穿越斷層帶隧道注漿加固的數值模擬研究

摘要：文章依托銀嶺隧道實際工程，利用FLAC3D軟件進行建模與計算，研究注漿圈的滲透系數和厚度對隧道圍巖孔隙水壓力分布和變形穩(wěn)定性的影響。結果顯示：隨著注漿加固圈的滲透系數比或厚度增大，注漿圈外側的孔隙水壓力上升，初期支護外側的孔隙水壓力降低，圍巖位移逐漸減小；當注漿加固圈的滲透系數比＞50或厚度＞5 m時，其止水效果和對圍巖變形的限制能力不再顯著提升。根據現場實際情況和數值模擬計算分析結果，對銀鈴隧道設計了專項注漿方案，給出了設計參數，明確了涌水、滲水狀態(tài)下的施工注意事項。本研究對同類隧道工程在遇到涌水面的注漿設計和施工具有一定的指導意義。

關鍵詞：穿越斷層帶的隧道；注漿圈；孔隙水壓力；圍巖變形；數值計算；FLAC3D軟件

U457.+3A461454

0 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，在交通強國戰(zhàn)略的大背景下，公路和鐵路建設逐漸增多，為保證選線方案能夠取得最優(yōu)的效果，在路線遇到山區(qū)時多會將隧道作為首選方案。然而，我國各地地質地貌情況千差萬別，豐水區(qū)隧道工程往往存在較大的隧道涌水風險。隧道涌水會造成地下水位下降，同時也會破壞地表綠化環(huán)境，甚至造成人員傷亡［1］。

對于隧道涌水的研究大多集中在巖溶隧道方面，而對于斷層控制的隧道涌水研究相對較少。張付軍等［2］基于武九高樓山公路隧道工程，利用FLAC3D軟件，分析了隧道埋深、圍巖級別、側壓力系數、地下水位高度、斷層寬度、斷層與隧道間距、斷層傾角等因素對圍巖的穩(wěn)定性以及涌水量的影響。任曉雨等［3］基于登樓山隧道工程，論述了隧道涌水的形成條件。阮志剛等［4］基于隧道和斷層的空間等效關系，推導出斷層影響下雙洞隧道的涌水量預測公式，對比某雙洞隧道實際工程的實測水量。蘇培東等［5］基于紅豆山隧道工程，分析了其穿越花崗巖蝕變帶區(qū)段的涌水成因機理，利用模糊數學的方法對紅豆山隧道涌水量進行了預測。李辰舟等［6］基于某水電站進廠交通洞工程，利用該工程發(fā)生涌水后的實測數據分析涌水成因，建立模型并利用伯努利方程估算最大涌水量。袁青等［7］利用人工神經網絡，考慮了影響斷層帶涌水的主要風險因子，構建了風險評估指標體系。崔景川等［8］基于高寒山區(qū)的賽里木湖隧道工程，針對其穿越斷層破碎帶的情況，提出超前地質預報+超前支護的綜合處治方案，以提高圍巖強度。

鑒于此，本文依托銀嶺隧道實際工程，通過FLAC3D軟件進行建模與計算，研究注漿圈的滲透系數和厚度對隧道圍巖孔隙水壓力分布和變形穩(wěn)定性的影響，為類似工程條件的隧道工程施工和后續(xù)的研究作出貢獻。

1 工程背景與數值建模

1.1 工程概況

銀嶺隧道位于南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)三聯村東南，路線橫穿山脊，設計為分離式隧道。左洞起訖樁號為ZK160+845～ZK162+358，全長1 513 m，為長隧道，起點設計高程為121.44 m，終點設計高程為130.95 m，隧道底板最大埋深為87 m；右洞起樁號為YK160+867～YK162+336，全長1 469 m，為長隧道，起點設計高程為121.38 m，終點設計高程為130.62 m，隧道底板最大埋深為98 m；兩洞中軸線最大間距約為53 m。該隧道圍巖主要以Ⅳ級、Ⅴ級為主，Ⅳ級占58.1%，Ⅴ級占41.9%。隧址區(qū)內土體受褶皺、節(jié)理構造等影響嚴重，使得巖體結構相對較破碎，且富水性強，隧道預測涌水量左線約為1 560.3 m/d，右線約為1 665 m/d，對施工安全、質量和進度都造成非常大的影響。為了保障工程能夠順利施工，解決該隧道在開挖初期遇到的涌水問題，擬采用注漿的方法對其進行加固。銀嶺隧道斷面圖如圖1所示，左右洞均采用進出口雙向掘進的方法施工。

1.2 數值模型的建立

本文通過有限元模擬軟件FLAC3D建立模型，模型尺寸根據銀鈴隧道實際斷面尺寸建立。隧道開挖斷面高度為12 m，跨度為14 m，初期支護的厚度為0.35 m，二襯的厚度為0.55 m，隧道截面位于xOz平面上。隧道沿y軸方向開挖，隧道埋深取為100 m，拱頂距模型的上邊界距離為45 m。為降低邊界效應問題，盡量取較大的計算模型，為100 m×100 m×60 m。數值模擬過程中采用三臺階臨時仰拱法對隧道進行開挖，建立數值模型如圖2所示。

對模型的邊界的法向位移進行約束，設置初始重力場，豎直方向上按巖土自重考慮，模型上方施加豎向荷載，以便于模擬圍巖自重荷載。掌子面設為透水邊界并固定孔隙水壓力為0 MPa，模型四周及底面設為透水邊界且孔壓恒定。

1.3 本構模型與計算參數

巖土體的本構關系采用摩爾-庫倫模型，其中可通過提高部分圍巖的強度參數對注漿加固圈進行模擬，支護結構的本構模型釆用線彈性模型［9］。其余的物理力學參數指標選取的計算參數如表1所示。

1.4 流固耦合計算模式

本文中的滲流計算需要利用FLAC3D軟件的流固耦合模塊，其計算模式分為完全流固耦合計算和滲流場、力學場單獨計算兩種模式。本文采用完全流固耦合計算的模式進行計算。假定施工速度為勻速，設置開挖速率為2 m/d，施工模擬流程如圖3所示。

2 注漿圈參數對圍巖穩(wěn)定性的影響

本文依托的工程在開挖前采用了注漿的方式對部分圍巖進行了加固，使得圍巖的力學性質得到一定程度的提高。同時，在隧道周邊的一定范圍內形成了低滲透系數區(qū)，以防止隧道涌水。注漿加固圈的參數在很大程度上影響隧道周邊滲流場的分布和隧道圍巖的穩(wěn)定性。因此，本節(jié)取初始地下水水位位于拱頂上方75 m處，討論注漿圈的滲透系數和厚度對隧道圍巖的孔隙水壓力和變形穩(wěn)定性的影響。

2.1 注漿圈滲透系數

為研究不同注漿圈滲透系數下隧道圍巖的孔隙水壓力和圍巖變形情況，本節(jié)設置了不同的9種計算工況，如表2所示。其中，滲透系數比n為注漿前與注漿后的圍巖滲透系數之間的比值，用來描述止水效果，n越大，止水效果越好。

根據數值計算結果，得到不同注漿圈滲透系數比情況下隧道監(jiān)測斷面處下臺階擠出變形曲線，如圖4所示，并對隧道監(jiān)測斷面圍巖變形進行了統(tǒng)計，如表3所示。

如圖4所示，滲透系數比的增大代表注漿加固后隧道的強度增強，地下水無法滲透形成通道。因此，掌子面位置的圍巖受到的地下水的滲透力逐漸減小，掌子面位置的圍巖位移值及變形范圍均逐漸減小。當滲透系數比n分別為1、5、20、100時，對應的下臺階變形趨于穩(wěn)定的位置與掌子面的距離分別為11.8 m、10.4 m、9.2 m、8.2 m。

如表3所示，不同滲透系數比n情況下，隧道圍巖的變形規(guī)律基本一致。隨著滲透系數比n的逐漸增大，止水效果逐漸提升，圍巖累計變形逐漸減小。尤其對拱底隆起變形的控制效果很好。當滲透系數比n為100時，拱底隆起變形相較于n為1時減小42%，掌子面的擠出變形減小了68%，而對于拱頂的沉降形僅減小了13%。同時與孔隙水壓力的規(guī)律類似，滲透系數比n存在一個臨界值，當滲透系數比ngt;50后，繼續(xù)增大滲透系數比n，圍巖變形減小的變化幅度會顯著減小，說明隧道注漿壓力控制在0.5 MPa左右比較合適。

2.2 注漿圈厚度

為研究不同注漿圈厚度下隧道圍巖的孔隙水壓力和圍巖變形的情況，本節(jié)設置了不同的5種計算工況如表4所示。

2.2.1 孔隙水壓力分布

通過有限元軟件計算得到不同注漿圈厚度情況下隧道各監(jiān)測點的孔隙水壓力，繪制成曲線，如圖5所示。

如圖5所示，注漿加固圈在很大程度上分擔了初期支護外側的孔隙水壓力，且隨著注漿加固圈厚度的逐漸增大，注漿加固圈承擔的孔隙水壓力越大，作用在初期支護外側的孔隙水壓力值越小，即在注漿加固圈的滲透系數比n一定的情況下，可通過增加注漿加固圈的厚度，進一步提升注漿加固圈抵抗地下水水壓力的能力，有效降低初期支護所承擔的水壓力荷載。當注漿加固圈厚度分別為3 m、5 m、7 m、9 m時，初期支護外側的孔隙水壓力值相較于注漿加固圈厚度為1 m的情況分別減小了47%、61%、69%、73%。同時可知，注漿對降低初期支護外側的孔隙水壓力的效果會隨著漿液厚度的逐漸增大先明顯增強，即注漿加固圈厚度存在一個臨界值，當注漿加固圈厚度gt;5 m后，繼續(xù)增大漿液加固圈厚度，則支護外側的孔隙水壓力增大幅度會顯著減小。

2.2.2 圍巖位移場分布

不同注漿圈厚度的下臺階擠出變形曲線如下頁圖6所示，并對隧道監(jiān)測斷面圍巖變形進行了統(tǒng)計，如下頁表5所示。

如圖6和表5所示，當注漿圈厚度為1 m時，僅有小范圍內的圍巖力學性質得到加強，注漿加固圈抵抗地下水水壓力的能力有限，依然有較大的孔隙水壓力作用在初期支護外側，圍巖的變形值較大。隨著漿液圈厚度逐漸增大，圍巖的力學參數得到了提高，注漿加固的效果逐漸增強，當注漿圈厚度gt;5 m時，繼續(xù)增大注漿加固圈厚度，圍巖變形減小的變化幅度會顯著降低。

3 注漿方案設計

根據數值分析結果，對銀鈴隧道進行注漿方案設計。開挖進尺為50 cm，架立Ⅰ25a工字鋼，架設25縱向連接筋，環(huán)向間距為100 cm，L=70 cm，安裝8鋼筋網片，搭接長度為1～2個網格。中空注漿錨桿選用25，縱向間距L=75 cm，環(huán)向L=100 cm，在拱腳、拱腰處打設2根50×4鎖腳錨管。中空注漿錨桿布置如圖7所示。

采用外徑為50 mm，壁厚為4.0 mm，長500 cm的熱扎無縫鋼花管設置在隧道洞內，無長管棚支護的Ⅴ級圍巖。超前小導管選用50×4型號，L=450 cm，小導管環(huán)向設置間距為40 cm，縱向排距為350 cm，外插角第一排為30°，第二排為7°，管身設置8 mm注漿孔，尾端焊接16 mm鋼筋加箍筋并置于鋼架之上，具體布置如圖8、圖9所示。超前小導管注漿采用水泥漿液，水泥漿水灰比為1∶1，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，采用P·O 42.5水泥，注漿參數可通過現場試驗適當調整。

當遇到涌水或有滲水的巖體結構，應根據現場實際情況對其進行噴射處理。如果遇到大股涌水，宜采用注漿堵水后，并觀察24 h不再漏水后再補噴射混凝土。對于處理巖面裂隙處存在的小股滲水問題，宜采用巖面注漿或導管引排后再噴射混凝土。嚴格控制涌水后的注漿時機，先進行鉆孔卸壓施作，對涌水處鉆孔分流，然后進行掌子面注漿，待水量減少或消退、水壓降低后再進行注漿處理。

4 結語

本文通過FLAC3D軟件進行數值模擬，研究注漿圈的滲透系數和厚度對隧道圍巖孔隙水壓力分布和變形穩(wěn)定性的影響，從而確定最優(yōu)的注漿加固圈的參數，得到如下結論：

（1）注漿加固圈可以起到很好的止水效果，隨著注漿加固圈的滲透系數比或厚度增大，注漿圈外側的孔隙水壓力上升，初期支護外側的孔隙水壓力降低。當注漿加固圈的滲透系數比gt;50或厚度gt;5 m時，其止水效果不再顯著提升，即注漿最優(yōu)壓力在0.5 MPa左右。

（2）圍巖位移隨注漿圈滲透系數比或注漿圈厚度增大而減小，當注漿加固圈的滲透系數比gt;50或厚度gt;5 m時，

圍巖的位移變化幅度明顯變小。綜合多因素考慮，最優(yōu)的注漿圈滲透系數比取值為50，最優(yōu)的注漿圈厚度取值為5 m。

（3）根據現場實際情況和數值模擬計算分析結果，對銀鈴隧道設計了專項注漿方案，提供了設計參數，明確了涌水、滲水狀態(tài)下的施工注意事項，為銀鈴隧道工程的安全施工和保障提供了有力支持。

參考文獻：

［1］王夢恕.中國盾構和掘進機隧道技術現狀、存在的問題及發(fā)展思路［J］.隧道建設，2014，34（3）：179-187.

［2］張付軍，趙元科，段 宇，等.某富水斷層對隧道穩(wěn)定性及涌水影響敏感性分析［J］.水利與建筑工程學報，2022，20（4）：120-127.

［3］任曉雨，許漢華.深埋特長隧道巖溶涌突水災害形成條件及流場演化機制研究［J］.江西建材，2022，284（9）：189-190.

［4］阮志剛，劉 寧.雙洞隧道在斷層破碎帶的涌水量預測［J］.鐵道科學與工程學報，2022，19（7）：1 977-1 984.

［5］蘇培東，趙 熠，邱 鵬，等.花崗巖蝕變帶隧道涌水量預測研究［J］.地下空間與工程學報，2023（1）：291-301，318.

［6］李辰舟，蘇傳洋，鄧爭榮，等.隧洞斷層破碎帶巖體涌水量分析——安哥拉某水電站為例［J］.西北地質，2022，55（1）：255-261.

［7］袁 青，于 錦，熊齊歡，等.基于人工神經網絡的隧道斷層帶突涌水風險評估［J］.人民長江，2023，54（1）：140-144.

［8］崔景川，劉開之，彭文波.高寒山區(qū)賽里木湖隧道穿越斷層涌水帶處治技術研究［J］.土木工程與管理學報，2022，39（3）：88-92，139.

［9］李 倩.高壓富水斷層隧道施工風險與關鍵技術［J］.中國水運（下半月），2022，22（4）：111-113.