注漿加固對改善襯砌受力及變形的效果研究

■李文鍵

(寧德屏古高速公路有限責任公司，寧德 352200)

0 前言

在破碎、軟弱圍巖地段修建隧道，除了增大支護結構的厚度及強度， 對圍巖進行注漿加固也是一種十分有效輔助施工手段[1,2]。注漿不僅可以改變圍巖的力學性能，提高圍巖的力學參數，減小其滲透系數，提高自身的穩定能力，同時施工工藝簡單，施工作業空間要求較小，參數可以隨時調整。此外，對于出現嚴重滲漏、襯砌開裂的隧道，如果拆除二襯返工， 除了拖延工期， 還可能造成次生病害；在二襯表面進行黏鋼加固，會一定程度的影響隧道的外觀；而襯砌背后注漿能有效避免這些問題。為了定量分析注漿加固對圍巖和隧道的影響， 本文以某兩車道隧道局部存在二次襯砌厚度不足這一事實為例， 利用有限元軟件建立二維數值計算模型， 對比注漿加固前后圍巖與支撐結構應力及位移變化情況，得出其加固效率，得到的結論可為隧道病害治理提供借鑒意義。

1 模型建立

某隧道YK229+020(±5m)段落位于進口Ⅴ級圍巖淺埋段，采用ZDK-1 型復合支護，二次襯砌厚度為55cm，配筋為每延米對稱配筋單側5φ25(24.54cm2)。 地形基本無偏壓，覆蓋層較薄，為坡積粘土及殘積粘性土。 二襯內輪廓采用隧道激光斷面儀檢測，厚度參照雷達檢測取值，計算采用厚度如表1 所示。

在考慮注漿加固效果時，采用地層-結構分析法[3]能更好反映圍巖與隧道結構協調變形情況， 很好顯示隧道結構和圍巖共同受力與變形。 模型邊界尺寸取隧道直徑5 倍，采用實體二維平面應變模型。圍巖用Mohr-Coulomb模型，采用4 節點的平面應變單元；二次襯砌用線彈性模型， 采用兩節點的線性梁單元。 由于分析對象為二次襯砌，為了建模方便又不失正確性，通過直接提高洞身圍巖參數的方法模擬初期支護對圍巖的加固效果。 該計算模型僅考慮圍巖和襯砌自重。 圍巖及注漿加固具體的物理計算參數(根據地質勘察資料和規范確定)見表2。

表1 二襯厚度表/cm

表2 計算參數

2 注漿加固范圍的數值模擬分析

在同一埋深(h=25m)條件下，計算工況分加固圈0m(也即未加固)，1m、3m，5m 和7m 五個工況。 加固圈為5m的模型示例如圖1 所示， 加固圈內以提高圍巖參數來模擬注漿加固效果。

圖1 注漿加固模型示例

2.1 襯砌內力分析

圖2 是未加固和加固5m 兩種計算工況的襯砌軸力ESF1(單位kN，下同)和彎矩SM1(單位kN·m，下同)計算結果示意圖。

從軸力圖可知：(1)襯砌處于受壓狀態，且在拱腰部位軸力值較大；(2)隨著加固范圍的增大，拱腰和仰供部位軸力值逐漸降低。從彎矩圖可知：(1)負彎矩最大值出現在拱腳部位，拱腳部位受壓；(2)仰拱部位則分布正彎矩，表明仰拱受拉，這是因為仰拱向上隆起導致受拉；(3)彎矩值隨著加固范圍的增大，而逐步減小。

圖2 5m 注漿加固前后襯砌軸力和彎矩等值云圖

2.2 圍巖應力分析

圖3 為未加固和加固5m 計算工況的圍巖和相應襯砌的Mises 應力(單位kPa，下同)云圖示意圖。 從圖中可知，加固后圍巖自身應力增加，反觀襯砌的應力減小。 這主要是由于圍巖強度增加，自身承載力增加，增加了自身穩定性， 隧道由于開挖而產生的釋放應力由于圍巖強度增加而承擔能力增加。 換言之，注漿加固后圍巖越穩固，支護結構受力越小，隧道越安全。這也與圍巖級別對隧道的影響得到的結論一致。

圖3 5m 注漿圈加固前后Mises 應力等值云

2.3 注漿加固效率分析

本文采用公式(1)計算注漿加固效率：

式中： ΔD——表示注漿前隧道位移值，mm；

ΔD*——表示注漿加固后隧道位移值，mm；

λ——表示加固效率。

表3 是五個工況下位移的計算結果， 其中水平位移為兩側拱腰部位的水平位移值之和(下同)。括號內數值是采用公式(1)計算出的加固效率，其與加固范圍大小的關系曲線如圖4 所示。

表3 五個計算工況位移值與加固效率比較

圖4 加固效率與加固范圍關系曲線

從圖4 可知， 抵抗水平位移的加固效率隨著加固范圍增大而增加， 且抵抗水平位移的加固效率大于同條件下的豎向位移的加固效率。 抵抗拱頂沉降和仰拱隆起的加固效率在5m 范圍內，隨著加固范圍增大而增大，但大于5m 后，加固效率反而減小。 分析計算過程，可認為主要由于注漿的泊松比大于圍巖的泊松比所引起。 根據計算結果結合工程實踐， 建議注漿加固范圍不宜超過5m，以4m 為最佳注漿范圍。

3 隧道埋深對注漿加固影響

為了分析埋深對注漿加固的影響， 本文取隧道埋深取0m、10m，20m，30m 和40m 四個工況，同時考慮注漿范圍一般為3～8m，因此計算表4 所示的28 種工況。

表4 不同埋深與注漿厚度的組合工況

3.1 襯砌內力分析

圖5 是加固范圍為5m、 埋深10m 和40m 兩種工況的襯砌軸力ESF1 和彎矩SM1 等值云圖。 從圖中可知，軸力和彎矩分布規律一致， 也即埋深對軸力和彎矩分布規律影響不大；但隨著埋深增加，軸力和彎矩值增大。

圖5 襯砌軸力和彎矩等值云圖

圖6 是軸力和彎矩最大值隨隧道埋深變化的規律。可知， 隧道埋深與拱墻部位的軸力和彎矩值基本呈線性關系，且從直線的斜率可知，埋深對仰拱部位的軸力影響大于對拱腰部位的影響。

圖6 加固后內力隧道埋深關系曲線

3.2 圍巖應力分析

圖7 是埋深10m 和40m 兩種工況圍巖的Mises 應力云圖。 可知加固范圍一致， 也即在其它條件一樣的情況下，隧道埋深越深，圍巖應力越大，襯砌承載的作用力也越大，也即對支護結構的要求越高。

圖7 圍巖Mises 應力等值云(單位:kPa)

3.3 注漿加固效率分析

根據計算結果，提取出28 種工況的水平位移、拱頂沉降和仰拱隆起值，同時根據公式(1)計算加固效率，并分別繪制了水平位移、 拱頂沉降和仰拱隆起相應的加固效率與隧道埋深的關系曲線，如圖8 所示。

圖8 不同部位位移的加固效率與隧道埋深關系曲線

從圖8 可知， 水平位移的加固效率隨埋深增加而增大，分布規律一致，即表明注漿加固范圍對分布規律不產生影響；隧道埋深小于20m 時，加固范圍對加固效率幅度變化影響較大，而當大于20m 時，影響減小；埋深越大，同一埋深條件下，加固效率最大；從曲線發展趨勢可知，當埋深達到一定值后，不同的加固范圍的加固效率趨于一致，也即加固厚度對加固效率基本不產生影響。

4 結論及建議

本文主要討論了加固范圍及埋深對隧道和襯砌影響規律。 可得到如下結論：

(1)隨著加固范圍增大，彎矩和軸力值均減小，且軸力值趨于均勻分布；

(2)注漿加固對凈空收斂的影響大于對豎向位移的影響；且隨著加固范圍增大，加固效率增大，但逐漸減緩，最終趨于穩定，也即加固范圍增大到一定值后，再增大加固范圍，加固效率不變；

(3)埋深對仰拱部位的軸力影響大于對拱腰部位的影響；埋深越大，同一埋深條件下，加固效率最大；當埋深達到一定值后，不同的加固范圍的加固效率趨于一致，也即加固厚度對加固效率基本不產生影響。以此，建議對于軟弱破碎圍巖，當采用注漿加固的措施時，建議加固厚度以不超過5m 為宜。