腳可能受剪破壞，建議隧道加固圈范圍應(yīng)在2 m及其以上。

（3）隧道不同部位的初期支護安全系數(shù)均隨注漿加固圈范圍的增大而逐漸緩慢增大，變化速率卻是與之相反的。在2 m加固范圍之后，不同部位的安全系數(shù)變化趨于平緩，明顯可以看出加固范圍2 m是一個臨界值，低于2 m隧道存在整體或者局部破壞的可能性，高于2 m各項指標(biāo)參數(shù)變化不明顯，所以為了避免隧道初期支護在施工階段保持安全穩(wěn)定狀態(tài)，加固圈合理范圍理所應(yīng)當(dāng)設(shè)置為2 m及其以上。

4 結(jié)論

該文以某Ⅳ級軟巖公路隧道為研究背景，基于不同注漿加固圈范圍工況下，分析Ⅳ軟弱圍巖公路隧道施工階段的安全穩(wěn)定性，通過分析隧道周邊圍巖變形位移與塑性區(qū)分布、初期支護內(nèi)力與安全系數(shù)等模擬數(shù)據(jù)，多角度多方面去分析論證了加固圈合理范圍，得到以下結(jié)論：

（1）拱頂豎向沉降、邊墻水平位移與拱底豎向隆起均隨加固圈范圍的增加而減小。拱底隆起位移最大，隧底存在受拉破壞的可能性，水平擠入不明顯。位移特征值變化速率隨加固圈范圍增大也減小，結(jié)合環(huán)保經(jīng)濟得出加固圈合理范圍為2.0 m。

（2）拱腰、邊墻與拱腳處塑性區(qū)變化明顯，拱頂與拱底處不明顯，最不利節(jié)點為拱腳，施工應(yīng)重視拱腳注漿加固效果，確保圍巖不發(fā)生局部破壞，以89 m2為界限對比分析得出最合理加固圈范圍為2.0 m。

（3）初期支護內(nèi)力隨加固圈范圍增大而減小，彎矩最大數(shù)值位于拱腳處，應(yīng)盡快封閉拱腳成環(huán)，抵降低隧道初期支護發(fā)生局部破壞的可能性。拱頂、拱腰、邊墻與拱底處初期支護安全系數(shù)均高于界限值，綜合拱腳可能受剪破壞，建議隧道加固圈范圍應(yīng)在2 m及其以上。初期支護安全系數(shù)變化速率隨加固圈范圍增大而減小，加固范圍2 m作為臨界值，為保證隧道初期支護的安全穩(wěn)定，加固圈合理范圍理所在2 m及其以上。