穿越斷層帶隧道注漿加固的數(shù)值模擬研究

摘要：文章依托銀嶺隧道實(shí)際工程，利用FLAC3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，研究注漿圈的滲透系數(shù)和厚度對(duì)隧道圍巖孔隙水壓力分布和變形穩(wěn)定性的影響。結(jié)果顯示：隨著注漿加固圈的滲透系數(shù)比或厚度增大，注漿圈外側(cè)的孔隙水壓力上升，初期支護(hù)外側(cè)的孔隙水壓力降低，圍巖位移逐漸減小；當(dāng)注漿加固圈的滲透系數(shù)比＞50或厚度＞5 m時(shí)，其止水效果和對(duì)圍巖變形的限制能力不再顯著提升。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和數(shù)值模擬計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)銀鈴隧道設(shè)計(jì)了專項(xiàng)注漿方案，給出了設(shè)計(jì)參數(shù)，明確了涌水、滲水狀態(tài)下的施工注意事項(xiàng)。本研究對(duì)同類隧道工程在遇到涌水面的注漿設(shè)計(jì)和施工具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：穿越斷層帶的隧道；注漿圈；孔隙水壓力；圍巖變形；數(shù)值計(jì)算；FLAC3D軟件

U457.+3A461454

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的大背景下，公路和鐵路建設(shè)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(shí)多會(huì)將隧道作為首選方案。然而，我國各地地質(zhì)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(fēng)險(xiǎn)。隧道涌水會(huì)造成地下水位下降，同時(shí)也會(huì)破壞地表綠化環(huán)境，甚至造成人員傷亡［1］。

對(duì)于隧道涌水的研究大多集中在巖溶隧道方面，而對(duì)于斷層控制的隧道涌水研究相對(duì)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(jí)別、側(cè)壓力系數(shù)、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(duì)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(guān)系，推導(dǎo)出斷層影響下雙洞隧道的涌水量預(yù)測(cè)公式，對(duì)比某雙洞隧道實(shí)際工程的實(shí)測(cè)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(jī)理，利用模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)紅豆山隧道涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。李辰舟等［6］基于某水電站進(jìn)廠交通洞工程，利用該工程發(fā)生涌水后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)，考慮了影響斷層帶涌水的主要風(fēng)險(xiǎn)因子，構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)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(duì)其穿越斷層破碎帶的情況，提出超前地質(zhì)預(yù)報(bào)+超前支護(hù)的綜合處治方案，以提高圍巖強(qiáng)度。

鑒于此，本文依托銀嶺隧道實(shí)際工程，通過FLAC3D軟件進(jìn)行建模與計(jì)算，研究注漿圈的滲透系數(shù)和厚度對(duì)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(xiàn)。

1 工程背景與數(shù)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(lián)村東南，路線橫穿山脊，設(shè)計(jì)為分離式隧道。左洞起訖樁號(hào)為ZK160+845～ZK162+358，全長(zhǎng)1 513 m，為長(zhǎng)隧道，起點(diǎn)設(shè)計(jì)高程為121.44 m，終點(diǎn)設(shè)計(jì)高程為130.95 m，隧道底板最大埋深為87 m；右洞起樁號(hào)為YK160+867～YK162+336，全長(zhǎng)1 469 m，為長(zhǎng)隧道，起點(diǎn)設(shè)計(jì)高程為121.38 m，終點(diǎn)設(shè)計(jì)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(jí)、Ⅴ級(jí)為主，Ⅳ級(jí)占58.1%，Ⅴ級(jí)占41.9%。隧址區(qū)內(nèi)土體受褶皺、節(jié)理構(gòu)造等影響嚴(yán)重，使得巖體結(jié)構(gòu)相對(duì)較破碎，且富水性強(qiáng)，隧道預(yù)測(cè)涌水量左線約為1 560.3 m/d，右線約為1 665 m/d，對(duì)施工安全、質(zhì)量和進(jìn)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(duì)其進(jìn)行加固。銀嶺隧道斷面圖如圖1所示，左右洞均采用進(jìn)出口雙向掘進(jìn)的方法施工。

1.2 數(shù)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(jù)銀鈴隧道實(shí)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(hù)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(yīng)問題，盡量取較大的計(jì)算模型，為100 m×100 m×60 m。數(shù)值模擬過程中采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法對(duì)隧道進(jìn)行開挖，建立數(shù)值模型如圖2所示。

對(duì)模型的邊界的法向位移進(jìn)行約束，設(shè)置初始重力場(chǎng)，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(shè)為透水邊界并固定孔隙水壓力為0 MPa，模型四周及底面設(shè)為透水邊界且孔壓恒定。

1.3 本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)

巖土體的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫模型，其中可通過提高部分圍巖的強(qiáng)度參數(shù)對(duì)注漿加固圈進(jìn)行模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型釆用線彈性模型［9］。其余的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)選取的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

1.4 流固耦合計(jì)算模式

本文中的滲流計(jì)算需要利用FLAC3D軟件的流固耦合模塊，其計(jì)算模式分為完全流固耦合計(jì)算和滲流場(chǎng)、力學(xué)場(chǎng)單獨(dú)計(jì)算兩種模式。本文采用完全流固耦合計(jì)算的模式進(jìn)行計(jì)算。假定施工速度為勻速，設(shè)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(shù)對(duì)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(duì)部分圍巖進(jìn)行了加固，使得圍巖的力學(xué)性質(zhì)得到一定程度的提高。同時(shí)，在隧道周邊的一定范圍內(nèi)形成了低滲透系數(shù)區(qū)，以防止隧道涌水。注漿加固圈的參數(shù)在很大程度上影響隧道周邊滲流場(chǎng)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(shù)和厚度對(duì)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(shù)

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

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到不同注漿圈滲透系數(shù)比情況下隧道監(jiān)測(cè)斷面處下臺(tái)階擠出變形曲線，如圖4所示，并對(duì)隧道監(jiān)測(cè)斷面圍巖變形進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

如圖4所示，滲透系數(shù)比的增大代表注漿加固后隧道的強(qiáng)度增強(qiáng)，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(dāng)滲透系數(shù)比n分別為1、5、20、100時(shí)，對(duì)應(yīng)的下臺(tái)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(shù)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(shù)比n的逐漸增大，止水效果逐漸提升，圍巖累計(jì)變形逐漸減小。尤其對(duì)拱底隆起變形的控制效果很好。當(dāng)滲透系數(shù)比n為100時(shí)，拱底隆起變形相較于n為1時(shí)減小42%，掌子面的擠出變形減小了68%，而對(duì)于拱頂?shù)某两敌蝺H減小了13%。同時(shí)與孔隙水壓力的規(guī)律類似，滲透系數(shù)比n存在一個(gè)臨界值，當(dāng)滲透系數(shù)比ngt;50后，繼續(xù)增大滲透系數(shù)比n，圍巖變形減小的變化幅度會(huì)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(shè)置了不同的5種計(jì)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(jì)算得到不同注漿圈厚度情況下隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(dān)了初期支護(hù)外側(cè)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(dān)的孔隙水壓力越大，作用在初期支護(hù)外側(cè)的孔隙水壓力值越小，即在注漿加固圈的滲透系數(shù)比n一定的情況下，可通過增加注漿加固圈的厚度，進(jìn)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(hù)所承擔(dān)的水壓力荷載。當(dāng)注漿加固圈厚度分別為3 m、5 m、7 m、9 m時(shí)，初期支護(hù)外側(cè)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(shí)可知，注漿對(duì)降低初期支護(hù)外側(cè)的孔隙水壓力的效果會(huì)隨著漿液厚度的逐漸增大先明顯增強(qiáng)，即注漿加固圈厚度存在一個(gè)臨界值，當(dāng)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(hù)外側(cè)的孔隙水壓力增大幅度會(huì)顯著減小。

2.2.2 圍巖位移場(chǎng)分布

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

如圖6和表5所示，當(dāng)注漿圈厚度為1 m時(shí)，僅有小范圍內(nèi)的圍巖力學(xué)性質(zhì)得到加強(qiáng)，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(hù)外側(cè)，圍巖的變形值較大。隨著漿液圈厚度逐漸增大，圍巖的力學(xué)參數(shù)得到了提高，注漿加固的效果逐漸增強(qiáng)，當(dāng)注漿圈厚度gt;5 m時(shí)，繼續(xù)增大注漿加固圈厚度，圍巖變形減小的變化幅度會(huì)顯著降低。

3 注漿方案設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，對(duì)銀鈴隧道進(jìn)行注漿方案設(shè)計(jì)。開挖進(jìn)尺為50 cm，架立Ⅰ25a工字鋼，架設(shè)25縱向連接筋，環(huán)向間距為100 cm，L=70 cm，安裝8鋼筋網(wǎng)片，搭接長(zhǎng)度為1～2個(gè)網(wǎng)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(shè)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(zhǎng)500 cm的熱扎無縫鋼花管設(shè)置在隧道洞內(nèi)，無長(zhǎng)管棚支護(hù)的Ⅴ級(jí)圍巖。超前小導(dǎo)管選用50×4型號(hào)，L=450 cm，小導(dǎo)管環(huán)向設(shè)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(shè)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(dǎo)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(shù)可通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)適當(dāng)調(diào)整。

當(dāng)遇到涌水或有滲水的巖體結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)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(bǔ)噴射混凝土。對(duì)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?qū)Ч芤藕笤賴娚浠炷痢?yán)格控制涌水后的注漿時(shí)機(jī)，先進(jìn)行鉆孔卸壓施作，對(duì)涌水處鉆孔分流，然后進(jìn)行掌子面注漿，待水量減少或消退、水壓降低后再進(jìn)行注漿處理。

4 結(jié)語

本文通過FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究注漿圈的滲透系數(shù)和厚度對(duì)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(shù)，得到如下結(jié)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(shù)比或厚度增大，注漿圈外側(cè)的孔隙水壓力上升，初期支護(hù)外側(cè)的孔隙水壓力降低。當(dāng)注漿加固圈的滲透系數(shù)比gt;50或厚度gt;5 m時(shí)，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(shù)比或注漿圈厚度增大而減小，當(dāng)注漿加固圈的滲透系數(shù)比gt;50或厚度gt;5 m時(shí)，

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(shù)比取值為50，最優(yōu)的注漿圈厚度取值為5 m。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和數(shù)值模擬計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)銀鈴隧道設(shè)計(jì)了專項(xiàng)注漿方案，提供了設(shè)計(jì)參數(shù)，明確了涌水、滲水狀態(tài)下的施工注意事項(xiàng)，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(xiàn)：

［1］王夢(mèng)恕.中國盾構(gòu)和掘進(jìn)機(jī)隧道技術(shù)現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展思路［J］.隧道建設(shè)，2014，34（3）：179-187.

［2］張付軍，趙元科，段 宇，等.某富水?dāng)鄬訉?duì)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(xué)報(bào)，2022，20（4）：120-127.

［3］任曉雨，許漢華.深埋特長(zhǎng)隧道巖溶涌突水災(zāi)害形成條件及流場(chǎng)演化機(jī)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(yù)測(cè)［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，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(yù)測(cè)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2023（1）：291-301，318.

［6］李辰舟，蘇傳洋，鄧爭(zhēng)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(zhì)，2022，55（1）：255-261.

［7］袁 青，于 錦，熊齊歡，等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隧道斷層帶突涌水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［J］.人民長(zhǎng)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(shù)研究［J］.土木工程與管理學(xué)報(bào)，2022，39（3）：88-92，139.

［9］李 倩.高壓富水?dāng)鄬铀淼朗┕わL(fēng)險(xiǎn)與關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國水運(yùn)（下半月），2022，22（4）：111-113.