張振北,高 鵬

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司,西安 710065; 2.西安方舟工程咨詢有限責(zé)任公司,西安 710065; 3.中交瑞通路橋養(yǎng)護(hù)科技有限公司,西安 710065)

富水?dāng)鄬訑嗔褞У奶攸c是含水量大、結(jié)構(gòu)松散、固結(jié)能力弱,容易導(dǎo)致在隧道開挖及施工過程中出現(xiàn)水及泥漿的涌入,嚴(yán)重威脅施工人員安全[1]。注漿法作為一種有效的堵水加固手段得到了廣泛應(yīng)用[2]。目前,全斷面的帷幕注漿是處理隧道突水涌泥常用的有效方法。本研究以城開高速公路某隧道穿廟壩-桐油壩斷層為研究對象,采用數(shù)值模對超前帷幕注漿的不同注漿圈滲透系數(shù)及厚度進(jìn)行研究,以確定最優(yōu)的注漿參數(shù)。

1 工程概況

某隧道位于重慶市某村,設(shè)計速度為80 km/h,斷面為半圓拱曲墻式,隧道凈寬11.1 m,凈高7.1 m,左洞長2034 m,右洞長233 m,為長隧道。斷層帶巖層擠壓變形明顯,揉皺發(fā)育,巖體破碎,力學(xué)作用主要以擠壓為主,斷層上盤為志留系頁巖,因此上盤的導(dǎo)水性不強。但斷層下盤為可溶巖的大冶組(T1d)泥灰?guī)r、灰?guī)r,斷層的存在不僅會破壞下方巖體的完整性,容易形成溶蝕管道,還會導(dǎo)致下方巖層中的溶水在斷層與下方巖層接觸的區(qū)域聚集,隔水性較差,進(jìn)一步加劇溶蝕效應(yīng),形成強導(dǎo)水地帶,在隧道開挖穿越斷層與上方巖層接觸地帶時容易發(fā)生涌水及突泥等情況。

2 數(shù)值模擬與參數(shù)選取

2.1 三維數(shù)值模型

考慮水流對地層穩(wěn)定性和隧道穩(wěn)定性的影響,基于滲流耦合效應(yīng),采用FLAC 3D有限差分軟件建立過富水?dāng)鄬铀淼廊S數(shù)值模型,包括斷層的位置、傾角、斷距等參數(shù)及周圍巖體的特性,見圖1。所建模型的尺寸為:60 m(長)×80 m(寬)×80 m(高),采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,襯砌采用殼單元,周邊巖土與襯砌之間的相互作用采用鏈接單元,土體采用Mohr-Coulumb模型,襯砌段與注漿體考慮為彈性模型[3]。

圖1 隧道網(wǎng)格化模型Fig.1 Tunnel grid model

2.2 邊界條件

初始應(yīng)力場被假定為完全由重力產(chǎn)生,孔隙水壓力與埋藏深度成正比。將模型的上邊界視為自由邊界,對于下邊界,垂直位移受到約束,在左、右邊界設(shè)置水平運動受到約束,在前后邊界表面設(shè)置水平位移約束。滲流邊界條件被設(shè)定為:模型頂面設(shè)置為固定孔隙水壓力的自由邊界,其他表面包括右、左、前、后及底邊框被定義為不透水邊界,隧道開挖面視為透水邊界。

2.3 超前帷幕注漿

注漿作業(yè)面呈傘形輻射狀,鉆孔布置成多圈,其中內(nèi)外圈按照梅花形排列,采用長孔和短孔相結(jié)合的方式。漿液擴散半徑為2 m,因此孔底間距不超過3 m,以保證注漿充分滲透、不留死角。開孔直徑φ115,終孔直徑φ75。注漿液采用水泥-水玻璃漿液,水泥∶水玻璃(體積比)=1∶50.6～1.0,水泥漿水灰比范圍為0.8∶1～1∶1,水玻璃模數(shù)范圍為2.6～2.8,水玻璃濃度為35 Be。注漿時,注漿壓力范圍為0.5～1.5 MPa,最終壓力達(dá)到2.0 MPa。

2.4 注漿圈參數(shù)

2.4.1 不同注漿圈滲透系數(shù)

(1)

其中,k1為注漿前圍巖的滲透系數(shù),k2為注漿圈的滲透系數(shù)。研究注漿圈厚度為1 m,n=1、5、10、30、50、70、100下隧道開挖后初支、注漿外水壓力及圍巖的塑性區(qū)的大小。不同注漿圈滲透系數(shù)下,隧道斷面流量情況如圖2所示。

圖2 不同注漿圈滲透系數(shù)下斷面流量變化曲線Fig.2 Curve of section flow under different permeability coefficient of grouting ring

由圖2可知,隧道斷面流量與n值呈反比,當(dāng)n值為1時,隧道斷面流量最大,注漿圈的止水效果較差,當(dāng)隧道開挖后圍巖中的地下水將向隧道開挖面流動,流量4.9m3/d。當(dāng)n值超過1后,注漿圈開始發(fā)揮止水作用。當(dāng)n值為10時,隧道斷面流量較工況1減小34.7%。當(dāng)n為50時,隧道斷面流量較工況1減小81.6%。當(dāng)n為100時,隧道斷面流量較工況1減小87.7%。可以看出,當(dāng)n值超過50后,隧道斷面流量變化曲線開始趨于平緩,注漿圈防止水效果無明顯變化。

不同注漿圈滲透系數(shù)下外水壓力變化情況如圖3所示。

圖3 不同注漿圈滲透系數(shù)下外水壓力變化曲線Fig.3 Variation curve of external water pressure under different permeability coefficient of grouting ring

由圖3可知,隧道注漿圈和初期支護(hù)外水壓力的分布規(guī)律基本一致,即注漿圈的外水壓力隨著距離隧道頂部向底部的增加而逐漸增大,初期支護(hù)外水壓力從隧道拱底向拱腰逐漸增大。

當(dāng)注漿圈的厚度一定時,地下水滲流過程中的水頭損失與初支上的水壓力與注漿圈防止水的效果呈反比,注漿圈水壓力與注漿圈防止水的效果呈正比?？梢钥闯?當(dāng)n值超過50后,隨著注漿圈和初期支護(hù)的外水壓力變化幅度開始減小,提升注漿效果對初期支護(hù)降低外水壓力的效果較弱。

不同注漿圈滲透系數(shù)下塑性破壞區(qū)范圍如圖4所示。

圖4 不同注漿圈滲透系數(shù)下塑性區(qū)體積變化曲線Fig.4 Volume change curve of plastic zone under different permeability coefficient of grouting ring

由圖4可知,塑性破壞區(qū)范圍與注漿圈防止水效果呈反比,主要原因是隧道開挖后圍巖發(fā)生變形而產(chǎn)生超靜孔隙水壓力,由于注漿圈防止水作用,其在短時間無法消散,在超靜孔隙水壓力的長期作用下,圍巖的效應(yīng)力和抗剪強度降低,導(dǎo)致塑性區(qū)的產(chǎn)生。當(dāng)n值小于35時,塑性區(qū)范圍變化幅度較大,注漿圈防止水效果對其影響較大,當(dāng)n大于45時,塑性區(qū)范圍受注漿圈防止水效果的影響較小。

2.4.2 不同注漿圈厚度

根據(jù)上述研究結(jié)果,選取n=50保證不變,分別研究3 m、4.5 m、6 m、8 m注漿圈厚度下的隧道開挖后初支、注漿外水壓力及圍巖的塑性區(qū)的大小。不同注漿圈厚度下,隧道外水壓力變化曲線如圖5所示,隧道塑性區(qū)體積變化曲線如圖5所示。

圖5 不同注漿圈厚度下外水壓力變化情況Fig.5 Variation of external water pressure under different grouting ring thicknesses

由圖5可知,增大注漿圈厚度可以使其承擔(dān)的孔隙水壓力較多,進(jìn)而有效降低初期支護(hù)的外水壓力,當(dāng)注漿圈厚度分別為3.0 m、4.5 m、6.0 m、8.0 m時,隧道拱底位置的外水壓力較注漿圈厚度1 m時減少了40.1%、57.3%、64.8%、68.5%,可知當(dāng)注漿圈厚度超過4.5 m后,隨著注漿厚度的不斷增大,初期支護(hù)的外水壓力下降幅度較小,變化趨勢開始減緩,故降低初期支護(hù)外水壓力的效果顯著減弱。

由圖6可知,隧道塑性區(qū)體積與注漿厚度呈反比,主要原因是增加注漿圈厚度可以增大隧道圍巖的抗剪強度,降低圍巖對的滲流路徑和作用在圍巖上的滲透力,隧道開挖后的圍巖塑性區(qū)破壞范圍也隨之減小。與注漿厚度1 m時相比,注漿厚度在3.0 m、4.5 m、6.0 m和8.0 m下的圍巖塑性區(qū)體積分別減小了約23.5%、44.1%、54.7%、59.4%,注漿圈厚度超過4.5 m后,圍巖塑性區(qū)體積減小的幅度開始下降,繼續(xù)增大注漿圈厚度對控制塑性區(qū)破壞范圍的作用較小。

圖6 不同注漿圈厚度下塑性區(qū)體積變化曲線Fig.6 Volume change curve of plastic zone under different grouting ring thicknesses

3 結(jié)論

注漿圈可以起到很好的防止水作用,隨著注漿滲透系數(shù)比n值的增加,隧道斷面流量、隧道初期支護(hù)外水壓力及塑性區(qū)體積減小,注漿圈外水壓力增大,當(dāng)n值超過50以后,注漿圈防止水效果不再明顯。隨著注漿圈厚度的增大,初期支護(hù)的外水壓力與圍巖塑性區(qū)范圍顯著減小,當(dāng)注漿圈厚度超過4.5 m后,初支外水壓力下與塑性區(qū)范圍減小幅度開始下降,增大注漿圈厚度進(jìn)行防止水的效果開始減弱。綜合考慮防止水效果及經(jīng)濟性,最優(yōu)注漿圈滲透系數(shù)比n值和注漿圈厚度分別取50和4.5 m較為合理。