富水軟弱圍巖隧道全斷面帷幕注漿變形機理及控制研究

摘 要：【目的】為進一步揭示富水軟弱圍巖隧道全斷面帷幕注漿漿液擴散規律以及地層加固、防滲止水原理。【方法】以莞惠城際GZH-4標暗挖隧道穿越人工湖底全風化巖層為工程背景，通過現場取樣及數值計算分析，對全斷面帷幕注漿隧道的掌子面變形、巖層取芯率、地層水平收斂及地表沉降等進行探討，深入分析隧道帷幕注漿漿液擴散規律及地層加固、防滲止水原理。【結果】結果表明：注漿漿脈構成的漿脈骨架可與周圍巖體相黏接形成結石體，能有效提高巖體強度及地層抗滲透性能；高壓注漿導致掌子面易于鼓脹或開裂，精準控制注漿初始條件和超前預測，可有效避免這一現象的發生；隧道的全斷面帷幕注漿可增強巖體自承載能力，能有效抑制隧道的水平凈空收斂變形；全斷面帷幕注漿對富水軟弱地層隧道開挖時的地表沉降有很好的抑制作用。【結論】研究成果揭示了富水軟弱圍巖隧道全斷面帷幕注漿的變形機理，并提出了相應的控制方法，可為類似地質環境下巖體注漿提供理論支撐與技術指導。

關鍵詞：富水軟弱圍巖；隧道全斷面帷幕注漿；加固地層；防滲止水

中圖分類號：TU94+1" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）02-0052-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.02.010

The Deformation Mechanism and Control of Full-Section Curtain Grouting in Tunnels with Rich Water and Weak Surrounding Rocks

WANG Rongfei

（Zhenjiang Planning Survey and Design Group Co.， Ltd.， Zhenjiang 212004， China）

Abstract： [Purposes] In order to further elucidate the diffusion law of grouting fluid and the mechanism of ground reinforcement and water stopping in the full section curtain of a tunnel with rich water and weak surrounding rock. [Methods] Taking the GZH-4 mined tunnel crossing the artificial lake bottom fully weathered rock layer in the Guan-Hui intercity as the background， the deformation of the tunnel face， the rate of core recovery， the horizontal convergence of the strata， and the surface subsidence were studied through on-site sample and numerical calculation analysis. In-depth analyses were done of the stratum reinforcement， water sealing， and the grouting slurry's diffusion law. The corresponding preventive measures were proposed. [Findings] The results show that the grouting veins' framework could unite with the nearby rock to form a stone body， which significantly increased the strength and permeability of the formation. High-pressure grouting caused the tunnel face to swell or crack. This phenomenon could be effectively avoided by precisely managing the initial grouting conditions and forecasting in advance. The full-section grouting of the tunnel could enhance the self-bearing capacity of the rock mass and effectively suppress the horizontal clearance convergence of the tunnel. [Conclusions]" The results of this"study reveal the deformation mechanism of full-section curtain grouting in tunnels with rich water and weak surrounding rocks and propose corresponding control methods that can provide theoretical support and technical guidance for rock mass grouting in similar geological environments.

Keywords：water-rich and weakly fractured rock mass; full-section curtain grouting of the tunnel;strengthening the formation; impermeability performance

0 引言

由于富水軟弱破碎巖體的不穩定性，其在地下工程尤其是隧道工程的施工中具有極大的工程風險隱患。隧道施工時地層擾動產生的二次應力及在邊界水壓力作用下，富水軟弱破碎地段極易發生突水、突泥、隧道垮塌等重大工程事故。目前，為了防范此類工程災害的發生，常見的工程治理手段為隧道帷幕注漿技術，即在隧道施工時，在隧道掌子面及周邊一定范圍內注射漿液，利用漿液的流動性及黏接性將地層內破碎巖體黏接，進而起到防滲堵漏、加固地層的效果［1-4］。然而，由于地下工程的隱蔽性及注漿巖層結構的復雜性，給被注漿液的擴散范圍、擴散途徑及注漿效果的研究帶來了極大困難。

近年來，隨著地下工程技術的快速發展，國內外學者對于隧道帷幕注漿的研究也在逐漸增多。如張偉杰等［5］通過對富水破碎巖體力學性狀進行深入分析，采用多孔分序帷幕注漿技術對破碎巖體進行了防滲止水試驗研究，對巖體的加固機理及漿液在巖層內部的擴散規律進行了理論上的總結與分析；還有一些學者［6-8］采用隧道帷幕注漿與超前管棚支護相結合的技術手段，較好地解決了超大斷面條件下小凈距三孔隧道結構周圍巖體穩定性差的工程難題，取得了良好的支護加固效果；熊怡思、李磊、徐鋒等［9-11］對比分析了大跨淺埋隧道下穿水塘時，采用帷幕注漿圍巖加固與不采用帷幕注漿圍巖加固兩種施工技術條件下，隧道的水平收斂值與地層沉降位移值的大小，驗證了帷幕注漿在地下工程富水軟弱巖層施工中加固地層、防滲止水的有效性；王紅梅等［12］對巖體高壓富水區進行帷幕注漿外疏水釋能區域進行劃分，并對導水裂隙在注漿巖層內的分布情況進行了試驗驗證；黃戡等［13］總結了巖層地下水滲透力、隧道開挖掌子面穩定性與帷幕注漿長度、漿液配比等參數的相關性，發現了隨著注漿體長度的增加，隧道施工安全系數不增反降的變化規律；李慎奎等［14］針對隧道通過沙漏型巖溶不良地層時，采用先帷幕注漿阻隔，再溶洞注漿充填的技術方法，對帷幕注漿后巖層塌陷角的變化規律進行了深入研究；張頂立、Li等［15-17］提出了采用帷幕注漿技術對海底隧道周邊巖層進行加固止水的技術方案，顯著提高了海底隧道巖層加固止水的效率及可靠性。此外，國外學者Hunt、Rahaman、Shivaei等［18-20］也對隧道帷幕注漿的問題有較多的關注，對不同注漿巖體、注漿材料、地質水文環境等條件下的隧道帷幕注漿效果進行了深入的研究，探索了漿液擴散規律及注漿加固機理。

綜上所述，在以往隧道帷幕注漿技術的應用中，多以“主以止水，加固為輔”或 “主以加固，次以止水”的施工理念來實施，而遇到富水集中、水壓高、涌水量大、結構松散軟弱、穩定性極差的富水全風化圍巖時，多以室內試驗或隧道部分帷幕注漿組合其他加固或排水技術以達到治理效果。目前，雖然對帷幕注漿技術的應用已較為常見，但對帷幕注漿漿液擴散規律以及地層加固止水原理還有待進一步的分析與研究。

本研究以莞惠城際GZH-4標暗挖隧道穿越人工湖底全風化巖層為工程背景，采用隧道全斷面帷幕注漿技術對隧道穿越區域地層進行加固及防滲止水，并通過現場取樣及數值計算分析，對隧道施工的掌子面變形、巖層取芯率、地層水平收斂及沉降等進行了探討，對隧道帷幕注漿漿液擴散規律及地層加固、防滲止水原理進行了分析和總結，并提出了相應的控制措施。研究成果可為類似地質環境下巖體注漿提供理論支撐與技術指導。

1 工程概況

莞惠城際GZH-4標暗挖隧道位于東莞市東城區，全長5.3 km，隧道先后穿越莞深高速公路、光明二路、環城路、八一大道等主干道路，隧道施工區域距離上屯村居民區1.1 km，人口密集，房屋老舊，對地表位移控制要求較高。隧道施工過程中，先后穿越人工湖、黃沙河，河網縱橫密布，穿越區域地層主要為全風化、強風化、微風化混合片麻巖和粉質黏土等，巖體破碎松散，遇水易軟化，自穩能力極差，極易發生坍塌冒頂現象，施工難度較大。為了增強隧道施工周圍巖體的強度，維持隧道施工洞身及掌子面的穩定性，并降低透水事故發生的可能性，結合帷幕注漿技術加固地層、防滲止水的有效性，決定以隧道全斷面帷幕注漿的方式來對隧道進行加固止水。

2 施工方案及施工參數設計

2.1 施工方案設計

根據該工程的地層特點，帷幕注漿沿隧道掘進方向17 m為一個循環。注漿范圍為隧道開挖輪廓線4 m范圍以內及注漿循環末端長度3 m的止水巖盤，目的為在隧道開挖區域外部形成一個封閉的止水帷幕殼體，以加強隧道開挖時掌子面的穩定性，注漿孔圓圈形布置，由掌子面向巖體內部呈輻射狀，孔徑≥110 mm，終孔≥91 mm，具體如圖1所示。

2.2 施工參數設計

為保證帷幕注漿的施工質量，提高注漿施工效率，該方案以涌水量大小對注漿區一次性施工長度進行劃分。具體為，當涌水或涌泥量Qgt;10 m3/h時，一次性注漿施工長度為1～2 m；當涌水或涌泥量Qlt;10 m3/h時，一次性注漿施工長度為3～5 m；當無涌水、涌泥或卡鉆狀況時，按全孔一次性注漿施工。該方案采用前進式注漿施工工藝，具體注漿參數見表1。

2.3 注漿結束標準及效果檢查

單孔注漿壓力逐漸升高至設計終壓，并繼續注漿10 min以上，且注漿量不小于設計注漿量的80%，注漿速度為初始注漿速度的1/4，檢查孔涌水量小于0.2 L/min，可結束本孔注漿；全段注漿結束標準為所有注漿孔均符合單孔結束條件且注漿后隧道預測涌水量小于1 m3/（d·m）。

注漿結束后，鉆2～3個孔取巖芯觀察漿液充填情況，注漿孔內涌水量應≤0.2 L/min；進行壓水試驗時，在1.0 MPa壓力下檢查孔進水量應不大于10 L/min；注漿后土體滲透系數應不大于10-5 cm/s，無側限抗壓強度應不小于0.8 MPa。

3 數值模擬

3.1 建模思路介紹

如上文所述，隧道全斷面帷幕注漿在富水軟弱破碎巖體中主要起到加固地層、防滲止水的作用。一方面通過漿液的凝膠作用以提高巖體顆粒間的黏結強度及巖體的自穩能力，實現對軟弱破碎巖層的加固作用，進而提高巖體的強度，減少地層的沉降以及隧道徑向和環向變形；另一方面，通過漿液在巖體節理裂隙里的填充作用，加強了巖體的整體性，進而降低巖體裂隙的分布范圍，實現對外界水體的屏蔽作用，并通過漿液填充膠結減小巖體結構面寬度，進而降低巖體的滲透系數，起到防滲堵漏的作用。

在地下工程中，巖層及結構參數難以精確確定，數值計算結果往往與實際情況差距較大。因此，本研究主要針對帷幕注漿對地層的加固效果進行建模計算，而注漿的防滲堵漏效果則通過現場檢查來確定。

帷幕注漿對地層加固效果的數值模擬主要分三個步驟來實現。首先，對未注漿段隧道典型斷面地層沉降特征及洞內收斂特性進行模擬；其次，對已注漿段隧道典型斷面地層沉降特征及洞內收斂特征進行模擬；最后，通過對比兩個階段的計算結果及實際發生結果來判斷帷幕注漿對地層的加固效果的提高程度。

3.2 模型建立

采用FLAC3D軟件建立三維模型，如圖2所示。其中，Y方向為隧道走向，X方向在水平面上與Y方向垂直，Z方向為隧道埋深。為提高模擬精度，隧道外輪廓取圓形（結果較真實情況較為保守），隧道開挖半徑為5 m，上覆土層厚9 m，整體模型寬39 m、長50 m。左右邊界固定X向位移，底部邊界固定Y及Z向位移，頂部為自由邊界，施加車輛荷載。

3.3 模型參數選取

土體本構采用莫爾-庫侖本構模型，根據超前地質探測及地質勘查報告所提供的地層參數數據，模型地層及注漿參數擬采用的數據見表2。

隧道初期支護鋼格柵采用Ⅰ20a工字鋼，外噴300 mmC25混凝土，支護結構建模參數見表3。由于隧道二襯施工發生于隧道開挖圍巖二次應力釋放后，對隧道變形控制影響較小，該模擬中不再考慮二襯的作用效果。

3.4 隧道施工過程模擬

隧道開挖采用CRD法，每循環掘進3 m。由于采用爆破施工，計算中對隧道開挖區域進行瞬間置空，土體移除后立即沿隧道外輪廓線架設鋼格柵，設置間距0.5 m，并同時施作初期支護及仰拱。計算過程中，當計算節點最大不平衡力和外加荷載比值最大值達到1×10-5時，計算結束。

4 注漿效果分析

4.1 掌子面變形分析

注漿完成后，漿液在地層孔隙中流動并凝結，形成注漿漿脈。注漿主漿脈沿注漿巖層節理裂隙呈層狀分布，且每條主漿脈附近有少量細微漿脈分布，這些細微漿脈與主漿脈共同構成漿脈骨架，高強注漿使得地層孔隙率降低，地層密度增加，并通過漿液的凝聚膠結作用與周圍巖體相黏接形成結石體，增強了地層的整體性，提高了地層強度及地層的抗滲透性，起到了地層加固、防滲堵漏的作用，漿脈分布如圖3所示。

值得一提的是，通過對注漿地層強度進行測試發現，在注漿初始階段，地層強度并未出現明顯提高，反而出現短暫的強度下降現象。通過分析發現，這主要是由于注漿初期，被擾動地層吸收漿液中的水分，造成土體靜水壓力劇增，而土體內部有效應力減少，即發生剪脹吸水現象［21］，此時為地層強度最為薄弱時期，也是掌子面透水或隧道坍塌的危險時期，應重點關注。

由于止漿巖盤是上一循環時澆筑的，本次漿液澆筑期間，在漿液的高強度擠壓作用下，止漿巖盤發生了不同程度的變形，主要表現為掌子面的鼓脹或開裂，如圖4所示。開裂裂縫分布較為分散，主裂縫沿某一方向延伸，寬度相對較大。通過分析可知，造成掌子面鼓脹或開裂的原因除了對注漿壓力、進漿量及進漿速率控制不合理，還可能是因為高強注漿對周圍巖體擾動較大，使得原始地層結構產生較大地應力，在隧道開挖時儲存的地應力得以釋放，進而對隧道變形產生較大的影響。掌子面的鼓脹或開裂與地表垂直壓密注漿或劈裂注漿所引起的地表抬升原理近似，通過增大止漿巖盤厚度、對掌子面掛鋼筋網噴漿以及合理控制注漿速度、注漿壓力、注漿量等參數，精準控制注漿初始條件及超前預測，可有效避免這一現象的產生。

通過現場觀察可知，本次注漿掌子面鼓脹或開裂范圍較小，掌子面依然可以保持穩定，且無明顯透水現場，注漿效果達到了預期。

4.2 取芯觀察

通過現場鉆孔取芯及對數據分析可知，芯樣較為完整且連續，呈柱狀。所取芯樣的柱狀加塊片狀取芯率大于80%，取芯率達到規范的設計要求，局部注漿不均勻，但無斷漿現象，如圖5所示。巖層的膠結強度有了較大的提高，檢查孔沒有明顯的水流出，滿足注漿的設計要求。

5 結果與分析

5.1 洞內凈空水平收斂

注漿與未注漿兩種工況下的隧道凈空水平收斂數值計算云圖如圖6所示。由圖6可知，未注漿隧道凈空水平收斂最大值為11.78 mm，注漿后隧道凈空水平收斂最大值為4.9 mm。由此可見，隧道的全斷面注漿可有效抑制隧道的水平收斂變形，這主要是由于隧道開挖是在超前預注漿的注漿結石體中進行的，此部分結石體可塑性強，間接增強了巖體的自承載能力，相當于在隧道周邊增加了一道初始支護，進而減小了隧道的變形。而在未注漿情況下，由于地層向下坍塌，拱腰受到較大的地層擠壓作用，隧道周邊沒有高強度支撐，進而產生較大位移。值得注意的是，數值模擬結果較實際監測結果偏小，這主要是由于數值模擬未考慮溫度變化的影響。對于隧道凈空水平收斂的控制方法，除了提前超前預注漿，還可以采用在適當范圍內減少單循環開挖進尺、盡早支護等措施。

5.2 地表沉降

以上下行隧道中心軸線為基準，左右各取6個沉降點進行地表沉降觀測，點間距4 m，如圖7所示。

某循環段隧道開挖地表沉降曲線如圖8所示。由圖8可知，三種工況下的地表沉降槽總體上皆呈正態分布規律，沿上下行隧道中心線對稱分布。實測地表沉降量各點沉降值與數值計算中已注漿工況較為接近，實測沉降量值稍大，最大沉降值較計算值高出約14.3%，這主要是由于在計算建模時，并未考慮地下管線、水及溫度等因素的影響，且建模地質條件較為均勻，因而出現以上誤差，但誤差范圍較小，處于可容許范圍之內。

圖8中未注漿條件下地表沉降值較實測值誤差較大，最大差值相較于實測值高出約67% ，相較于未注漿計算值高出約81%。由此可見，全斷面帷幕注漿對富水軟弱地層隧道開挖時的地表沉降有很好的抑制作用，這主要是由于未注漿條件下，圍巖自平衡能力較差，圍巖顆粒結構重組過程中需要較強的隧道支護才能達到二次應力平衡狀態，宏觀上表現為隧道開挖過程中地層的沉降或隆起。

需要注意的是，現場注漿過程中，部分監測點出

現明顯的地表隆起現象。隧道開挖后，隆起部分逐漸下沉，總體表現為地表的沉降。上述現象說明，全斷面注漿由于注漿壓力高、注漿量大、注漿周期長等特點，漿液在地層孔隙或裂隙流動過程中對地層產生較強的壓密或劈裂作用，向外擴散并凝結成結石體，地表承力抬升，表現為地表的隆起，而隧道開挖后，隧道周邊巖層應力平衡狀態被打破，地層產生較大擾動并向隧道內部坍縮，表現為地層的沉降現象。由此可知，全斷面帷幕注漿隧道開挖地表沉降是地表注漿隆起與隧道開挖沉降共同作用的結果。

通過對全斷面帷幕注漿基本原理進行分析發現，控制地表沉降的方法主要有嚴密監控，加強施工地層探測，對所施工地層結構有整體且詳細的認識，適當采用柔性支護體系，重視對地面荷載及富水量、溫度等因素的影響等。

6 總結與討論

本研究對富水軟弱圍巖全斷面帷幕注漿隧道及地層的變形機理進行了分析，并在基本原理分析的基礎上提出了相應的控制方法，得出以下結論。

①注漿漿脈構成的漿脈骨架與周圍巖體相黏接形成結石體，可有效提高巖體強度及地層抗滲透性能，起到地層加固、防滲堵漏的效果。

②由于高壓注漿，掌子面易于鼓脹或開裂，通過增大止漿巖盤厚度、對掌子面掛鋼筋網噴漿以及合理控制進漿速度、進漿壓力、進漿量等參數，可有效避免這一現象的發生。

③隧道的全斷面注漿可增強巖體自承載能力，由于隧道開挖是在超前預注漿的注漿結石體中進行的，可有效抑制隧道的水平凈空收斂變形。

④全斷面帷幕注漿隧道開挖地表沉降為地表注漿隆起與隧道開挖沉降共同作用的結果，全斷面帷幕注漿對富水軟弱地層隧道開挖時的地表沉降有較好的抑制作用。通過加強勘測與監控，采用柔性支護等方法可有效減少富水軟弱地層隧道全斷面帷幕注漿的地層沉降。

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