巖溶富水區(qū)注漿加固方案研究

李天保

（中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

1 引言

巖溶有多種多樣的發(fā)育形態(tài)和復(fù)雜的影響因素，施工時(shí)往往因難以預(yù)測(cè)富水巖溶區(qū)域的巖溶位置和形態(tài)而常遇到一系列的問(wèn)題。 如在巖溶區(qū)域修建隧道時(shí)常會(huì)出現(xiàn)突水突泥等事故，嚴(yán)重可能導(dǎo)致地表出現(xiàn)塌陷等［1］。 在巖溶區(qū)修建隧道時(shí)，如何在安全的基礎(chǔ)上使隧道得以快速的穿越巖溶水體區(qū)是關(guān)鍵所在，而當(dāng)前在巖溶隧道的施工安全控制方面，主要采用的是注漿堵水的方法［2］。 為進(jìn)一步確保施工的安全，對(duì)巖溶富水區(qū)注漿加固進(jìn)行研究非常必要。

2 工程概況

九萬(wàn)大山四號(hào)隧道（DK233+560～DK249+045），全長(zhǎng)15485 米。 九萬(wàn)大山四號(hào)隧道隧區(qū)屬中低山剝蝕溶蝕峰叢洼地地貌，地表巖溶洼地、落水洞、 漏斗、 溶洞發(fā)育，洼地平面形態(tài)呈現(xiàn)為多邊形、 橢圓形或圓形、 長(zhǎng)條形及不規(guī)則形等?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查隧區(qū)可溶巖大面積出露，巖性以灰?guī)r、白云巖為主，地表溶溝、 溶槽發(fā)育，洼地分布較多，約40 個(gè)，并伴隨有落水洞、 漏斗發(fā)育。 溶洞也較發(fā)育，經(jīng)綜合分析，隧道巖溶中等～強(qiáng)烈發(fā)育。 局部可能存在溶洞和小型地下巖溶管道，地下水蘊(yùn)藏空間較大，水量較豐富。 隧道施工時(shí)遇涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)較大，雨季更大。

3 注漿加固臨界富水高度的確定

當(dāng)有巖溶水存在時(shí)，隧道的支護(hù)開(kāi)挖施工會(huì)對(duì)隧道的變形和受力造成較大的影響，嚴(yán)重可能會(huì)導(dǎo)致安全事故的出現(xiàn)，因此需確定一個(gè)臨界值，在大于該臨時(shí)值之后即需采取注漿加固措施。 當(dāng)前有較多關(guān)于判別圍巖穩(wěn)定性的方法［3-6］，綜合考慮之下，本文以 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》 經(jīng)修正后的位移控制數(shù)值作為失穩(wěn)判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)圍巖失去穩(wěn)定性時(shí)的富水高度即為所需求解的臨界值。

3.1 初期支護(hù)極限位移值

支護(hù)體系在各施工階段應(yīng)起到的某種功能在極限狀態(tài)時(shí)的各部分位移即為極限位移，在隧道施工所導(dǎo)致的圍巖變形中，隧道位移值是最為直觀(guān)的表現(xiàn)。 在各個(gè)施工階段中，隧道洞室施工到施作初期支護(hù)的整個(gè)施工階段僅需較短的用時(shí)，不便于施工測(cè)量； 一般情況下，二次襯砌多被當(dāng)成是安全儲(chǔ)備，不具備測(cè)量的意義。 因此，在通過(guò)位移對(duì)隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷時(shí)的核心是初期支護(hù)階段的極限位移值。 在現(xiàn)有規(guī)范里有給出初期支護(hù)施工時(shí)的相對(duì)允許收斂數(shù)值，但其未體現(xiàn)出支護(hù)參數(shù)等因素對(duì)極限位移的影響。 徐東強(qiáng)教授［7-9］通過(guò)有限元分析軟件FLAC3D 對(duì)不同參數(shù)條件下隧道各位置的極限相對(duì)位移進(jìn)行模擬，基于尖點(diǎn)突變理論得出了洞周變形控制點(diǎn)的極限位移值。 其中，各控制點(diǎn)的具體位置如下圖1 所示。

圖1 隧道控制點(diǎn)分布示意圖

本文所依托隧道使用的是復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，有Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)兩種類(lèi)型的圍巖，在具體模擬時(shí)以臺(tái)階法進(jìn)行施工。 按照徐東強(qiáng)教授的理論，結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，可以計(jì)算得到圍巖等級(jí)不同時(shí)隧道各控制點(diǎn)的極限位移值，具體如下表1 所示。 限于篇幅，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 不同圍巖等級(jí)下各控制點(diǎn)的極限位移值

在具體進(jìn)行分析時(shí)，各控制點(diǎn)的位移均會(huì)有所改變，以隧道到達(dá)極限位移值作為判斷失穩(wěn)的依據(jù)，此時(shí)相應(yīng)的富水高度就是臨界深度，隧道注漿加固的臨界點(diǎn)為該臨界埋深。

3.2 臨界富水高度的確定

對(duì)隧道在巖溶水條件下的位移和埋深進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)合上表2 所得數(shù)據(jù)，可得出圍巖級(jí)別不同時(shí)的臨界富水高度，具體如下圖2 和圖3 所示。

圖2 Ⅳ級(jí)圍巖下極限位移和埋深的關(guān)系

圖3 Ⅴ級(jí)圍巖下極限位移和埋深的關(guān)系

從圖中可以看出，隧道的極限位移和數(shù)值位移均和隧道埋深有線(xiàn)性聯(lián)系，在所模擬的埋深范圍內(nèi)，不管是哪種圍巖，初期支護(hù)的拱腰收斂值和拱腳數(shù)值模擬值均小于極限位移值，即拱腰和拱腳不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況； 但對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖而言，拱頂下沉數(shù)值位移在230m 遂道埋深后大于拱頂下沉極限位移，但在230m 前都較小。 因此，可以知道隧道在Ⅳ級(jí)圍巖時(shí)的臨界富水高度為230m 的埋深，該處即為需注漿加固的臨界點(diǎn)；同理可以知道，Ⅴ級(jí)圍巖的注漿加固臨界點(diǎn)為240m。

4 富水區(qū)注漿加固數(shù)值分析

4.1 注漿加固數(shù)值模擬方案

基于上述研究成果，對(duì)不同圍巖等級(jí)下施工超過(guò)臨界富水高度時(shí)的拱頂位移進(jìn)行模擬，所得結(jié)果如下表2 所示。

表2 拱頂位移對(duì)比分析表

續(xù)表

從所得結(jié)果可以知道，在230m 到280m 的范圍內(nèi)，Ⅳ級(jí)圍巖有5%以下的位移相對(duì)差值；在240m 到280m 的范圍內(nèi)，Ⅴ級(jí)圍巖有10%以下的位移相對(duì)差值； 雖然拱頂下沉數(shù)值比極限位移數(shù)值要大，但僅有超出幅度較小，在確保安全的基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和適用性的原則，在模擬注漿加固措施時(shí)，決定對(duì)1m 加固厚度下的三種環(huán)向范圍內(nèi)的注漿加固圈進(jìn)行模擬，三種環(huán)向范圍分別是1/4、 1/2 和1。

4.2 位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析

因拱腰和拱腳收斂均為水平位移且始終保持在極限位移內(nèi)，因此在分析位移場(chǎng)時(shí)只對(duì)豎向位移進(jìn)行考慮。 基于模擬結(jié)果，對(duì)拱頂下沉在各工況下的位移最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合其極限位移數(shù)值，繪制下圖4 和圖5。

圖4 Ⅳ級(jí)圍巖拱頂下沉最大位移

圖5 Ⅴ級(jí)圍巖拱頂下沉最大位移

從結(jié)果上看，當(dāng)圍巖等級(jí)相同時(shí)，拱頂在越大的注漿加固圈環(huán)向范圍內(nèi)有越小的下沉位移數(shù)值，當(dāng)注漿加固圈環(huán)向范圍相同時(shí)，越大的圍巖等級(jí)下有越大的拱頂下沉位移。 隨著不斷增加的隧道埋深，拱頂下沉值也不斷增大，當(dāng)埋深相同時(shí)各工況的拱頂下沉量的排序?yàn)椋?/4＞1/2＞1，表明在一定的加固厚度下，越大的加固圈環(huán)向范圍有越好的加固效果，隧道施工的安全性越高。

Ⅳ級(jí)圍巖里，在230m 至280m 的范圍內(nèi)，三種工況下的拱頂下沉位移最大值均保持在極限位移以?xún)?nèi)； Ⅴ級(jí)圍巖里，在230m 至270m 的范圍內(nèi)，三種工況下的拱頂下沉位移均在極限位移以?xún)?nèi)，但270m 至280m 的范圍內(nèi)，1/4 的加固工況無(wú)法符合要求，該種注漿條件下拱頂下沉位移已經(jīng)在極限位移之上。

將拱頂下沉最大值和拱頂未加固時(shí)的下沉最大值相減可以發(fā)現(xiàn)，雖然注漿加固圈環(huán)向范圍越大，拱頂下沉最大數(shù)值減小百分比也越大，但變化幅度基本相似，均小于3%，且減小的百分比均在9%左右； 從拱頂下沉最大值和極限值相比之下位移減小的百分比可以發(fā)現(xiàn)，減小的幅度均在5%以上，表明其具有一定的安全儲(chǔ)備。 因此，綜合經(jīng)濟(jì)性和安全性等因素進(jìn)行考慮，在可以將拱頂下沉量控制在臨界位移值之下時(shí)，應(yīng)先采用1/4 環(huán)向注漿的方式。 即在Ⅳ級(jí)圍巖的條件下，在230m 至280m 的區(qū)間范圍內(nèi)，應(yīng)使用1m 注漿加固厚度、 1/4 環(huán)向加固范圍的工況。

對(duì)隧道在不同埋深和不同加固范圍下Ⅴ級(jí)圍巖拱頂下沉最大值和拱頂在未加固條件下的下沉最大值進(jìn)行比較，排除掉280m 埋深時(shí)1/4 加固范圍的工況，從兩者所減小的百分比可看出，各工況拱頂下沉的最大值減小百分比均在15%以下，有較為接近的變化幅度； 但出于對(duì)安全的考慮，將拱頂下沉最大值和極限值進(jìn)行比較之后所減小的百分比上看，在240m 至260m 范圍內(nèi)均有3%以上的減小幅度，可以有效確保安全性；但在270m 的埋深下，雖然1/4 加固范圍可以將拱頂下沉最大值保持在極限值以下，但只有約0.3%的減小幅度，缺乏一定的安全性，因此不宜使用，1/2 環(huán)向加固范圍的工況有約1.8%的減小幅度，可以確保安全性得到滿(mǎn)足； 在280m 埋深下，1/4 環(huán)向加固范圍的工況所出現(xiàn)的拱頂下沉最大位移仍不滿(mǎn)足要求，1/2 環(huán)向加固范圍的工況雖然可以將拱頂下沉最大值控制在極限值以下，但減小幅度較小，缺乏一定的安全性，因此不宜使用，全部環(huán)向加固范圍有約3.8%的減小幅度可以使安全性滿(mǎn)足要求。

綜合上述分析，在確保拱頂下沉最大值保持在極限值以下且安全性一定時(shí)，將圍巖等級(jí)不同時(shí)，不同埋深下徑向注漿加固最終方案確定如下表3 所示。

表3 注漿加固方案

在該隧道的局部淌水位置，施作初期支護(hù)后進(jìn)行徑向注漿試驗(yàn)，經(jīng)48h 后，待注漿加固圈完全凝固且施作二次襯砌之前，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)取芯工作。 為確保取芯的完整程度，以90mm 作為鉆孔直徑，深度為80cm，在注漿口下方30cm 的位置取芯，所得結(jié)果如下圖6 所示。

圖6 注漿加固區(qū)完整芯樣

從現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程看，取芯過(guò)程較為順利，未出現(xiàn)頂鉆和卡鉆等情況，從取芯結(jié)果看，注漿斷面有較好效果，可以有效封堵滲漏點(diǎn)，有效改善地下水滲漏現(xiàn)象。 巖土體在注漿加固后更為完整，能夠有效分擔(dān)部分水壓力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于初期支護(hù)極限位移的修正值，以數(shù)值模擬的方法探討了不同圍巖級(jí)別和富水高度下模型的位移數(shù)值，得出Ⅳ級(jí)圍巖的臨界富水高度為230m 埋深，Ⅴ級(jí)圍巖的臨界富水高度為240m，該臨界高度即為隧道注漿加固的臨界點(diǎn)。

探討了圍巖等級(jí)不同的隧道在三種拱頂環(huán)向注漿加固方式下的位移場(chǎng)，主要結(jié)論有：隨著不斷加大的隧道埋深，三種注漿加固工況下隧道的拱頂沉降不斷加大。 在將拱頂下沉最大位移控制在極限位移以下且具備一定安全性時(shí)，不同圍巖等級(jí)下各隧道埋深的加固方案為：Ⅳ級(jí)圍巖里，在230 至280m 的埋深下應(yīng)使用1m 加固厚度、1/4 加固范圍的方案； Ⅴ級(jí)圍巖里，在240-260m的埋深下應(yīng)使用1m 加固厚度、 1/4 加固范圍的方案，在260 至270m 的埋深下應(yīng)使用1m 加固厚度，1/2 加固范圍的方案，在270-280m 的埋深下應(yīng)使用1m 加固厚度、 全部環(huán)向注漿加固范圍的方案。