富水粉細(xì)砂地層引水隧洞注漿加固方案研究

李君華

(江西省水利水電開發(fā)有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程背景

某引水式水電站引水隧洞全長16.82km，海拔1350～1500m，最大高差150m，埋深150～200m，跨度13.5m，高度12.8m，屬于大斷面引水隧洞。隧洞區(qū)年平均降雨量為1415.1mm，年平均溫度18.3℃，自上而下可劃分為上覆土(碎石、角礫)、基巖(泥巖、炭質(zhì)泥巖、礫巖和砂巖)、粉細(xì)砂層(節(jié)理裂隙發(fā)育，富含地下水)。引水隧洞大部分位于粉細(xì)砂層中，粉細(xì)砂遇水自穩(wěn)性差，支護結(jié)構(gòu)變形收斂大，洞身埋深較大，地表加固難度很大。經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)勘察，得到粉細(xì)砂土體的平均含水率為9.8%，平均干密度為1.673g/cm3，稍密，平均比重為2.59，孔隙比為0.548，孔隙率為35.5%，平均黏聚力為8.1kPa，平均內(nèi)摩擦角為36.4°，不均勻系數(shù)為50.3，曲率系數(shù)為16.8，屬于級配不良土。

當(dāng)引水隧洞開挖至DK12+785處時，由于受到大埋深、高水壓的作用，掌子面出現(xiàn)了掌子面垮塌，初始支護結(jié)構(gòu)開裂和拱頂大面積塌腔等問題[1- 3]，如圖1所示。原設(shè)計超前小導(dǎo)管注漿超前支護型式可能無法滿足富水粉細(xì)砂層的超前支護，故提出超前帷幕注漿加固型式對該洞段進(jìn)行超前支護[4- 6]，并進(jìn)行了相應(yīng)的計算論證。

圖1 隧洞掌子面現(xiàn)場情況

2 引水隧洞開挖模型構(gòu)建

2.1 有限元模型

利用FLAC3D構(gòu)建隧洞開挖模型，整個模型的左右寬度距離隧道側(cè)面的距離為45m，地面與隧道底部的距離為45m，縱向長度為40m，在模型上部施加均布面荷載，在模型底部施加位移和速度約束，在模型左右兩側(cè)施加水平位移和速度約束。該段隧道采用三臺階法開挖施工，每開挖1m為一個循環(huán)，注漿范圍取開挖輪廓線以外5m，縱向加固深度為30m，引水隧洞初期支護為C25噴射混凝土，錨桿長度和直徑分別為3.5和25mm，橫向和縱向間距分別為1.2和1m；注漿材料的水灰比為0.8，注漿壓力為1.5MPa[7- 8]。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.2 計算參數(shù)選取

在模型計算過程中將所有材料視為各向同性均質(zhì)的材料，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行計算，錨桿采用錨索單元，初期支護和二次襯砌采用實體單元。各地層和材料的參數(shù)取值情況見表1。

表1 圍巖和支護參數(shù)取值

2.3 工況設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，地下水位位于引水隧洞拱頂21～58m處，因此，本次計算共考慮地下水位分別具隧道頂面的距離為20、30、40、50、60m共計5種工況(拱頂上覆水位)，與此同時在每種工況下分別對不采取超前加固、采取小導(dǎo)管超前加固和采取全斷面超前帷幕注漿3種加固措施的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。為方便分析，將不采取加固措施試驗組編號為N1～N5，將采取小導(dǎo)管超前加固措施試驗組編號為X1～X5，將采取全斷面超前帷幕注漿試驗組編號為W1～W5。模擬工況和編號見表2。

表2 模擬工況和編號

3 模擬計算結(jié)果

3.1 對滲流場的影響

選擇模型(Y=20)處的截面作為監(jiān)測斷面，對不同措施和上覆水位下隧洞圍巖的孔隙水壓力隨隧洞縱向里程的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 孔隙水壓力變化規(guī)律

由圖3可知：隨著隧洞縱向里程的增加，不采取超前加固措施和采取小導(dǎo)管加固措施的孔隙水壓力呈逐漸增大的變化特征，并在隧洞縱向里程35m后，基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)采取全斷面帷幕注漿超前加固方式時，孔隙水壓力隨著隧洞縱向里程增大呈先增大后減小最后逐步穩(wěn)定的變化過程，當(dāng)隧洞縱向里程為24～26m時，孔隙水壓力最大；相同隧洞縱向里程下，上覆水位越高，孔隙水壓力越大；隧洞開挖完成后，當(dāng)不采取超前加固措施時，20、30、40、50、60m上覆水位下的孔隙水壓力分別為385、457、532、612、682kPa，采取小導(dǎo)管超前加固時分別為350、450、500、580、665kPa，相比不采取超前加固分別降低9.1%、1.5%、6%、5.2%、2.5%，采取全斷面帷幕注漿超前加固時分別為263、363、463、563、663kPa，相比不采取超前加固分別降低31.7%、20.6%、13%、8%、2.8%，由此可見采取小導(dǎo)管超前加固方式對于圍巖孔隙水壓力的影響較小，而采取全斷面帷幕注漿超前加固方式對于圍巖孔隙水壓力的影響較大，但隨著上覆水位的抬升，影響程度在逐漸減小。

3.2 對圍巖位移變形的影響

不同超前加固方式隧洞圍巖變形規(guī)律如圖4所示。

圖4 圍巖位移變形變化規(guī)律

由圖4可知，隨著上覆水位的抬升，圍巖的拱頂沉降、仰拱隆起和水平收斂變形呈逐漸增大的變化特征；采取小導(dǎo)管超前加固方式時，對于拱頂沉降板變形具有一定的抑制作用，當(dāng)在20、30、40、50、60m上覆水位工況下，拱頂沉降分別降低14.3%、9.7%、17.5%、11.1%和11.2%，對于仰拱隆起變形和水平收斂變形的影響不大；當(dāng)采取全斷面帷幕注漿加固時，對于圍巖拱頂沉降、仰拱隆起和水平收斂變形均有明顯的抑制作用，拱頂沉降相比不采取超前加固時分別降低58.9%、58.2%、64.5%、67.1%和70.5%，仰拱隆起相比不采取超前加固時降低56.2%、57.9%、64.4%、68.5%和73.7%，水平收斂變形相比不采取超前加固時降低82.6%、84%、84.2%、85%和85.9%，即使在上覆水位60m情況下，圍巖的拱頂沉降、仰拱隆起和水平收斂變形分別僅為89.1、62.5、47.1mm。

3.3 對掌子面擠出變形的影響

不同超前加固方式下隧洞掌子面最大擠出變形隨上覆水位變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 掌子面擠出變形變化規(guī)律

由圖5可知，隨著上覆水位增加，掌子面最大擠出變形呈逐漸增大的變化趨勢，采取注漿小導(dǎo)管方式與不采取超前加固方式時的掌子面最大擠出變形相差不大，表明小導(dǎo)管超前注漿加固方式對于隧洞掌子面擠出的變形影響不大，這是因為2種方式對掌子面均缺少超前加固措施，因而掌子面的變形相差不大，而且最大擠出變形均發(fā)生在下臺階位置；當(dāng)采取全斷面帷幕超前注漿加固時，相同上覆水位時，掌子面最大擠出變形有較大幅度降低，最大擠出變形發(fā)生在中臺階，且掌子面最大擠出變形受上覆水位變化的影響很小，以上覆水位60m為例，采取全斷面帷幕注漿時，掌子面最大擠出變形相比不采取超前加固情況減小93.3%，相比采取小導(dǎo)管注漿加固時減小93.1%。

3.4 對塑性區(qū)體積變化的影響

塑性區(qū)體積大小反映了圍巖從彈性向塑性轉(zhuǎn)變的占比，塑性區(qū)體積越大，圍巖穩(wěn)定性越差，相應(yīng)的承載力也會降低，不同措施下圍巖塑性區(qū)體積隨上覆水位的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 塑性區(qū)體積變化規(guī)律

由圖6可知，相同上覆水位下，圍巖塑性區(qū)體積關(guān)系為：不采取超前加固>注漿小導(dǎo)管>超前帷幕灌漿，隨著上覆水位增加，塑性區(qū)體積也逐漸增大；當(dāng)在20、30、40、50、60m上覆水位下時，塑性區(qū)體積分別為10400、11200、12500、13900、15800m3，當(dāng)采取小導(dǎo)管注漿加固時，塑性區(qū)體積分別為8500、9350、10100、11500、13000m3，相比不采取超前加固措施時，分別減小18.3%、16.5%、19.2%、17.3%、17.7%，當(dāng)采取超輕帷幕注漿加固時，塑性區(qū)體積分別為1956.2、2013.6、2200、2500、2863.2m3，相比不采取超前加固措施時，分別減小81.2%、82%、82.4%、82%和81.9%，采取超前帷幕注漿對于圍巖穩(wěn)定性的控制效果是十分顯著的。

4 結(jié)論

(1)隨著隧洞縱向里程增加，不采取超前加固和采取小導(dǎo)管注漿超前加固措施的孔隙水壓力逐漸增大，并最終趨于穩(wěn)定；采取超前帷幕注漿加固措施的孔隙水壓力先增大后減小，同時也會趨于一個穩(wěn)定值。

(2)上覆水位越高，孔隙水壓力、圍巖位移變形、掌子面擠出量以及塑性區(qū)體積量越大。

(3)采取小導(dǎo)管注漿加固時，對于孔隙水壓力、圍巖仰拱隆起、水平收斂變形和掌子面擠出變形的抑制效果較差，對于圍巖頂拱沉降和塑性區(qū)體積有一定的降低效果。

(4)采取全斷面超前帷幕注漿加固時，對于孔隙水壓力、圍巖位移變形、掌子面擠出量和塑性區(qū)體積量均有明顯的降低效果，能夠確保圍巖的穩(wěn)定與安全。