水底隧道注漿圈設計參數研究

周宇鍇，張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

水底隧道所處的工程地質及水文地質條件復雜、存在高水頭地表水及地下水的作用、地下水的賦存形式不明確、地層的滲透系數及巖層產狀不明確等因素都給水底隧道設計及施工帶來困難。目前，國內外對礦山法跨越江河的水底隧道的設計、施工主要仍是沿用山嶺隧道的設計、施工的方法及理念，外加對高水壓地下水的處理措施。富水隧道支護結構體系在含高水頭地下水的水底隧道中所起作用的大小，地下水是否對初期支護措施有削弱的作用，注漿加固圈層的設計參數對控制地下水的排放及控制圍巖變形的影響大小等都是值得研究的。本文就該問題進行研究，以達到弄清地下水的存在對各支護結構的影響。

1 注漿加固圈設計

為保證水底隧道開挖的安全性、圍巖的穩定性及隧道運營過程中可行性、舒適性等，一般均需要對水底隧道圍巖實施超前帷幕(全斷面)注漿、超前小管棚注漿預加固以及開挖后系統錨桿注漿等措施，來減小地下水的滲流量、減小圍巖變形值、確保圍巖穩定性及隧道襯砌結構安全性。

超前鉆孔注漿預加固是把具有充填和凝膠性能的注漿材料，通過配套的注漿機具設備壓入所需加固的地層中，經過凝膠硬化作用后填充和堵塞地層中縫隙，減小注漿區地層滲透系數及隧道開挖時的滲漏水量，并能固結軟弱和松散巖體，使圍巖強度和自穩能力得到提高。其主要的設計參數有：注漿圈層的厚度、注漿量的大小、注漿壓力的大小、注漿孔的布置方式及間距、注漿孔的擴散半徑，以及注漿圈層的滲透系數等。

注漿加固圈厚度的確定一般應滿足：(1)大于塑性區范圍；(2)將地下水滲透體積力降到最低；(3)控制地下水滲流量及襯砌背后孔隙壓力值。本文研究模擬的重點在于：注漿圈層厚度、注漿圈的滲透系數的優化。

2 模型建立及數值分析

為了研究注漿圈滲透系數對支護結構的受力影響，以某跨江水底隧道為工程背景制定本數值模擬方案。隧道直徑D=5m，隧道中心距河床15m，隧道中心距水面22.5m。隧道主要處于沖積黏土層，巖體及初期襯砌物理力學參數見表1?？疾熳{圈厚度及滲透系數對隧道形變的影響。圍巖滲透系數為kr=1.0×10-5m/s=0.864m/d，初期支護的滲透系數為kl=7.4×10-5m/s=6.394m/d，不考慮二次襯砌的作用，采用FLAC3D流固耦合模塊進行分析。

計算時取隧道軸線方向為Y軸，水平面內垂直隧道軸線方向為X軸，豎直向上為Z軸。計算范圍：-25m≤X≤25m，0≤Y≤10m，Z方向零平面選在隧道中心位置，模型底部取至Z=-15m。有限差分模型見圖1(注漿圈厚度為2m)。初始地應力場在豎直方向按巖體自重考慮，水平應力按側壓力系數λ=0.6考慮，初始滲流場為靜水壓力場。依注漿圈厚度及滲透系數進行工況設置(表1)。

圖1 有限差分模型

類別彈性模量E/GPa泊松比μ粘接力c/MPa內摩擦角φ/°密度ρ/(kg·m-3)孔隙率n圍巖1.00.40.12519000.3初期襯砌230.3——22000.2

3 數值模擬結果分析

為了分析注漿圈對圍巖與支護結構的影響，本模擬主要分析重點為注漿圈厚度及滲透系數對地下水滲流規律，洞室拱頂、拱底的位移以及初襯的受力情況。

3.1 地下水滲流規律

為了研究超前注漿加固圈對滲流規律的影響，由于注漿圈厚度對滲流規律的影響沒有注漿圈滲透系數對滲流規律的影響大，同時各注漿圈厚度下滲流規律的相似性，限于篇幅，僅列出注漿圈厚度為2m時，孔隙水壓力場達到穩態時的分布，以反映注漿圈對滲流規律的影響(圖2)。斷面滲流量與注漿圈滲透系數的關系(圖3)。

(a)整個模型區域(k=1.0×10-6m/s)；注漿圈區域(k=1.0×10-6m/s)

(a)整個模型區域(k=1.0×10-7m/s)；注漿圈區域(k=1.0×10-7m/s)圖2 注漿圈厚度2m時，孔隙水壓力場分布(單位：Pa)

圖3 斷面滲流量與注漿圈滲透系數的關系

3.2 位移場及初襯受力分析

為了研究超前注漿加固圈對圍巖位移場及支護結構受力的影響，拱頂位移與注漿圈的滲透關系如圖4，初襯的最小主應力與注漿圈的滲透關系如圖5。

4 結論

根據研究結果，可得出結論如下：

(1)注漿加固圈厚度一定的條件下，注漿加固圈滲透系數越低，則洞室周圍孔隙壓力降低幅度越小，滲流體積力也越小，進而拱頂沉降值越小。

(2)注漿加固圈滲透系數一定的條件下，注漿圈厚度越大，則洞室周圍孔隙壓力降低幅度越小，滲流體積力也越小，進而拱頂沉降值越小。但是，當注漿加固圈的滲透系數相比圍巖滲透系數降低兩個量級(即Kg/Kr≤0.01)時，注漿圈厚度繼續加大對控制位移的有效性已不那么明顯。

圖4 拱頂位移與注漿圈滲透系數的關系

圖5 初襯最小主應力與注漿圈滲透系數的關系

(3)注漿加固圈厚度一定的條件下，注漿加固圈滲透系數越低，則初期襯砌的最小主應力的絕對值越小，即初期襯砌的受力越安全。由于沒有考慮二襯的支護作用，所以初期支護的受力情況也可以間接反映支護體系的受力的情況。

(4)注漿圈滲透系數一定的條件下，注漿圈厚度越大，則初期襯砌的最小主應力的絕對值越小，即初期襯砌的受力越安全。