惠　冰， 張　立， 張慶松， 江　海， 張文俊, 柴　霞

(1. 山東正元建設工程有限責任公司， 山東 濟南　250101； 2. 山東城市建設職業(yè)學院，

山東 濟南　250014； 3. 山東大學巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟南　250061)

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注漿壓力作用下隧道圍巖變形規(guī)律與安全控制

惠冰1， 張立2， 張慶松3， 江海1， 張文俊1, 柴霞1

(1. 山東正元建設工程有限責任公司， 山東 濟南250101； 2. 山東城市建設職業(yè)學院，

山東 濟南250014； 3. 山東大學巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟南250061)

摘要：注漿是隧道圍巖加固與涌水封堵的主要技術(shù)手段，當圍巖較為破碎且自穩(wěn)能力較差時，注漿過程中若采取了不合適的注漿壓力，極易造成圍巖大變形甚至塌方等次生災害。基于滲流-應力耦合理論，選取典型隧道開挖斷面，建立注漿作用下滲流場與應力場數(shù)學模型，運用COMSOL多物理場耦合軟件分析注漿過程中注漿壓力作用下隧道圍巖的變形規(guī)律。結(jié)果表明，圍巖等級為Ⅴ時，注漿過程中注漿壓力不斷向隧道周圍地層中擴散與傳遞，滲流場、應力場分布隨注漿孔深度增加呈現(xiàn)衰減趨勢； 隨著注漿壓力的提高，應力發(fā)生急劇變化，并不斷地向圍巖深部轉(zhuǎn)移； 注漿初期，圍巖變形速率急劇上升，注漿后期圍巖變形速率下降，且變形量趨于穩(wěn)定。依托具體工程實例，提出了合理選擇注漿壓力的控制技術(shù)，保證了圍巖的穩(wěn)定和安全。

關鍵詞：隧道； 注漿壓力； 圍巖變形； 滲流-應力耦合； 安全控制

0引言

近年來，隨著我國交通工程建設規(guī)模的不斷發(fā)展，大量深埋長大隧道(洞)正在建設、修建，由于地質(zhì)條件的復雜性，施工過程中突涌水、塌方等地質(zhì)災害時有發(fā)生，地下水災害成為影響隧道安全建設與運營的關鍵問題。隧道建設過程中的突涌水問題成為急需解決的熱點問題，然而注漿是隧道圍巖加固與涌水封堵的主要技術(shù)手段，當圍巖破碎嚴重，且自穩(wěn)能力較差時，注漿過程中注漿壓力的選擇至關重要，如果選取不合適的注漿壓力，極易造成圍巖大變形甚至塌方等次生災害[1-4]。

高延法等[5]根據(jù)注漿減沉實驗成果，分析了注漿減沉過程中注漿壓力的變化規(guī)律。孫闖等[6]采用FLAC軟件對上海某越江隧道施工過程進行了數(shù)值模擬，分析了注漿壓力對管片上浮的影響。謝自韜等[7]采用FLAC程序?qū)Χ軜?gòu)區(qū)間隧道施工在不同注漿壓力條件下引起的地表沉降及圍巖變形進行了數(shù)值模擬研究。李方楠等[8]針對影響地層沉降變形與頂管施工的幾個關鍵因素，提出了考慮注漿壓力時頂管施工引起的地層移動的計算方法。國內(nèi)外相關學者[9-13]采用有限元、離散元等方法對地下工程的穩(wěn)定性進行分析，并做了相關研究工作。然而對于注漿過程中注漿壓力對隧道圍巖變形的影響研究甚少。

基于此，本文基于滲流-應力耦合理論和數(shù)值分析相結(jié)合的方法開展研究，選取典型隧道開挖斷面，建立了注漿過程中滲流-應力耦合數(shù)學模型，運用COMSOL多物理場耦合軟件分析注漿過程中注漿壓力作用下隧道圍巖的變形規(guī)律。

1注漿作用下隧道圍巖變形影響因素

在圍巖等級一定條件下，注漿壓力、漿液自重、地應力和地下水壓力等多種荷載共同作用于隧道圍巖上，其中僅考慮注漿作用時，影響圍巖變形的主要因素有漿液自重、注漿壓力、孔口管長度和注漿孔布置等。

1.1漿液自重

漿液是原材料用水或其他溶劑混合后所配制的液體，是注漿時所用的材料。漿液作為一種體積力，作用于地層中，導致圍巖應力發(fā)生再次重新分布，漿液自重是圍巖發(fā)生變形的重要誘因之一。

1.2注漿壓力

注漿注漿壓力是為克服漿液流動阻力并使?jié){液擴散一定范圍所需的壓力。注漿壓力既是漿液擴散運動的動力，同時也是圍巖附加荷載。注漿壓力過低會減小漿液擴散范圍，無法滿足實際工程需求；注漿壓力過高容易導致軟弱圍巖變形量過大，誘發(fā)次生災害。作為圍巖變形的關鍵影響因素，合理選擇注漿壓力，是保證圍巖穩(wěn)定和安全的重要措施。

1.3孔口管長度

孔口管是連接注漿管路、阻隔注漿壓力對淺層圍巖作用的重要裝置。其長度對注漿壓力的傳遞與漿液的滲透路徑有顯著影響，孔口管能減小注漿壓力對周邊圍巖的破壞，在注漿孔附近形成穩(wěn)固安全的承壓荷載體，確保注漿壓力向深部巖層的傳遞。

1.4注漿孔布置

根據(jù)特定地層條件及漿液擴散半徑合理設計注漿孔位置，需要確定注漿孔數(shù)量、布置、間距以及每個鉆孔的傾角和方位角等參數(shù)。由于不同的地層及含水構(gòu)造等因素具有不確定性，即注漿孔的布置不同，依據(jù)注漿孔的布置進行注漿，對周邊圍巖穩(wěn)定性影響各異。

2注漿過程滲流-應力耦合數(shù)學模型

2.1基本假設

1)地下水滲流為單相流，且具有不可壓縮性。

2)不考慮溫度對巖體物性的影響。

3)固體為各向同性介質(zhì)。

4)漿液為各向同性不可壓縮流體。

2.2注漿過程中滲流場方程

考慮到滲流-應力耦合效應，滲流過程中骨架顆粒也會存在一定的運動速度，因此將流體質(zhì)點速度分解為流體運動的絕對速度vf和骨架顆粒運動的絕對速vs，根據(jù)定義可得

vs=?u/?t。

(1)

對于傳統(tǒng)的流體運動的絕對速度，只考慮地下水中的孔隙水壓力及重力作用下的達西滲流速度，然而注漿過程中漿液自重和注漿壓力不可忽視，可得以下公式：

(2)

式中： φ為孔隙率； k為滲透率，m2； μ為流體動力黏度，Pa·s； pw為注漿壓力，Pa； pg為孔隙水壓力，Pa； ρw為流體密度，kg/m3； ρg為漿液密度，kg/m3； h為水頭高度，m。

根據(jù)質(zhì)量守恒即可得到在注漿過程中滲流-應力耦合下滲流場方程

(3)

式中： Ks為固體骨架體積壓縮模量； Kf為水泥漿液的體積壓縮模量； p為注漿壓力和孔隙水壓力之和。

2.3注漿過程中應力場方程

基于多孔介質(zhì)的有效應力原理，建立以位移和孔隙水壓力為因變量的基本方程，來描述注漿過程中應力場對滲流場的影響。Terzaghi 有效應力可表示為

σij′=σij-φpδij。

(4)

式中： σij′為Terzaghi有效應力； σij為總應力； φ為多孔介質(zhì)的孔隙率； p為注漿壓力; δij為Kroneckey符號，有δij=1(i=j),δij=0(i≠j)。

根據(jù)有效應力原理與應力平衡條件，即可得到注漿過程中固體骨架的應力場方程

(5)

k=k0+f(σ1-σ3)。

(6)

(7)

式中： εv=εx+εy+εz+εg，其中εg為注漿壓力引起的圍巖體積應變增量。

2.4邊界條件及初始條件

水頭邊界上所有點水頭壓力h給定: h=f1(x,y,z)或h=f2(x,y,z,t)，其中f1， f2為已知函數(shù)。

1)位移邊界條件。常用的位移邊界條件有底邊固定、頂邊自由、兩側(cè)豎直邊橫向位移為零和豎向自由。

2)滲流場初始條件。h(x,y,z,0)=fh(x,y,z)，式中fh為已知函數(shù)。巖體應力場初始條件，初始時刻位移為零，應力場為實際巖體的應力情況。

2.5巖體破壞準則

采用Hoek-Brown經(jīng)驗強度準則評判注漿過程中圍巖變形及破壞情況。Hoek-Brown 強度準則，也稱為狹義Hoek-Brown強度準則。其表達式為

(8)

式中： σ1、σ3分別為巖體破壞時的最大、最小主應力，MPa； σc為巖體單軸抗壓強度，MPa； m、s均為經(jīng)驗參數(shù)。

3注漿壓力作用下隧道圍巖變形規(guī)律與控制技術(shù)

3.1計算模型及物理力學參數(shù)

針對圍巖破碎自穩(wěn)能力較差的巖體注漿，圍巖等級設置為Ⅴ，選取典型隧道開挖斷面，運用COMSOL數(shù)值模擬注漿壓力對隧道圍巖變形的影響，建立二維水文地質(zhì)模型，進行滲流-應力耦合分析。

由于地下洞室開挖后的應力和應變影響區(qū)域為距洞室中心3～5倍開挖寬度的范圍內(nèi)[14]。選取隧道開挖尺寸15 m×12 m，埋深32.0 m，斷面面積145.31 m2。

向下取至洞跨的3倍，橫向取洞跨的3倍。整個模型尺寸100 m×80 m。計算模型運行前進行初始地應力位移清零工作，不考慮地應力對隧道圍巖變形的影響。

注漿注漿材料為42.5R硅酸鹽水泥，水灰比為0.8～1.0。 根據(jù)工程實踐鉆孔布置在隧道的右壁上，其中傾角42°，孔深30 m；孔口管長度2 m(見圖1)。注漿壓力作為外荷載作用在鉆孔位置，分別設置為4、6、8 MPa。孔口管因起到阻隔注漿壓力作用，不設置外荷載。不考慮注漿對隧道圍巖體的加固作用。圍巖物理力學參數(shù)見表1。

邊界條件： 模型上部設置為自由邊界，模型下部設置為固定約束，模型的兩端設置為輥支承，其中隧道開挖面周邊設置為自由邊界。

圖1　注漿孔布置圖

表1　物理力學參數(shù)

3.2監(jiān)測點布置

為研究注漿作用下隧道圍巖變形規(guī)律，在硐室周邊設置4個點進行圍巖變形量監(jiān)測，如圖2所示。監(jiān)測點1、2、3、4分別監(jiān)測頂板、左側(cè)、右側(cè)、底板。

3.3注漿壓力作用下隧道圍巖變形規(guī)律

圍巖等級為Ⅴ時，圍巖自穩(wěn)能力很差，巖體破碎嚴重，注漿過程中注漿壓力極易引起隧道圍巖大變形及次生災害。分析模擬結(jié)果可知，注漿壓力作用于隧道圍巖巖體中，應力集中分布在注漿孔周圍，注漿壓力不斷向隧道周圍地層中擴散與傳遞，滲流場-應力場分布隨注漿孔深度增加呈現(xiàn)衰減趨勢。隨著注漿壓力的提高，隧道圍巖變形量加劇。注漿終壓為4、6、8 MPa時，圍巖最大變形量分別為35.38、40.12、43.22 mm(見圖3—8)。

圖2　監(jiān)測點布置圖

圖3　注漿壓力4 MPa時滲流壓力分布圖

圖4　注漿壓力4 MPa時圍巖變形分布圖

Fig. 4Surrounding rock deformation under grouting pressure of 4 MPa

圖5　注漿壓力6 MPa時滲流壓力分布圖

圖6　注漿壓力6 MPa時圍巖變形分布圖

Fig. 6Surrounding rock deformation under grouting pressure of 6 MPa

圖7　注漿壓力8 MPa時滲流壓力分布圖

圖8　注漿壓力8 MPa時圍巖變形分布圖

Fig. 8Surrounding rock deformation under grouting pressure of 8 MPa

注漿注漿初期，圍巖變形速率急劇上升，注漿后期圍巖變形速率下降，且變形量趨于穩(wěn)定。當注漿時間1 800 s時，圍巖變形速率最大，隨著注漿的不斷進行，注漿壓力對圍巖變形影響持續(xù)增加，但變形速率在不斷下降。當注漿結(jié)束后圍巖變形趨于穩(wěn)定，注漿壓力為4、6、8 MPa時，隧道左壁圍巖變形量分別為3.71、4.75、5.45 mm； 隧道右壁圍巖變形量分別為7.98、9.34、10.31 mm，相比于左壁圍巖變形分別增加53.5%、49.14%、47.14%。隧道底板圍巖變形量為5.88、6.56、7.03 mm； 隧道頂板圍巖變形量分別為11.39、13.57、15.02 mm，相比于底板圍巖變形分別增加48.38%、51.66%、53.2%(見圖9)。

(a)1號監(jiān)測點

(b)2號監(jiān)測點

(c)3號監(jiān)測點

(d)4號監(jiān)測點

Fig. 9Total surrounding rock deformation of Metro station mea-sured from monitoring point No. 1 to No. 4

3.4注漿壓力作用下隧道圍巖應力變化

注漿過程中，注漿壓力作為外荷載施加于隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)中，導致隧道圍巖應力重新分布，并且隧道圍巖Tresca應力集中在注漿孔周邊，隨著注漿終壓的提高，應力發(fā)生急劇變化，并不斷地向圍巖深部轉(zhuǎn)移(見圖10)。

(a)注漿壓力4 MPa時

(b)注漿壓力6 MPa時

(c)注漿壓力8 MPa時

Fig. 10Surrounding rock stress under grouting pressure of 4 MPa,that of 6 MPa and that of 8 MPa

注漿的持續(xù)進行導致隧道淺層圍巖出現(xiàn)應力集中，極易誘發(fā)次生災害。注漿終壓分別為4、6、8 MPa時，隧道左側(cè)、右側(cè)圍巖Tresca應力分布見表2。

表2不同注漿壓力下隧道圍巖應力分布

Table 2Stress distribution of surrounding rocks under different grouting pressures

注漿壓力/MPa隧道左側(cè)/(×106N/m2)隧道右側(cè)/(×106N/m2)41.341.5161.411.6281.571.86

3.5合理選擇注漿壓力的控制技術(shù)

對于隧道圍巖自穩(wěn)能力較差、巖體破碎嚴重的情況，合理選擇注漿壓力是保證注漿過程中圍巖穩(wěn)定與安全的重要保障。根據(jù)以上研究成果可知，Ⅴ級圍巖注漿壓力應不高于6 MPa，且在注漿過程中進行圍巖變形的實時監(jiān)控。在注漿初期，注漿壓力導致圍巖變形速率急劇增加，可選擇間歇式注漿方法。在圍巖變形穩(wěn)定后繼續(xù)進行注漿，并根據(jù)前期現(xiàn)場情況，調(diào)整合理的注漿壓力(見圖11)。特別對于Ⅴ級圍巖的高壓動水注漿，需要采取淺層加固手段，保證注漿過程中淺層圍巖穩(wěn)定。根據(jù)地下工程開挖面距離、涌水量、靜水壓力及淺層圍巖情況，綜合確定淺部圍巖加固區(qū)域、厚度、布孔數(shù)量及注漿孔深度，對淺部破碎圍巖注漿加固。在注漿材料完全固化后進行后期注漿封堵動水,后期根據(jù)圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)、淺層圍巖加固體強度合理選擇注漿壓力。

圖11　現(xiàn)場注漿壓力控制

4工程實例

4.1工程概況及注漿治理方案

重慶市軌道交通一號線中梁山隧道為單洞雙線輕軌專用隧道。一號線歌樂山隧道長4 294 m，當出口端掘進至K27+227～+248里程時側(cè)壁出現(xiàn)涌水，主要集中在3個出水點，出水量84 m3/h，水壓達1 MPa。該涌水地層巖性為灰色，黃灰色厚層塊狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、鹽溶角礫巖，屬雷口坡組與嘉陵江組結(jié)合部，為巖溶水富水層，圍巖裂隙發(fā)育強烈，強度較低(見圖12)。

由于涌水區(qū)域圍巖破碎嚴重且為動水注漿封堵涌水通道，采用淺層圍巖加固，待漿液固化達到設計強度后，合理選擇注漿壓力保證注漿過程中隧道圍巖的安全。

圖12　隧道涌水圖

注漿過程中注漿材料采用42.5R硅酸鹽水泥，水灰比為0.8～1.0。一般注漿終壓為靜水壓力的2～3倍，故注漿終壓設定為4 MPa。深孔注漿孔采用φ108 mm鉆頭開孔，安裝8～10 m孔口管，采用孔口管內(nèi)注漿返漿的方法進行孔口管封閉，孔口管封閉完成后采用φ75 mm鉆進至終孔，詳細鉆孔見圖13。

圖13　深部注漿鉆孔投影圖

4.2圍巖變形監(jiān)測

注漿注漿過程中，注漿壓力引起隧道圍巖發(fā)生大變形，如果注漿壓力選擇不合適，極易引起次生災害發(fā)生。因此，在注漿區(qū)域內(nèi)均勻布設了圍巖變形監(jiān)測點(K26+785，K26+795，K26+805，K26+815)(見圖14)。對注漿過程中的圍巖變形進行了監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每天2次(見圖15)。

圖14　監(jiān)測點橫斷面布置圖

(a)K26+785

(b)K26+795

(c)K26+805

(d)K26+815

分析圖15中注漿階段隧道圍巖變形數(shù)據(jù)可知，注漿壓力是導致圍巖變形的主要因素，而非開挖支護引起的圍巖變形。注漿壓力為4 MPa時，隧道圍巖最大變形量為22 mm/d。注漿結(jié)束后，隨著注漿材料的凝結(jié)固化，圍巖變形會逐漸減小并趨于穩(wěn)定，有效保證了隧道圍巖的安全與穩(wěn)定。

4.3注漿治理效果

注漿注漿治理過程中共施工鉆孔242個，鉆探進尺2 000多m，消耗注漿材料1 000多t。該段工程涌水量由95 m3/h減少至7.5 m3/h，堵水率達92%(見圖16)。

圖16　注漿治理后效果圖

5結(jié)論及展望

1)注漿過程中注漿壓力、漿液自重、地應力和地下水壓力等多種荷載共同作用于隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)上，分析了注漿作用下隧道圍巖變形影響主要因素漿液自重、注漿壓力、注漿孔布置和孔口管長度等。

2)基于滲流-應力耦合理論，選取典型隧道開挖斷面，運用COMSOL多物理場耦合軟件模擬注漿過程中注漿壓力下隧道圍巖變形規(guī)律。結(jié)果表明，圍巖等級為Ⅴ時，注漿過程中注漿壓力不斷向隧道周圍地層中擴散與傳遞，滲流場、應力場分布隨注漿孔深度增加呈現(xiàn)衰減趨勢； 隨著注漿壓力的提高，應力發(fā)生急劇變化，并不斷地向圍巖深部轉(zhuǎn)移； 注漿初期，圍巖變形速率急劇上升，注漿后期圍巖變形速率下降，且變形量趨于穩(wěn)定。

3)提出合理選擇注漿壓力的控制技術(shù)，保證了注漿過程中隧道圍巖的穩(wěn)定。由于隧道及地下空間工程的隱蔽性、復雜性等特點，考慮不同注漿階段的多變性，注漿過程中其他因素對隧道圍巖變形的影響需要進一步研究。

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Deformation Regulation and Safety Control of Tunnel Surrounding

Rocks Under Different Grouting Pressures

HUI Bing1, ZHANG Li2, ZHANG Qingsong3, JIANG Hai1, ZHANG Wenjun1， CHAI Xia1

(1.ShandongZhengyuanConstructionEngineeringCo.,Ltd.,Jinan250101,Shandong,China;

2.ShandongUrbanConstructionVocationalCollage,Jinan250014,Shandong,China;

3.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,Shandong,China;)

Abstract:Large deformation and collapse may occur when irrational grouting pressure is used for reinforcement of tunnel surrounding rocks characterized by poor self-stability. In this paper, typical tunnel excavation cross-sections are chosen, and a mathematic model in which seepage field and stress field are considered under various grouting pressures is established. The deformation of tunnel surrounding rocks under different grouting pressures is analyzed by means of multi-physical field coupling software COMSOL based on seepage-stress coupling theory. The results of surrounding rocks Grade V show that: 1) The grouting pressure can be transmitted to surrounding rocks during grouting. 2) The stress field decreases with increasing length of grouting hole. 3) The stress significantly varies and passes to surrounding rocks. 4) The deformation speed of surrounding rocks rises rapidly in the primary phase and drops in later phase. In the end, the stability and safety of the surrounding rocks are guaranteed by using rational grouting pressure control technologies proposed in this paper, which can provide theoretical support and technical guidance for similar projects in the future.

Keywords:tunnel; grouting pressure; surrounding rock deformation; seepage-stress coupling; safety control

中圖分類號：U 455.49

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)01-0037-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.006

作者簡介：第一 惠冰(1986—)，男，山東棗莊人，2013年畢業(yè)于山東大學巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，巖土工程專業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事巖土工程中地下結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定及數(shù)值分析研究工作。E-mail： yzxcdd@sohu.com。

基金項目：山東局青年科技基金資助項目； 國家自然科學基金資助項目(41272385)； 高等學校博士學科點專項科研基金(20130131110032)

收稿日期：2015-04-20； 修回日期： 2015-07-01