高地應力緩傾巖層隧道底部圍巖注漿加固方法

摘 要：隧道仰拱在長期受列車動荷載作用、高地應力和地下水侵蝕等惡劣環境下，結構極易受到破壞，會導致隧道底部圍巖弱化，嚴重影響隧道運營安全。為解決這個問題，本文根據國內某隧道采用數值模擬方法分析了不同注漿深度對仰拱變形的影響，研究表明：采用注漿加固隧道底部圍巖，能有效抑制隧道仰拱的豎向變形，對高地應力水平層狀地層隧道底部圍巖的最佳注漿深度為9m。

關鍵詞： 高地應力；層狀地層；隧道仰拱；注漿加固

中圖分類號：U 45" " " 文獻標志碼：A

目前我國高速鐵路隧道主要采用無碴軌道結構，因此對隧道結構的可靠、穩定、平順和耐久性提出了更高的要求、也對隧道底部變形控制的要求更為嚴格[1]。隨著越來越多運營隧道仰拱病害的出現，隧道仰拱結構的重要性逐漸引起大家的關注，但目前是對仰拱結構參數優化設計的研究較少。尤其對高速鐵路隧道來說，隧道穿越板塊縫合帶高能地質環境區段（高地應力、高地溫、深大富水斷裂、富水冰磧層等），隧道仰拱結構受力更加復雜[2-3]。因此，為解決隧道底部結構隆起問題，需要對其進行研究，并提出相應的解決方案。

綜合研究及現場整治經驗可以看出，對隧道仰拱結構進行優化或者僅采用錨索和錨桿對隧道基底圍巖進行加固雖然能夠在一定程度上減緩隧道底鼓速率，但是不能徹底解決隧道底鼓問題，采用水泥漿液對隧道底部圍巖層狀巖層進行注漿加固，注漿后形成的結石體不僅提高了底部圍巖的強度，還提高了圍巖的自穩性，減少了隧道結構所受荷載，縮小了仰拱結構的豎向變形。

1 研究方法

1.1 工程概況

為了研究高地應力條件下水平層狀地層隧道底部圍巖注漿加固范圍對仰拱變形的影響，并確定最經濟且有效的注漿深度，本文以國內某高地應力水平層狀地層隧道為研究對象，隧道全長7858m，距成都42km，隧道洞身主要穿過侏羅統蓬萊鎮組泥巖夾砂巖及巨厚層砂巖，巖層產狀大多較平緩。對隧底部巖層進行鉆孔分析可知，仰拱底部巖層均以泥質粉砂巖為主，呈紫紅色，泥質結構，多為中厚層狀構造。

1.2 數值模型建立

數值計算以國內某隧道為計算模型，根據該鐵路隧道施工圖可知，由于該鐵路隧道除進口段110m和出口段112m為Ⅳ、Ⅴ級圍巖外，其余均處于地下水發育的Ⅲ級圍巖，且以粉砂質泥巖為主，因此根據規范要求，該鐵路隧道設有仰拱結構。隧道寬13.30m、高10.99m，隧道初支混凝土為C20，初支厚度為0.15m，二襯混凝土為C25，二襯厚度為0.4m，仰拱厚度為0.45m。該鐵路隧道斷面內輪廓為五心圓形式，仰拱采用單心圓形式，半徑為14.8m，該鐵路隧道仰拱跨度為9.6m，鐵路隧道內輪廓斷面圖如圖1所示。

通過現場勘察可知，隧道底鼓最高點位于里程左線位置，其底鼓量為62.37mm，因此選取此里程左右各5m的區段為研究對象，根據現場在中心位置及右4.1m處鉆孔取樣分析可知，仰拱底部巖層均以泥質粉砂巖為主，呈紫紅色，多為中厚層狀構造。

通過地質勘察此區段隧道底部多為水平巖層，且主要為中厚層狀構造，中厚層為0.1＜h≤0.5，因此本文整體建模均以隧道底部以下地層按照水平中厚層地層模擬，在仰拱下方建立水平中厚層巖體，總厚度為30m，每層厚0.5m。

為了研究高地應力條件下水平層狀地層隧道底部圍巖注漿加固范圍對仰拱變形的影響，確定最經濟且有效的注漿深度，本文以現場測試的初始應力場地質環境為基礎，在拱底30m范圍內考慮層狀巖層分布，單層層厚取0.5m，分析隧道底部圍巖不同注漿深度對仰拱變形的影響，并且和不注漿工況進行對比，共建立6組模型，注漿深度分別為0m、3m、5m、7m、9m和11m，模型建立方案見表1。

在底部圍巖注漿加固模擬過程中，通過增加注漿范圍內圍巖的力學參數來模擬注漿效果，一般將巖層的彈性模量、黏聚力和內摩擦角增加1倍[4-5]。因此在本次模擬過程中，底部注漿加固區圍巖力學參數選取見表2。

為了模擬與現場實測相同的地應力場，通過在側面分別施加水平方向梯度變化的荷載來模擬水平構造應力作用，不斷調整模型邊界添加的σx、σy，直至模型監測點應力與現場實測地應數值接近為止，模型的底部邊界及側面均采用約束法向方向位移，模型頂部邊界為自由邊界。

1.3 監測斷面及監測點

由于隧道邊緣易受邊界效應的影響，為了消除邊界效應的影響，選取模型中間斷面y=5m作為研究斷面。當隧道仰拱結構在受到圍巖壓力及地應力作用時，拱腳及拱底附近是最危險部位，因此針對隧道仰拱結構最易破壞的位置，選取仰拱底部7個主要監測點。主要監測點布置如圖2所示。

2 計算結果分析

2.1 隧道仰拱豎向位移

選取模型中間斷面即y=5m作為研究斷面，提取該斷面上仰拱豎向位移，該仰拱上最大與最小豎向位移如圖3所示。

根據圖3可知，各組模型中仰拱的豎向位移左右對稱，且仰拱中部的豎向位移最大，豎向位移均由仰拱中部向兩側逐漸減少；在其他條件相同的情況下，隨著隧道底部圍巖注漿深度增加，仰拱最大豎向位移也不斷增加。在其他因素相同的情況下，隧道底部注漿深度分別為0m、3m、5m、7m、9m和11m時，隧道仰拱最大豎向位移均位于仰拱中部，其最大豎向位移分別為37.31mm、8.67mm、6.12mm、5.25mm、4.98mm和4.86mm；隧道仰拱最小豎向位移均位于仰拱拱腳處，其最小豎向位移分別為8.47mm、4.37mm、3.62mm、3.34mm、3.26mm和3.20mm。

根據仰拱上的監測點繪制各點在隧道底部圍巖不同注漿深度下的豎向位移變化曲線，分析其豎向變形與注漿深度范圍之間的關系。由于仰拱為中心對稱結構，因此只繪制出監測點1～4的豎向位移變化曲線，如圖4所示。

對圖4各監測點豎向位移變化曲線進行分析可知，監測點4為仰拱中心位置，在不同注漿深度情況下，其豎向位移均最大，監測點1為仰拱拱腳處，在不同注漿深度情況下，其豎向位移均最小；從各監測點變形速率來看，隨著注漿深度增加，越靠近仰拱中點處，其豎向位移迅速減少；在仰拱拱腳處，豎向位移降幅最小。對監測點1、2、3和4來說，在注漿深度從0m增至3m的過程中，其豎向位移急劇減少，豎向位移分別減少48.3%（4.09mm）、70.18%（16.78mm）、75.43%（26.08mm）和76.76%（28.64mm）；在注漿深度從3m增至11m的過程中，仰拱豎向位移緩慢減少，尤其是在注漿深度超過5m后，仰拱豎向位移變化趨于平緩。當隧道底部圍巖注漿深度為9m時，仰拱最大豎向位移為4.98mm，與不進行注漿加固相比，其豎向位移減少了86.65%（32.33mm），且已達到無砟軌道對底部結構隆起量≤5mm的要求。當注漿深度繼續增加時（注漿深度為11m），仰拱最大豎向位移變化不大，僅減少0.12mm。因此將注漿深度設置為9m左右。

表2 底部注漿加固區圍巖力學參數

彈性模量（GPa） 黏聚力（MPa） 內摩擦角（ ° ） 泊松比

25.5 1.80 55 0.23

綜上所述，在注漿深度下，各監測點的豎向位移出現不同程度變化，越靠近仰拱中部其變化越明顯，因此采用注漿加固隧道底部圍巖，能夠有效抑制隧道仰拱的豎向變形，高地應力水平層狀地層隧道底部圍巖最佳注漿深度為9m，能達到加固隧底圍巖和抑制仰拱結構隆起變形的理想效果。

2.2 隧道仰拱應力變化規律

不同注漿深度與仰拱最大壓應力關系曲線如圖5所示。

由圖5可知，在上述所有模型中，仰拱隧道仰拱最大主應力和最小主應力均為負值，說明仰拱均只受壓應力，不受拉應力，這也說明，隧道仰拱結構能夠有效傳遞底部圍巖的荷載，并且充分發揮了混凝土受壓性能良好的特性。當隧道底部注漿深度為0m、3m、5m、7m、9m和11m時，隧道仰拱結構均僅受壓應力作用，最大壓應力均出現在拱腳處，最大壓應力分別為92.31MPa、41.55MPa、35.83MPa、33.90MPa、33.27MPa和33.06MPa。隨著注漿深度增加，仰拱所受最大壓應力隨之減少，在注漿深度從0m增至3m的過程中，仰拱所受最大壓應力顯著減少，但是當注漿深度從3m增至7m過程中，仰拱所受最大壓應力降幅減弱，在注漿深度超過9m后，最大壓應力變化趨于平緩。

綜上所述，在高地應力條件下，通過注漿加固隧道底部圍巖將有效減少仰拱豎向位移及所受壓應力，在注漿深度超過9m后，對減燒仰拱最大壓應力作用較小，通過注漿深度對仰拱最大豎向位移的影響可知，高地應力水平層狀地層隧道底部圍巖最佳注漿深度為9m，且加固隧底圍巖和抑制仰拱結構隆起變形的效果最理想。

3 結論

本文對隧道底部圍巖注漿加固進行研究，發現注漿加固能有效增加圍巖強度、提高自穩性和有效抑制隧道仰拱的豎向變形。

采用注漿加固隧道底部圍巖，能有效抑制隧道仰拱的豎向變形，高地應力水平層狀地層隧道底部圍巖最佳注漿深度為9m。

當隧道底部圍巖最佳注漿深度范圍為9m時，其仰拱最大豎向位移為4.98mm，與不進行注漿加固相比，其豎向位移減少了86.65%（32.33mm），且已達到無砟軌道對底部結構隆起量≤5mm的要求。注漿深度繼續增加，仰拱豎向位移變化并不明顯。

參考文獻

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