Ⅳ級軟巖公路隧道注漿加固合理范圍優化設計

孫龍淼

（中交一公局集團有限公司,北京 100000）

0 引言

在《國家公路網規劃》提出全國公路規劃至2035年的布局方案大背景下，國家各個省與直轄市也出具相應的公路規劃，高速公路、國道、省道與縣道等修建工作仍然在如火如荼地進行中，其中高速公路的修建無疑是最具難度的挑戰，山區隧道屢見不鮮，也是存在已久的“大問題 ”[1]。

山區高速公路由于地質巖層形成原理復雜，圍巖呈現出不單一與復合的特性，隧道的修筑過程中時常遭遇多種不同巖性的圍巖，例如黃土、濕陷土巖溶、地下水發育等不良地質區域，由于軟巖性質較差導致塌方與涌水等工程災害時常出現，隧道施工與運營的安全穩定性也面臨著較大的挑戰，所以對于高速軟弱圍巖隧道穿越巖溶、地下水等發育等不良地質區域時，加固措施顯得至關重要[2]。軟弱圍巖一般出現在地下水發育區段，遇水圍巖可作降級處理，鑒于此國內外專家總結得出對隧道軟弱圍巖區域進行注漿加固，可以有效地改善隧道周圍巖層的力學特性。龔斌等[3]依托實際工程對高水壓盾構隧道穿越斷裂區域的預先加固方案優劣進行分析，通過現場試驗與實際監測，對加固效應進行了綜合評價，為后來相似工程提供相應的參考價值。周新星綜合評價隧道突水突泥機理與典型案例，對突水突泥注漿處治技術應用進行總結，評價了隧道斷層破碎帶突水突泥注漿安全防護技術。劉彬等以成都軌道交通30號線出入段區間隧道為對象，采用數值計算對不同地層條件下盾構隧道下穿高速公路時注漿加固范圍開展了研究。高峰等為探討注漿前后隧道周邊圍巖的力學穩定性，對單洞隧道進行注漿加固模型試驗，確定了襯砌模型、圍巖材料與注漿方法，驗證了試驗方案的可行性。付堯為解決大跨度淺埋軟弱圍巖隧道的進出口施工難度較大的問題，以實際隧道為依托工程，針對進洞施工的技術特點與難點，詳細闡述鋼花管應用于注漿加固技術的工藝流程、關鍵技術與適用性。

綜合以上學者的實驗與數值分析，可以看出為了讓軟巖隧道整體結構在施工期間保持良好的安全穩定性，其重難點在于分析隧道周邊圍巖位移、塑性區與初期支護受力如何變化，是否存在整體破壞或者局部破壞的可能性，結合現在人員安全、施工安全與環保適用的建設方針，在施工期間對隧道周邊圍巖進行注漿加固設計顯得越來越具有研究價值。該文針對Ⅳ級軟巖公路隧道施工階段進行注漿加固展開分析，研究在不同注漿范圍情況下，隧道圍巖塑性區、變形與初期支護結構安全系數的變化規律，為相關軟巖公路隧道施工階段的安全穩定性提供相應參考意見。

1 工程簡介

該文工程背景為某Ⅳ級軟巖公路隧道，為分離式單向兩車道，平均埋深為66 m，內輪廓高9.6 m、寬11.3 m。隧道周邊圍巖以泥灰巖與云母片巖為主，巖石空隙與裂隙發育，遇見地下水發育，巖石易處于飽和狀態且發生較大變形，采用分層臺階法進行開挖，初期支護為25 cm的噴射混凝土，二次支護采用45 cm的鋼筋混凝土，數值模擬觀測點為結構拱頂、拱腰、邊墻、拱腳、仰拱。

2 模擬與設計參數

結合隧道施工階段影響圍巖范圍為5倍左右洞口直徑，建立注漿加固圍巖二維數值模型（縱向為單位長度），模型大小為120 m×100 m×1 m。圍巖采用摩爾庫倫模型，初期支護與二次支護分別采用彈性的實體單元與殼單元。

力學：上端為自由邊界，下端采用全固定，左右前后均約束法向位移。

滲流：水頭距隧頂11 m，上下前后左右均不透水，初期支護滲水且開挖斷面始終為零水壓，注漿加固后的彈性模量等參數按照一定范圍進行優化設。

數值模擬加固圈范圍工況為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m與3.0 m，數值模型見圖1。隧道結構參數見表1。

表1 隧道結構相關參數取值

圖1 Ⅳ級軟巖公路隧道網格模型圖

3 數值模擬數據研究

3.1 隧道圍巖變形位移研究

選擇拱頂豎向沉降、邊墻水平位移與拱底豎向隆起共同作為位移特征值進行研究分析，提取0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m與3.0 m等6種加固圈范圍工況的相應位移特征值，統計不同加固圈范圍工況下的位移變化規律見圖2，其中拱頂豎向沉降與拱底豎向隆起允許位移值為10.3 mm，水平位移允許位移值為8.6 mm，分析相關數據得出下列結論：

圖2 不同加固圈范圍的圍巖位移變化

（1）拱頂豎向沉降、邊墻水平位移與拱底豎向隆起均隨加固圈范圍的增加而減小，在加固圈范圍由0.5 m變至3 m時，拱頂沉降、水平收斂與拱底隆起分別由4.9 mm、1.6 mm與7.9 mm減小至4.3 mm、1.2 mm與6.7 mm。周邊圍巖變形位移最大數值均表現于0.5 m加固圈范圍工況。隨著加固范圍的增大，隧道將越來越穩定，0.5 m工況的豎向位移與水平位移均小于10.3 mm與8.6 mm，可以得出隧道在施工階段處于穩定狀態。

（2）由位移特征值大小可以看出，拱底隆起位移最大，說明隧道底部容易處于受拉狀態，可能存在受拉破壞的可能性，而水平位移較小，表明水平擠入不明顯。位移特征值變化速率亦是拱底隆起，變化速率隨加固圈范圍增大而減小，在2 m加固范圍工況時出現轉折點，在加固范圍達到2 m后位移基本不發生變化，若繼續進行逐漸加固，加固效應不明顯，結合環保經濟可以得出加固圈合理范圍為2.0 m。

3.2 隧道圍巖塑性區研究

位移與塑性區是有所關聯的，位移由彈性變形與塑性變形以及其他變形所組成，分析塑性區分布規律可有效知曉隧道結構整體受力特性，圖3是不同加固圈范圍工況下的塑性區面積變化規律與塑性區范圍分布云圖（0.5 m與3.0 m加固范圍），結合相關學者專家的理論與應用，將塑性區面積為隧道全斷面面積的85%作為圍巖塑性區評價標準，隧道橫斷面面積為105 m2，塑性區面積安全范圍則為89 m2。

圖3 不同加固范圍的圍巖塑性區面積變化規律

分析0.5~3.0 m的加固圈范圍工況下的隧道圍巖塑性區面積變化規律可以看出：

（1）從圖中的塑性區云圖可以看出，當加固范圍由0.5 m變化為3.0 m時，塑性區范圍與侵入深度明顯減小，變化較為明顯的地方為拱腰、邊墻與拱腳處，拱頂與拱底處塑性區變化不明顯。塑性區的存在說明了隧道可能存在拉伸或者剪切破壞的可能性。塑性區在施工階段會較快形成，當二次支護完成后進行運營階段，塑性區亦會有繼續發展的趨勢，最不利節點為拱腳。施工階段在注漿加固應該重視拱腳處的注漿加固效果并動態調整設計，確保隧道圍巖在拱腳處不發生局部破壞。

（2）塑性區面積安全范圍89 m2為界限，分析得出當注漿加固范圍在為0.5 m與1.0 m時，塑性區整體面積分別為133 m2與100 m2，均大于安全范圍89 m2，表明還應繼續增大加固范圍。當加固圈范圍達到1.5 m后才滿足設計要求，達到2.0 m的注漿范圍后，塑性區整體面積變化均在70 m2左右。繼續擴大注漿加固范圍，對隧道周邊圍巖塑性區減小并無更多促進作用，結合塑性區整體面積與經濟實惠而言最合理的加固圈范圍為2.0 m。

3.3 初期支護安全系數研究

已經分別分析了隧道圍巖位移變形與塑性區范圍變化規律，為了保證隧道施工階段的安全穩定性，作為其中重要的荷載承擔者初期支護的施工要求就顯得至關重要。3.3小節就不同加固圈范圍工況下的初期支護內力狀態進行分析研究，運用結構設計原理對軟弱圍巖Ⅳ公路隧道施工期間的初期支護安全系數進行計算，從數值的角度去分析并且評價出隧道穩定性，結合經濟實用的角度去得出加固圈合理范圍，不同部位的初期支護內力值計算所得的安全系數見圖4，綜合確定初期支護抗壓與抗壓能力，將抗拉安全系數與抗壓安全系數界限數值均定為2。

圖4 不同加固圈范圍工況下的初期支護安全系數變化規律

分析不同注漿加固圈范圍條件下的隧道初期支護內力數值與安全系數得出：

（1）隧道初期支護的內力數值均隨加固圈范圍的增大而減小，圍巖與初期支護在施工階段一起承擔隧道周邊圍巖荷載。當加固范圍變大時，圍巖自身屬性得到提高進而可以承擔更多的荷載，反之初期支護的內力就有所減小。不同工況的彎矩最大數值均位于拱腳處，由于剪切應力的作用，在拱腳的兩端彎矩呈現出不同符號，所以在施工階段，應該盡快封閉拱腳成環，抵擋圍巖對初期支護的剪切應力，降低隧道初期支護發生局部破壞的可能性。

（2）分析表中的初期支護安全系數變化規律，結合安全穩定性進行分析，不同加固圈厚度工況下的拱頂、拱腰、邊墻與拱底處的初期支護安全系數均高于界限數值2，例外的是在加固圈范圍0.5~1.0 m的范圍內，初期支護的安全系數小于2，表明在加固圈范圍2 m以下，隧道初期支護拱腳處易發生局部破壞，綜合拱腳可能受剪破壞，建議隧道加固圈范圍應在2 m及其以上。

（3）隧道不同部位的初期支護安全系數均隨注漿加固圈范圍的增大而逐漸緩慢增大，變化速率卻是與之相反的。在2 m加固范圍之后，不同部位的安全系數變化趨于平緩，明顯可以看出加固范圍2 m是一個臨界值，低于2 m隧道存在整體或者局部破壞的可能性，高于2 m各項指標參數變化不明顯，所以為了避免隧道初期支護在施工階段保持安全穩定狀態，加固圈合理范圍理所應當設置為2 m及其以上。

4 結論

該文以某Ⅳ級軟巖公路隧道為研究背景，基于不同注漿加固圈范圍工況下，分析Ⅳ軟弱圍巖公路隧道施工階段的安全穩定性，通過分析隧道周邊圍巖變形位移與塑性區分布、初期支護內力與安全系數等模擬數據，多角度多方面去分析論證了加固圈合理范圍，得到以下結論：

（1）拱頂豎向沉降、邊墻水平位移與拱底豎向隆起均隨加固圈范圍的增加而減小。拱底隆起位移最大，隧底存在受拉破壞的可能性，水平擠入不明顯。位移特征值變化速率隨加固圈范圍增大也減小，結合環保經濟得出加固圈合理范圍為2.0 m。

（2）拱腰、邊墻與拱腳處塑性區變化明顯，拱頂與拱底處不明顯，最不利節點為拱腳，施工應重視拱腳注漿加固效果，確保圍巖不發生局部破壞，以89 m2為界限對比分析得出最合理加固圈范圍為2.0 m。

（3）初期支護內力隨加固圈范圍增大而減小，彎矩最大數值位于拱腳處，應盡快封閉拱腳成環，抵降低隧道初期支護發生局部破壞的可能性。拱頂、拱腰、邊墻與拱底處初期支護安全系數均高于界限值，綜合拱腳可能受剪破壞，建議隧道加固圈范圍應在2 m及其以上。初期支護安全系數變化速率隨加固圈范圍增大而減小，加固范圍2 m作為臨界值，為保證隧道初期支護的安全穩定，加固圈合理范圍理所在2 m及其以上。