隧道過富水斷層破碎帶超前帷幕注漿加固技術研究

張振北,高 鵬

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司,西安 710065; 2.西安方舟工程咨詢有限責任公司,西安 710065; 3.中交瑞通路橋養護科技有限公司,西安 710065)

富水斷層斷裂帶的特點是含水量大、結構松散、固結能力弱,容易導致在隧道開挖及施工過程中出現水及泥漿的涌入,嚴重威脅施工人員安全[1]。注漿法作為一種有效的堵水加固手段得到了廣泛應用[2]。目前,全斷面的帷幕注漿是處理隧道突水涌泥常用的有效方法。本研究以城開高速公路某隧道穿廟壩-桐油壩斷層為研究對象,采用數值模對超前帷幕注漿的不同注漿圈滲透系數及厚度進行研究,以確定最優的注漿參數。

1 工程概況

某隧道位于重慶市某村,設計速度為80 km/h,斷面為半圓拱曲墻式,隧道凈寬11.1 m,凈高7.1 m,左洞長2034 m,右洞長233 m,為長隧道。斷層帶巖層擠壓變形明顯,揉皺發育,巖體破碎,力學作用主要以擠壓為主,斷層上盤為志留系頁巖,因此上盤的導水性不強。但斷層下盤為可溶巖的大冶組(T1d)泥灰巖、灰巖,斷層的存在不僅會破壞下方巖體的完整性,容易形成溶蝕管道,還會導致下方巖層中的溶水在斷層與下方巖層接觸的區域聚集,隔水性較差,進一步加劇溶蝕效應,形成強導水地帶,在隧道開挖穿越斷層與上方巖層接觸地帶時容易發生涌水及突泥等情況。

2 數值模擬與參數選取

2.1 三維數值模型

考慮水流對地層穩定性和隧道穩定性的影響,基于滲流耦合效應,采用FLAC 3D有限差分軟件建立過富水斷層隧道三維數值模型,包括斷層的位置、傾角、斷距等參數及周圍巖體的特性,見圖1。所建模型的尺寸為:60 m(長)×80 m(寬)×80 m(高),采用Mohr-Coulomb屈服準則,襯砌采用殼單元,周邊巖土與襯砌之間的相互作用采用鏈接單元,土體采用Mohr-Coulumb模型,襯砌段與注漿體考慮為彈性模型[3]。

圖1 隧道網格化模型Fig.1 Tunnel grid model

2.2 邊界條件

初始應力場被假定為完全由重力產生,孔隙水壓力與埋藏深度成正比。將模型的上邊界視為自由邊界,對于下邊界,垂直位移受到約束,在左、右邊界設置水平運動受到約束,在前后邊界表面設置水平位移約束。滲流邊界條件被設定為:模型頂面設置為固定孔隙水壓力的自由邊界,其他表面包括右、左、前、后及底邊框被定義為不透水邊界,隧道開挖面視為透水邊界。

2.3 超前帷幕注漿

注漿作業面呈傘形輻射狀,鉆孔布置成多圈,其中內外圈按照梅花形排列,采用長孔和短孔相結合的方式。漿液擴散半徑為2 m,因此孔底間距不超過3 m,以保證注漿充分滲透、不留死角。開孔直徑φ115,終孔直徑φ75。注漿液采用水泥-水玻璃漿液,水泥∶水玻璃(體積比)=1∶50.6～1.0,水泥漿水灰比范圍為0.8∶1～1∶1,水玻璃模數范圍為2.6～2.8,水玻璃濃度為35 Be。注漿時,注漿壓力范圍為0.5～1.5 MPa,最終壓力達到2.0 MPa。

2.4 注漿圈參數

2.4.1 不同注漿圈滲透系數

(1)

其中,k1為注漿前圍巖的滲透系數,k2為注漿圈的滲透系數。研究注漿圈厚度為1 m,n=1、5、10、30、50、70、100下隧道開挖后初支、注漿外水壓力及圍巖的塑性區的大小。不同注漿圈滲透系數下,隧道斷面流量情況如圖2所示。

圖2 不同注漿圈滲透系數下斷面流量變化曲線Fig.2 Curve of section flow under different permeability coefficient of grouting ring

由圖2可知,隧道斷面流量與n值呈反比,當n值為1時,隧道斷面流量最大,注漿圈的止水效果較差,當隧道開挖后圍巖中的地下水將向隧道開挖面流動,流量4.9m3/d。當n值超過1后,注漿圈開始發揮止水作用。當n值為10時,隧道斷面流量較工況1減小34.7%。當n為50時,隧道斷面流量較工況1減小81.6%。當n為100時,隧道斷面流量較工況1減小87.7%?？梢钥闯?當n值超過50后,隧道斷面流量變化曲線開始趨于平緩,注漿圈防止水效果無明顯變化。

不同注漿圈滲透系數下外水壓力變化情況如圖3所示。

圖3 不同注漿圈滲透系數下外水壓力變化曲線Fig.3 Variation curve of external water pressure under different permeability coefficient of grouting ring

由圖3可知,隧道注漿圈和初期支護外水壓力的分布規律基本一致,即注漿圈的外水壓力隨著距離隧道頂部向底部的增加而逐漸增大,初期支護外水壓力從隧道拱底向拱腰逐漸增大。

當注漿圈的厚度一定時,地下水滲流過程中的水頭損失與初支上的水壓力與注漿圈防止水的效果呈反比,注漿圈水壓力與注漿圈防止水的效果呈正比。可以看出,當n值超過50后,隨著注漿圈和初期支護的外水壓力變化幅度開始減小,提升注漿效果對初期支護降低外水壓力的效果較弱。

不同注漿圈滲透系數下塑性破壞區范圍如圖4所示。

圖4 不同注漿圈滲透系數下塑性區體積變化曲線Fig.4 Volume change curve of plastic zone under different permeability coefficient of grouting ring

由圖4可知,塑性破壞區范圍與注漿圈防止水效果呈反比,主要原因是隧道開挖后圍巖發生變形而產生超靜孔隙水壓力,由于注漿圈防止水作用,其在短時間無法消散,在超靜孔隙水壓力的長期作用下,圍巖的效應力和抗剪強度降低,導致塑性區的產生。當n值小于35時,塑性區范圍變化幅度較大,注漿圈防止水效果對其影響較大,當n大于45時,塑性區范圍受注漿圈防止水效果的影響較小。

2.4.2 不同注漿圈厚度

根據上述研究結果,選取n=50保證不變,分別研究3 m、4.5 m、6 m、8 m注漿圈厚度下的隧道開挖后初支、注漿外水壓力及圍巖的塑性區的大小。不同注漿圈厚度下,隧道外水壓力變化曲線如圖5所示,隧道塑性區體積變化曲線如圖5所示。

圖5 不同注漿圈厚度下外水壓力變化情況Fig.5 Variation of external water pressure under different grouting ring thicknesses

由圖5可知,增大注漿圈厚度可以使其承擔的孔隙水壓力較多,進而有效降低初期支護的外水壓力,當注漿圈厚度分別為3.0 m、4.5 m、6.0 m、8.0 m時,隧道拱底位置的外水壓力較注漿圈厚度1 m時減少了40.1%、57.3%、64.8%、68.5%,可知當注漿圈厚度超過4.5 m后,隨著注漿厚度的不斷增大,初期支護的外水壓力下降幅度較小,變化趨勢開始減緩,故降低初期支護外水壓力的效果顯著減弱。

由圖6可知,隧道塑性區體積與注漿厚度呈反比,主要原因是增加注漿圈厚度可以增大隧道圍巖的抗剪強度,降低圍巖對的滲流路徑和作用在圍巖上的滲透力,隧道開挖后的圍巖塑性區破壞范圍也隨之減小。與注漿厚度1 m時相比,注漿厚度在3.0 m、4.5 m、6.0 m和8.0 m下的圍巖塑性區體積分別減小了約23.5%、44.1%、54.7%、59.4%,注漿圈厚度超過4.5 m后,圍巖塑性區體積減小的幅度開始下降,繼續增大注漿圈厚度對控制塑性區破壞范圍的作用較小。

圖6 不同注漿圈厚度下塑性區體積變化曲線Fig.6 Volume change curve of plastic zone under different grouting ring thicknesses

3 結論

注漿圈可以起到很好的防止水作用,隨著注漿滲透系數比n值的增加,隧道斷面流量、隧道初期支護外水壓力及塑性區體積減小,注漿圈外水壓力增大,當n值超過50以后,注漿圈防止水效果不再明顯。隨著注漿圈厚度的增大,初期支護的外水壓力與圍巖塑性區范圍顯著減小,當注漿圈厚度超過4.5 m后,初支外水壓力下與塑性區范圍減小幅度開始下降,增大注漿圈厚度進行防止水的效果開始減弱。綜合考慮防止水效果及經濟性,最優注漿圈滲透系數比n值和注漿圈厚度分別取50和4.5 m較為合理。