深埋破碎圍巖隧道圍巖特征曲線及注漿加固范圍

張明偉 金 純 田斌華 李浚元

(1.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061； 2.西北勘查設計研究院，陜西 西安 710000)

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深埋破碎圍巖隧道圍巖特征曲線及注漿加固范圍

張明偉1金 純1田斌華1李浚元2

(1.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061； 2.西北勘查設計研究院，陜西 西安 710000)

借助新奧法和新意法基本思想，采用數值模擬方法，研究了不同注漿加固圈厚度作用下，馬蹄形深埋隧道圍巖特征曲線及最佳注漿加固范圍，結果表明：注漿加固能有效減小圍巖松動壓力，延遲初支支護時機，減小支護結構荷載承擔比率，通過圍巖反力釋放率與注漿圈厚度關系可得到最佳注漿范圍。

深埋破碎圍巖，注漿加固，特征曲線，有限差分法

新奧法開始于1934年L.V.拉布采維茨在地下工程中使用的噴漿護壁，其本質是充分利用圍巖的承載效能和斷面空間約束作用。隨后此方法被不斷改進和創新，Pietro和Lunardi基于圍巖壓力拱理論和新奧法，提出了新意法[1]，即巖土控制變形分析法(ADECO-RS)，它是一種隧道掌子面前方核心土穩定性研究和信息化設計支護相結合，保證隧道安全通過復雜地層的動態設計施工原則。新意法中強調超前核心土的剛度影響掌子面(擠出變形、預收斂變形)和隧道(收斂變形)的變形，這使得超前核心土變為一種調節隧洞穩定的途徑工具。隧道結構設計涉及多方面因素，新奧法和新意法都包括對圍巖破碎區進行超前支護，主要目的都是為保證圍巖穩定，不同的學者們提出了不同的圍巖穩定分析方法(力學分析、圍巖分類和位移反分析等方法)，其中收斂—約束法起源于法國，理論基礎為圓形隧洞的彈塑性分析，其關鍵在于對圍巖與支護的相互作用和動態作用的分析[2]。隧洞開挖時洞周巖體必定會產生一定松動，這一松動范圍往往呈環狀，這部分環狀區域稱為圍巖松動圈[3]。李云等[4]基于松動圈理論采用數值模擬以及巷道變形量觀測的方法對二次注漿加固支護效果進行了檢驗。結果表明二次注漿加固提高了圍巖的整體強度，使塑性區大幅減小，可有效解決破碎圍巖的持續變形問題。陳慶敏等[5]基于霍克—布朗的節理巖體經驗強度準則，研究了有關破壞巖石變形圍巖特征曲線方程。本文結合新奧法和新意法基本思想，通過注漿加固控制圍巖預收斂變形，采用數值法研究不同注漿加固圈厚度作用下隧道圍巖特征曲線及最佳注漿加固范圍。

1 約束—收斂法基本原理

隧道穩定是一種復雜多結構作用體系，圍巖與支護的相互依存關系是這一體系中的關鍵，約束—收斂法即特征曲線法，將彈塑性解析和巖石力學相關理論融入進來，進一步闡釋了這種依存關系。其原理如圖1中曲線所示，坐標軸上部分是隧道內壁徑向位移ur和隧道內壁上圍巖應力中徑向壓應力σr(或洞壁支護反力Pi)的關系曲線，坐標軸下部分為隧道內壁徑向位移ur和時間t的關系曲線。

2 基于寶興水電站的數值分析

2.1 工程概況

寶興水電站引水隧洞全長18.05 km，屬傍山深埋隧道，分為CⅠ～CⅤ個標段施工，不良地質洞段位于CⅡ標段，全長3 500 m。研究區域位于糜棱巖斷層帶，為Ⅴ級圍巖，埋深400 m左右，地下水埋深100 m～170 m。隧道為馬蹄形斷面，直徑5.4 m，初期支護采用超前固結灌漿、管棚、鋼拱架、噴混凝土來解決成洞問題；二期支護采用鋼筋混凝土襯砌，用來承擔運行期內水壓力及外水壓力的作用。

2.2 計算模型

計算模型采用厚度為0.5 m的準二維數值模型，考慮模型的邊界效應，取3倍～5倍隧道洞徑[6]。因此，模型尺寸為80 m×60 m×0.5 m。網格模型如圖2所示。模型共計2 126個單元體，包含4 398個網格節點。

計算模型四周的外邊界僅約束邊界面法向位移，模型底部y=-30 m采用固定約束，該模擬區段隧道埋深為400 m，在模型表面施加8 MPa豎向應力?？紤]構造應力場，側壓力系數[7]取1.2，地下水水頭高度為230 m，考慮孔隙水壓力，得到最終孔隙壓力云圖如圖3所示，不考慮地下水的滲流作用。

選用應變硬化/軟化本構模型來模擬圍巖材料，Mohr-Coulomb本構模型[8]模擬注漿圈，支護結構采用均質彈性模型模擬。計算過程中，圖4曲線為應變軟化模型采用的單元應力應變關系。

2.3 計算參數

研究區域位于糜棱巖斷層帶，取V級圍巖參數，圍巖物理力學參數建議值見表1。各支護結構參數見表2～表4。考慮噴射混凝土的早期強度特性，1 d齡期噴射混凝土的彈性模量約為28 d齡期的0.66倍[9]。

2.4 加固圈厚度研究

以側墻中點為研究關鍵點，考慮注漿加固厚度為0 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，3 m，3.5 m，4 m，4.5 m，5 m 10種工況，得到不同注漿加固范圍對應側墻收斂值如表5所示。

表1 引水隧洞圍巖物理力學參數建議值

表2 注漿加固區參數

表3 噴射混凝土參數

表4 型鋼參數

表5 不同注漿范圍對應側墻收斂值

由圖5可知，隨著隧道注漿加固圈厚度的增加，隧道圍巖側墻收斂值不斷減小，曲線越來越平緩，當加固圈厚度大于2.5 m時，注漿加固對側墻收斂變形影響不明顯。因此，注漿加固圈最佳厚度為2.5 m。

2.5 圍巖特征曲線研究

以拱頂節點為研究關鍵點，考慮注漿加固厚度為0 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，3 m，3.5 m，4 m，4.5 m，5 m 10種工況，得到不同注漿加固圈厚度作用下的圍巖特征曲線，如圖6所示。

由于寶興水電站引水隧洞處于糜棱巖斷層帶，屬于Ⅴ級圍巖。隧道開挖后，圍巖強度減弱甚至喪失，于是洞周有松動區形成，松動區巖石作用在支護結構上，產生松動壓力，然后圍巖特征曲線停止下降，開始上升，具體變化過程見圖6。

從上述結果中提取最大支護反力P0和最小支護反力P1，可得到不同注漿圈厚度作用下對應隧道圍巖反力釋放率，如表6所示，反力釋放率定義為(P0-P1)/P0。

表6 不同注漿圈厚度下圍巖反力釋放率

注漿圈范圍越大，隧道圍巖松動壓力越小，巖土體由形變壓力轉化為松動壓力對應的臨界位移和支護反力均減小，說明隧道圍巖注漿能有效控制隧道圍巖位移，減小作用在支護上的壓力，延遲初支支護時機。由圖7可知，隧道反力釋放率隨隧道注漿圈厚度的增加而增加，但增長速度越來越慢，由此可以得到最大注漿圈厚度，即2.5 m，與上一部分得到的結果吻合。

3 結語

1)采用FLAC3D有限差分軟件，可以通過選用應變硬化/軟化模型和控制時步的方法得到形變壓力和松動壓力兩部分組成的圍巖特征曲線。

2)注漿加固支護措施能有效延遲隧道支護時機，減小支護結構承擔的隧道圍巖荷載和荷載承擔比率。由圍巖節點反力釋放率與注漿圈厚度的關系可得到最佳注漿加固范圍，且結果與參考位移得到的結果一致。

[1] Lunardi P. Design and Construction of Tunnels: Analysis of Controlled Deformations in Rock and Soils(ADECO-RS)[M]. Springer Science & Business Media,2008.

[2] 陳峰賓,張頂立,扈世民,等.基于收斂約束原理的大斷面黃土隧道圍巖與初支穩定性分析[J].北京交通大學學報,2011,35(4):28-32.

[3] 董方庭.軟巖巷道支護基礎理論的研究[J].建井技術,1991(2):40-44.

[4] 李 云,韓立軍,孫昌興,等.大松動圈破碎圍巖二次注漿加固試驗研究[J].煤炭科學技術,2012,40(12):19-23.

[5] 陳慶敏,袁 亮.考慮巖石破裂后變形特性的巷道圍巖特征曲線[J].遼寧工程技術大學學報,1997(5):151-155.

[6] 蘇曉堃.隧道開挖數值模擬的圍巖邊界取值范圍研究[J].鐵道工程學報,2012(3):64-68.

[7] 謝啟東.斷層區域構造應力場特征及其對隧道圍巖穩定性影響分析[D].長沙：中南大學,2010.

[8] 施大堃.基于三維地質模型和巖石應變軟化的隧道圍巖穩定性分析[D].南京：南京理工大學,2010.

[9] 常燕庭.噴射混凝土早期材料性質對支護效果的影響[J].長江科學院院報,1992(3):8-16.

Research of ground characteristic curve and grouting range on the deep tunnel within cracked surrounding rocks

Zhang Mingwei1Jin Chun1Tian Binhua1Li Junyuan2

(1.Geotechnical and Structural Engineering Research Center， Shandong University， Jinan 250061， China；2.Xibei Engineering Corporation Limited， Xi’an 710000， China)

Taking the basic idea of new Austrian method and new method, using the numerical simulation method, this paper researched the surrounding rock characteristic curves and optimum grouting reinforcement range of horseshoe deep tunnel under different grouting reinforcement circle thickness, the results showed that the grouting reinforcement could effectively reduce the surrounding rock loose pressure, delay initial support time, reduce the support structure load bear ratio, through the relationship of surrounding rock anti stress release rate and grouting circle thickness could get the best grouting range.

deep buried broken rock, grouting reinforcement, characteristic curve, finite difference method

1009-6825(2017)08-0152-03

2017-01-05

張明偉(1989- )，男，在讀碩士； 金 純(1993- )，女，在讀碩士； 田斌華(1993- )，男，在讀碩士； 李浚元(1975- )，男，工程師

U457.3

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