軟巖隧道涌水加固處治研究

摘要：通過有限元分析軟件FLAC3D探討了雙殼注漿法在軟巖隧道中的加固效果。通過正交試驗法，對雙殼注漿施工中的淺部注漿殼厚、淺部注漿與圍巖滲透系數比、中間緩沖層厚、深部注漿殼厚、深部注漿與圍巖滲透系數比進行優化分析，最后結合背景隧道的實際條件，提出針對性的處治措施。從結果上看，雙殼注漿能夠較好的加固軟巖隧道，且所提出措施具有一定的可行性。

關鍵詞：軟巖隧道；涌水加固；正交分析法；雙殼注漿

0" "引言

當隧道穿越軟巖地段時常出現涌水等狀況，這對施工質量和安全性有一定的影響[1-2]。在隧道涌水方面，國內外專家已開展過較多研究，如國內的包德勇等人通過對隧道突涌水的研究得到突涌水的特征和原因；黃震等人通過研究突涌水對隧道圍巖結構的影響，提出了突涌水處治措施；國外的J Moon等人通過封隔器試驗估算了隧道的涌水量；J Gisbert等人通過研究降雨與隧道突涌水的聯系，提出了判識涌水路徑的方法。

雖然當前已經有較多關于隧道涌水的研究，但因軟巖隧道低強度、大應力和變形不可預見性的特點，在隧道施工中仍難以避免出現各種事故，特別是富水和滲流情況下的涌水事故更多。當涌水事故發生時，除了影響到項目造價外，還會影響到施工安全，因此研究軟巖隧道涌水加固處治非常有必要。

1" "工程概況

某隧道綜合管廊工程全長7.9km，其中，主管廊長約6.5km，支管廊長約1.4km。起點佛峪口水庫管理處有580m高程，終點賽區新建塘壩處有1100m高程。隧道在施工至K3+305～K3+648（343m，含已完工的72m試驗段）以及K3+673～K3+780（107m）里程時有較大圍巖變形，且局部拱頂出現20mm沉降。從現場資料看，該位置為圍巖破裂帶地段，掌子面處有較大的涌水量，出質滲透水現象較為嚴重。

隧道右側拱腰在1h降雨后出現突涌水現象，其中，在已完成的初支面上有兩股涌水噴出，預埋的140mm直徑的排水管未能有效排水，導致初支面上壓力過大，拱頂上有朝向四周蔓延的水流。在注射混凝土以及壓漿施工后，該涌水情況基本得到處治。據現場監測數據反饋，隧道拱頂和拱腰在發生突涌水后出現一定的變形，其中一處隧道斷面上臺階圍巖出現較多裂縫，且滲水自穩性能較差。結合現場條件考慮，將 1m縱向間距的拱架加密至60cm，并將變形量預留改成30cm。隧道原支護參數如圖1所示。

2" "雙殼注漿的應用及優化分析

2.1" " 有限元模型

根據隧道工程中雙殼注漿的應用，對隧道涌水與雙殼注漿參數間的聯系進行研究，其各項參數的取值[3]如表1所示。

通過FLAC 3D軟件對隧道進行建模，模型取洞徑的5倍作為隧道的兩側和底部的土體長度，隧道有80m埋深，模型中y方向取值為1m，對節點y方向的速度進行約束，以等效分析平面應變。

2.2" " 模擬結果

經過雙殼注漿加固之后，隧道在各工況下的整體變形值均較小，最大僅為10.5mm；拱頂以及拱底有較大變形，最小變形出現在拱腳[4-5]。從變形控制角度上看，在該隧道中使用雙殼注漿有較好的加固效果。

從隧道洞周的主應力值上看，各工況下的主應力最大值相差較小，洞周整體上的圍巖表現為受壓狀態，且數據均較小。從應力角度上看，雙殼注漿可有效控制應力大小，有較好的加固效果。

對比原注漿方案以及雙殼注漿方案，從洞周的最大變形值可知，原注漿方案下拱頂最大變形值為23.1mm，拱底最大變形值為20mm，而雙殼注漿方案下拱頂最大變形值僅為10.5mm，拱底最大變形值僅有8mm，相比之下分別減少了65.4%和47.4%[6]。此外，原方案下有900m3/d的最大涌水量，而雙殼注漿下僅有13.56m3/d的最大涌水量。從變形控制和斷面涌水量的角度上考慮，可以認為雙殼注漿對軟巖有一定的加固效果。

2.3" " 優化分析

在此次試驗中共設置了5類因素，基于此制定如表2所示正交試驗方案。通過極差分析法進行分析，在該種方法中，越大的極差代表該種因素對試驗的影響越大，即重要程度較高。涌水分析如表3所示。拱頂沉降分析如表4所示。變形速率比值分析如表5所示。拱頂支護最大主應力如表6所示。其中Kmn代表在m個指標評價下，水平n試驗結果的平均值。從結果可以看出，各類指標數值均較小，說明從整體上看有較好的注漿效果。

從表6可以看出，因素A在主次順序分別為四、二、二、一，因此在設計淺部注漿殼厚度時，應先考慮拱頂支護的最大主應力，即A2是因素A的最佳水平，此時淺部注漿殼有4m的厚度。

因素B主次順序為一、一、一、四，因此在設計淺部注漿和滲透系數的比值時應優先考慮涌水量、拱頂沉降和變形速率比值所產生的影響，三類指標中B1為因素B的最佳水平，此時的取值為0.01。

因素C的主次順序為五、三、五、二，因此在設計中部緩沖層厚度時應優先考慮拱頂支護最大主應力所產生的影響，即C4為因素C的最佳水平，此時淺部注漿殼6m的厚度。

因素D主次順序為三、五、四、三，因此在設計深部注漿殼厚度時應優先考慮斷面涌水量和拱頂支護最大主應力所產生的影響。兩類指標中分別以D3和D4作為因素B的最佳水平，作進一步判斷可知，在5m厚度下，軟巖隧道的性能比更高，因此認為5m為深部注漿厚度的最佳值。

因素E的主次順序為二、四、三、五，因此在設計深部注漿和滲透系數的比值時，應優先考慮斷面涌水量所產生的影響，即E1為因素E的最佳水平，此時的比值為0.1。

3" "涌水加固處治

針對該隧道因涌水而引起的塌方現象，在上述分析基礎上結合現場條件進行考慮，提出如圖2所示的處治方案。

加強初支型鋼拱架，在第一次以60cm的縱向間距施工I14工字鋼拱架后，第二次支護以50cm縱向間距施作I18工字鋼拱架，以形成鋼拱架的雙層支護。 加強拱架縱向連接筋，采用22mm直徑的縱向連接筋，以0.5m的縱向間距連接三層鋼筋網，所噴射混凝土厚度由20cm增加至45cm。

將4.5m長150mm直徑的兩根輸送管以及6m長180直徑的一根出氣管埋置于拱頂位置，采用C25混凝土填充空腔。在完成初支的位置，將長度為5mm、直徑為42mm的注漿鋼管以及長度為5m、直徑為22cm的內插鋼筋，按0.9m環向間距、0.5m縱向間距進行布置，以控制下臺階施工時上臺階的變形。將原有的復合襯砌形式從S5a改變為S5c，從單層改為雙層超前小導管[7-8]。

現場監測如圖3所示。從圖3可知，拱頂以及圍巖收斂有著類似的變化規律。洞周圍巖施工時有較大的前期變形，存在較大的相對沉降量以及收斂速率，拱頂沉降以及圍巖收斂在施工到30d后逐漸穩定。累積變形在完成施工后不斷增加，但變形速率不斷降低，最終趨于穩定，襯砌變形未超標，說明處治方案有效。

4" "結語

本文通過正交試驗法，對雙殼注漿施工中的淺部注漿殼厚、淺部注漿與圍巖滲透系數比、中間緩沖層厚、深部注漿殼厚、深部注漿與圍巖滲透系數比進行優化分析，最后結合背景隧道的實際條件，提出針對性的處治措施。

從正交試驗結果可知，各因素的最佳值分別為：淺部注漿殼4m厚，淺部注漿殼與滲透系數比為0.01，中部緩沖層6m厚；深部注漿殼與滲透系數比0.1。深部注漿殼5m厚。

對比數值模擬結果和現場實測數據可知，采用雙殼注漿法能有效加固軟巖隧道，使隧道變形及涌水量得到有效降低。圍巖變形以及涌水均在30d后趨于穩定，說明處治措施有效。

參考文獻

[1] 代丹.公路隧道突發涌水引發塌方的處置與預防措施[J].交通世界，2021（27）：16-17+20.

[2] 王國我.獅子山1號隧洞涌泥涌水處理技術研究[J].中國水能及電氣化，2021（3）：16-20.

[3] 黃解放，張志恩，黃明利，等.山嶺隧道穿越斷層破碎帶突發涌水機理分析[J].市政技術，2021，39（8）：55-59+206.

[4] 任曉雨，許漢華，韋廣磊，等.深埋特長隧道涌水成因分析及處治方案研究[J].江西建材，2021（7）：230-231.

[5] 段宇.某富水斷層隧道突涌水預警分析平臺及治理措施[D].西安理工大學，2021.

[6] 宗輝，匡渝陽.隧道富水斷層破碎帶突涌水災害整治措施[J].黑龍江交通科技，2021，44（6）：138-140.

[7] 蔡曉明.關于水利工程隧道突涌量測算分析研究[J].中國水能及電氣化，2019（8）：36-40+52.

[8] 代成良，王斌元，程朝博，等.復雜地質條件下隧道塌方涌水處理技術措施[J].山西建筑，2021，47（19）：117-119.