高寒隧道低溫富水環(huán)境下帷幕注漿施工及性能優(yōu)化

蔣磊 王增群 王建軍

摘要：為保證高寒隧道低溫富水環(huán)境下的帷幕注漿施工質(zhì)量，結(jié)合工程地質(zhì)實(shí)際，以白拉山高寒富水隧道施工為例，首先采用FLAC3D有限元分析軟件模擬不同注漿加固圈厚度下隧道、襯砌和孔隙的水壓力、應(yīng)力分布和位移變化，繼而得到最佳加固圈厚度。然后在上述優(yōu)化的前提下，設(shè)計帷幕注漿施工工藝，并通過實(shí)時監(jiān)測的方式，查看洞內(nèi)周邊位移量，進(jìn)而驗證上述優(yōu)化的可行性與正確性。

關(guān)鍵詞：高寒隧道;帷幕注漿;施工優(yōu)化;FLAC3D有限元

中圖分類號：U455.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）12-0105-04

隧道施工過程中，因富水地層裸露而引起的突水，突水等地質(zhì)災(zāi)害，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。帷幕灌漿是控制地下工程水害的有效技術(shù)手段，但受富水地層結(jié)構(gòu)模型的復(fù)雜性和灌漿工程隱蔽性的限制。富水地層注漿，堵水的理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后實(shí)踐。因此，進(jìn)一步分析影響影響富水地層帷幕灌漿加固的相關(guān)影響因素，對提高隧道富水層施工具有重要的作用和價值。本研究則從數(shù)值模擬的角度，就富水地層帷幕灌漿加固問題進(jìn)行模擬。

1 高寒隧道低溫富水環(huán)境下帷幕注漿數(shù)值模擬

1.1 模型建立及參數(shù)選取

1.1.1 模型假設(shè)

流場計算的基本假設(shè)為：假設(shè)圍巖中介質(zhì)為性連續(xù)介質(zhì)，同時地下水流服從達(dá)西定律;在應(yīng)力場計算方面，只考慮自重的應(yīng)力，且加固圈、圍巖和襯砌采用采用彈塑性本構(gòu)模型。

1.1.2 模型范圍與監(jiān)測點(diǎn)布置

應(yīng)用FLAC3D軟件，并結(jié)合地質(zhì)參數(shù)建立模型，得到如圖1所示的剖面圖。

1.1.3 邊界條件

本文模擬的邊界條件為：①底部邊界是固定的;②左右邊界則受到受到位移的約束;③頂部則包含巖層的重力。

帷幕灌漿的加固參數(shù)設(shè)定如下，具體如表1所示。

1.2 計算結(jié)果分析

1.2.1 孔隙水壓力場分析

不同注漿加固環(huán)厚度下孔隙水壓力場的變化。

圖2為不同注漿厚度下的孔隙水壓力分布。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可得，灌漿厚度與隧道周圍孔隙水壓力成正比，伴隨著厚度的增加而增加。隨著灌漿加固環(huán)的厚度從2m逐漸變化到10m，灌漿加固環(huán)外部的孔隙水壓力逐漸增加，而襯砌上的孔隙水壓力逐漸降低。

對圖3中的孔隙水壓力場的分析表明，在5種不同注漿加固環(huán)厚度的工作條件下，隧道的開挖已重新分布了圍巖的孔隙水壓力場，并且孔隙水壓力在隧道腔周圍形成了“漏斗”形狀。能夠。區(qū)域和孔隙水壓力等值線比遠(yuǎn)處的圍巖分布更密集，并且有明顯的變化。隨著注漿加固圈厚度由2m逐漸變?yōu)?0m，注漿加固圈外圍巖孔隙水壓力逐漸增大。最大壓力從工況1的1.4459MPa增加到工況5的1.6736MPa，增幅為15.7%。襯砲上的孔隙水壓力逐漸降低，最大壓力由工況1的2.0716MPa降至工況5的1.4162MPa，下降31.6%n

1.2.2 應(yīng)力場分析

不同注漿厚度下等效應(yīng)力和最大圍巖壓應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示。

通過圖4的數(shù)值模擬結(jié)果得到，在不同的工況情況下，得到的加固圈的應(yīng)力主要分布在圍巖區(qū)域的隧道附近，同時在隧道周圍巖層的應(yīng)力變化是最大的，且主要集中分布在拱璧兩側(cè)的拱腳中。而在應(yīng)力變化的同時，隨著加固圈厚度的增加，圍巖的等效應(yīng)力和壓應(yīng)力在不斷減少。

1.2.3 位移場分析

注漿加固圈在不同不同厚度下的位移場如圖5所示。

圖5為不同注漿加固環(huán)厚度下隧道各部位位移對比曲線?？梢钥闯?，從條件1到條件5，隧道各部分位移變化曲線斜率逐漸減小。其中，每個監(jiān)測的位移振幅變化條件下的隧道部分1和條件2是相對較大的，和每個監(jiān)測隧道的一部分的變化范圍從條件3條件5相對溫和，反映了注漿加固圈帷幕灌漿后，提高了隧道的承載能力，抑制和穩(wěn)定的位移和變形的各個部分隧道。可以看出，隨著注漿加固環(huán)厚度的增加，注漿加固環(huán)的加固堵水效果顯著，襯砌的水壓也有明顯提高。

2 注漿帷幕安全厚度的研究

帷幕灌漿的安全厚度計算主要采用理論公式法對注漿帷幕的安全厚度進(jìn)行研究。隧道超前帷幕灌漿加固環(huán)主要承受外部靜水壓力。根據(jù)強(qiáng)度理論，參照厚壁圓筒計算配筋圓的厚度，計算公式為：

式中， σ'表示圍巖加固體所允許的抗壓強(qiáng)度;C表示隧道開挖等效直徑;P表示圍巖最大靜水壓力;B表示注漿加固圈厚度。

根據(jù)本文隧道施工，假設(shè)C =6m， σ'=2.32MPa， PW =1.1MPa。根據(jù)計算得到加固圈厚度約為8.2m。

3 帷幕注漿工藝

3.1 帷幕注漿工藝的原理

為了填充密室內(nèi)的裂縫和孔隙，使圍巖粘結(jié)成一體，起到防滲堵水的作用，要在隧道內(nèi)向前方掘進(jìn)，然后將液體注入注漿孔內(nèi)，從而使得圍巖和隧道面粘結(jié)在一起。

3.2 帷幕注漿工藝的流程

注漿工藝流程圖如圖6所示。

3.3 注漿結(jié)束

3.3.1 單孔注漿結(jié)束

對于單孔注漿結(jié)束度的判定，我們通常用采用定量和定壓結(jié)合的方式進(jìn)行。其中，在定量的判定上，只要單孔注漿滿足注漿量為設(shè)計注漿量的1.2倍，那么則結(jié)束注漿;而在定壓標(biāo)準(zhǔn)下，如單孔注漿壓力達(dá)到2.5MPa，也同樣停止注漿。

3.3.2 全段結(jié)束

當(dāng)所有單孔注漿都達(dá)到注漿標(biāo)準(zhǔn)，且注漿都無滲漏，那么則全段結(jié)束。

3.4 注漿材料選擇

在注漿材料的選擇方面，本文則主要選擇水泥一水玻璃類的注漿材料作為帷幕加固施工的主要原材料。

3.5 隧道超前深孔帷幕注漿堵水施工

3.5.1 注漿方案

本文采用的注漿方案分為以下4步：①首先對混凝土進(jìn)行灌漿墻柱施工;②進(jìn)行帷幕預(yù)注漿;③采用臺階法開挖，然后搭建仰拱封閉支護(hù)設(shè)備;④針對開挖中出現(xiàn)的軟弱圍巖問題，采用小導(dǎo)管注漿的方式規(guī)避。

3.5.2 帷幕注漿施工設(shè)計

要進(jìn)行帷幕施工，還需要確定的該止動盤的厚度。而經(jīng)過計算，得到止動盤的厚度應(yīng)為5m，工作面及輪廓線外的厚度為5m。整體帷幕施工的剖面圖如圖7所示。

3.6 施工效果分析

為了驗證上述數(shù)值分析和施工效果，以隧道周邊水平位移收斂為評價對象。即連續(xù)監(jiān)測1個月注漿后的水平位移收斂值。根據(jù)統(tǒng)計得到圖8的結(jié)果。根據(jù)圖8可以看出，隧道水平位移的收斂隨著時間逐步增加，并在增大到一定趨勢后逐步變得平緩。其中，下測線水平位移收斂值（ 10.51mm）大于上測線水平收斂值（8.79mm）。

4 結(jié)語

結(jié)合以上研究看出，通過數(shù)值分析不同注漿厚度下的隧道孔隙水壓力、圍巖應(yīng)力等的情況下，可計算得到注漿帷幕的安全厚度。在該安全厚度的基礎(chǔ)上，通過注漿工藝，并通過檢測，得到隧道在一定時間內(nèi)的位移變化情況。結(jié)果表明，在一定時間后，位移趨于穩(wěn)定。說明上述安全厚度和施工方案可行，并進(jìn)一步表明該方法的可行性。

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