馬 青， 羅祿森， 陽軍生， 張 崢， 李林毅

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031； 2. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410075； 3. 長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430010)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的出行需求，以隧道建設(shè)為代表的基礎(chǔ)建設(shè)項目迅速增加。隧道建設(shè)過程中不可避免地需要穿越巖溶富水地層，為降低襯砌水壓、控制涌水量、保障結(jié)構(gòu)安全，隧道注漿堵水是解決該問題的有效措施之一[1-3]。而在現(xiàn)有隧道設(shè)計與施工中，尤其對于巖溶富水區(qū)隧道，如何確定隧道注漿參數(shù)仍是普遍存在的難點問題[4]。截至目前，不少學(xué)者及研究人員對富水區(qū)隧道注漿參數(shù)進(jìn)行了研究，王輝等[5]結(jié)合現(xiàn)場出現(xiàn)的突水、涌水災(zāi)害，采用ABAQUS軟件進(jìn)行動態(tài)仿真分析，優(yōu)化注漿圈厚度，應(yīng)用于施工現(xiàn)場并取得了良好的堵水效果；權(quán)乾龍[6]通過離散元軟件實現(xiàn)注漿過程的細(xì)觀力學(xué)模擬，并進(jìn)一步研究了注漿圈滲透性和結(jié)構(gòu)形式等因素對注漿堵水效果的影響，提出了合理的注漿圈厚度值；鄒育麟等[7]結(jié)合實際工程，基于3種不同防排水形式探討了注漿參數(shù)對襯砌水壓與涌水量的影響關(guān)系，提出了適用于實際工程的合理注漿加固參數(shù)。上述研究結(jié)果經(jīng)過工程實踐驗證，滿足工程需求，能夠較好地指導(dǎo)同類工程，已被工程人員接受與使用。但是，上述研究均是基于常規(guī)排水方式，即圍巖滲水滲透進(jìn)入隧道內(nèi)并匯聚于側(cè)溝，最終由側(cè)溝、中心水溝共同排出的排水方式。近年來，隨著巖溶富水區(qū)隧道建設(shè)項目的不斷增多，常規(guī)排水方式在隧道運營過程中易產(chǎn)生較高的襯砌水壓力，使襯砌結(jié)構(gòu)受力特征隨之改變[8]，導(dǎo)致襯砌開裂、仰拱隆起、翻漿冒泥等[9]。鑒于此，提出一種排水能力更強(qiáng)、隧底水壓力控制效果更好的深埋水溝排水方式(見圖1)，且經(jīng)工程實踐證明了該排水方式的可行性[10]。

隨著深埋水溝排水方式工程應(yīng)用[11-13]的不斷增多，如何合理確定該排水方式下的注漿圈參數(shù)成為設(shè)計及施工人員關(guān)心的重點問題。為此，本文以某巖溶富水區(qū)隧道工程為依托，采用FLAC3D軟件建立流固耦合計算模型，針對其注漿圈參數(shù)進(jìn)行探討，研究注漿圈厚度、注漿圈滲透系數(shù)對隧道涌水量、襯砌水壓力、結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律，由此提出注漿圈合理參數(shù)，以期為同類工程的設(shè)計與施工提供參考。

圖1 深埋水溝排水隧道示意圖Fig. 1 Sketch of deep-ditch drainage tunnel

1 工程概況及水文地質(zhì)情況

1.1 隧道工程概況

擬建鐵路隧道位于云南威信縣境內(nèi)，進(jìn)口里程D2K254+362，出口里程D2K261+223，隧道全長6 861 m，隧道縱坡采用人字形坡，平均埋深150 m。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層巖體破碎，地表多為中低山地貌，植被較發(fā)育，最高處位于隧道洞身段中部，高程1 374 m。該隧道為可溶巖隧道，巖溶較發(fā)育，隧址區(qū)存在多條地下暗河，隧道開挖過程中可能揭露多處溶洞。隧道典型區(qū)段地質(zhì)縱斷面如圖2所示。

圖2 隧道典型區(qū)段地質(zhì)縱斷面Fig. 2 Geological profile of typical section of tunnel

1.2 水文地質(zhì)情況

隧址區(qū)降雨量豐富，地形坡度較小，地表多處連續(xù)分布落水洞，地表水多以下滲和徑流等形式排泄，地下水補(bǔ)給條件好，地下水豐富。隧身主要穿越地層的巖性為灰?guī)r、白云巖、巖溶角礫巖，地下巖溶發(fā)育，存在多條暗河，且暴雨季節(jié)流量明顯增大，經(jīng)現(xiàn)場勘測，暗河最大流量達(dá)300 L/s，主要涌水區(qū)段屬于強(qiáng)透水、強(qiáng)富水溶隙溶洞含水地層。

針對上述水文地質(zhì)情況，尤其是斷層、裂隙密集的部位可能出現(xiàn)地下水水頭高、隧道涌水量大的問題，若修建過程中，未能選取合理的注漿堵水參數(shù)，易導(dǎo)致因堵水能力不足引發(fā)的運營期隧道水害的發(fā)生，或因過度強(qiáng)調(diào)堵水使得注漿費用大幅上升。因此，合理確定該隧道的注漿堵水參數(shù)具有實質(zhì)性意義。

2 巖溶富水區(qū)隧道流固耦合計算模型

2.1 模型建立

根據(jù)隧道地質(zhì)情況，選取具有代表性的D2K260+010斷面(圖2已標(biāo)明)，地勘資料顯示該斷面位于斷層接觸帶附近，埋深約為250 m，地下水頭高度可達(dá)200 m。計算中頂部取實際埋深，兩側(cè)及底部距離隧道5倍洞徑以上，最終范圍取為150 m×300 m(寬度×高度)。

基于深埋水溝排水隧道結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計圖(見圖3)，采用FLAC3D有限差分軟件建立流固耦合模型(如圖4所示)。圍巖采用實體單元模擬，且服從摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，隧道結(jié)構(gòu)(支護(hù)結(jié)構(gòu)、仰拱填充等)均采用實體彈性單元模擬。

圖3 深埋水溝排水隧道結(jié)構(gòu)斷面圖(單位： cm)Fig. 3 Cross-section of tunnel structure (unit： cm)

(a) 計算模型

(b) 模型細(xì)部圖

滲流計算遵循如下假定： 1)地下水流動屬于恒定流且滿足Darcy定律； 2)圍巖為均質(zhì)、各向同性材料。模型力學(xué)邊界取為底部固定約束，兩側(cè)水平約束； 滲流邊界取為底部、兩側(cè)孔壓固定，均能與外界發(fā)生液體交換[14]，初始地下水面位于隧頂以上200 m。

2.2 材料參數(shù)選取

根據(jù)地勘資料，該斷面圍巖主要為灰?guī)r和白云巖2種，且以斷層交界面為分界面，模型對上述2種巖體均予以考慮，圍巖具體參數(shù)依據(jù)地勘資料取值；支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)按照“等效剛度法”計算；支護(hù)結(jié)構(gòu)視為不透水介質(zhì)，隧道排水通過隧底排水溝排水實現(xiàn)。各材料的計算參數(shù)見表1。

表1 材料計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of materials

2.3 分析工況設(shè)置

注漿圈參數(shù)中以注漿圈厚度、注漿圈滲透系數(shù)最為關(guān)鍵，因此，針對上述因素設(shè)置計算工況，如表2所示。

表2 分析計算工況Table 2 Analysis of calculation working conditions

3 注漿圈參數(shù)影響分析

3.1 注漿圈厚度的影響

基于已建流固耦合模型，對工況1-1—工況1-5進(jìn)行計算，探討注漿圈厚度對襯砌水壓力、隧道涌水量、結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律。

3.1.1 襯砌水壓力影響分析

工況1-1—工況1-5襯砌水壓力計算結(jié)果見表3，由表可知：

1)隨注漿圈厚度的增大，襯砌水壓力逐步降低，但不同位置處降幅不一，其中降幅最明顯處為仰拱部位，這與深埋水溝排水作用有關(guān)。

2)注漿圈厚度小于3 m時，襯砌水壓力減小幅度較小，襯砌結(jié)構(gòu)仍承受較大的水壓力；注漿圈厚度大于8 m時，繼續(xù)增加注漿圈厚度，除仰拱外其他部位襯砌水壓力減小不明顯； 單純針對襯砌水壓力而言，注漿圈厚度取5～8 m較為適宜，既可較大幅度地降低襯砌水壓力(初始水壓2 MPa)，又可保證經(jīng)濟(jì)性。

表3不同注漿圈厚度對應(yīng)的襯砌水壓力

Table 3 Lining water pressure corresponding to thickness of different grouting circles MPa

3.1.2 隧道涌水量影響分析

工況1-1—工況1-5隧道涌水量計算結(jié)果如圖5所示。由圖可知： 隨注漿圈厚度的增大，隧道涌水量逐漸降低。當(dāng)注漿圈厚度從0 m增加至3 m，涌水量大大減小，降幅達(dá)62.5%；當(dāng)注漿圈厚度從3 m增加至8 m，涌水量降低幅度明顯減小，僅降低13.8%；當(dāng)注漿圈厚度超過8m，隧道涌水量基本趨于穩(wěn)定，表明繼續(xù)增大注漿范圍，已不能顯著減小涌水量。因此，從控制涌水量角度分析，注漿圈厚度設(shè)計為5 m左右較為合理。

圖5 隨注漿圈厚度的增大隧道涌水量變化曲線

Fig. 5 Variation curve of water gushing volume with thickness of grouting circle

3.1.3 襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響分析

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[15]中隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計算方法，得到工況1-1—工況1-5隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計算結(jié)果，見表4，由表可知：

1)隨注漿圈厚度的增大，襯砌安全性逐步提升，其中仰拱處提升最為明顯，這應(yīng)與深埋水溝排水導(dǎo)致的隧身襯砌水壓力分布不均有關(guān)。

2)不注漿時，襯砌安全系數(shù)小于2.0，結(jié)構(gòu)安全性不能滿足規(guī)范要求[15]； 注漿圈厚度小于5 m時，增大注漿圈厚度，襯砌安全系數(shù)提高幅度較大，其中，注漿厚度等于5 m時，襯砌最小安全系數(shù)為2.82，不僅能夠滿足規(guī)范要求，而且存在一定安全儲備；注漿圈厚度大于8 m時，繼續(xù)增大注漿圈厚度，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)提高不明顯。

3)隧道注漿可一定程度提高圍巖力學(xué)參數(shù)，降低圍巖滲透性，注漿圈厚度的增加有利于襯砌結(jié)構(gòu)安全性的提高，但是注漿圈厚度并非越大越好，安全余量的富余過度將造成較大浪費，因此，綜合安全性與經(jīng)濟(jì)性要求，建議注漿圈厚度取值為5 m。

3.2 注漿圈滲透系數(shù)的影響

基于已建流固耦合模型，對工況2-1—工況2-5進(jìn)行計算，探討注漿圈滲透性對襯砌水壓力、隧道涌水量、結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律。

表4不同注漿圈厚度對應(yīng)的襯砌安全系數(shù)

Table 4 Safety factor of lining corresponding to different thickness of grouting circle

位置注漿圈厚度/m035810拱頂1.282.082.823.513.66拱腰1.832.934.314.784.12邊墻1.482.493.763.994.05仰拱1.983.224.734.965.11

3.2.1 襯砌水壓力影響分析

工況2-1—工況2-5襯砌水壓力計算結(jié)果見表5，由表可知：

1)隨注漿圈滲透性的減小，襯砌水壓力逐步降低，但不同位置處降幅不一，其中仰拱部位降幅最為明顯，這與深埋水溝排水作用有關(guān)。

2)圍巖與注漿圈滲透系數(shù)的比值從1變化到30范圍內(nèi)，襯砌水壓力有較大幅度降低，其中仰拱部位水壓力降幅達(dá)43.1%；滲透系數(shù)之比從30變化到50范圍內(nèi)，襯砌水壓力進(jìn)一步降低，但下降幅度明顯減??；滲透系數(shù)之比超過50(即注漿圈滲透系數(shù)小于2×10-6cm/s)后，襯砌水壓力基本維持不變。

表5不同滲透性比值對應(yīng)的襯砌水壓力

Table 5 Lining water pressure corresponding to ratio of different permeability MPa

3.2.2 隧道涌水量影響分析

工況2-1—工況2-5隧道涌水量計算結(jié)果如圖6所示，由圖可知：

1)隨注漿圈滲透性的減小，隧道涌水量逐步降低。圍巖與注漿圈滲透比從1變化到30范圍內(nèi)，隧道涌水量迅速下降，降幅達(dá)60.3%； 2)滲透比超過30后，涌水量下降曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，下降速率明顯降低，其中，比值等于50時，涌水量降幅為70.3%，隧道涌水已得到較好控制； 3)當(dāng)滲透比超過50后，滲透性的變化對涌水量影響已不明顯。因此，從減小涌水量的角度分析，通過注漿將圍巖的滲透系數(shù)降低到注漿前的1/50(即注漿圈滲透系數(shù)等于2×10-6cm/s)是比較合理的。

圖6 隨注漿圈滲透性的隧道涌水量變化曲線

Fig. 6 Variation curve of tunnel water gushing volume with permeability of grouting circle

3.2.3 襯砌結(jié)構(gòu)安全性影響分析

工況2-1—工況2-5隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計算結(jié)果見表6，由表可知：

1)隨注漿圈滲透性的減小，襯砌安全性逐步提升，其中仰拱處提升最為明顯，這應(yīng)與深埋水溝排水導(dǎo)致的隧身襯砌水壓力分布不均有關(guān)。

2)不注漿時，襯砌安全系數(shù)小于2.0，結(jié)構(gòu)安全性不能滿足規(guī)范要求[15]；滲透性比值不超過50時，注漿圈滲透系數(shù)的減小能夠較大幅度地提高襯砌安全系數(shù)，其中，比值等于30時，襯砌最小安全系數(shù)為2.56，不僅能夠滿足規(guī)范要求，而且存在一定安全儲備；滲透性比值大于50(即注漿圈滲透系數(shù)小于2×10-6cm/s)后，繼續(xù)減小注漿圈滲透系數(shù)，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)提高不明顯。

3)注漿滲透性的減小能夠降低隧身地下水補(bǔ)給能力，控制隧道涌水量，有效降低襯砌水壓力，對于提高襯砌結(jié)構(gòu)安全性存在有利作用，但是注漿圈滲透性并非越低越好，過分強(qiáng)調(diào)漿液的低滲透性不僅將使注漿費用大幅上升，而且襯砌安全性并不能得到明顯提升，因此，綜合安全性與經(jīng)濟(jì)性要求，建議注漿圈滲透系數(shù)取值為注漿前的1/30～1/50(即滲透系數(shù)取為2×10-6～3.33×10-6cm/s)。

表6不同滲透性比值對應(yīng)的襯砌安全系數(shù)

Table 6 Safety factor of lining corresponding to different permeability ratio

位置滲透性比值1103050100拱頂1.282.182.562.823.00拱腰1.832.663.344.314.52邊墻1.482.533.033.764.03仰拱1.982.873.934.734.91

4 合理注漿參數(shù)的選取

4.1 合理注漿圈厚度的選取

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，針對本文依托工程，當(dāng)注漿圈厚度為5 m時，仰拱水壓力得到明顯降低，隧道涌水量降幅達(dá)71.5%，已滿足防排水設(shè)計要求，襯砌最小安全系數(shù)為2.82，襯砌安全性不僅能夠滿足規(guī)范要求，而且具備一定安全儲備，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增大注漿圈厚度，對減小襯砌水壓力和提高襯砌安全性的作用不明顯，因此5 m的注漿圈厚度值相對經(jīng)濟(jì)合理。

除本文模擬計算外，亦收集了富水區(qū)典型隧道案例注漿圈厚度取值，見表7。

表7 富水區(qū)典型隧道案例注漿圈厚度取值

結(jié)合同類工程案例及本文計算結(jié)果，注漿圈厚度取值以5～6 m為宜，并應(yīng)結(jié)合工程實際，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比，合理確定注漿范圍。此外，對于高壓富水充填型溶腔，應(yīng)綜合運用超前注漿、徑向注漿、局部注漿和補(bǔ)充注漿等技術(shù)，實行漸進(jìn)注漿、層層堵水、分層加固，以取得良好的注漿效果。

4.2 合理注漿圈滲透系數(shù)的選取

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，針對本文依托工程，當(dāng)注漿圈降低至未注漿時的1/50(即注漿圈滲透系數(shù)等于2×10-6cm/s)，仰拱水壓力得到明顯降低，隧道涌水量降幅達(dá)70.3%，已滿足防排水設(shè)計要求，襯砌最小安全系數(shù)為2.82，襯砌安全性不僅能夠滿足規(guī)范要求，而且具有一定安全儲備，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)降低注漿圈滲透系數(shù)，對減小襯砌水壓力、減小涌水量和提高襯砌安全性的效果不甚顯著。

注漿圈的滲透系數(shù)越小，不僅需要的注漿工藝水平越高，可能存在技術(shù)上的可行性問題，而且實際施工中可能需要采用微細(xì)水泥或超細(xì)水泥，將導(dǎo)致注漿費用的大幅增加，存在經(jīng)濟(jì)上的合理性問題。經(jīng)綜合分析，對于滲透性強(qiáng)的軟弱破碎圍巖，注漿圈與圍巖的滲透系數(shù)之比值取為1/50左右是比較合理的。

5 結(jié)論與討論

本文以某巖溶富水區(qū)隧道為依托，采用FLAC3D軟件建立流固耦合計算模型，對深埋水溝排水隧道合理注漿圈參數(shù)進(jìn)行探討，得到結(jié)論如下：

1)隧道注漿的主要作用在于降低襯砌水壓力，合理控制隧道涌水量，保障襯砌結(jié)構(gòu)安全。注漿圈厚度的增加或注漿圈滲透性的減小均能實現(xiàn)以上作用，并降低運營期巖溶富水區(qū)隧道水害發(fā)生的概率，但是并不代表在實際工程中注漿參數(shù)需要一味追求最值，而應(yīng)結(jié)合工程實際，兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性，選取相對合理的注漿圈厚度、注漿圈滲透系數(shù)。

2)針對本文依托工程，當(dāng)注漿圈厚度、滲透性比值分別取5 m、1/50時，襯砌水壓力得到明顯降低，隧道涌水量滿足防排水設(shè)計要求，襯砌安全性不僅能夠滿足規(guī)范要求，而且具有一定安全儲備，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增大注漿圈厚度或降低注漿圈滲透系數(shù)，對減小襯砌水壓力和提高襯砌安全性的作用不甚顯著。

3)結(jié)合同類工程案例，建議本文依托工程注漿圈厚度以5～6 m、滲透性比值以注漿前的1/50為宜(即注漿圈滲透系數(shù)取為2×10-6cm/s)，并應(yīng)結(jié)合工程實際，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比，合理確定注漿范圍，正確選取注漿圈滲透系數(shù)。

4)除合理選取注漿圈參數(shù)外，對于滲透性強(qiáng)的軟弱破碎圍巖，應(yīng)綜合運用超前注漿、徑向注漿、局部注漿和補(bǔ)充注漿等技術(shù)，實行漸進(jìn)注漿、層層堵水、分層加固，以取得良好的注漿效果。

5)此外，由于依托工程的富水高壓特性，本文研究的注漿圈參數(shù)合理取值是以注漿堵水為主要目的，而對于以加固軟弱地層為目的的注漿參數(shù)研究仍需進(jìn)一步深入。本文主要采用數(shù)值仿真分析的研究手段，如何將研究結(jié)果更好地結(jié)合工程實際，用實測數(shù)據(jù)驗證研究結(jié)果的正確性，將作為后續(xù)研究的主要方向。