隧道地表坍陷深層注漿理論研究與工程實踐

喬明燦，樂金朝，牛向飛

(鄭州大學 水利與環境學院，鄭州 450000)

注漿是巖土工程中一門專業性很強的技術，用注漿處理各種巖土工程問題，已成為常用的方法。隨著注漿技術的日益成熟和發展，它的應用范圍逐漸擴大，在隧道工程［1-2］中，地表注漿主要應用于地質條件差、偏壓、洞口及淺埋等地段圍巖加固中［3］。地表注漿加固技術對于提高圍巖的自穩時間和自身承載能力，改善巖土體的物理力學性能，縮小開挖變形產生的松馳區范圍，減小圍巖對初期支護和二次襯砌的壓力有著很好的作用。同時注漿管可起到地表錨桿懸掛巖體作用，防止塌方冒頂。通過加固充填礦洞及其坍塌體，使得圍巖整體性得到加強。

經過50多年的發展，我國的隧道注漿加固技術無論是在理論上，還是在實際應用上，都取得了長足的進展，并提出了不同的注漿理論。但是對于注漿壓力、注漿次序優化選擇的研究還很少，對于注漿方案的設計更多依賴于經驗，缺少系統的理論研究。

本文以某隧道作為主要研究對象，采用探地雷達［4-5］、地震波技術［6］檢測隧道圍巖塌陷區域，確定出塌陷區的空間位置、塌陷深度以及塌陷范圍等。以此為根據，利用有限元分析軟件ABAQUS建立隧道三維有限元模型［7］，對隧道地表注漿進行有限元仿真模擬，重點分析注漿壓力、注漿次序對注漿加固效果的影響。并根據數值分析結果，進行施工方案的選擇。最后，通過實際的工程應用，對比隧道變形預測值和實際監測結果，驗證有限元數值方法模擬山頂注漿加固局部圍巖脫空隧道過程的正確性和有效性。

1 工程概況

該隧道位于平頂山市，為分離式雙洞隧道，隧道全長1 318 m，平面線形采用直線和半徑850 m的圓曲線。隧道建筑限界寬9.20 m，高5.00 m;內輪廓凈寬12.5 m，凈高7.01 m。施工期間，隧道里程樁號LK66+446—LK66+508段巖石構造節理裂隙擴展，常呈不規則脈狀、團塊狀出現，致使巖石整體強度變低，并沿裂隙面斷開。由于松散狀的覆蓋土層較厚，頂板巖石厚度薄且破碎，開挖時出現大面積的坍塌、冒頂現象。塌方平均高度12 m，寬度9 m，塌方長度62 m。該隧道運營期間，在同樣位置對應的山頂發生局部塌陷，塌陷區大致呈圓筒狀，直徑達10～12 m，淺處深度為1～2 m，深處深度達10～12 m，塌方量約1 200 m3。探地雷達檢測結果表明該段圍巖局部脫空、不密實嚴重。為提高圍巖強度，降低圍巖的透水性能，改善隧道成拱的作用，決定對該段實施地表高壓預注漿處理，進而達到保證工程安全的目的。

2 注漿加固數值模擬計算

2.1 注漿加固的數值模擬

本文首先結合探地雷達檢測結果，對密實程度不同圍巖采用不同材料屬性來模擬注漿加固過程，通過數值模擬對注漿步序、注漿壓力等因素進行重點分析。數值模擬采用以下幾個基本假定:

1)采用耦合模型方法，將山體、注漿區域和隧道作為一個共同體來建模。

2)注漿過程中，不考慮隧道內通行車輛的影響。3)不考慮注漿管道對山體的影響。

4)假設注漿完成后，漿液以拱形均勻分布。

通過有限元程序 ABAQUS模擬［7］分析注漿加固主要包括以下內容:

1)隧道拱頂施加沖擊荷載模擬山體塌陷，分析隧道受力特性。

2)增加不密實區域的巖體剛度和密度(通過field，variable命令實現)，填充破碎、脫空區域(通過Model Change，add命令實現)來模擬注漿。

3)分析注漿步序對注漿效果的影響。由于隧道左右邊墻圍巖密實情況不同(左邊墻圍巖脫空、不密實較為嚴重)，根據施工經驗，主要分析以下兩種注漿步序情況下的隧道應力應變特性:

步序A:注漿次序依次為左邊墻、右邊墻、左拱腰、右拱腰及拱頂。

步序B:注漿次序依次為右邊墻、左邊墻、右拱腰、左拱腰及拱頂。

通過對比分析，提出合理注漿步序。

4)分析注漿壓力對注漿效果影響。實際注漿過程中，注漿壓力過小不利于漿液的填充密實，壓力過大容易造成隧道的不穩定。在合理注漿步序基礎上分別對1.0 MPa、1.5 MPa及2.0 MPa三種注漿壓力進行數值模擬分析，提出合理注漿控制壓力，為理論驗證實際注漿壓力的合理性提供依據。

2.2 建模說明

根據山體實際檢測情況和具體計算的需要，計算基礎深度取2倍洞徑20 m，長度取113 m;兩側基礎邊界均距拱腳25 m;模型拱頂上方土體平均高度取60 m。另外，根據探地雷達［8］實測數據，在模型中建立不同材料屬性區域，結構整體建模情況及材料分區情況見圖1。山體及隧道二次襯砌材料采用摩爾—庫倫模型，計算參數見表1。山體和隧道采用六面體 C3D8R單元進行網格劃分，鋼筋層采用SFM3D4單元。共劃分C3D8R單元67 545個，節點71 438個;SFM3D4單元18 844個，節點18 950個。

在數值計算中，模擬過程分9個分析步:

1)分析步1～分析步2模擬隧道開挖和修建過程，通過 ABAQUS中的 remove和 add命令來實現，分析圍巖塌方前山體及隧道的應力分布情況。

圖1 隧道不密實區域模型

表1 模型計算參數

2)分析步3結合實際情況，模擬在隧道正常運營期間，山頂巖體塌陷造成隧道內出現局部裂縫，分析此次塌陷對隧道整體穩定及應力應變特性的影響。

3)分析步4～分析步8模擬注漿過程，主要對不同注漿步序、注漿壓力計算分析，為最優注漿加固方案的設計提供依據。

4)分析步9為注漿完成后，進行隧道應力應變分析，評定注漿效果。

3 計算結果與分析

本文模擬地表注漿加固既有公路隧道，分析注漿加固的主要影響因素、注漿過程中隧道應力應變特性及注漿加固效果。

3.1 注漿施工步序的選擇

圖2給出了兩種步序下隧道應力計算結果。分析得出:隨注漿步序不同，隧道左邊墻受拉應力集中在0.2～0.9 MPa之間，在步序A中，應力最大值為1.5 MPa，在步序 B中，最大應力達到1.7 MPa;注漿過程中隧道右邊墻受拉應力集中在0.3～0.7 MPa之間，在步序A中，應力最大值為1.4 MPa，在步序B中，最大應力達到1.6 MPa。

圖2 兩種步序下隧道左右邊墻應力對比

對比兩種注漿步序計算結果可以發現，步序A更為合理，可以有效降低隧道受拉應力，減小注漿對隧道的負面影響。

3.2 注漿壓力的選擇

在注漿步序A基礎上對注漿壓力為1.0 MPa，1.5 MPa及2.0 MPa三種情況進行分析。從圖3可知，在三種注漿壓力下，隧道左邊墻最大應力依次為1.2 MPa，1.5 MPa，2.1 MPa。其中在 2.0 MPa 注漿壓力下，最大應力為2.1 MPa，超過其極限抗拉強度標準值(C25標準值為1.78 MPa)，即2.0 MPa注漿壓力下可能會破壞隧道結構。注漿壓力越大，注漿填充加固效果越明顯，但注漿壓力過大，可能會對隧道結構造成新的破壞。綜合分析各種原因，得出1.5 MPa注漿壓力滿足要求。

圖3 不同注漿壓力下左邊墻處應力對比

3.3 注漿加固前后隧道應力分析

在合理的注漿步序、注漿壓力基礎上，對注漿加固過程進行模擬分析。由圖4可知，注漿后，隧道應力較注漿前明顯減小，其中左邊墻及右邊墻應力值由原來的1.5 MPa減小至0.8 MPa以下;拱頂應力值由原來的0.8 MPa減小至0.4 MPa左右。總之，隧道整體承受荷載減小，分布趨于均勻，注漿加固效果理想。

圖4 注漿前后隧道不同部位應力對比

4 工程應用及效果分析

考慮到本隧道山體的不穩定性，為保證漿液良好的操作性、適應性和結構安全性，漿液采用灌性好、早凝早強、成本經濟的水泥漿液［8］。水灰比控制在0.6～0.8，凝固時間為8 h左右。按照步序A設計要求，以1.5 MPa注漿壓力分步注漿，具體施工步驟如下:

1)塌陷區域定位:首先采用 GPS技術［9］確定地表塌陷坑的三維空間位置，判斷該塌陷區與隧道的相關關系以及對應的隧道里程和部位。然后采用地震波技術對山體塌方情況進行探測，同時采用探地雷達技術對隧道襯砌及其背后圍巖密實、空洞情況進行探測。通過以上綜合技術，可較明確定出塌陷區的空間位置、塌陷深度以及塌陷范圍等。

2)注漿孔布置:隧道注漿加固區域為 LK66+410—LK67+510段。注漿孔采用梅花形布置，沿隧道方向布置5排注漿孔，相鄰兩排間距5 m，每排相鄰兩孔間間距5 m。

3)注漿孔成孔:由 GPS確定各個注漿鉆孔的深度，然后采用電動回轉鉆機成孔，鉆孔直徑為75 mm，每個注漿孔與隧道距離控制在2 m左右。鉆機鉆到設計深度后清理孔位并拔出鉆頭，同時下設加工好的鋼管(直徑30 mm，其中一端10 m范圍內鉆設間距20 cm、直徑15 mm的孔眼用于注漿)于孔內。

4)動態跟蹤注漿加固:采用隧道激光斷面儀［10］監測并記錄隧道各斷面數據，并觀測隧道裂縫變化和滲水情況，確保注漿過程中隧道結構安全，直至注漿完成。

注漿完成后，監測結果表明隧道拱圈變形微小，山頂塌陷區域最大沉降量1.2 mm，整個隧道二次襯砌結構趨于穩定(見圖5)。數值模擬結果與實際監測結果相近，驗證了有限元模型分析的有效性和正確性。

由于地表注漿過程中，高壓漿液具有填充和壓密作用，注漿后的隧道滲水現象得到有效治理，防滲效果如圖6所示。同時探地雷達檢測結果表明，填充效果明顯(見圖7)。注漿前，隧道LK66+420—LK66+435段左邊墻內部圍巖7～12 m處脫空、不密實嚴重，注漿后，病害區域得到有效填充加固。

圖5 注漿后拱頂沉降預測值與實際監測值對比曲線

圖6 防滲效果

圖7 注漿前后雷達探測結果對比

5 結論

1)地表注漿是對既有公路隧道防滲加固治理的有效技術措施。數值模擬可做為地表注漿加固設計的重要依據［11］。同時結合探地雷達檢測結果，對密實程度不同圍巖采用不同材料屬性來模擬注漿加固過程，能有效預測注漿加固效果，較好反映隧道變形特性。

2)注漿加固的機理十分復雜［12］，漿液水灰比的選擇、注漿步序的確定和注漿壓力的控制等，都是地表注漿必須仔細分析的關鍵。

3)考慮到隧道圍巖密實情況不同，應先對脫空、不密實明顯的區域進行注漿加固，避免造成結構偏壓受力，最大限度地保證注漿工程安全。

4)注漿壓力的確定，應綜合考慮注漿步序、結構實際承載能力等因素。在不影響結構安全前提下，通過高壓注漿，達到理想加固治理效果。

5)地表注漿是隧道防滲加固較為有效的一種方法，本文研究成果將有助于優化選擇適合于公路隧道的注漿方案，同時為分析注漿加固既有隧道的影響因素提供一些規律性認識。但是對于諸如注漿不均勻引起結構不均勻形變的負面影響;注漿過程中，注漿壓力與車輛荷載耦合作用對隧道結構的影響等問題的解決還有待進一步完善。

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