巖溶富水區深埋水溝排水隧道注漿圈參數研究

馬 青， 羅祿森， 陽軍生， 張 崢， 李林毅

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031； 2. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075； 3. 長江勘測規劃設計研究有限責任公司， 湖北 武漢 430010)

0 引言

隨著國家經濟的飛速發展，為滿足人們日益增長的出行需求，以隧道建設為代表的基礎建設項目迅速增加。隧道建設過程中不可避免地需要穿越巖溶富水地層，為降低襯砌水壓、控制涌水量、保障結構安全，隧道注漿堵水是解決該問題的有效措施之一[1-3]。而在現有隧道設計與施工中，尤其對于巖溶富水區隧道，如何確定隧道注漿參數仍是普遍存在的難點問題[4]。截至目前，不少學者及研究人員對富水區隧道注漿參數進行了研究，王輝等[5]結合現場出現的突水、涌水災害，采用ABAQUS軟件進行動態仿真分析，優化注漿圈厚度，應用于施工現場并取得了良好的堵水效果；權乾龍[6]通過離散元軟件實現注漿過程的細觀力學模擬，并進一步研究了注漿圈滲透性和結構形式等因素對注漿堵水效果的影響，提出了合理的注漿圈厚度值；鄒育麟等[7]結合實際工程，基于3種不同防排水形式探討了注漿參數對襯砌水壓與涌水量的影響關系，提出了適用于實際工程的合理注漿加固參數。上述研究結果經過工程實踐驗證，滿足工程需求，能夠較好地指導同類工程，已被工程人員接受與使用。但是，上述研究均是基于常規排水方式，即圍巖滲水滲透進入隧道內并匯聚于側溝，最終由側溝、中心水溝共同排出的排水方式。近年來，隨著巖溶富水區隧道建設項目的不斷增多，常規排水方式在隧道運營過程中易產生較高的襯砌水壓力，使襯砌結構受力特征隨之改變[8]，導致襯砌開裂、仰拱隆起、翻漿冒泥等[9]。鑒于此，提出一種排水能力更強、隧底水壓力控制效果更好的深埋水溝排水方式(見圖1)，且經工程實踐證明了該排水方式的可行性[10]。

隨著深埋水溝排水方式工程應用[11-13]的不斷增多，如何合理確定該排水方式下的注漿圈參數成為設計及施工人員關心的重點問題。為此，本文以某巖溶富水區隧道工程為依托，采用FLAC3D軟件建立流固耦合計算模型，針對其注漿圈參數進行探討，研究注漿圈厚度、注漿圈滲透系數對隧道涌水量、襯砌水壓力、結構安全性的影響規律，由此提出注漿圈合理參數，以期為同類工程的設計與施工提供參考。

圖1 深埋水溝排水隧道示意圖Fig. 1 Sketch of deep-ditch drainage tunnel

1 工程概況及水文地質情況

1.1 隧道工程概況

擬建鐵路隧道位于云南威信縣境內，進口里程D2K254+362，出口里程D2K261+223，隧道全長6 861 m，隧道縱坡采用人字形坡，平均埋深150 m。隧址區地質構造復雜，地層巖體破碎，地表多為中低山地貌，植被較發育，最高處位于隧道洞身段中部，高程1 374 m。該隧道為可溶巖隧道，巖溶較發育，隧址區存在多條地下暗河，隧道開挖過程中可能揭露多處溶洞。隧道典型區段地質縱斷面如圖2所示。

圖2 隧道典型區段地質縱斷面Fig. 2 Geological profile of typical section of tunnel

1.2 水文地質情況

隧址區降雨量豐富，地形坡度較小，地表多處連續分布落水洞，地表水多以下滲和徑流等形式排泄，地下水補給條件好，地下水豐富。隧身主要穿越地層的巖性為灰巖、白云巖、巖溶角礫巖，地下巖溶發育，存在多條暗河，且暴雨季節流量明顯增大，經現場勘測，暗河最大流量達300 L/s，主要涌水區段屬于強透水、強富水溶隙溶洞含水地層。

針對上述水文地質情況，尤其是斷層、裂隙密集的部位可能出現地下水水頭高、隧道涌水量大的問題，若修建過程中，未能選取合理的注漿堵水參數，易導致因堵水能力不足引發的運營期隧道水害的發生，或因過度強調堵水使得注漿費用大幅上升。因此，合理確定該隧道的注漿堵水參數具有實質性意義。

2 巖溶富水區隧道流固耦合計算模型

2.1 模型建立

根據隧道地質情況，選取具有代表性的D2K260+010斷面(圖2已標明)，地勘資料顯示該斷面位于斷層接觸帶附近，埋深約為250 m，地下水頭高度可達200 m。計算中頂部取實際埋深，兩側及底部距離隧道5倍洞徑以上，最終范圍取為150 m×300 m(寬度×高度)。

基于深埋水溝排水隧道結構斷面設計圖(見圖3)，采用FLAC3D有限差分軟件建立流固耦合模型(如圖4所示)。圍巖采用實體單元模擬，且服從摩爾-庫侖屈服準則，隧道結構(支護結構、仰拱填充等)均采用實體彈性單元模擬。

圖3 深埋水溝排水隧道結構斷面圖(單位： cm)Fig. 3 Cross-section of tunnel structure (unit： cm)

(a) 計算模型

(b) 模型細部圖

滲流計算遵循如下假定： 1)地下水流動屬于恒定流且滿足Darcy定律； 2)圍巖為均質、各向同性材料。模型力學邊界取為底部固定約束，兩側水平約束； 滲流邊界取為底部、兩側孔壓固定，均能與外界發生液體交換[14]，初始地下水面位于隧頂以上200 m。

2.2 材料參數選取

根據地勘資料，該斷面圍巖主要為灰巖和白云巖2種，且以斷層交界面為分界面，模型對上述2種巖體均予以考慮，圍巖具體參數依據地勘資料取值；支護結構的力學參數按照“等效剛度法”計算；支護結構視為不透水介質，隧道排水通過隧底排水溝排水實現。各材料的計算參數見表1。

表1 材料計算參數Table 1 Calculation parameters of materials

2.3 分析工況設置

注漿圈參數中以注漿圈厚度、注漿圈滲透系數最為關鍵，因此，針對上述因素設置計算工況，如表2所示。

表2 分析計算工況Table 2 Analysis of calculation working conditions

3 注漿圈參數影響分析

3.1 注漿圈厚度的影響

基于已建流固耦合模型，對工況1-1—工況1-5進行計算，探討注漿圈厚度對襯砌水壓力、隧道涌水量、結構安全性的影響規律。

3.1.1 襯砌水壓力影響分析

工況1-1—工況1-5襯砌水壓力計算結果見表3，由表可知：

1)隨注漿圈厚度的增大，襯砌水壓力逐步降低，但不同位置處降幅不一，其中降幅最明顯處為仰拱部位，這與深埋水溝排水作用有關。

2)注漿圈厚度小于3 m時，襯砌水壓力減小幅度較小，襯砌結構仍承受較大的水壓力；注漿圈厚度大于8 m時，繼續增加注漿圈厚度，除仰拱外其他部位襯砌水壓力減小不明顯； 單純針對襯砌水壓力而言，注漿圈厚度取5～8 m較為適宜，既可較大幅度地降低襯砌水壓力(初始水壓2 MPa)，又可保證經濟性。

表3不同注漿圈厚度對應的襯砌水壓力

Table 3 Lining water pressure corresponding to thickness of different grouting circles MPa

3.1.2 隧道涌水量影響分析

工況1-1—工況1-5隧道涌水量計算結果如圖5所示。由圖可知： 隨注漿圈厚度的增大，隧道涌水量逐漸降低。當注漿圈厚度從0 m增加至3 m，涌水量大大減小，降幅達62.5%；當注漿圈厚度從3 m增加至8 m，涌水量降低幅度明顯減小，僅降低13.8%；當注漿圈厚度超過8m，隧道涌水量基本趨于穩定，表明繼續增大注漿范圍，已不能顯著減小涌水量。因此，從控制涌水量角度分析，注漿圈厚度設計為5 m左右較為合理。

圖5 隨注漿圈厚度的增大隧道涌水量變化曲線

Fig. 5 Variation curve of water gushing volume with thickness of grouting circle

3.1.3 襯砌結構安全性影響分析

根據《鐵路隧道設計規范》[15]中隧道結構安全系數計算方法，得到工況1-1—工況1-5隧道襯砌結構安全系數計算結果，見表4，由表可知：

1)隨注漿圈厚度的增大，襯砌安全性逐步提升，其中仰拱處提升最為明顯，這應與深埋水溝排水導致的隧身襯砌水壓力分布不均有關。

2)不注漿時，襯砌安全系數小于2.0，結構安全性不能滿足規范要求[15]； 注漿圈厚度小于5 m時，增大注漿圈厚度，襯砌安全系數提高幅度較大，其中，注漿厚度等于5 m時，襯砌最小安全系數為2.82，不僅能夠滿足規范要求，而且存在一定安全儲備；注漿圈厚度大于8 m時，繼續增大注漿圈厚度，襯砌結構安全系數提高不明顯。

3)隧道注漿可一定程度提高圍巖力學參數，降低圍巖滲透性，注漿圈厚度的增加有利于襯砌結構安全性的提高，但是注漿圈厚度并非越大越好，安全余量的富余過度將造成較大浪費，因此，綜合安全性與經濟性要求，建議注漿圈厚度取值為5 m。

3.2 注漿圈滲透系數的影響

基于已建流固耦合模型，對工況2-1—工況2-5進行計算，探討注漿圈滲透性對襯砌水壓力、隧道涌水量、結構安全性的影響規律。

表4不同注漿圈厚度對應的襯砌安全系數

Table 4 Safety factor of lining corresponding to different thickness of grouting circle

位置注漿圈厚度/m035810拱頂1.282.082.823.513.66拱腰1.832.934.314.784.12邊墻1.482.493.763.994.05仰拱1.983.224.734.965.11

3.2.1 襯砌水壓力影響分析

工況2-1—工況2-5襯砌水壓力計算結果見表5，由表可知：

1)隨注漿圈滲透性的減小，襯砌水壓力逐步降低，但不同位置處降幅不一，其中仰拱部位降幅最為明顯，這與深埋水溝排水作用有關。

2)圍巖與注漿圈滲透系數的比值從1變化到30范圍內，襯砌水壓力有較大幅度降低，其中仰拱部位水壓力降幅達43.1%；滲透系數之比從30變化到50范圍內，襯砌水壓力進一步降低，但下降幅度明顯減小；滲透系數之比超過50(即注漿圈滲透系數小于2×10-6cm/s)后，襯砌水壓力基本維持不變。

表5不同滲透性比值對應的襯砌水壓力

Table 5 Lining water pressure corresponding to ratio of different permeability MPa

3.2.2 隧道涌水量影響分析

工況2-1—工況2-5隧道涌水量計算結果如圖6所示，由圖可知：

1)隨注漿圈滲透性的減小，隧道涌水量逐步降低。圍巖與注漿圈滲透比從1變化到30范圍內，隧道涌水量迅速下降，降幅達60.3%； 2)滲透比超過30后，涌水量下降曲線出現明顯轉折，下降速率明顯降低，其中，比值等于50時，涌水量降幅為70.3%，隧道涌水已得到較好控制； 3)當滲透比超過50后，滲透性的變化對涌水量影響已不明顯。因此，從減小涌水量的角度分析，通過注漿將圍巖的滲透系數降低到注漿前的1/50(即注漿圈滲透系數等于2×10-6cm/s)是比較合理的。

圖6 隨注漿圈滲透性的隧道涌水量變化曲線

Fig. 6 Variation curve of tunnel water gushing volume with permeability of grouting circle

3.2.3 襯砌結構安全性影響分析

工況2-1—工況2-5隧道襯砌結構安全系數計算結果見表6，由表可知：

1)隨注漿圈滲透性的減小，襯砌安全性逐步提升，其中仰拱處提升最為明顯，這應與深埋水溝排水導致的隧身襯砌水壓力分布不均有關。

2)不注漿時，襯砌安全系數小于2.0，結構安全性不能滿足規范要求[15]；滲透性比值不超過50時，注漿圈滲透系數的減小能夠較大幅度地提高襯砌安全系數，其中，比值等于30時，襯砌最小安全系數為2.56，不僅能夠滿足規范要求，而且存在一定安全儲備；滲透性比值大于50(即注漿圈滲透系數小于2×10-6cm/s)后，繼續減小注漿圈滲透系數，襯砌結構安全系數提高不明顯。

3)注漿滲透性的減小能夠降低隧身地下水補給能力，控制隧道涌水量，有效降低襯砌水壓力，對于提高襯砌結構安全性存在有利作用，但是注漿圈滲透性并非越低越好，過分強調漿液的低滲透性不僅將使注漿費用大幅上升，而且襯砌安全性并不能得到明顯提升，因此，綜合安全性與經濟性要求，建議注漿圈滲透系數取值為注漿前的1/30～1/50(即滲透系數取為2×10-6～3.33×10-6cm/s)。

表6不同滲透性比值對應的襯砌安全系數

Table 6 Safety factor of lining corresponding to different permeability ratio

位置滲透性比值1103050100拱頂1.282.182.562.823.00拱腰1.832.663.344.314.52邊墻1.482.533.033.764.03仰拱1.982.873.934.734.91

4 合理注漿參數的選取

4.1 合理注漿圈厚度的選取

根據數值計算結果，針對本文依托工程，當注漿圈厚度為5 m時，仰拱水壓力得到明顯降低，隧道涌水量降幅達71.5%，已滿足防排水設計要求，襯砌最小安全系數為2.82，襯砌安全性不僅能夠滿足規范要求，而且具備一定安全儲備，在此基礎上繼續增大注漿圈厚度，對減小襯砌水壓力和提高襯砌安全性的作用不明顯，因此5 m的注漿圈厚度值相對經濟合理。

除本文模擬計算外，亦收集了富水區典型隧道案例注漿圈厚度取值，見表7。

表7 富水區典型隧道案例注漿圈厚度取值

結合同類工程案例及本文計算結果，注漿圈厚度取值以5～6 m為宜，并應結合工程實際，進行技術經濟對比，合理確定注漿范圍。此外，對于高壓富水充填型溶腔，應綜合運用超前注漿、徑向注漿、局部注漿和補充注漿等技術，實行漸進注漿、層層堵水、分層加固，以取得良好的注漿效果。

4.2 合理注漿圈滲透系數的選取

根據數值計算結果，針對本文依托工程，當注漿圈降低至未注漿時的1/50(即注漿圈滲透系數等于2×10-6cm/s)，仰拱水壓力得到明顯降低，隧道涌水量降幅達70.3%，已滿足防排水設計要求，襯砌最小安全系數為2.82，襯砌安全性不僅能夠滿足規范要求，而且具有一定安全儲備，在此基礎上繼續降低注漿圈滲透系數，對減小襯砌水壓力、減小涌水量和提高襯砌安全性的效果不甚顯著。

注漿圈的滲透系數越小，不僅需要的注漿工藝水平越高，可能存在技術上的可行性問題，而且實際施工中可能需要采用微細水泥或超細水泥，將導致注漿費用的大幅增加，存在經濟上的合理性問題。經綜合分析，對于滲透性強的軟弱破碎圍巖，注漿圈與圍巖的滲透系數之比值取為1/50左右是比較合理的。

5 結論與討論

本文以某巖溶富水區隧道為依托，采用FLAC3D軟件建立流固耦合計算模型，對深埋水溝排水隧道合理注漿圈參數進行探討，得到結論如下：

1)隧道注漿的主要作用在于降低襯砌水壓力，合理控制隧道涌水量，保障襯砌結構安全。注漿圈厚度的增加或注漿圈滲透性的減小均能實現以上作用，并降低運營期巖溶富水區隧道水害發生的概率，但是并不代表在實際工程中注漿參數需要一味追求最值，而應結合工程實際，兼顧安全性和經濟性，選取相對合理的注漿圈厚度、注漿圈滲透系數。

2)針對本文依托工程，當注漿圈厚度、滲透性比值分別取5 m、1/50時，襯砌水壓力得到明顯降低，隧道涌水量滿足防排水設計要求，襯砌安全性不僅能夠滿足規范要求，而且具有一定安全儲備，在此基礎上繼續增大注漿圈厚度或降低注漿圈滲透系數，對減小襯砌水壓力和提高襯砌安全性的作用不甚顯著。

3)結合同類工程案例，建議本文依托工程注漿圈厚度以5～6 m、滲透性比值以注漿前的1/50為宜(即注漿圈滲透系數取為2×10-6cm/s)，并應結合工程實際，進行技術經濟對比，合理確定注漿范圍，正確選取注漿圈滲透系數。

4)除合理選取注漿圈參數外，對于滲透性強的軟弱破碎圍巖，應綜合運用超前注漿、徑向注漿、局部注漿和補充注漿等技術，實行漸進注漿、層層堵水、分層加固，以取得良好的注漿效果。

5)此外，由于依托工程的富水高壓特性，本文研究的注漿圈參數合理取值是以注漿堵水為主要目的，而對于以加固軟弱地層為目的的注漿參數研究仍需進一步深入。本文主要采用數值仿真分析的研究手段，如何將研究結果更好地結合工程實際，用實測數據驗證研究結果的正確性，將作為后續研究的主要方向。