破碎圍巖隧洞穩定性分析與超前注漿加固參數確定

郭金龍

(遼寧葠窩水力發電有限責任公司，遼寧 遼陽 111000)

1 研究背景

柴河供水系統是某重點供水工程二期的重要組成部分，線路總長56.18 km，主要由鐵嶺市老城區供水工程和沈鐵共用供水工程組成[1]。其中沈鐵共用供水工程為有壓自流輸水方式，供水線路的起點為柴河水庫庫區小河貝村新建取水頭部，終點為沈鐵分水口，供水線路由有壓隧洞和管線組成，線路長度9.05 km，其中隧洞長度為7.35 km，管線長度為1.69 km。該工程輸水隧洞D1+203～D2+522洞段存在一條斷層破碎帶，碎石占比較大，碎石間隙為砂和黏性土填充。同時，由于該洞段處在河谷地帶，地下水較發育，因此工程風險高。為了防止施工過程中的系列地質災害，綜合采用超前帷幕注漿、超前小導管和砂漿錨桿加固措施，采用三臺階帶仰拱一次開挖工法，支護盡快封閉成環，以獲得一定的安全系數冗余量，保證工程施工的順利進行。

在地下洞室工程施工過程中，保證掘進面的安全性和穩定性十分重要，特別薄弱地質因素會對掘進施工造成相當程度的干擾和破壞，導致圍巖出現較大變形甚至坍塌破壞，引發嚴重的施工安全事故[2]。因此，保證掘進面的穩定性是保證隧洞施工安全的關鍵所在[3]。背景工程由于線路長、地質構造條件復雜，同時施工工期要求較高。為了保證工程的安全高效施工，展開掘進面的穩定性的分析和超前加固研究就顯得尤為必要，不僅對保證隧洞施工安全穿越斷層破碎帶具有重要意義，同時也可以為相關類似工程提供參考。基于此，此次研究以施工掘進面的穩定性系數為標準，分析圍巖荷載、漿液凝固后的黏聚力以及注漿范圍的掘進面安全性影響，獲得合適的超前注漿參數。

2 計算模型與方法

2.1 模型的構建

FLAC3D是美國ITASCA公司推出的一款基于快速拉格朗日差分分析的巖土力學計算軟件，被廣泛應用于支護設計和評價、地下洞室施工設計、河谷演化分析和邊坡穩定性分析等眾多工程研究領域[4]。因此，此次研究利用該軟件進行背景工程的計算模型構建。

為了方便模型研究分析，模型構建過程中將隧洞圍巖視為各向同性均質連續介質；圍巖巖體符合摩爾-庫倫本構模型，滿足彈塑性變形特征，地下水不會對巖石產生軟化作用[5]；隧洞埋深用上覆巖體的自重模擬，不考慮構造應力的影響。

根據背景工程的初始設計資料，首先利用MIDAS GTS建立網格模型，然后導入FLAC3D模型形成模型主體[6]。為了減少計算過程中邊界約束效應，模型的左右邊界按照5倍洞徑確定并取整，整個模型的尺寸為100 m×50 m×80 m，劃分為122 780個網格單元，156 886個節點。

2.2 邊界條件與模型參數

計算模型采用位移約束條件，對模型的下部邊界施加豎向位移約束，左右邊界施加水平位移約束，前后邊界施加縱向位移約束，上部邊界為自由邊界條件不施加位移約束條件[7]。為了模擬隧洞深度，將等效于塌落拱高度的巖土體自重應力施加于模型的上部邊界。計算模型采用靜力模式，在破碎帶的表面施加梯度靜水壓力，不考慮滲流影響[8]。本文分析的重點是斷層破碎帶，因此根據相關施工規范和工程經驗確定正常圍巖物理力學參數，斷層破碎帶圍巖物理力學參數則通過現場取樣試驗獲取，具體見表1。

表1 模型材料物理力學參數

3 計算結果與分析

3.1 黏聚力影響分析

研究中結合計算斷面的實際情況，確定上部荷載為32 MPa不變，對3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa和7 MPa等5種不同漿液凝固后黏聚力條件下的掘進工作面的穩定性進行計算，結果如表2所示。由計算結果可以看出，在注漿范圍相同的情況下，隧洞掘進面的安全系數隨著漿液凝固化黏聚力的增大而增大。也就是說，提高注漿后漿液結石體的黏聚力，可以有效提升掘進面的安全系數。另一方面，在注漿漿液凝固后黏聚力相同的情況下，隧洞掘進面的安全系數隨著注漿范圍的增加而增大，且呈現出比較顯著的線性相關關系。具體來看，要達到工程設計的1.15的安全系數值，漿液凝固后的黏聚力越大，需要注漿范圍就越小。從具體的計算結果來看，當漿液凝固后黏聚力為3 MPa時，注漿范圍需要達到440 cm；當漿液凝固后黏聚力為4 MPa時，注漿范圍需要達到425 cm；當漿液凝固后黏聚力為5 MPa時，注漿范圍需要達到420 cm；當漿液凝固后黏聚力為6 MPa時，注漿范圍需要達到415 cm；當漿液凝固后黏聚力為7 MPa時，注漿范圍需要達到410 cm。

表2 不同漿液凝固后黏聚力的安全系數計算結果

3.2 圍巖荷載影響分析

研究中保持漿液凝固后黏聚力為4 MPa不變，對15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa和35 MPa等不同圍巖荷載條件下的隧洞掘進面安全系數進行模擬計算，結果如表3所示。從計算結果可以看出，在注漿距離相同的情況下，圍巖荷載越大，隧洞掘進面的安全系數就越小。由此可見，隧洞的埋深越大越不利于提高掘進面的安全系數，需要采取更有效的加固工程措施。在圍巖荷載不變的情況下，掘進面的安全系數隨著注漿范圍的增加而增大。具體來看，在滿足安全系數1.15的工程設計要求情況下，圍巖荷載為15 MPa時，注漿范圍需要達到400 cm；圍巖荷載為20 MPa時，注漿范圍需要達到405 cm；圍巖荷載為25 MPa時，注漿范圍需要達到410 cm；圍巖荷載為30 MPa時，注漿范圍需要達到415 cm；圍巖荷載為35 MPa時，注漿范圍需要達到420 cm。

表3 不同圍巖荷載的安全系數計算結果

4 注漿參數的選取

通過上述研究，同時結合背景工程的實際情況，對注漿參數進行如下設計：

根據相關施工規范和工程經驗，水灰比為1.0、0.8和0.6的水泥漿液在凝固后的黏聚力值分別為3.6 MPa、4.5 MPa和7.5 MPa。根據上述研究成果，選擇水灰比為1.0的水泥漿液注漿時，其注漿范圍至少需要達到440 cm；選擇水灰比為0.8的水泥漿液注漿時，其注漿范圍至少需要達到425 cm；選擇水灰比為0.6的水泥漿液注漿時，其注漿范圍至少需要達到410 cm。

查閱研究洞段斷層破碎帶的滲透率值并進行注漿漿液的滲透率計算，結果顯示注漿漿液的水灰比為1.0時方可滿足注漿滲透系數的要求，因此在注漿施工過程中選擇1.0的水灰比進行注漿。

考慮到注漿壓力的影響，研究中對不同注漿壓力下水灰比為1.0的水泥漿液的注漿范圍進行試驗，結果如表4所示。從試驗結果可以看出，在注漿壓力分別為0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa和2.0 MPa的條件下，分別需要600 s，450 s，450 s和300 s即可達到440 cm的注漿范圍要求。由此可見，由于圍巖比較破碎，較低的注漿壓力也可以達到較好的注漿效果，滿足注漿半徑的要求。當然，增加注漿壓力可以增加注漿半徑或減小注漿時間，但是注漿壓力的增加也會導致不可逆損失風險的加大。基于此，在工程施工中推薦采用水灰比為1.0的水泥漿，注漿壓力為0.5 MPa，注漿時間不低于600 s。

表4 注漿范圍試驗結果

5 結 語

超前注漿可以有效提高輸水隧洞圍巖的整體性和承載力，對保證施工安全具有重要意義，是穿越斷層破碎帶輸水隧洞施工中的重要工程措施。當然，超前注漿施工的工程效果與工程地質和注漿參數有密切關系。因此，此次研究深入分析了圍巖荷載、漿液固結后黏聚力和注漿范圍對施工安全性的影響，并以此為基礎確定具體的注漿施工參數，對背景工程施工設計和相關類似研究具有一定的支持和借鑒意義。當然，此次研究沒有考慮地下水的影響，在今后的研究中需要在該方面進行進一步的研究和探索，以便為相關研究和工程建設提供更有力的支持和借鑒。