導管注漿技術在隧道圍巖加固中的應用

趙江濤

山西省公路局陽泉分局平定公路管理段 山西平定 045200

1 導管注漿技術施工原理分析

在隧道結構加固施工實踐中，為了保證隧道圍巖及周邊巖體的承載能力、荷載穩定性及抗變形剛度指標，必須采取相應的加固處治技術措施。在工程實踐中，導管注漿施工技術在隧道圍巖結構加固施工實踐中的應用尤為普遍，主要原因是該加固技術的施工難度較低、適用范圍較廣、綜合成本較低。從根本上分析，采取導管注漿加固技術的根本在于控制隧道圍巖結構的自身荷載穩定性，保證隧道圍巖及土體結構的等級滿足承載要求，圍巖結構穩定性是隧道工程中急需解決的關鍵問題之一，為了降低后期加固施工的成本，提升隧道結構加固的性價比和可靠性，必須盡量發揮隧道巖體結構的殘留強度，通過自身強度維持隧道圍巖結構的自身穩定性，防止隧道圍巖相互錯動，影響結構整體穩定性[1]。在導管注漿施工過程中，高壓注入到隧道圍巖結構內的砂漿材料滲透到圍巖縫隙內部，借助砂漿材料自身的滲透、擠壓和沖擊效應，凝固后與隧道圍巖結構形成相互嵌鎖的整體結構，實現二者的協調變形，極大地提高了隧道圍巖結構的整體受力特性。隧道洞口截面參數很大程度決定了隧道的整體受力特性，隧道圍巖等級和洞口截面參數直接影響隧道結構的巖體物理特性，同時也影響到巖體結構的荷載破壞形式和破壞發展特性。綜上，導管注漿施工技術不單單可以優化隧道巖石結構的物理特性，對于存在細微毛細開裂的隧道巖體結構，導管注漿材料能夠在隧道圍巖結構內滲流，極大地填充了圍巖結構的縫隙，排盡了原始停留在隧道裂縫內的空氣和水分，提高了隧道圍巖結構的整體性和承載剛度，還顯著改善了原有隧道巖體結構內的天然水環境。此外，通過導管高壓注漿處治后，砂漿材料在對應毛細開裂內部凝結硬化，砂漿材料同原隧道巖石形成整體承載結構，提高了隧道圍巖之間的內摩擦角，增加了二者之間的摩阻力水平。

2 導管注漿技術在隧道巖體加固中的應用

2.1 隧道圍巖壁后加固處治應用分析

隧道圍巖壁后加固處治技術的關鍵在于借助高壓導管注漿技術將高壓高性能砂漿直接噴射打入隧道圍巖的毛細開裂中，起到填充孔隙，提高隧道圍巖材料整體性和協調變形性能的目的。導管注漿材料的滲透作用，切實影響和改變了隧道圍巖結構的原始組分，最大程度排盡了其中殘留的空氣和水分，實現了高性能砂漿和空氣、水分的高效置換，從本質上解決了外界空氣、水分滲透到隧道圍巖結構內的可能性，緩解了隧道圍巖結構風化進程，高壓高性能砂漿材料借助高壓可以滲透到圍巖孔隙深處，使隧道圍巖內壁縫隙得到充分填充，提高了隧道圍巖結構的整體性；在砂漿作用下，圍巖材料之間的內摩擦角變大，摩阻力相應增加，圍巖的綜合承載能力明顯提升，優化后的隧道圍巖結構能夠高效、快速地實現荷載傳遞，圍巖荷載能夠快速傳遞到隧道襯砌支護結構上，建立了良性的隧道圍巖受力傳遞體系，在保證隧道圍巖結構承載性能的同時，控制了隧道圍巖的大規模變形，有助于提高隧道圍巖和襯砌結構的穩定性[2]。

2.2 隧道圍巖開裂填充與密實加固效應分析

經典斷裂力學基本理論表明，整體材料和相同體積的存在眾多毛細開裂的材料而言，二者在承受相同外荷載作用的基礎上，存在毛細開裂的材料在材料尖角和裂紋轉向位置容易出現不同程度的應力集中效應，由于應力集中效應影響，導致該位置的應力水平明顯高于其他位置，一旦應力水平超過材料的極限抗拉強度指標，將誘導材料裂縫快速擴展，最終演化為斷裂病害。采用導管注漿處治施工技術，在高壓滲透作用下，內部額毛細開裂被完全填充密實，由于材料內部缺陷被填充，材料的整體性明顯增加，應力集中效應基本消失，原有的斷裂病害條件無法滿足，材料的整體性明顯增強；此外，在高壓注漿處治后，注漿材料經歷從初凝至終凝的強度形成過程，高性能砂漿中添加了一定比例的膨脹劑，在高性能砂漿凝結硬化的過程中，膨脹劑可以有效彌補應干縮變形導致的體積縮減，起到裂縫密實和提高注漿位置抗滲性的作用和目的。隧道圍巖結構的毛細開裂被完全填充密實，裂縫完全封閉，圍巖的抗變形剛度和動彈性模量指標均顯著提升。

2.3 注漿處治隧道圍巖后的骨架效應分析

高性能砂漿材料在高壓作用下能夠完全滲透到圍巖開裂位置的最深處，且高壓注漿處治技術可以同時滿足多維開裂的同步密封處治，裂縫處治效率明顯提高；經砂漿處治后的隧道圍巖結構整體剛度明顯提高，其彈塑性變形特性更加顯著，可以在較大荷載變形的基礎上，不發生嚴重的失穩或斷裂病害，且隧道圍巖結構的延展性明顯增強，斷裂失效前的征兆較為明顯，屬于典型的延性破壞形式。通過凝結后的高性能砂漿材料能夠將孤立的隧道圍巖結構連接成一個完整的受力體，雖然凝固后的砂漿材料本身的抗拉及抗壓性能低于隧道圍巖，但形成的整體結構則具備較高剛度和動回彈模量，隧道圍巖在高性能砂漿的嵌鎖作用下能夠協調變形，在骨架效應的干預下，隧道圍巖破壞控制條件逐步從單一的薄弱圍巖大變形破壞向隧道整體圍巖強度條件演變，在外荷載沖擊作用下，凝結的高性能砂漿能夠充分發揮吸能和儲能效應，提升圍巖的殘存強度指標，有效約束圍巖在外荷載作用下的變形值[3]。

3 結語

綜上分析可知，在隧道圍巖結構加固施工實踐中，可以盡量推廣使用導管注漿處治技術，不但可以發揮導管注漿低成本、施工便捷等優勢，還能最大程度提升隧道圍巖結構之間的相互嵌鎖性能，進而提高隧道圍巖的綜合承載力水平、動彈性模量及荷載穩定性等指標，對于優化隧道圍巖的受力特性和傳力途徑，約束隧道圍巖結構在荷載作用下的各向變形量具有重要作用和實踐意義。