廣昆鐵路秀寧隧道下穿水庫圍巖加固技術(shù)研究

孔繁越

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142）

廣昆鐵路秀寧隧道下穿水庫圍巖加固技術(shù)研究

孔繁越

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142）

以廣昆鐵路秀寧隧道工程的建設(shè)為背景，針對秀寧隧道出口端下穿水庫圍巖采用注漿加固的效果進(jìn)行研究。采用M idas/GTS對圍巖加固進(jìn)行基于流固耦合的數(shù)值模擬分析，通過計(jì)算得到的數(shù)據(jù)對圍巖加固方案進(jìn)行評價(jià)，并給出合理的注漿加固設(shè)計(jì)方案。采用流固耦合理論對隧道軟弱圍巖加固的數(shù)值模擬研究在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界并不多見，此項(xiàng)研究對富水極破碎圍巖的加固施工有積極的指導(dǎo)意義，研究成果有助于工程界深入了解下穿水庫圍巖的工程特性，對有豐富地下水滲流的隧道開挖工程提供了有效的前期加固方案。

下穿水庫；圍巖加固；流固耦合；注漿；數(shù)值模擬

大量的工程實(shí)踐表明，在下穿水庫隧道施工過程中，地下水滲流對隧道有很大的影響，其中地下水滲流對圍巖強(qiáng)度的影響是一個(gè)重要的研究課題。對于隧道下穿水庫工程，如何堵水、防水成為施工的重中之重。研究依托廣昆鐵路秀寧隧道下穿水庫工程，該工程圍巖為VI級飽和糜棱巖，開挖施工極其困難（汪樂，2011），為評價(jià)注漿加固的可行性，找出最經(jīng)濟(jì)、適用的圍巖加固方案。研究基于流固耦合理論，采用數(shù)值模擬方法分析了地下水滲流對隧道開挖的影響，通過對比各種工況下地下水滲流方向的變化及開挖斷面變形等計(jì)算結(jié)果，對秀寧隧道出口段下穿水庫時(shí)采取的圍巖超前加固方案進(jìn)行評價(jià)，并給出詳盡的圍巖加固方案（王夢恕，2010）。

1 圍巖物理力學(xué)性質(zhì)研究

圍巖是承載結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分，它既承受一定荷載同時(shí)也是荷載的主要來源，可以說圍巖的工程性質(zhì)是影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定最為重要的因素（鄒代峰等，2002）。為掌握秀寧隧道下穿水庫段圍巖的物理及力學(xué)性質(zhì)，對秀寧隧道未注漿糜棱巖現(xiàn)場取樣及試驗(yàn)，獲得其物理和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，為后續(xù)的數(shù)值模擬和注漿設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)參數(shù)。

通過對秀寧隧道下穿水庫段圍巖試樣一系列物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)的研究，最終確定了未加固圍巖相關(guān)數(shù)據(jù)，其中圍巖的滲透系數(shù)是根據(jù)此前地質(zhì)勘查得出，具體參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 physical and mechanical indexes of surrounding rock

2 圍巖加固數(shù)值模擬

通過對秀寧隧道出口下穿水庫圍巖加固和施工過程實(shí)際情況的研究，利用MIDAS/GTS有限元分析軟件對隧道的施工過程進(jìn)行了考慮流固耦合的數(shù)值模擬，動(dòng)態(tài)地反映施工過程中圍巖和初期支護(hù)位移、內(nèi)力等變化情況，從而評價(jià)注漿加固的可行性。

2.1 模型建立

有限元計(jì)算模型的范圍確定為沿隧道橫斷面方向（x向）100m；沿隧道縱向（y向）50m，模擬的里程范圍為DK1005+950～DK1006+000，注漿試驗(yàn)段50m（兩個(gè)循環(huán)），y軸正方向?yàn)樗淼佬±锍谭较颉Ｉ媳砻孢吔绺鶕?jù)勘察測繪等高線取值模擬，取為自由邊界；下表面邊界取自隧道開挖面幾何中心以下45m，約束所有位移自由度；側(cè)面邊界水平8、位移受到約束，自由水面設(shè)在隧道頂部以上10m處。隧道及周邊圍巖、注漿加固區(qū)域采用了實(shí)體單元進(jìn)行模擬，初期支護(hù)采用板單元進(jìn)行模擬。其中，注漿加固區(qū)域沿軸向取為50m，徑向范圍為隧道開挖外輪廓線5m，分兩個(gè)開挖循環(huán)進(jìn)行加固，注漿加固效果通過提高圍巖參數(shù)來進(jìn)行模擬。計(jì)算模型共劃分為11868個(gè)四面體單元，2359個(gè)節(jié)點(diǎn)（圖1）。

圖1 有限元計(jì)算網(wǎng)格模型Fig.1 fnite elem ent com puting grid model

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

MIDAS/GTS通過計(jì)算孔隙水壓力后把結(jié)果導(dǎo)入土體應(yīng)力計(jì)算，最后輸出有效應(yīng)力結(jié)果的間接方式來完成流固耦合模擬過程。隧道在注漿段開挖結(jié)束后的豎向位移如圖2所示，從圖中可清晰看出隧道拱頂、拱底及地層的豎向位移分布，拱頂沉降最大值為149mm，拱底隆起最大值為131mm。

圖2 注漿段開挖結(jié)束后豎向位移Fig.2 vertical disp lacement after grouting the excavation

地下水滲流速度向量可以看出注漿加固圈對開挖地下水滲流的導(dǎo)向作用。通過加固圈是否有效的改變了滲流路徑來判斷圍巖加固的效果是否良好。圖3是注漿加固圍巖在開挖第一步的地下水滲流速度向量圖，從給出的地下水速度向量顯示結(jié)果可以看出，在第一循環(huán)注漿加固后，地下水不從第一循環(huán)注漿加固圈中流入開挖面，而是順加固圈流入下面土層和第二循環(huán)注漿加固范圍，可以判斷注漿加固圈基本達(dá)到了止水、導(dǎo)向的作用。

圖3 開挖第一步地下水滲流速度向量Fig.3 the f rst step in the excavation of groundwater seepage velocity vector

提取開挖后初期支護(hù)最大主應(yīng)力結(jié)果來查看初期支護(hù)狀態(tài)，初期支護(hù)最大主應(yīng)力結(jié)果如圖4，從圖中可以看出，初期支護(hù)主要受壓應(yīng)力，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，開挖段最大壓應(yīng)力為20.5Mpa，產(chǎn)生在開挖段頭部拱頂處，最小壓應(yīng)力為0.18Mpa，產(chǎn)生在開挖中段拱腰處。

圖4 開挖后初期支護(hù)最大主應(yīng)力Fig.4 primary support maximum principal stress after excavation

2.3 注漿加固效果評估

通過分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對圍巖進(jìn)行超前加固，可大大增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。對于控制拱頂沉降和拱底隆起更加明顯，而且能大大改善初期支護(hù)受力狀態(tài)，減少初期支護(hù)的投入成本。綜上所述，采用超前注漿加固的方式作為秀寧隧道出口下穿水庫圍巖的加固方案是可行的。

3 全斷面超前注漿設(shè)計(jì)方案

針對秀寧隧道出口下穿水庫段的實(shí)際情況，結(jié)合數(shù)值模擬評價(jià)結(jié)果并結(jié)合全斷面注漿設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該段采用全斷面超前注漿方法處理軟弱圍巖。隧道開挖前對地層進(jìn)行全斷面超前預(yù)注漿加固，注漿開挖分兩個(gè)循環(huán)進(jìn)行，每個(gè)循環(huán)的注漿段落長度為25m，開挖段落長度為20m。

3.1 注漿材料選擇及配比

根據(jù)斷層地質(zhì)情況及堵水加固的要求，采用普通水泥單液漿、硫鋁酸鹽水泥單液漿、普通水泥-水玻璃雙液漿配合使用（李澤龍，2004）。在外圈孔采用普通水泥-水玻璃雙液漿形成止水帷幕；內(nèi)圈孔采用硫鋁酸鹽和普通水泥單液漿相互配合加固地層。由于秀寧隧道出口段下穿水庫，地下水豐富?？紤]地下水對漿液的稀釋作用，水灰比取低值。漿液配比參數(shù)如表2所示。

表2 漿液配比參數(shù)表Tab.2 slurry ratio parameter table

3.2 止?jié){墻厚度

根據(jù)研究段掌子面地質(zhì)情況，結(jié)合施工方法，考慮到軟弱圍巖施工可能會(huì)出現(xiàn)的涌水、涌泥的危險(xiǎn)，故第一循環(huán)使用2.0m厚混凝土作為止?jié){墻，若施工仍存在比較明顯的串漿、冒漿，則加厚處理；若止?jié){效果良好，可以經(jīng)過研究適當(dāng)減小止?jié){墻厚度，但要保證施工安全和注漿效果（陳俊儒，2009）。

3.3 注漿孔布置

對于漿液擴(kuò)散半徑的選取，一般根據(jù)現(xiàn)場施工采取經(jīng)驗(yàn)取值。在中細(xì)砂層、粉質(zhì)黏性土中取0.5～0.8m；中粗砂、砂卵石層中取0.8～1.2m；斷層破碎帶取1.5～2.0m。由于秀寧隧道出口下穿水庫圍巖處于斷層破碎帶而且富水、軟弱，所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)散半徑取2.0m（崔玖江等，2011）。根據(jù)現(xiàn)場施工鉆機(jī)型號的參數(shù)以及軟弱圍巖施工經(jīng)驗(yàn)，秀寧隧道出口下穿水庫圍巖全斷面預(yù)注漿鉆孔半徑采用Φ100mm。具體注漿孔布置縱斷面圖，如圖5所示。

圖5 注漿孔布置縱斷面圖Fig.5 grouting hole layout longitudinal prof le

秀寧隧道出口下穿水庫段全斷面超前預(yù)注漿注漿孔布置以漿液擴(kuò)散不出現(xiàn)空白為原則進(jìn)行布置。每循環(huán)超前注漿共設(shè)置98個(gè)注漿孔，A1-A24孔深13m，B1-B22孔深16.7m，C1-C22孔深21m，D1-D20孔深26.5m。具體加固范圍示意圖及擴(kuò)散半徑圖，如圖6、7、8所示。

3.4 參數(shù)匯總

秀寧隧道出口下穿水庫段全斷面超前預(yù)注漿設(shè)計(jì)遵照設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，并吸取類似工程的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)。對于參數(shù)的取值及注漿孔的布置都嚴(yán)格經(jīng)過審核（張民慶等，2008）。匯總注漿設(shè)計(jì)中的注漿參數(shù)，如表3所示。

圖6 注漿加固范圍示意圖Fig.6 grouting reinforcem ent range diagram

圖7 斷面A-A注漿孔布置圖Fig.7 section A - A grouting hole arrangement

圖8 斷面C-C注漿孔擴(kuò)散效果示意圖Fig.8 section C - C grouting hole diffusion effect diagram

表3 注漿參數(shù)匯總表Tab.3 summary of the grouting parameters

4 結(jié)論

本文依托秀寧隧道出口段的建設(shè)，通過對秀寧隧道出口下穿水庫段圍巖基本資料、圍巖加固方案和施工過程的研究，采用流固耦合的數(shù)值模擬方法對研究段進(jìn)行模擬計(jì)算后，制定全斷面超前預(yù)注漿參數(shù)并完成注漿設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下：

（1）通過對一系列關(guān)于秀寧隧道出口段圍巖性質(zhì)試驗(yàn)的研究，確定了下穿水庫段糜棱巖的工程特性：糜棱巖的含水量w在5.9% ～11.4%之間，平均含水量約為8%；糜棱巖的天然密度ρ在2.20～2.32g/cm3之間，平均密度約為2.25g/cm3；糜棱巖的比重Gs在2.65～2.70之間，平均值約為2.67；糜棱巖巖體破碎，顆粒粒徑范圍較廣，級配不良密實(shí)度不高，工程性質(zhì)不良。

（2）通過對秀寧隧道出口下穿水庫段圍巖的研究并結(jié)合類似工程的經(jīng)驗(yàn)，確定全斷面超前預(yù)注漿為最適合的圍巖超前加固方式。

（3）通過有限元軟件MIDAS-GTS對秀寧隧道出口下穿水庫段的開挖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對地層進(jìn)行全斷面超前注漿加固后，隧道開挖時(shí)最大拱頂沉降、拱的隆起值都有相應(yīng)的減少；初期支護(hù)的受力狀態(tài)得到很大改善；通過滲流速度向量看出，注漿加固圈對地下水滲流起到了很好的止水、導(dǎo)向作用。

（4）綜合分析可知秀寧隧道出口下穿水庫段采用全斷面超前預(yù)注漿加固效果明顯，能有效改善糜棱巖的工程性質(zhì)，提高圍巖的穩(wěn)定性，減小隧道開挖時(shí)圍巖和支護(hù)的變形，并能改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，因此，全斷面超前預(yù)注漿加固圍巖可以用于秀寧隧道出口下穿水庫段的施工。

（5）根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并分析秀寧隧道現(xiàn)有施工方案，提出了更加合理的全斷面超前注漿加固方案，對工程的施工起到指導(dǎo)、借鑒作用。

陳俊儒，2009. 基于流固耦合的海底隧道注漿圈合理參數(shù)研究[D]. 中南大學(xué).

崔玖江，崔曉青，2011. 隧道與地下工程注漿技術(shù)[M]. 中國建筑工業(yè)出版社：9-66，97-99.

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張民慶，彭峰，2008. 地下工程注漿技術(shù)[M]. 北京：地質(zhì)出版社：1-148.

Research on Reinforcing Technology for Surrounding Rock Undercrossing the Reservoir of Xiuning Tunnel along the Guangtong-Kunm ing Railway

KONG Fanyue

(China Railway Design Corporation, Tianjin 300142)

Based on the construction of Xiuning tunnel along the Guang-Kun railway, the paper has studied the grouting reinforcement effect in surrounding rock undercrossing the reservoir. The numerical simulation of fuid-solid coupling method is adopted, as a result, the optim ization evaluation and scheme of surrounding rock reinforcing are proposed. The innovation of this article lies in the fluid-solid interaction theory, however the numerical simulation study on the weak wall rock tunnel at home and abroad is seldom experienced. The research results are beneficial to understand the engineering properties of surrounding rock undercrossing the reservoir, and to provide effective reinforcement measures for the tunnel excavation engineering in the condition of rich groundwater.

Undercrossing the reservoir; Surrounding rock reinforcement; fluid-solid interaction; Grouting; Numerical simulation

A

1007-1903（2017）02-0035-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.007

孔繁越（1989- ），男，碩士，研究方向：巖土工程。E-mail：foreverten89@126.com