剛柔聯合注漿支護技術在深部巖溶隧道施工中的應用

唐萬貴

中鐵十八局集團有限公司 天津 300222

我國地大物博，地質情況復雜，在廣大國土范圍內分布有巖溶或喀斯特等地貌，在處于深部高地應力環境下，極易發生隧道斷面不穩定或者塌方現象，給生命及財產帶來重大損失。因此，研究地下深部巖溶隧道施工支護技術，對于提高圍巖的整體穩定性具有重要意義[1-3]。

目前，關于巖溶隧道開挖支護的研究比較多，且根據工程現場實際提出了不同的開挖支護施工方案，淺層溶洞和深層溶洞的處理方式是有所區別的[4-5]，并認為預留核心土＋超前管棚＋小導管注漿的開挖支護方式是較為合理可行的。林志等[6]以重慶明月山某隧道為依托工程，對特長巖溶隧道的襯砌結構方案與參數進行了優化，得出了經濟合理的施工方式；鐘乃龍等[7]通過數值模擬分析得到了巖溶充填物軟化對支護結構穩定性的影響，為巖溶隧道施工提供了相關參數；馬天明[8]則對常規的格柵拱架支護方式進行了對比分析，為巖溶隧道格柵拱架支護施工技術提供參考；孟哲瑋等[9]通過荷載-結構法數值分析，對比分析了3種不同鋼支撐支護下的應力和變形特性。

剛柔聯合支護可以提高圍巖的完整性和穩定性，具有工藝流程簡單、施工效率高、工程成本低等特點，在當前隧道施工中是比較新穎的一種施工方法。目前，關于剛柔聯合注漿支護技術在深部巖溶隧道施工中的應用還比較鮮見，本文以實際工程為依托，設計了2種不同的剛柔聯合注漿支護方案，在對比原支護方案與優化方案的應力和位移情況后，再次進行優化，并運用于實際工程，探討其支護效果，為類似巖溶隧道的支護施工提供借鑒。

1 工程背景

某隧道全長12 734 m，隧道最大埋深達到432 m，隧道洞身全長約有2/3要穿過可溶巖地段，圍巖以灰巖及風化的灰巖為主，非可溶巖段主要為頁巖、泥質灰巖、砂巖等，全隧道共穿越3條斷裂帶， IV、V類圍巖占比達到80%以上。其中，樁號160＋324～162＋185段為巖溶區，巖溶裂隙發育，含水量較大，富水量較多，且分布呈無規律性，雨季施工時地下水將成倍增加，圍巖穩定性較差，極易發生工程地質災害，給隧道施工帶來不利影響。故根據現場工程地質勘察，決定對該段隧洞進行剛柔聯合注漿支護。

2 支護方案

剛柔聯合支護是指通過注漿錨桿向破碎巖體內注入帶有一定壓力的漿液，以提高圍巖的強度和穩定性，注漿材料也不再采用單一的無機水泥漿液，而是采用將剛性注漿材料（如水泥、水玻璃）與顆粒粒徑較小的柔性材料（如脲醛樹脂）相結合的注漿方式。其基本原理是在開挖表面利用噴射混凝土方式進行初期支護后，將長錨桿與短錨桿分別布入圍巖內，再分別注入剛性注漿材料與顆粒粒徑較小的柔性材料，在掌子面周邊圍巖形成一個剛性的支撐層，而在遠離隧道的深部區域則會形成一個釋壓層，高地應力在柔性注漿區則可以釋放一部分應力，使得剛柔協同作用以保證隧道的整體穩定性。

根據現場地質勘察情況，本工程初步擬定3種剛柔聯合注漿支護方案（圖1）：

1）第一種方案：原支護方案，錨桿為梅花形布置，錨桿長度一定。

2）第二種方案：在同一斷面采用長、短錨桿交替注漿支護，錨桿為梅花形布置。

3）第三種方案：在不同斷面采用長、短錨桿交替布置，錨桿仍呈梅花形布置。

圖1 支護方案示意

3 模擬分析

3.1 數值模型

利用FLAC 3D三維數值分析軟件，建立了隧道模型。該隧道模型包括275 490個單位和297 226個節點，模型邊界范圍取隧道直徑的5倍；巖體材料為灰巖，本構模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，圍巖襯砌、初期支護和二次襯砌等采用線彈性本構模型，開挖時采用Null模型；模型兩側施加水平約束，底部施加豎直向上的位移約束，對所有節點施加y正方向的位移約束，隧道頂部為自由約束，建立的隧道模型見圖2。

圖2 隧道數值模型

3.2 應力分析

3種支護方案下，隧道的垂直應力分布情況見圖3。從圖3中可以看到：在原支護方案下，周圍巖體受力均大于優化方案周圍巖體的應力，整體而言，垂直應力由大到小的排序為：原支護方案＞優化方案一＞優化方案二。在采用剛柔聯合注漿支護方案后，周圍巖體的應力通過柔性注漿區得到有效釋放，而剛性注漿材料則很好地形成一道應力拱，將圍巖兩側及頂拱應力傳遞到拱腳附近，能夠保證隧道圍巖斷面的整體穩定性。

3.3 垂直位移分析

3種支護方案下，隧道的垂直位移分布情況見圖4。從圖4中可以看到：在原支護方案下，隧道頂拱位置的沉降量較大，達到了18 cm，對整個斷面的穩定性極為不利，當采用優化方案一以后，頂拱沉降量明顯減小，僅為9.6 cm，較原支護方案下降46.7%；當采用優化方案二以后，頂拱沉降量為6.3 cm，較原支護方案下降65%。可見，采用剛柔聯合注漿支護技術后，對頂拱部位的沉降能夠起到有效的抑制和控制作用，這是因為柔性注漿區對頂拱部位的應力進行了部分釋放，減小了拱頂周圍的圍巖應力，同時剛性注漿區域襯砌層共同作用形成了一道應力拱，對頂拱圍巖起到支撐作用，因此隧道頂部的垂直位移量大大減小。

3.4 水平位移分析

3種支護方案下，隧道的水平位移分布情況見圖5。從圖5中可以對比得到：水平位移分布呈明顯的對稱關系，位移最大部位出現在隧道邊墻和底部位置；在周邊多種應力作用下，圍巖會失去原有的平衡狀態逐漸向內收斂，但從采用剛柔聯合注漿技術后的收斂效果可以看出，隧道邊墻的位移收斂情況明顯小于原支護方案，分別較原支護方案減少36.7%和47.8%，說明剛柔聯合支護方案改善了隧道周邊的圍巖受力狀態，使得其更加接近于穩定狀態，大大減小了形變量的發展。

4 實際工程應用效果

從上文分析可以看出，在不同斷面采用長、短錨桿交替布置進行剛柔聯合注漿支護方案，具有明顯改善圍巖受力和抑制隧道變形的作用，因此是最佳的支護方案。將此方案運用到該段隧道的實際支護施工中，并進行現場監控和監測，主要監測項目包括頂拱下沉、左右邊墻收斂及拱腳收斂，監測結果見圖6。從頂拱累計下沉量可以看出：在開挖支護24 d后，頂拱的累計下沉量為7.4 mm，下沉速率呈逐漸降低趨勢，在開挖支護15 d后，頂拱的下沉量為7.15 mm，基本達到沉降穩定狀態，這說明采用剛柔聯合注漿支護技術后能夠減小隧道頂拱的沉降量且能促使圍巖盡早進入沉降穩定期；左右邊墻和拱腳的收斂情況與頂拱下沉情況類似，變形速率均逐漸減小，左右邊墻進入收斂穩定期的時間為15 d左右，收斂量僅為4.1 mm，而拱腳處進入收斂穩定期的時間略有滯后，約為21 d（收斂量為5 mm），這是因為剛性受力拱將部分應力傳至拱腳，使得拱腳處應力有所增大和集中，因此變形收斂時間略滯后于左右邊墻。

圖3 垂直應力模擬結果

圖4 垂直位移模擬結果

從模擬分析再回到實際應用的效果來講：采用剛柔聯合支護后，不僅可以有效降低隧道的變形收斂量，而且可以使得填充溶洞的底層結構及周圍巖體的強度得到有效提升，在柔性注漿區則能夠對部分應力進行釋放，減小隧道周圍巖體的受力以保持其穩定性；同時，剛柔聯合注漿技術采用無毒無害的材料，對土體和水源不會產生污染問題，既安全又環保，具有很好的社會環境效應。

5 結語

圖5 水平位移模擬結果

圖6 隧道施工實測數據

剛柔聯合注漿支護技術能夠有效地改善深部巖溶隧道圍巖的受力狀態，減小隧道的形變以及收斂量，在深部巖溶隧道等復雜地質工程中取得了較好的支護效果，具有很好的社會環境效益，可在類似工程地質的隧道施工中推廣運用。