隧道下穿水庫注漿加固圍巖穩定性分析

尹文平

(天津地鐵建設發展有限公司，天津 300000)

0 引言

某隧道出口段開挖揭示巖體為泥質、炭質板巖質糜棱巖及角礫巖，揭露時片理清楚，層厚小于2 cm，巖體富水。隨著隧道開挖不斷接近水庫影響區，圍巖逐漸富水飽和，采用雙側壁導坑法開挖時砂礫狀圍巖飽和體不能自穩。在隧道穿越水庫后，可能產生滲漏和涌水。因此，為確保今后的運營安全，需要對隧道行經庫底區域進行地表加固處理。

采用有限元方法對地層加固前后的隧道開挖過程進行了數值模擬和分析，其目的是研究地層用高壓旋噴樁加固的可行性，同時預測不同加固效果下隧道開挖時拱頂的沉降，為隧道下穿水庫的安全施工提供幫助。

1 注漿加固措施

對洞頂水庫出露地表及水庫影響范圍內的土層進行加固，加固采用高壓旋噴樁，樁徑為50 cm，樁間距1.0 m，梅花形布置。根據實地勘測，加固范圍取50 m×60 m，旋噴樁自地表加固至隧底2 m，樁長19 m～34 m，共需加固樁3 051根/80 851.5 m。

2 隧道下穿水庫施工方案的有限元數值模擬

2.1 模型的建立

有限元計算模型的范圍沿隧道方向取為27 m，沿隧道斷面方向100 m，上表面邊界取至地表，下表面邊界取至隧道底部以下24 m(見圖1)。

圖1 有限元計算模型

如圖2所示為計算模型與隧道和地層加固范圍的位置關系，其中矩形ABCD為高壓旋噴樁加固地層的范圍。

2.2 計算參數及材料模型

數值模擬中采用的圍巖參數根據JTG D70-2004隧道設計規范附錄A中圍巖分級有關規定來選取，具體取值見表1。

該段隧道圍巖的級別設計為Ⅵ級，其強度和剛度較低，受力時有較大的變形，可假設為彈塑性材料，材料塑性屈服采用Mohr-Coulomb屈服準則模擬。

2.3 施工工序模擬

本次有限元分析時，施工工序的模擬即按照采用雙側壁導坑法步序進行。此外，考慮到地層加固后圍巖等級的提高，在模擬計算中還考慮了采用臺階法進行開挖。

圖2 計算模型與隧道和地層加固范圍的位置關系

表1 有限元計算模型材料參數表

3 有限元模擬計算結果及其分析

3.1 模擬計算工況的確定

本次數值模擬考慮了三種不同的地層加固情況，針對不同的地層加固效果，計算并分析了不同施工方法開挖隧道時隧道的變形。不同的地層加固和隧道開挖方法共分為以下六種工況，作為比較其中加入了地層未加固的情況。

工況一:

采用雙側壁導坑法施工，洞內采用大管棚、超前小導管、徑向小導管注漿對拱頂進行支護，但不加固水庫底部地層;

工況二:

采用雙側壁導坑法施工，洞內不采用大管棚、超前小導管、徑向小導管注漿對拱頂進行支護，加固水庫底部地層至Ⅴ級圍巖強度;

工況三:

采用雙側壁導坑法施工，洞內不采用大管棚、超前小導管、徑向小導管注漿對拱頂進行支護，加固水庫底部地層至Ⅳ級圍巖強度;

工況四:

采用臺階法施工，洞內采用大管棚、超前小導管、徑向小導管注漿對拱頂進行支護，不加固水庫底部地層;

工況五:

采用臺階法施工，洞內不采用大管棚、超前小導管、徑向小導管注漿對拱頂進行支護，加固水庫底部地層至Ⅴ級圍巖強度;

工況六:

采用臺階法施工，洞內不采用大管棚、超前小導管、徑向小導管注漿對拱頂進行支護，加固水庫底部地層至Ⅳ級圍巖強度。

3.2 各工況的拱頂沉降

各個工況下的隧道施工產生的地層豎向位移分布見圖3，其中隧道拱頂的最大沉降見表2。旋噴樁加固起到了很好的改善地層條件、減小拱頂沉降和控制隧道變形的作用，另外采用雙側壁導坑法施工要比臺階法施工引起的拱頂沉降小很多，但施工工序要比臺階法復雜。

表2 各個施工工況下隧道拱頂的最大沉降值 mm

4 結語

1)高壓旋噴樁加固起到了很好的改善地層條件、減小拱頂沉降和控制隧道變形的作用，另外采用雙側壁導坑法施工要比臺階法施工引起的拱頂沉降小很多，但施工工序要比臺階法復雜。

圖3 各工況下施工過程中隧道拱頂的沉降曲線

2)在地層得到加固的條件下，采用臺階法施工時拱頂沉降不算很大，雖然臺階法施工簡單，但考慮到工法轉換的困難，不建議改換工法。