浅埋偏压隧道地表预注浆加固力学行为研究

罗 刚 邱红胜 王 哲 杨 雨

(武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063)

在山岭隧道的修建中，经常会遇到地质条件复杂的地层，其中浅埋偏压隧道是指由于客观原因而致围岩压力呈现出较为明显的不均匀性，且偏压荷载易对隧道的支护和施工产生不利影响.在山岭地区修建隧道也常常需要穿越浅埋破碎带，施工过程中易发生坍塌和涌水等危险情况.为减轻偏压荷载以及破碎带给施工带来的不利影响，除了优化开挖方式外，还需采用辅助施工方法.注浆法就是一种极为有效的辅助施工方法，将能固化的浆液注入土体的孔隙和裂缝之中，通过改变不同的注浆材料、强度及注浆方式深入研究注浆体在实施作业过程的力学行为规律，以达到改善土体物理力学性质，增强土体强度的效果.

针对隧道开挖中会遇到的浅埋、偏压、破碎带、地下水[1-4]等复杂地形条件下的注浆加固，近年来出现了很多新型的注浆材料，从开始的超细水泥、丙凝、硅酸盐到后来改良的非碱性硅酸盐，更加追求高效和环保.在隧道领域，注浆材料主要采用水泥水玻璃双浆液，在现场进行配合比试验选择合适的水泥水灰比以及水玻璃和水泥的质量比[5-7].施工方法包括地表注浆法、大管棚加超前小导管断面注浆法以及帷幕注浆法[8-9]等等.文献[10]进行模拟实验总结了注浆前后土体物理力学性质的变化规律.文中以柚子树隧道为背景，采用地层注浆加固法对偏压、浅埋并穿越破碎带的地层进行加固，研究不同注浆强度下，隧道开挖过程中围岩竖直和水平方向上的位移以及衬砌受力的变化规律.以此来分析随注浆强度变化，土体加固后力学行为的变化规律.

柚子树隧道总长度为1 906 m,其中V级围岩段有1 476 m,IV级围岩段有370 m，破碎带为60 m，正常涌水量为1 254.3 m3/d.隧道主洞内轮廓净宽11.5 m,净高9.75 m.隧道洞口段位置处边、仰坡均为不稳定性结构，施工时存在滑塌风险.且临近隧道进、出口端上覆土多为粉质黏土、碎石土，洞口段偏压浅埋、进洞施工难度大.洞身内围岩主要以软弱岩性为主，开挖过程中极易出现不良地质条件下垮塌、涌水、涌泥等现象，施工风险较高.隧道出口端位置地形条件复杂，洞口右侧边坡属于不稳定型边坡，洞身范围存在断层破碎带，可能会产生突泥、突水.结合以上地质条件，为防止在开挖过程中发生垮塌、涌水、涌泥等危险情况，需要对隧道四周围岩进行注浆加固，以提高隧道周围土体的物理力学性质，增加围岩强度，降低围岩渗透率，确保工程安全.

2.1 注浆范围

注浆范围的确定要综合考虑土体的各项物理力学性质及地形地质情况.一般而言，注浆加固的半径应为隧道开挖半径的2～3倍，当地质条件恶劣时，可适当增大.因此，根据工程实际情况综合考虑，本次注浆加固竖向范围定为开挖隧道拱顶以上4.25 m、拱底以下6 m、横向范围为隧道轮廓以外4.25 m，具体加固范围见图1.

图1 加固范围(单位：m)

2.2 注浆孔的布设及注浆次序

注浆孔采用梅花型布置，注浆孔间距的选取需结合注浆扩散半径考虑，一般取扩散半径的80%～170%倍，排间距则取孔间距的0.8～1.0倍，深度的选取宜穿越软弱土层.注浆扩散半径的选取，要综合考虑注浆压力、注浆时间以及浆液和土体的物理力学性质等多方面因素.柚子树隧道所处地质复杂，地层不均匀，很难从理论上准确计算扩散半径.因此，在注浆过程中，应及时根据现场试验对注浆压力、注浆量和注浆时间等因素进行调整.根据类似工程研究的经验，现初步确定本次注浆的扩散半径为1.5 m，注浆压力初压为0.2～0.5 MPa，终压为2～3 MPa.施工时可在此基础上参考，并可根据现场情况进行调整.

考虑注浆顺序时，每排注浆孔中，宜先灌注两端的孔，然后间隔交错灌注，这样可以防止内圈注浆时浆液的流失，能有效加强土体的注浆效果.注浆段边缘注浆孔可采用双液浆形成止水、止浆帷幕，这样可以有效防止因进口段注浆围岩孔隙率大、含水量大而产生跑浆、冒浆，以提升注浆效果.

2.3 注浆材料及参数

注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆,浆液的制备是采用不同的水灰比以及水玻璃和水泥的质量比进行配合比实验，最终通过现场试验得到的凝结时间以及强度等参数指标，再结合现场设备所能达到的要求，来确定适合现场实际情况下的最佳配合比.

通过调整不同的水灰比以及水玻璃和水泥的质量比来配制浆液，为更好地进行数据处理，在保证在注浆压力范围内，按照浆液的强度，列出了配合比试验数据，见表1.

表1 配合比试验结果

选择采用浆液水灰比为0.8∶1，水玻璃占水泥的质量分数为15%时，进行注浆加固后土体的体积模量为1.5 GPa，内摩擦角和泊松比变化很小，可以视为不变，密度由原状土的2 000提升到2 100 kg/m，变化不大；
黏聚力由0.2提升到0.4 MPa.

因为试验数据有限，而仿真模拟又需要多组数据，现根据上述配合比试验结果及土体进行注浆加固后物理力学参数提升的规律，使用插值法列出了有代表性的几组工况，见表2.

表2 注浆段物理力学参数分组

3.1 计算模型

模型计算区域为横向100 m、竖向60 m，即左右侧计算边界为4倍隧道总跨径，下部计算边界为3倍隧道总高度.竖直方向上，深埋侧为60 m，浅埋侧为45 m，形成了左高右低的偏压地形，隧道埋深为12 m，为浅埋隧道.围岩采用M-C模型，初期支护和二次衬砌采用弹性模型；
围岩和二次衬砌使用实体单元模拟，围岩与二次衬砌刚性连接.初期支护使用壳单元进行模拟.注浆段的强度通过改变注浆段围岩的材料属性来实现，用实体单元进行模拟.

3.2 施工模拟

本工程为浅埋偏压隧道，且围岩等级为Ⅴ级，所以开挖方式选择台阶法，具体施工步骤为：①自重应力场模拟；
②开挖上台阶；
③进行初期支护；
④开挖下台阶；
⑤施加二次衬砌.

3.3 材料参数

围岩、初期支护以及二次衬砌的具体参数见表3.

表3 围岩与结构的物理力学参数

4.1 竖向位移结果分析

图2为注浆前后围岩的竖向位移图.

图2 注浆竖向位移图

由图2可知：所选区段模拟开挖后，z方向的位移主要集中在拱顶和拱底处.在没有进行注浆加固的情况下，因为偏压地形的原因，隧道最大沉降变形出现在拱顶偏左处，最大沉降值为10.07 mm；
隧道的最大的隆起变形出现在拱底偏右处，其值为14.75 mm.

图3为拱顶，拱底竖向变形-体积模量曲线.由图3可知：当注浆段的体积模量由0.2 GPa提高到1.0 GPa时，拱顶和拱底的位移变形有了明显的减小，拱顶沉降由10下降到2.7 mm，减小了73%，拱底隆起由14.7下降到3.1 mm，减小了80%，效果较明显.但是继续加大体积模量后，效果不佳，没有明显改善.

图3 拱顶，拱底竖向变形-体积模量曲线

4.2 净空收敛结果分析

图4为注浆前后围岩水平位移图.

图4 注浆水平位移图

由图4可知：水平位移集中出现在拱底偏深埋侧，拱底偏浅埋侧，以及深埋侧拱腰下沿，浅埋侧拱腰上沿.而水平收敛的最大值出现在左右拱腰处，分别为3.73和3.63 mm.因为地形偏压的原因，偏压侧地表土层也向浅埋侧发生了水平位移.

图5为水平位移-体积模量曲线.由图5可知：当注浆段的体积模量由0.2提高到1.0 GPa时，左拱腰的水平位移由3.73减小到0.82 mm，减小了78%；
右拱腰的水平位移由3.64减小到0.76 mm，减小了79%.但继续增加注浆体模量，监测点的水平位移变化很小.

图5 水平位移-体积模量曲线

4.3 初期支护弯矩图结果分析

因为地形为偏压，初期支护的最大正弯矩以及最大负弯矩出现在埋深较大侧，图6为注浆前后初期支护的弯矩图.

图6 初期支护弯矩图

由图6可知：在没有进行任何注浆加固时，最大正弯矩出现在左拱腰处下沿，最大正弯矩值为30 335 N·m，最大负弯矩出现在左拱腰处中部，值为5 030.3 N·m.

图7为最大弯矩-体积模量曲线.由图7可知：当进行不同强度的注浆后，围岩的强度得到了加强，很好的改善了其成拱作用，从而减小了初期支护的受力.当注浆段的体积模量由0.2提高到1.0 GPa时，最大正弯矩减小了70%；
而注浆段的体积模量由0.2提高到2.0 GPa时，最大正弯矩减小了85%.当注浆段的体积模量由0.2提高到1.0 GPa时，最大负弯矩减小了46%；
而注浆段的体积模量由1.0提高到2.0 GPa时，最大负弯矩减小了68%.适当增加注浆的强度可以很好地减轻初期支护的受到的弯矩.但当强度到一定的值时，所起的效果会大打折扣，所以要基于安全和经济两方面综合考虑.在本例中，就初期支护的弯矩变化来看，很明显将注浆段的强度提升到1.0 GPa左右,最为经济合理.

图7 最大弯矩-体积模量曲线

4.4 二次衬砌最大应力

图8为当土体体积模量为0.2 GPa二次衬砌最大应力的云图.由图8可知：最大拉应力出现在拱顶内侧，最大压应力出现在拱脚内侧.

图8 二次衬砌应力云图

图9为最大应力-体积模量曲线.由图9可知：当注浆段的体积模量由0.2 GPa提高到1.0 GPa时，最大拉应力减小了近64%，最大压应力减小了40%.这说明注浆很好地改善了围岩的整体受力特征，效果显著.当注浆段的体积模量由1.0 GPa提高到2.0 GPa时，最大拉应力和压应力变化趋于平缓，故继续增大注浆强度性价比很低.

图9 最大应力-体积模量曲线

1) 针对柚子树隧道浅埋偏压、穿越破碎带的地质情况，为解决开挖过程中可能出现的垮塌、涌水等危险情况，提出采用地表注浆法对地层进行加固.注浆材料采用水泥水玻璃双浆液，并给出了注浆范围以及浆液的配合比.基于现场试验数据，使用插值法取值，利用FLAC3D分析了不同注浆强度下围岩的力学行为变化规律.

2) 当注浆后土体体积模量为1.0 GPa时，与注浆前相比，隧道的拱顶和拱底的变形分别减小了73%和80%；
隧道左拱腰的水平位移由减小了78%；
右拱腰的水平位移减小了79%；
初期衬砌的最大正弯矩和最大负弯矩分别减小了70%和46%；
二次衬砌的最大拉应力和压应力分别减小了64%和40%.综合以上数据，注浆后土体的体积模量由0.2 GPa提升到1.0 GPa时，土体的力学性能改善效果明显.

3) 随注浆强度的增强，直到土体的孔隙被填满不能再进行注浆时，隧道施工指标的提升效果在不断减弱，整体变化的曲线呈反比例函数分布.

4) 当注浆段土体的体积模量提升为原状土的5倍左右时，对隧道围岩的改善效果显著，继续增大后注浆效果不明显.因此，选择合适的注浆强度至关重要，在能满足加固要求的同时又能减少不必要的成本.