注漿加固對(duì)含泥質(zhì)砂巖隧道進(jìn)出口段穩(wěn)定性影響研究

陳 耀

（湖南映晟交通建設(shè)工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 414000）

引言

含泥質(zhì)砂巖隧道進(jìn)出口段往往面臨著偏壓和破碎等不穩(wěn)定因素，如果施工不當(dāng)會(huì)給工程施工帶來巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失［1-2］。張健儒等［3-4］通過理論和數(shù)值模擬等手段研究了注漿加固區(qū)相關(guān)參數(shù)對(duì)堵水及減輕圍巖水壓力等的作用；張慶松等［5-6］將研究重點(diǎn)集中在注漿材料參數(shù)優(yōu)化上；張成平等［7］根據(jù)前期勘察數(shù)據(jù)合理地設(shè)計(jì)了注漿參數(shù)后，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)；王迪和徐濤［8］根據(jù)理論計(jì)算確定隧道開挖圍巖加固圈的厚度，并通過注漿加固后現(xiàn)場(chǎng)揭露的方式對(duì)注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 工程概況

松潘隧道地處岷江山脈中段，川西高原與龍門山過渡地帶，位于青藏高原東南邊緣，隧道全長(zhǎng)3.2 km，為雙向行車特長(zhǎng)隧道，松潘隧道開挖輪廓線寬13.84 m，屬于大斷面隧道范疇。隧道圍巖較破碎，屬于V 級(jí)圍巖，圍巖拱頂巖石易塌落，側(cè)壁易出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌。巖層屬軟巖，裂隙較發(fā)育，卸荷松弛較強(qiáng)烈，層間結(jié)合較差，巖體以薄層狀及鑲嵌破裂狀構(gòu)造為主，局部散體狀。斷層破碎帶極易發(fā)生圍巖大變形失穩(wěn)和塌方冒頂?shù)葐栴}。隧址區(qū)地震基本烈度為VIII 度，屬區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定區(qū)，隧道位于岷江斷裂帶內(nèi)，屬全新世發(fā)震斷裂，隧道大部分洞身位于斷裂上盤且與之平行，距離斷裂面130～340 m，并于K4+900 附近穿過斷裂帶，岷江斷裂發(fā)震會(huì)對(duì)隧道發(fā)生剪切破壞，故隧道屬抗震危險(xiǎn)地段。

隧道支護(hù)形式由初期的噴錨支護(hù)加鋼筋混凝土的二次襯砌組成，初期支護(hù)厚度為30 cm，主要施工方式為噴錨支護(hù)，錨噴支護(hù)主要包括了工字鋼拱架、超前小導(dǎo)管、超前錨桿、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)及C30噴射混凝土；后期支護(hù)厚度為60 cm，混凝土等級(jí)均為C30。隧道開挖斷面較寬，且進(jìn)出口段埋深較淺，圍巖等級(jí)較差，不易成洞，因此，需要布置超前長(zhǎng)管棚并進(jìn)行管棚注漿加固。

2 模型創(chuàng)建

依托COMSOL 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型寬度、長(zhǎng)度和高度分別為50 m、120 m 和100 m，仰坡角度取40°，計(jì)算模型主要包含圍巖、初期襯砌和加固區(qū)。三維計(jì)算模型見圖1。三維計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分采用細(xì)化的自由四面體網(wǎng)格，該模型中網(wǎng)格單元尺寸范圍在0.15～4.0 m 之間，在臨空面周圍對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，以便提高計(jì)算精度。

圖1 模型網(wǎng)格劃分局部

在模型計(jì)算中，將初期和二次襯砌視為一個(gè)整體，即襯砌計(jì)算厚度設(shè)置為90 cm；為了充分考慮初期襯砌和二次襯砌的力學(xué)性能差異，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)二次襯砌緊跟初期襯砌的施工方案，在計(jì)算模型中取襯砌距掌子面距離為5 m。通過現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試，得到管棚注漿加固前后圍巖的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 計(jì)算模型相關(guān)參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

以加固區(qū)彈性模量0.5 GPa、管棚間距50 cm 和注漿半徑0.9 m 的工況研究管棚沉降規(guī)律，模擬結(jié)果見圖2。

圖2 管棚沉降規(guī)律

從圖2 中可以看出，40 m 管棚注漿范圍內(nèi)，隨著開挖施工的進(jìn)行，管棚沉降表現(xiàn)出明顯的分段特征。首先在初期襯砌的作用下，管棚沉降較?。蝗缓笤谂R空面至掌子面范圍內(nèi)，管棚的沉降量快速增加，并達(dá)到最大值；最后在未開挖區(qū)域內(nèi)，管棚的沉降量逐漸降低，最終趨近于零。管棚的最大沉降量大約為14 cm，相對(duì)于整體長(zhǎng)度較長(zhǎng)的管棚而言較小，管棚的沉降曲率較小，不會(huì)超出材料的彈性變形范圍，為隧道安全施工提供了保障。

以隧道拱頂管棚處最大沉降量的研究對(duì)象，研究不同施工參數(shù)對(duì)其影響規(guī)律，結(jié)果見圖3。從圖3（a）中可以看出，當(dāng)管棚間距為50 cm，注漿半徑為0.9 m 時(shí)，隨著加固區(qū)彈性模量的逐漸增大，管棚區(qū)的最大沉降值逐漸減小，且變化速率逐漸降低，說明加固區(qū)的彈性模量對(duì)于隧道拱頂?shù)挚棺冃蔚哪芰哂写龠M(jìn)作用，但是當(dāng)彈性模量上升到一定值時(shí)，這種促進(jìn)作用將會(huì)減弱。從圖3（b）中可以看出，當(dāng)加固區(qū)彈性模量為0.5 GPa，注漿半徑為0.9 m 時(shí)，隨著管棚間距的增大，管棚區(qū)的最大沉降值逐漸增大，但是變化的幅度較小，當(dāng)管棚間距從0.3 m 增大到0.9 m 時(shí)，沉降量從-13.26 cm 增大到-13.47 cm。從圖3（c）中可以看出，當(dāng)管棚間距為50 cm，加固區(qū)彈性模量為0.5 GPa 時(shí)，隨著注漿半徑的增大，管棚區(qū)的最大沉降值逐漸減小，因?yàn)殡S著注漿半徑的增大，加固區(qū)的厚度和體積等也會(huì)隨之增大，從而增強(qiáng)其力學(xué)性能及抵抗變形的能力。

圖3 不同施工參數(shù)對(duì)管棚最大沉降量的影響

4 工程實(shí)例

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及經(jīng)濟(jì)效益分析，擬定在隧道工程中采用加固區(qū)彈性模量0.5 GPa、注漿半徑0.9 m 和注漿間距0.5 m 的施工參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。為了同時(shí)保障注漿材料的擴(kuò)散范圍及加固區(qū)的長(zhǎng)期力學(xué)性能，現(xiàn)場(chǎng)采用的注漿材料有水灰比為1 ∶1的水泥漿液和水泥漿液與水玻璃漿液的體積比為3.5 ∶1 的水泥-水玻璃漿液兩種。現(xiàn)場(chǎng)通過掌子面護(hù)壁情況及拱頂沉降監(jiān)測(cè)共同表證注漿效果。

為了保證管棚加固區(qū)的均勻性，通過后退式分段注漿的方式進(jìn)行注漿，以“量、壓”雙控作為注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)，即注漿壓力與注漿量。通過管棚注漿后，隧道進(jìn)洞實(shí)現(xiàn)了安全施工。

當(dāng)隧道進(jìn)口開挖深度達(dá)3 m 時(shí)，將激光傳感器安裝在距離掌子面2 m 處的隧道墻壁上，通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對(duì)傳感器實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出隧道進(jìn)口段開挖施工的拱頂沉降量。開挖過程中管棚拱頂?shù)淖畲蟪两盗勘O(jiān)測(cè)結(jié)果見圖4。

圖4 管棚拱頂沉降監(jiān)測(cè)曲線

從圖4 可以看出，隨著開挖不斷進(jìn)行，管棚拱頂?shù)淖畲蟪两盗繛?4.38 cm，比數(shù)值模擬得到的最大沉降量13.36 cm 略大，歸結(jié)于數(shù)值模擬對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，但是兩者差距較小，說明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可靠性。

5 結(jié)語

（1）以控制變量的方式，對(duì)各施工參數(shù)對(duì)隧道進(jìn)口段開挖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了定量研究，加固區(qū)彈性模量和注漿半徑與沉降量成負(fù)相關(guān)，管棚間距與沉降量成正相關(guān)，管棚間距變化對(duì)管棚沉降量影響最弱。（2）在管棚注漿加固區(qū)域內(nèi)，管棚沉降量從襯砌、臨空面、掌子面到未開挖區(qū)域呈現(xiàn)先增大后減小的分段趨勢(shì)，模擬最大沉降量結(jié)果為13.36 cm，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的最大沉降量14.38 cm 接近。（3）針對(duì)泥質(zhì)砂巖特征，現(xiàn)場(chǎng)制定了水泥漿液和水泥-水玻璃漿液共同作為注漿材料的方案，加固區(qū)開挖后結(jié)果表明該方案加固效果良好。