高地應(yīng)力緩傾巖層隧道底部圍巖注漿加固方法

摘 要：隧道仰拱在長(zhǎng)期受列車動(dòng)荷載作用、高地應(yīng)力和地下水侵蝕等惡劣環(huán)境下，結(jié)構(gòu)極易受到破壞，會(huì)導(dǎo)致隧道底部圍巖弱化，嚴(yán)重影響隧道運(yùn)營(yíng)安全。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)某隧道采用數(shù)值模擬方法分析了不同注漿深度對(duì)仰拱變形的影響，研究表明：采用注漿加固隧道底部圍巖，能有效抑制隧道仰拱的豎向變形，對(duì)高地應(yīng)力水平層狀地層隧道底部圍巖的最佳注漿深度為9m。

關(guān)鍵詞： 高地應(yīng)力；層狀地層；隧道仰拱；注漿加固

中圖分類號(hào)：U 45" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前我國(guó)高速鐵路隧道主要采用無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)，因此對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的可靠、穩(wěn)定、平順和耐久性提出了更高的要求、也對(duì)隧道底部變形控制的要求更為嚴(yán)格[1]。隨著越來(lái)越多運(yùn)營(yíng)隧道仰拱病害的出現(xiàn)，隧道仰拱結(jié)構(gòu)的重要性逐漸引起大家的關(guān)注，但目前是對(duì)仰拱結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究較少。尤其對(duì)高速鐵路隧道來(lái)說(shuō)，隧道穿越板塊縫合帶高能地質(zhì)環(huán)境區(qū)段（高地應(yīng)力、高地溫、深大富水?dāng)嗔?、富水冰磧層等），隧道仰拱結(jié)構(gòu)受力更加復(fù)雜[2-3]。因此，為解決隧道底部結(jié)構(gòu)隆起問(wèn)題，需要對(duì)其進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的解決方案。

綜合研究及現(xiàn)場(chǎng)整治經(jīng)驗(yàn)可以看出，對(duì)隧道仰拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化或者僅采用錨索和錨桿對(duì)隧道基底圍巖進(jìn)行加固雖然能夠在一定程度上減緩隧道底鼓速率，但是不能徹底解決隧道底鼓問(wèn)題，采用水泥漿液對(duì)隧道底部圍巖層狀巖層進(jìn)行注漿加固，注漿后形成的結(jié)石體不僅提高了底部圍巖的強(qiáng)度，還提高了圍巖的自穩(wěn)性，減少了隧道結(jié)構(gòu)所受荷載，縮小了仰拱結(jié)構(gòu)的豎向變形。

1 研究方法

1.1 工程概況

為了研究高地應(yīng)力條件下水平層狀地層隧道底部圍巖注漿加固范圍對(duì)仰拱變形的影響，并確定最經(jīng)濟(jì)且有效的注漿深度，本文以國(guó)內(nèi)某高地應(yīng)力水平層狀地層隧道為研究對(duì)象，隧道全長(zhǎng)7858m，距成都42km，隧道洞身主要穿過(guò)侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組泥巖夾砂巖及巨厚層砂巖，巖層產(chǎn)狀大多較平緩。對(duì)隧底部巖層進(jìn)行鉆孔分析可知，仰拱底部巖層均以泥質(zhì)粉砂巖為主，呈紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，多為中厚層狀構(gòu)造。

1.2 數(shù)值模型建立

數(shù)值計(jì)算以國(guó)內(nèi)某隧道為計(jì)算模型，根據(jù)該鐵路隧道施工圖可知，由于該鐵路隧道除進(jìn)口段110m和出口段112m為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖外，其余均處于地下水發(fā)育的Ⅲ級(jí)圍巖，且以粉砂質(zhì)泥巖為主，因此根據(jù)規(guī)范要求，該鐵路隧道設(shè)有仰拱結(jié)構(gòu)。隧道寬13.30m、高10.99m，隧道初支混凝土為C20，初支厚度為0.15m，二襯混凝土為C25，二襯厚度為0.4m，仰拱厚度為0.45m。該鐵路隧道斷面內(nèi)輪廓為五心圓形式，仰拱采用單心圓形式，半徑為14.8m，該鐵路隧道仰拱跨度為9.6m，鐵路隧道內(nèi)輪廓斷面圖如圖1所示。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察可知，隧道底鼓最高點(diǎn)位于里程左線位置，其底鼓量為62.37mm，因此選取此里程左右各5m的區(qū)段為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)在中心位置及右4.1m處鉆孔取樣分析可知，仰拱底部巖層均以泥質(zhì)粉砂巖為主，呈紫紅色，多為中厚層狀構(gòu)造。

通過(guò)地質(zhì)勘察此區(qū)段隧道底部多為水平巖層，且主要為中厚層狀構(gòu)造，中厚層為0.1＜h≤0.5，因此本文整體建模均以隧道底部以下地層按照水平中厚層地層模擬，在仰拱下方建立水平中厚層巖體，總厚度為30m，每層厚0.5m。

為了研究高地應(yīng)力條件下水平層狀地層隧道底部圍巖注漿加固范圍對(duì)仰拱變形的影響，確定最經(jīng)濟(jì)且有效的注漿深度，本文以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的初始應(yīng)力場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境為基礎(chǔ)，在拱底30m范圍內(nèi)考慮層狀巖層分布，單層層厚取0.5m，分析隧道底部圍巖不同注漿深度對(duì)仰拱變形的影響，并且和不注漿工況進(jìn)行對(duì)比，共建立6組模型，注漿深度分別為0m、3m、5m、7m、9m和11m，模型建立方案見表1。

在底部圍巖注漿加固模擬過(guò)程中，通過(guò)增加注漿范圍內(nèi)圍巖的力學(xué)參數(shù)來(lái)模擬注漿效果，一般將巖層的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角增加1倍[4-5]。因此在本次模擬過(guò)程中，底部注漿加固區(qū)圍巖力學(xué)參數(shù)選取見表2。

為了模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相同的地應(yīng)力場(chǎng)，通過(guò)在側(cè)面分別施加水平方向梯度變化的荷載來(lái)模擬水平構(gòu)造應(yīng)力作用，不斷調(diào)整模型邊界添加的σx、σy，直至模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)數(shù)值接近為止，模型的底部邊界及側(cè)面均采用約束法向方向位移，模型頂部邊界為自由邊界。

1.3 監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

由于隧道邊緣易受邊界效應(yīng)的影響，為了消除邊界效應(yīng)的影響，選取模型中間斷面y=5m作為研究斷面。當(dāng)隧道仰拱結(jié)構(gòu)在受到圍巖壓力及地應(yīng)力作用時(shí)，拱腳及拱底附近是最危險(xiǎn)部位，因此針對(duì)隧道仰拱結(jié)構(gòu)最易破壞的位置，選取仰拱底部7個(gè)主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)。主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 隧道仰拱豎向位移

選取模型中間斷面即y=5m作為研究斷面，提取該斷面上仰拱豎向位移，該仰拱上最大與最小豎向位移如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，各組模型中仰拱的豎向位移左右對(duì)稱，且仰拱中部的豎向位移最大，豎向位移均由仰拱中部向兩側(cè)逐漸減少；在其他條件相同的情況下，隨著隧道底部圍巖注漿深度增加，仰拱最大豎向位移也不斷增加。在其他因素相同的情況下，隧道底部注漿深度分別為0m、3m、5m、7m、9m和11m時(shí)，隧道仰拱最大豎向位移均位于仰拱中部，其最大豎向位移分別為37.31mm、8.67mm、6.12mm、5.25mm、4.98mm和4.86mm；隧道仰拱最小豎向位移均位于仰拱拱腳處，其最小豎向位移分別為8.47mm、4.37mm、3.62mm、3.34mm、3.26mm和3.20mm。

根據(jù)仰拱上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)繪制各點(diǎn)在隧道底部圍巖不同注漿深度下的豎向位移變化曲線，分析其豎向變形與注漿深度范圍之間的關(guān)系。由于仰拱為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此只繪制出監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4的豎向位移變化曲線，如圖4所示。

對(duì)圖4各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化曲線進(jìn)行分析可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4為仰拱中心位置，在不同注漿深度情況下，其豎向位移均最大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1為仰拱拱腳處，在不同注漿深度情況下，其豎向位移均最?。粡母鞅O(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速率來(lái)看，隨著注漿深度增加，越靠近仰拱中點(diǎn)處，其豎向位移迅速減少；在仰拱拱腳處，豎向位移降幅最小。對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3和4來(lái)說(shuō)，在注漿深度從0m增至3m的過(guò)程中，其豎向位移急劇減少，豎向位移分別減少48.3%（4.09mm）、70.18%（16.78mm）、75.43%（26.08mm）和76.76%（28.64mm）；在注漿深度從3m增至11m的過(guò)程中，仰拱豎向位移緩慢減少，尤其是在注漿深度超過(guò)5m后，仰拱豎向位移變化趨于平緩。當(dāng)隧道底部圍巖注漿深度為9m時(shí)，仰拱最大豎向位移為4.98mm，與不進(jìn)行注漿加固相比，其豎向位移減少了86.65%（32.33mm），且已達(dá)到無(wú)砟軌道對(duì)底部結(jié)構(gòu)隆起量≤5mm的要求。當(dāng)注漿深度繼續(xù)增加時(shí)（注漿深度為11m），仰拱最大豎向位移變化不大，僅減少0.12mm。因此將注漿深度設(shè)置為9m左右。

表2 底部注漿加固區(qū)圍巖力學(xué)參數(shù)

彈性模量（GPa） 黏聚力（MPa） 內(nèi)摩擦角（ ° ） 泊松比

25.5 1.80 55 0.23

綜上所述，在注漿深度下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移出現(xiàn)不同程度變化，越靠近仰拱中部其變化越明顯，因此采用注漿加固隧道底部圍巖，能夠有效抑制隧道仰拱的豎向變形，高地應(yīng)力水平層狀地層隧道底部圍巖最佳注漿深度為9m，能達(dá)到加固隧底圍巖和抑制仰拱結(jié)構(gòu)隆起變形的理想效果。

2.2 隧道仰拱應(yīng)力變化規(guī)律

不同注漿深度與仰拱最大壓應(yīng)力關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖5可知，在上述所有模型中，仰拱隧道仰拱最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均為負(fù)值，說(shuō)明仰拱均只受壓應(yīng)力，不受拉應(yīng)力，這也說(shuō)明，隧道仰拱結(jié)構(gòu)能夠有效傳遞底部圍巖的荷載，并且充分發(fā)揮了混凝土受壓性能良好的特性。當(dāng)隧道底部注漿深度為0m、3m、5m、7m、9m和11m時(shí)，隧道仰拱結(jié)構(gòu)均僅受壓應(yīng)力作用，最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在拱腳處，最大壓應(yīng)力分別為92.31MPa、41.55MPa、35.83MPa、33.90MPa、33.27MPa和33.06MPa。隨著注漿深度增加，仰拱所受最大壓應(yīng)力隨之減少，在注漿深度從0m增至3m的過(guò)程中，仰拱所受最大壓應(yīng)力顯著減少，但是當(dāng)注漿深度從3m增至7m過(guò)程中，仰拱所受最大壓應(yīng)力降幅減弱，在注漿深度超過(guò)9m后，最大壓應(yīng)力變化趨于平緩。

綜上所述，在高地應(yīng)力條件下，通過(guò)注漿加固隧道底部圍巖將有效減少仰拱豎向位移及所受壓應(yīng)力，在注漿深度超過(guò)9m后，對(duì)減燒仰拱最大壓應(yīng)力作用較小，通過(guò)注漿深度對(duì)仰拱最大豎向位移的影響可知，高地應(yīng)力水平層狀地層隧道底部圍巖最佳注漿深度為9m，且加固隧底圍巖和抑制仰拱結(jié)構(gòu)隆起變形的效果最理想。

3 結(jié)論

本文對(duì)隧道底部圍巖注漿加固進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)注漿加固能有效增加圍巖強(qiáng)度、提高自穩(wěn)性和有效抑制隧道仰拱的豎向變形。

采用注漿加固隧道底部圍巖，能有效抑制隧道仰拱的豎向變形，高地應(yīng)力水平層狀地層隧道底部圍巖最佳注漿深度為9m。

當(dāng)隧道底部圍巖最佳注漿深度范圍為9m時(shí)，其仰拱最大豎向位移為4.98mm，與不進(jìn)行注漿加固相比，其豎向位移減少了86.65%（32.33mm），且已達(dá)到無(wú)砟軌道對(duì)底部結(jié)構(gòu)隆起量≤5mm的要求。注漿深度繼續(xù)增加，仰拱豎向位移變化并不明顯。

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