富水粉細(xì)砂地層隧道圍巖注漿參數(shù)研究

羅勝利, 楊 翔

(1.中鐵二院昆明公司，云南昆明650200； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)和運(yùn)營的需要，隧道工程建設(shè)不斷向復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境發(fā)展，施工條件越來越復(fù)雜、施工難度也越來越大，西南地區(qū)已成為隧道工程的重點建設(shè)區(qū)域。其中粉細(xì)砂地層為軟弱圍巖地層，廣泛分布于西南地區(qū)，富水粉細(xì)砂圍巖自穩(wěn)能力極差，隧道施工控制難度大，極易造成塌腔和塌方等災(zāi)害，對隧道結(jié)構(gòu)、甚至人員的安全性造成威脅。因此，有必要對粉細(xì)砂地層隧道修建相關(guān)技術(shù)開展研究。

針對于軟弱圍巖地層修建隧道，當(dāng)前國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。閔書[1]討論了隧道超前小導(dǎo)管注漿加固機(jī)理；王輝等[2]分析了不同小導(dǎo)管注漿參數(shù)下隧道開挖導(dǎo)致的地表沉降；賴金星等[3]研究了管棚加固下地表沉降和隧道變形規(guī)律；劉鵬飛等[4]針對高含水率黃土地層建立帷幕注漿模型，分析了帷幕注漿對地層的穩(wěn)定性有較好的提升作用；董書寧等[5]通過放水試驗、鉆孔取芯等手段對帷幕注漿加固的效果分析評價。曾學(xué)藝等[6-7]針對大直徑隧道穿越粉細(xì)砂地層的施工風(fēng)險，提出采用高壓旋噴樁預(yù)加固技術(shù)方案；殷洪波等[8]采用離散元法對粉細(xì)砂地層隧道進(jìn)行圍巖塌落過程模擬，并提出了旋噴樁加固圍巖及開挖面的施工控制措施；牛斌等[9-10]通過注漿試驗與數(shù)值分析的手段分析了柱洞法在粉細(xì)砂地層大斷面隧道施工中的不足，并對粉細(xì)砂地層暗挖車站的施工方案進(jìn)行了優(yōu)化；王慶林和冷雅梅[11-12]對胡麻嶺隧道粉細(xì)砂地層在富水條件下圍巖的穩(wěn)定性與工程措施進(jìn)行了探討，提出了富水粉細(xì)砂地層的相關(guān)施工方法和工程措施。

綜上研究，許多學(xué)者已對富水粉細(xì)砂地層隧道進(jìn)行了相關(guān)研究，但針對此類地層帷幕注漿預(yù)加固技術(shù)研究涉及較少。本文以某鐵路隧道工程為依托，采用室內(nèi)試驗獲得富水粉細(xì)砂土體的物理力學(xué)參數(shù)；結(jié)合數(shù)值分析方法，對富水粉細(xì)砂地層隧道的帷幕超前注漿技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以期為類似地層隧道超前預(yù)加固參數(shù)的確定提供參考。

1 工程概況

以中老昆萬鐵路某隧道工程為依托，隧道跨度為13.50 m、高度為12.79 m、最大埋深為153 m，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。粉細(xì)砂地層段全長183 m，粉細(xì)砂土體成巖性較差，當(dāng)不存在地下水時，圍巖具有一定的自穩(wěn)性；當(dāng)遇到地下水的浸潤作用時，土體結(jié)構(gòu)自穩(wěn)能力差，極易出現(xiàn)破壞，喪失承載力。此外在施工擾動作用下，粉細(xì)砂土體易變成松散的狀態(tài)，使得隧道圍巖穩(wěn)定性急劇減弱；在隧道施工中，多次出現(xiàn)開挖面坍塌、隧道大變形等問題。

圖1 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)

2 富水粉細(xì)砂地層注漿效果模擬分析

2.1 數(shù)值計算模型

基于圣維南原理，計算模型邊界取至開挖隧道洞徑的3～5倍，左右邊界到隧道中心線的距離保持在50 m左右，模型的底面與隧道的底部距離為45 m，模型的縱向長度取為40 m。選取最大埋深153 m處為分析對象，隧道頂部土體厚度取60 m；左、右兩側(cè)邊界處和底部分別設(shè)置水平向位移和豎向位移，同時考慮地下水及自重應(yīng)力場作用。隧道采用三臺階法施工。隧道具體施工計算模型見圖2。

圖2 隧道施工計算模型

2.2 計算參數(shù)

在現(xiàn)場取不同位置的粉細(xì)砂土樣，進(jìn)行相應(yīng)的室內(nèi)力學(xué)實驗，得到粉細(xì)砂土體的力學(xué)參數(shù)，試驗結(jié)果如表1所示。

根據(jù)GB/T50123-2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，研究了粉細(xì)砂土在不同孔隙條件下滲透性能的變化規(guī)律。采用變水頭滲透實驗,得到粉細(xì)砂試樣在不同的孔隙率條件下的滲透系數(shù)，如表2所示。

初期支護(hù)為C25噴射混凝土；系統(tǒng)錨桿長度為3.50 m、直徑為25 mm，采用梅花型布置，縱向間距和環(huán)向間距分別設(shè)置為1 m和1.2 m。注漿圈抗?jié)B性能的降低可以選取滲透系數(shù)為5×10-4cm/s來模擬。粉細(xì)砂地層土體的物理力學(xué)參數(shù)詳見表3。

表1 土樣的物理力學(xué)參數(shù)

表2 不同孔隙率粉細(xì)砂的滲透系數(shù)統(tǒng)計

表3 計算模型物理力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬分析

2.3.1 圍巖位移變化特性

通常圍巖的穩(wěn)定性可通過圍巖變形來判斷。在數(shù)值計算中，選取模型中間斷面(Y=20 m)為監(jiān)測斷面，其拱頂沉降、仰拱隆起和水平收斂的最終監(jiān)測結(jié)果如表4所示。

由表4可知，相較于超前小導(dǎo)管注漿加固，全斷面帷幕注漿能夠有效控制隧道結(jié)構(gòu)變形，這是因為全斷面帷幕注漿的加固范圍和注漿圈厚度相較于小導(dǎo)管注漿加固更大，有效提高隧道圍巖強(qiáng)度。

表4 不同工況下隧道位移計算結(jié)果

2.3.2 開挖面擠出變形特性

基于開挖面的擠出變形的形態(tài)及量值，可以掌握超前核心土的圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。不同地下水位的最大開挖面擠出變形值如圖3所示。

圖3 隧道開挖面擠出變形曲線

從圖3可以看到，開挖面擠出變形主要發(fā)生在臺階的中部區(qū)域。在仰拱部位擠出變形相對較小，這是由于仰拱的相對高度比較小，擠出變形的發(fā)生和擴(kuò)展受到了限制。當(dāng)拱頂上覆水位在60 m的時，超前帷幕注漿開挖面的最大擠出變形比超前小導(dǎo)管注漿加固條件下的最大擠出變形降低了93.1%，其變形量達(dá)到了8.98 mm，可見超前帷幕注漿可以更好地控制開挖面變形，達(dá)到安全施工的目的。

2.3.3 塑性區(qū)體積變化特性

采用拱頂上覆水位60 m為最不利研究水位時，超前小導(dǎo)管注漿和超前帷幕注漿條件下，圍巖的塑性區(qū)縱向分布云圖在下上臺階開挖到監(jiān)測斷面(Y=20 m)時如圖4所示。

圖4 隧道開挖至監(jiān)測面圍巖塑性區(qū)分布情況

由圖4可知，在超前小導(dǎo)管加固條件下，開挖面已經(jīng)完全進(jìn)入塑性區(qū)，前方圍巖塑性區(qū)分布廣泛，剪切破壞的面積大。拱頂附近和開挖面前方圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)貫通情況，表明圍巖出現(xiàn)了失穩(wěn)；而采用全斷面注漿時，洞周及掌子面圍巖塑性區(qū)范圍很小，表明圍巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。說明在粉細(xì)砂地層中，超前帷幕注漿能有效提高隧道圍巖的整體穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

基于室內(nèi)試驗，研究了粉細(xì)砂土樣的物理力學(xué)性質(zhì)；結(jié)合數(shù)值模擬手段，對富水環(huán)境下粉細(xì)砂地層隧道施工中的全斷面注漿效果進(jìn)行了研究，主要結(jié)論：

(1)采用室內(nèi)試驗方法，確定了依托工程粉細(xì)砂土樣的含水率為9.80%，密度為1.837 kg·m-3，相對密度為2.590，壓縮模量為18.4 MPa。通過三軸試驗確定粉細(xì)砂土樣的粘聚力為3.69 kPa，內(nèi)摩擦角為31.4°，并確定不同孔隙率粉細(xì)砂滲透系數(shù)。

(2)拱頂上覆水位60 m時，全斷面注漿相較于小導(dǎo)管注漿加固情況，拱頂沉降降低了67.9%；開挖面擠出變形降低了93.1%；塑性區(qū)體積從13 172.3 m3降低至帷幕注漿的2 863.16 m3，降幅達(dá)到78.3%。全斷面注漿有效地控制了隧道洞周圍巖的變形，能保證隧道施工的安全。