富水粉細砂地層隧道圍巖注漿參數研究

羅勝利, 楊 翔

(1.中鐵二院昆明公司，云南昆明650200； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

隨著交通基礎設施建設的持續推進和運營的需要，隧道工程建設不斷向復雜地質環境發展，施工條件越來越復雜、施工難度也越來越大，西南地區已成為隧道工程的重點建設區域。其中粉細砂地層為軟弱圍巖地層，廣泛分布于西南地區，富水粉細砂圍巖自穩能力極差，隧道施工控制難度大，極易造成塌腔和塌方等災害，對隧道結構、甚至人員的安全性造成威脅。因此，有必要對粉細砂地層隧道修建相關技術開展研究。

針對于軟弱圍巖地層修建隧道，當前國內外專家學者進行了大量的研究工作。閔書[1]討論了隧道超前小導管注漿加固機理；王輝等[2]分析了不同小導管注漿參數下隧道開挖導致的地表沉降；賴金星等[3]研究了管棚加固下地表沉降和隧道變形規律；劉鵬飛等[4]針對高含水率黃土地層建立帷幕注漿模型，分析了帷幕注漿對地層的穩定性有較好的提升作用；董書寧等[5]通過放水試驗、鉆孔取芯等手段對帷幕注漿加固的效果分析評價。曾學藝等[6-7]針對大直徑隧道穿越粉細砂地層的施工風險，提出采用高壓旋噴樁預加固技術方案；殷洪波等[8]采用離散元法對粉細砂地層隧道進行圍巖塌落過程模擬，并提出了旋噴樁加固圍巖及開挖面的施工控制措施；牛斌等[9-10]通過注漿試驗與數值分析的手段分析了柱洞法在粉細砂地層大斷面隧道施工中的不足，并對粉細砂地層暗挖車站的施工方案進行了優化；王慶林和冷雅梅[11-12]對胡麻嶺隧道粉細砂地層在富水條件下圍巖的穩定性與工程措施進行了探討，提出了富水粉細砂地層的相關施工方法和工程措施。

綜上研究，許多學者已對富水粉細砂地層隧道進行了相關研究，但針對此類地層帷幕注漿預加固技術研究涉及較少。本文以某鐵路隧道工程為依托，采用室內試驗獲得富水粉細砂土體的物理力學參數；結合數值分析方法，對富水粉細砂地層隧道的帷幕超前注漿技術進行數值模擬分析，以期為類似地層隧道超前預加固參數的確定提供參考。

1 工程概況

以中老昆萬鐵路某隧道工程為依托，隧道跨度為13.50 m、高度為12.79 m、最大埋深為153 m，隧道支護結構如圖1所示。粉細砂地層段全長183 m，粉細砂土體成巖性較差，當不存在地下水時，圍巖具有一定的自穩性；當遇到地下水的浸潤作用時，土體結構自穩能力差，極易出現破壞，喪失承載力。此外在施工擾動作用下，粉細砂土體易變成松散的狀態，使得隧道圍巖穩定性急劇減弱；在隧道施工中，多次出現開挖面坍塌、隧道大變形等問題。

圖1 隧道支護結構

2 富水粉細砂地層注漿效果模擬分析

2.1 數值計算模型

基于圣維南原理，計算模型邊界取至開挖隧道洞徑的3～5倍，左右邊界到隧道中心線的距離保持在50 m左右，模型的底面與隧道的底部距離為45 m，模型的縱向長度取為40 m。選取最大埋深153 m處為分析對象，隧道頂部土體厚度取60 m；左、右兩側邊界處和底部分別設置水平向位移和豎向位移，同時考慮地下水及自重應力場作用。隧道采用三臺階法施工。隧道具體施工計算模型見圖2。

圖2 隧道施工計算模型

2.2 計算參數

在現場取不同位置的粉細砂土樣，進行相應的室內力學實驗，得到粉細砂土體的力學參數，試驗結果如表1所示。

根據GB/T50123-2019《土工試驗方法標準》，研究了粉細砂土在不同孔隙條件下滲透性能的變化規律。采用變水頭滲透實驗,得到粉細砂試樣在不同的孔隙率條件下的滲透系數，如表2所示。

初期支護為C25噴射混凝土；系統錨桿長度為3.50 m、直徑為25 mm，采用梅花型布置，縱向間距和環向間距分別設置為1 m和1.2 m。注漿圈抗滲性能的降低可以選取滲透系數為5×10-4cm/s來模擬。粉細砂地層土體的物理力學參數詳見表3。

表1 土樣的物理力學參數

表2 不同孔隙率粉細砂的滲透系數統計

表3 計算模型物理力學參數

2.3 數值模擬分析

2.3.1 圍巖位移變化特性

通常圍巖的穩定性可通過圍巖變形來判斷。在數值計算中，選取模型中間斷面(Y=20 m)為監測斷面，其拱頂沉降、仰拱隆起和水平收斂的最終監測結果如表4所示。

由表4可知，相較于超前小導管注漿加固，全斷面帷幕注漿能夠有效控制隧道結構變形，這是因為全斷面帷幕注漿的加固范圍和注漿圈厚度相較于小導管注漿加固更大，有效提高隧道圍巖強度。

表4 不同工況下隧道位移計算結果

2.3.2 開挖面擠出變形特性

基于開挖面的擠出變形的形態及量值，可以掌握超前核心土的圍巖穩定狀態。不同地下水位的最大開挖面擠出變形值如圖3所示。

圖3 隧道開挖面擠出變形曲線

從圖3可以看到，開挖面擠出變形主要發生在臺階的中部區域。在仰拱部位擠出變形相對較小，這是由于仰拱的相對高度比較小，擠出變形的發生和擴展受到了限制。當拱頂上覆水位在60 m的時，超前帷幕注漿開挖面的最大擠出變形比超前小導管注漿加固條件下的最大擠出變形降低了93.1%，其變形量達到了8.98 mm，可見超前帷幕注漿可以更好地控制開挖面變形，達到安全施工的目的。

2.3.3 塑性區體積變化特性

采用拱頂上覆水位60 m為最不利研究水位時，超前小導管注漿和超前帷幕注漿條件下，圍巖的塑性區縱向分布云圖在下上臺階開挖到監測斷面(Y=20 m)時如圖4所示。

圖4 隧道開挖至監測面圍巖塑性區分布情況

由圖4可知，在超前小導管加固條件下，開挖面已經完全進入塑性區，前方圍巖塑性區分布廣泛，剪切破壞的面積大。拱頂附近和開挖面前方圍巖出現塑性區貫通情況，表明圍巖出現了失穩；而采用全斷面注漿時，洞周及掌子面圍巖塑性區范圍很小，表明圍巖整體處于穩定狀態。說明在粉細砂地層中，超前帷幕注漿能有效提高隧道圍巖的整體穩定性。

3 結論

基于室內試驗，研究了粉細砂土樣的物理力學性質；結合數值模擬手段，對富水環境下粉細砂地層隧道施工中的全斷面注漿效果進行了研究，主要結論：

(1)采用室內試驗方法，確定了依托工程粉細砂土樣的含水率為9.80%，密度為1.837 kg·m-3，相對密度為2.590，壓縮模量為18.4 MPa。通過三軸試驗確定粉細砂土樣的粘聚力為3.69 kPa，內摩擦角為31.4°，并確定不同孔隙率粉細砂滲透系數。

(2)拱頂上覆水位60 m時，全斷面注漿相較于小導管注漿加固情況，拱頂沉降降低了67.9%；開挖面擠出變形降低了93.1%；塑性區體積從13 172.3 m3降低至帷幕注漿的2 863.16 m3，降幅達到78.3%。全斷面注漿有效地控制了隧道洞周圍巖的變形，能保證隧道施工的安全。