胡思維

(保利長(zhǎng)大工程有限公司, 廣州 510620)

0 引言

炭質(zhì)泥巖具有強(qiáng)度低、節(jié)理多、整體性差等影響隧道施工安全和效率的不利因素，這使得在炭質(zhì)泥巖地層中的隧道施工難度驟增。在隧道施工過(guò)程中，洞口段的施工難度相比進(jìn)洞后也更大，主要是受到偏壓、洞口邊坡風(fēng)化程度高、缺乏有效約束等因素的制約。為保證隧道進(jìn)洞施工安全，需采用注漿等方法，對(duì)施工影響范圍內(nèi)的軟弱地層進(jìn)行加固。

關(guān)于圍巖注漿加固及相關(guān)作用的研究較多，相關(guān)學(xué)者從數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、劈裂注漿機(jī)理等方面進(jìn)行了全面的研究。余俊[1]等建立了考慮松散地層隧道進(jìn)洞段管棚注漿加固效應(yīng)的隧道開挖三維有限元計(jì)算模型，定量分析了不同管棚注漿加固參數(shù)對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性的影響，并通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果。岳洪武[2]等為研究淺埋破碎軟巖隧道采用管棚預(yù)注漿超前支護(hù)后的加固效果，建立了管棚預(yù)注漿超前支護(hù)、僅采用管棚支護(hù)以及無(wú)任何超前支護(hù)作用下的三種開挖模型，研究結(jié)果表明，管棚加預(yù)注漿超前支護(hù)可改善地層成拱能力，并有效控制了地表下沉、拱頂沉降和應(yīng)力集中等現(xiàn)象。Hweiger，HF[3]利用有限元仿真模型對(duì)劈裂注漿的沉降補(bǔ)償機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬研究。趙繼偉[4]以羅漢山2#隧道右YK5+350～YK5+425區(qū)段為例，通過(guò)運(yùn)用地表注漿加固技術(shù)，對(duì)隧道施工過(guò)程中的洞內(nèi)坍塌、涌水等險(xiǎn)情進(jìn)行有效整治，并總結(jié)了施工參數(shù)。李楊[5-9]等在實(shí)際隧道工程洞口段施工中采用注漿加固技術(shù)，一定程度上提高了圍巖物理力學(xué)方面的性質(zhì)，并取得了較好的效果。王玉平[10]利用模型試驗(yàn)，總結(jié)了軟土劈裂的注漿壓力及注漿量隨時(shí)間的變化規(guī)律。官治立[11]對(duì)粵東山區(qū)淺埋偏壓隧道進(jìn)洞施工技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，認(rèn)為軟巖地層進(jìn)口段隧道采用“管棚+地表小導(dǎo)管注漿+混凝土反壓護(hù)拱”的措施，可以起到加固圍巖的作用。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有相關(guān)研究成果的梳理可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的研究對(duì)隧道周圍地層的注漿加固作用已經(jīng)研究得較為完善。但在實(shí)際工程應(yīng)用方面，對(duì)于注漿加固的影響范圍，洞口、洞身等不同位置的加固作用，不同地層的加固作用等有待深入研究。為此，本文結(jié)合其古頂隧道施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題，基于數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析炭質(zhì)泥巖隧道洞頂?shù)乇砹严蹲{的加固效果。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合開挖后的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)洞頂?shù)乇砹严蹲{加固的限制因素進(jìn)行分析，以為類似工程提供參考。

1 工程概況

其古頂隧道位于梅州市梅縣丙村鎮(zhèn)橫石村，左線隧道起訖樁號(hào)L1K9+397～L1K11+519，隧道長(zhǎng)度為2 122m;右線隧道起訖樁號(hào)K9+393～K11+528，隧道長(zhǎng)度為2 122m。隧道為深埋長(zhǎng)隧道，隧道穿過(guò)丘陵地貌區(qū)，地形起伏大，地面標(biāo)高169～417m，最大相對(duì)高差約為248m，隧道最大埋深約229.5m。

前期勘察和施工期間現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，其古頂隧道IV級(jí)圍巖占比45%，V級(jí)圍巖占比55%。根據(jù)開挖揭露的圍巖，其古頂隧道圍巖主要為全-強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，由巖粉、壓碎的巖石碎屑、碎片等組成。試驗(yàn)結(jié)果表明，圍巖具有膨脹性，開挖后易風(fēng)化，遇水軟化、崩解。隧道圍巖變化較大，同一斷面的圍巖存在較大差異，地質(zhì)偏壓現(xiàn)象明顯，施工難度大。

在其古頂隧道淺埋段進(jìn)洞施工時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變形及大面積的地表沉降。此外，施工過(guò)程中還出現(xiàn)了如洞口邊坡開裂滑移、開挖擾動(dòng)區(qū)較大、圍巖穩(wěn)定性差時(shí)常掉塊等問(wèn)題，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和工程安全。初支變形及沉降收斂超限是其古頂隧道在開挖過(guò)程中面臨的普遍問(wèn)題，自隧道進(jìn)洞以來(lái)，第三方監(jiān)控聯(lián)測(cè)單位共發(fā)出沉降預(yù)警24次。對(duì)斷面K11+493和斷面K11+482(右洞口附近)地表下沉進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從圖1～圖4可以看出，右側(cè)地表沉降累計(jì)值小于左側(cè)沉降累計(jì)值，監(jiān)測(cè)區(qū)域沉降量較大，其中主要原因是同一斷面圍巖破碎且破碎程度存在明顯差異。

圖1 K11+493斷面地表日沉降關(guān)系

圖2 K11+493斷面地表下沉累計(jì)關(guān)系

圖3 K11+482斷面地表日沉降關(guān)系

圖4 K11+482斷面地表下沉累計(jì)關(guān)系

為保證隧道施工安全，控制圍巖的變形，施工過(guò)程中采取了對(duì)隧道洞頂?shù)牡乇砹严杜哆M(jìn)行劈裂注漿的措施，以期通過(guò)注漿加固地層，減少圍巖的擾動(dòng)和變形。本文為探究裂隙披露并注漿加固的作用效果，結(jié)合洞口附近斷面K11+493和K11+482地表下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析。

2 洞頂?shù)乇砹严杜都白{加固

2.1 有限元模型

本文基于有限元計(jì)算軟件MIDAS-GT/SNX，對(duì)其古頂隧道右線K11+449～K11+508區(qū)段(長(zhǎng)56m)進(jìn)行裂隙披露及注漿加固分析，斷面具體位置如圖5所示。該區(qū)段下伏基巖為淺色砂頁(yè)巖及灰黑色薄層狀碳質(zhì)泥頁(yè)巖等，淺色砂頁(yè)巖上覆于灰黑色薄層狀碳質(zhì)泥頁(yè)巖，因厚度不大建模忽略不計(jì)。本文所構(gòu)建的三維模型如圖6所示，計(jì)算模型由圍巖、隧道、裂隙(注漿加固區(qū))組成，其中材料參數(shù)見表1。

圖5 隧道斷面分布

圖6 三維計(jì)算模型

表1 三維計(jì)算模型材料參數(shù)

為了方便觀察計(jì)算結(jié)果，以通過(guò)隧道中心線的豎直平面為對(duì)稱面，取整個(gè)研究區(qū)域的一半進(jìn)行計(jì)算，該豎直平面即計(jì)算模型的對(duì)稱邊界。為模擬實(shí)際工況，模型表面邊界設(shè)置為自由邊界，通過(guò)隧道中線的豎直平面設(shè)置為對(duì)稱邊界。兩個(gè)豎直邊界設(shè)置為只發(fā)生豎向位移、不發(fā)生水平位移的輥支撐邊界，下部邊界設(shè)置為固定邊界，在該邊界上不允許發(fā)生任何位移。圍巖內(nèi)部裂隙及開挖臨空面設(shè)置為自由變形邊界。

2.2 模擬結(jié)果及分析

為分析劈裂注漿加固對(duì)炭質(zhì)泥巖隧道圍巖穩(wěn)定性、成拱能力的提升作用，假設(shè)炭質(zhì)泥巖隧道圍巖存在兩處裂隙，分別模擬各裂隙披露情況以及隨著施工進(jìn)度產(chǎn)生的變形情況。在本文的數(shù)值模擬中，分別設(shè)置了兩處未披露裂隙、左側(cè)披露裂隙并加固、右側(cè)披露裂隙并加固、兩側(cè)披露裂隙及加固四種工況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖7～圖10所示，各工況變形最大值見表2。

圖7 位移云圖-兩處未披露裂隙

圖8 位移云圖-披露左側(cè)裂隙并注漿加固

圖9 位移云圖-披露右側(cè)裂隙并注漿加固

圖10 位移云圖-披露兩側(cè)裂隙并注漿加固

表2 各工況下變形最大值 (單位：mm)

工程施工中，對(duì)隧道洞頂?shù)乇磉M(jìn)行了大范圍的加固處理，其沉降觀測(cè)值與兩側(cè)披露裂隙并加固的工況相接近，即實(shí)際地表日沉降量觀測(cè)最大值約為26mm，模擬結(jié)果為25.85mm,吻合較好。

對(duì)比圖7～圖10的模擬結(jié)果可見，隨著裂隙都被披露和加固，隧道開挖施工的影響范圍和地表沉降量均有明顯的改善。主要表現(xiàn)為：隨著兩側(cè)裂隙被披露和加固，圍巖變形的影響范圍逐漸收縮，變形幅度也顯著減小。通過(guò)對(duì)比模擬結(jié)果可知，裂隙是否得到披露并進(jìn)行注漿加固對(duì)隧道拱頂變形有較大影響；通過(guò)第一處裂隙模擬結(jié)果表明，在圖7(a)與圖9(a)中考慮各種因素作用下未能披露的第一處裂隙，隧道開挖經(jīng)過(guò)該裂隙時(shí)，拱頂上方出現(xiàn)明顯的拱頂變形；而在圖8(a)與圖10(a)中，因?qū)υ摿严哆M(jìn)行了注漿加固，有效控制了開挖穿越時(shí)出現(xiàn)的拱頂變形現(xiàn)象。劈裂注漿加固在隧道拱頂?shù)乇砹严渡喜啃纬闪思庸處?，承受了部分隧道開挖區(qū)域的圍巖荷載，改善了地層成拱能力，從而有效控制了地表下沉和拱頂沉降。

3 開挖情況及制約因素分析

其古頂隧道右洞部分山體經(jīng)過(guò)注漿加固措施后，穩(wěn)定性得到了一定的改善，但在后續(xù)開挖進(jìn)尺中，部分段落還是出現(xiàn)了沉降異?，F(xiàn)象。經(jīng)分析，主要原因?yàn)椋?1)漿液通過(guò)其他通道流失造成浪費(fèi)；(2)巖層過(guò)于密實(shí)，使其無(wú)法被劈裂，影響漿液擴(kuò)散效果；(3)炭質(zhì)泥巖物理力學(xué)特性較差，注漿液無(wú)法顯著改善其強(qiáng)度。

根據(jù)其古頂隧道出口段后期的地質(zhì)補(bǔ)勘資料(圖11)，隧道出口部分地段存在溶洞以及炭質(zhì)泥巖、砂巖與灰?guī)r的交界破碎帶，部分漿液可能經(jīng)由巖溶管道或者破碎帶裂隙流失，造成注漿漿液浪費(fèi)，降低了注漿效果，這與注漿施工過(guò)程中注漿壓力表有異?；芈涞葼顩r對(duì)應(yīng)。

圖11 后期補(bǔ)勘地質(zhì)資料

在實(shí)際加固和開挖的過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域炭質(zhì)泥巖地層密實(shí)度較高，使得劈裂注漿施工難度增加。這與鉆孔施工時(shí)頻繁卡鉆、鉆孔較困難等情況對(duì)應(yīng)，且某些注漿管超過(guò)設(shè)計(jì)壓力，卻無(wú)法注入設(shè)計(jì)量的漿液。

此外，由于其古頂隧道出口端圍巖主要為全-強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，由巖粉、壓碎的巖石碎屑、碎片等組成，呈薄片狀，有大量密集的節(jié)理，圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角很低。施工過(guò)程中經(jīng)過(guò)注漿處理后，雖然圍巖整體性得到了一定的改善，但炭質(zhì)泥巖本身具有膨脹性，開挖后依舊易風(fēng)化，風(fēng)化后很快就分解為鱗片狀或粉末狀，遇水軟化、崩解，影響了部分注漿加固的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)建立含裂隙的隧道-圍巖地質(zhì)開挖模型，分析了不同工況下的圍巖位移情況。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)洞頂?shù)乇砹严蹲{，使開挖輪廓線外一定范圍的圍巖形成固結(jié)圈，在一定范圍內(nèi)有效控制了圍巖的變形，減少了施工擾動(dòng)。

(2)其古頂隧道洞口段施工時(shí)，出現(xiàn)了地表及洞頂沉降異常等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)地質(zhì)條件較差的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行注漿后，明顯改善了土體基本物理指標(biāo)，提高了剪切強(qiáng)度，減少了地表及隧道拱頂?shù)某两怠?shù)值模擬結(jié)果較好地驗(yàn)證了地表裂隙注漿的加固效果。

(3)分析了施工中部分?jǐn)嗝娉霈F(xiàn)的沉降異?，F(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)炭質(zhì)泥巖地層中的注漿加固效果受到地質(zhì)條件、巖層性質(zhì)、地應(yīng)力條件等因素的制約，有待進(jìn)一步深入研究。