注漿加固對深埋富水圍巖隧道開挖變形影響研究分析*

李立端 張延森 肖立拓

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽 515325； 2.徐州市交通規劃設計研究院 徐州 221000； 3.廣州市市政工程設計研究總院 廣州 510000)

注漿加固作為一種提高圍巖力學性質的手段，具有堵水防滲和加固的作用。加固作用是指利用漿液充填和固結被破壞的或原有的裂隙面，從而提高巖體強度，并參與巷道圍巖應力平衡過程，充分發揮巖體自身承載能力[1]。堵水作用是指將各種堵水材料制成的漿液壓入到含水巖層中的預定地點，并使漿液擴散、凝固和硬化，從而達到堵塞水滲流空隙、隔絕水源、提高透水巖層隔水性能并封堵礦井涌水的目的[2]。目前，隧道注漿材料一般為水泥類漿材或水泥-水玻璃類漿材，注漿方法一般可分為超前預注漿、徑向注漿、局部注漿和補強注漿4種，其中超前帷幕注漿法在防止突泥、涌水方面效果較好[3]。作為隧道施工的重要輔助工法，注漿加固在高水壓隧道施工中得到比較廣泛的應用。其中，針對高水壓斷層破碎帶和節理發育密集帶的止水注漿，及穿越軟弱、不良地質段的加固注漿對隧道的施工安全、施工進度及運營后的止排水等都有顯著效果[4]。

對于深埋富水圍巖隧道，特別是斷裂破碎帶處，在高地應力、高水壓圍巖應力場與滲流場耦合作用下，隧道開挖圍巖變形很大且變形速度很快，因此，開展注漿加固對富水圍巖隧道開挖變形影響的研究非常必要。

1 裂隙巖體注漿加固理論

1.1 注漿加固作用

注漿加固原理是借助于壓力液壓、氣壓或電化學手段將具有膠凝功能的漿液通過一定的管路注入土層或巖層中的空隙、裂隙與空洞中，將其中的水分與空氣趕走，并將松散破碎的巖土層膠結起來。可以達到改善巖土層性能，降低巖、土層的滲透性，提高巖、土層的強度與承載能力，減少巖、土層變形的目的。

注漿是廣泛用于交通土建工程、水電工程、工業民用建筑及人防工程的加固技術。在不同的工程中，注漿的目的是不同的。對于隧道工程，注漿的目的主要有以下幾種。

1) 防滲。注漿時，漿液被高壓注入巖土體的裂隙中,減少巖體的空隙率，降低巖體的滲透性，消除或減少地下水的滲流量，降低工程場壓力或空隙水壓力，提高巖體的抵抗滲透變形能力，起到防滲的作用。

2) 堵水。注漿漿液凝固后，封堵巖土體中的裂隙，截斷巖體中的水流通道，提高其防水性，使之形成一定厚度的止水圈，起到堵水作用。

3) 固結。改善巖土或結構的力學性能，恢復其整體性。

4) 提高圍巖的承載能力。漿液滲透凝固后，降低巖體的空隙率，改善巖體的內聚力和內摩擦角等力學參數，提高了巖體的力學性能。

5) 改善支護襯砌受力條件。通過注漿，可以充填隧道襯砌背后的大空洞和大空隙，起到改善支護襯砌受力條件的作用。

可見，注漿加固對于圍巖開挖變形的影響主要有2個方面：① 注漿加固提高加固區圍巖的強度，使得圍巖開挖卸載后的回彈變形變小；②注漿加固后加固區圍巖滲透系數的大小不僅關系到隧道的排水量[5]，還決定開挖滲流對圍巖變形的影響程度。另外，注漿圈的厚度及滲透系數的選擇關系到施工難度及施工成本。

1.2 注漿對圍巖參數的影響

1.2.1對彈性模量的影響

灌漿漿液經高壓滲入巖塊破裂面后，能夠較好地固結巖塊，提高其承載能力，并在較大的變形范圍內保持穩定的承載力。

有關巖石注漿前后巖體的靜彈性模量統計表明，圍巖在進行注漿加固以后，其彈性模量一般的都能提高30%以上，更有甚者能使之提高到375%，極大地提高了圍巖的性能。

1.2.2對粘聚力和內摩擦角的影響

灌漿后的節理巖體內充填了水泥漿，而且裂隙面受到灌漿壓力作用而被壓緊，變為閉合狀態，從整體上增加了裂隙間的咬合，這些有助于巖體抗剪強度的提高。另外，由于節理面的貫通性受到改變并受到一定的閉合壓力，弱面破壞受到一定比例的阻止。因此，灌漿對巖體的凝聚力和摩擦系數均有所提高。

前蘇聯M·卡姆別霍爾及別廖也夫對后注漿加固圍巖的力學過程進行了理論分析和現場測試，結果表明，注漿后巖石的黏結力增加40%～70%，平均增加50%。一般認為，對于巖體的黏聚力和內摩擦角能提高20%～30%。圍巖力學參數的提高，對隧道的順利安全施工創造了條件。

1.2.3對滲透系數的影響

水在圍巖中的滲流能力取決于圍巖中裂隙本身的寬度、間距、連通度、粗糙度及巖體的應力狀態。一般而言，裂隙的寬度越大、間距越小、連通度越好、粗糙度越小或裂隙面法向應力越小，則圍巖的滲透系數越大。

在隧道圍巖中注漿，用高壓將漿液充填到巖體裂隙中，通過漿液的凝固結石，減小裂隙的寬度，增加裂隙的粗糙度，使裂隙面受到灌漿壓力作用而被壓緊，變為閉合狀態,達到減小圍巖滲透系數，降低圍巖滲透性的作用。

對圍巖的注漿實踐表明，注漿結束后圍巖的透水系數一般為原來圍巖透水系數的0.1%～0.5%，因此，對圍巖進行高壓固結注漿堵水后，其滲透系數可以減小，以達堵水的目的。

2 注漿后隧道的孔隙水壓力分布

設一圓形隧道，隧道內半徑為ra，承受內水水頭ha，二次襯砌外半徑為r，二次襯砌外側水頭為h2，初期支護外半徑r1，初期支護外側水頭為h1，注漿加固圈外半徑為rg，注漿加固圈外側水頭為hg，海水深度hw。假定隧道襯砌及周圍巖土體都是均質體，忽略介質的自重，同時假設材料的滲透系數在各個方向相同，且滲流方向以徑向為主，則滲流體積力中浮力部分比例較小，為研究隧道開挖后地下水滲流的影響機制，浮力的影響可不考慮。假定半徑r0以外形成的穩定滲流場水頭與隧道中心點的原始靜水壓力水頭h0相等，本文中，取r0=h0=rw+H，將h0作為模型計算外邊界水頭。在以上假設前提下，可近似按軸對稱平面應變問題分析隧道地下水滲流場分布，如圖1所示。

圖1 隧道地下水滲流模型

圍巖滲透系數為ks，注漿加固區滲透系數kg，初期支護滲透系數為k1，二次襯砌滲透系數為k2。根據地下水滲流力學理論[6]，可求解隧道滲水量Q、二次襯砌外水壓力p2、初期支護外水壓力p1、注漿加固圈外壁水壓力pg，遠場圍巖水壓p0。

(1)

p2=γwh2=γw×

(2)

p1=γwh1=γw×

(3)

pg=γwhg=γw×

(4)

p0=γwh0

(5)

(6)

(7)

(8)

由水力學中的達西定律和地下水連續方程可知[7-8]，孔隙水壓u與滲透系數K的關系如式(9)。

(9)

式中：K為滲透系數；γw為地下水容重，kN/m3。

在穩定滲流中，有?/?t=0，則2u=0；由對稱性可知?/?θ=0，由式(9)可得：

1) 在二襯范圍內(ra≤r≤r2)，孔隙水壓力

(10)

2) 在初支范圍內(r2

(11)

3) 在注漿圈范圍內(r1

(12)

4) 注漿圈外圍巖(rg

(13)

由此可知，隧道的初期支護、二次襯砌、注漿圈的厚度、滲透系數及圍巖滲透系數的大小均會影響隧道的滲水量和孔隙水壓力分布。但是在隧道開挖過程中，隧道滲水量及圍巖孔隙水壓力分布主要由注漿圈與圍巖的滲透系數的比值及注漿圈的厚度決定，注漿圈越厚、注漿圈與圍巖滲透系數比值越大，注漿圈所承受的水壓力越大，隧道滲水量越小。

3 注漿加固對圍巖開挖變形影響模擬分析

某隧道位于丘陵區，隧道按分離式布設，左線隧道里程為ZK14+390-ZK17+390，最大埋深280 m。右線隧道里程為K14+380-K17+388，最大埋深270 m。隧址區基底主要為燕山期花崗巖，局部見輝綠巖巖脈，覆蓋層由黏土、全～強風巖組成，基巖由中～微風化巖組成。地下水以大氣降水和山谷匯水下滲補給為主，排泄方式則以蒸發和側向徑流排泄為主。隧道在ZK16+450-Z16+600(K16+400-K16+580)段存在F3區域大斷裂(圖2a))，該斷層處圍巖破碎，裂隙發育，工程地質復雜，屬于IV、V級圍巖，且其上方約150 m處存在一水庫(圖2b))。隧道開挖過程中改變了天然地下水的補、徑、排條件，隧道成為新的局部排泄基準，易發生塌方、涌水、水資源流失、生態環境破壞等不良情況。破碎帶涌水情況如圖2c)所示。

圖2 工程地質情況匯總

3.1 模型建立及計算參數選取

選取隧洞右線深埋富水段作為研究對象，研究注漿加固對圍巖開挖變形的影響。采用midas GTS NX軟件，隧道埋深取150 m，每次進尺的長度2 m，模擬開挖30步，模型的計算范圍為120 m×120 m×210 m，整個數學模型共劃分為97 679個實體單元、4 480個板單元、17 469個節點，見圖3所示。開挖網格組分布見圖4所示。

圖3 隧道模型圖

圖4 開挖網格組分布圖

模擬圍巖為V級圍巖，根據地質勘探資料確定巖體的物理力學參數，采用等效連續介質模型，D-P彈塑性屈服準則。巖體采用實體單元模擬，支護結構用板單元模擬。初噴在圍巖開挖后跟進施作，二襯只在開挖前20 m施作，只作為開挖前支護條件，不隨著開挖的進行而跟進施作。

隧道埋深較大，隧道在垂直方向的初始地應力取巖體的自重，水平方向的初始地應力按側壓力系數λ=1考慮。假定隧道開挖前，圍巖處于飽和狀態。開挖后，地下水在隧道開挖區域的邊界上為自由透水邊界，滲流水壓力為0。采用超前帷幕全斷面注漿加固，注漿加固效果可通過提升注漿區圍巖的物理力學參數模擬，注漿參數如圖5所示。

圖5 注漿圈參數圖

圍巖、支護結構、注漿區及破碎帶的模擬計算參數，如表1所示。其中，對于襯砌只考慮其支護作用，不考慮其堵水作用，因此取襯砌的滲透系數為無窮大。

表1 計算參數表

3.2 注漿圈厚度對圍巖開挖變形影響分析

3.2.1滲流場分析

取注漿圈滲透系數為2.0×10-5cm/s，模擬注漿圈厚度分別為0(未注漿)，2.5，5.0，7.5，10 m時對圍巖開挖的滲流場影響，孔隙水頭分布如圖6所示。

圖6 不同注漿圈厚度下的孔隙水頭分布圖

由圖6可見：

1) 當對隧道采用了超前注漿加固，地下水直接通過注漿圈滲透進隧道，隧道開挖對滲流場的影響區域比未注漿前有所減小，注漿加固圈分擔了一部分的水壓力，滲流速度矢量的方向為隧道徑向方向。

2) 注漿圈厚度對于隧道開挖滲流場的影響較小，開挖邊界周圍區域孔隙水壓力只隨著加固圈厚度的增大而略微增大。

3.2.2位移場分析

進行應力-滲流耦合分析，得到注漿圈厚度分別0(未注漿)，2.5，5.0，7.5，10 m時圍巖的位移結果，提取不同注漿圈厚度的拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂計算結果，如圖7所示。其中圖中水平軸負值表示該斷面未開挖，正值表示該斷面已開挖。

圖7 不同注漿圈厚度下位移場曲線圖

由圖7可見：

1) 注漿加固可有效地抑制有水開挖滲流作用引起圍巖的變形，尤其是對圍巖開挖后的變形抑制更為明顯，可以看出，圍巖在注漿加固后的拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂總值均比無注漿時大幅減小；另外，圍巖在采用注漿加固后減小了圍巖的變形速度，縮短了圍巖的變形收斂時間。

2) 隨著注漿圈厚度的增大，圍巖的拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂值均逐漸減小，加固效果越來越好；但另一方面，圍巖變形減小速度越來越小，加固效果越來越不明顯。

例如，圍巖拱頂下沉總值在0(未注漿)，2.5，5.0，7.5，10 m加固圈情況下分別為20.72，16.70，14.95，13.91，13.26 mm；相互差值分別為4.02，1.75，1.04，0.65 mm。圍巖變形值在注漿加固后減小主要是由于注漿區圍巖物理力學參數的提升，但隧道開挖滲流對周邊圍巖影響區域有限，因此，只有在隧道開挖邊界一定范圍內，注漿加固的效果才比較明顯。

3.3 注漿圈滲透系數對圍巖開挖變形影響分析

3.3.1滲流場分析

取注漿圈厚度為5 m，模擬注漿圈滲透系數分別為3.0×10-5，2.0×10-5，1.0×10-5，0.5×10-5，0.1×10-5cm/s時注漿圈滲透系數對圍巖開挖的滲流場影響，孔隙水頭分布如圖8所示。

圖8 不同注漿圈滲透系數下的孔隙水頭分布圖

由圖8可見：

1) 注漿圈滲透系數對于隧道開挖滲流場的影響較大，隨著注漿圈滲透系數的增大，注漿加固區分擔的水壓力越來越大。

2) 隨著注漿圈滲透系數的增大，開挖邊界區域孔隙水壓力大幅增大，顯著地減小了開挖滲流場的影響區域。當滲透系數小于1×10-6cm/s時，開挖施工只對注漿圈區域的滲流場的影響較大，對其余地方影響很小，接近未開挖時的圍巖滲流場。

3.3.2位移場分析

進行應力-滲流耦合分析，得到注漿圈滲透系數分別為3.0×10-5，2.0×10-5，1.0×10-5，0.5×10-5，0.1×10-5cm/s時圍巖的位移結果，提取不同注漿圈滲透系數的拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂結果，如圖9所示。

圖9 不同注漿圈滲透系數下位移場曲線圖

由圖9可見：

1) 隨著注漿圈滲透系數的減小，拱頂下沉值越來越小，拱底隆起值越來越大，水平收斂值變化很小。

2) 由于滲透系數的減小，注漿加固區分擔的水壓力越來越大，減小了開挖滲流場的影響區域，開挖滲流引起的隧道整體固結沉降也逐漸減小，并且由于注漿加固區圍巖物理力學參數的提升限制了圍巖的收斂變形，因此注漿圈滲透系數對于隧道凈空影響不大，只表現出隧道整體的固結沉降，注漿圈滲透系數的大小主要影響隧道的總體位置。

4 結論

1) 注漿加固對于提升圍巖的彈性模量、黏聚力、內摩擦角及滲透系數等參數有顯著作用，注漿加固會改變開挖滲流場影響下圍巖的孔隙水壓力分布。

2) 隧道滲水量及圍巖孔隙水壓力分布主要由注漿圈與圍巖滲透系數的比值及注漿圈的厚度決定,注漿圈越厚,注漿圈與圍巖滲透系數比值越大，注漿圈所承受的水壓力越大，隧道滲水量越小。

3) 注漿加固會減小滲流影響下圍巖開挖變形速度及變形量，在開挖邊界一定范圍內注漿效果比較明顯，注漿圈滲透系數的大小決定隧道的固結沉降值，主要影響隧道的總體位置。注漿圈滲透系數的大小直接關系到隧道的滲水量，考慮實際施工難度和成本問題，并不是注漿圈厚度越大、滲透系數越小對于圍巖變形的抑制作用效果越好，而是存在相對經濟合理的參數值。

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