隧道地表坍陷深层注浆理论研究与工程实践

2011-05-04乔明灿乐金朝牛向飞

铁道建筑 2011年9期

乔明灿，乐金朝，牛向飞

(郑州大学水利与环境学院，郑州 450000)

注浆是岩土工程中一门专业性很强的技术，用注浆处理各种岩土工程问题，已成为常用的方法。随着注浆技术的日益成熟和发展，它的应用范围逐渐扩大，在隧道工程［1-2］中，地表注浆主要应用于地质条件差、偏压、洞口及浅埋等地段围岩加固中［3］。地表注浆加固技术对于提高围岩的自稳时间和自身承载能力，改善岩土体的物理力学性能，缩小开挖变形产生的松驰区范围，减小围岩对初期支护和二次衬砌的压力有着很好的作用。同时注浆管可起到地表锚杆悬挂岩体作用，防止塌方冒顶。通过加固充填矿洞及其坍塌体，使得围岩整体性得到加强。

经过50多年的发展，我国的隧道注浆加固技术无论是在理论上，还是在实际应用上，都取得了长足的进展，并提出了不同的注浆理论。但是对于注浆压力、注浆次序优化选择的研究还很少，对于注浆方案的设计更多依赖于经验，缺少系统的理论研究。

本文以某隧道作为主要研究对象，采用探地雷达［4-5］、地震波技术［6］检测隧道围岩塌陷区域，确定出塌陷区的空间位置、塌陷深度以及塌陷范围等。以此为根据，利用有限元分析软件ABAQUS建立隧道三维有限元模型［7］，对隧道地表注浆进行有限元仿真模拟，重点分析注浆压力、注浆次序对注浆加固效果的影响。并根据数值分析结果，进行施工方案的选择。最后，通过实际的工程应用，对比隧道变形预测值和实际监测结果，验证有限元数值方法模拟山顶注浆加固局部围岩脱空隧道过程的正确性和有效性。

1 工程概况

该隧道位于平顶山市，为分离式双洞隧道，隧道全长1 318 m，平面线形采用直线和半径850 m的圆曲线。隧道建筑限界宽9.20 m，高5.00 m;内轮廓净宽12.5 m，净高7.01 m。施工期间，隧道里程桩号LK66+446—LK66+508段岩石构造节理裂隙扩展，常呈不规则脉状、团块状出现，致使岩石整体强度变低，并沿裂隙面断开。由于松散状的覆盖土层较厚，顶板岩石厚度薄且破碎，开挖时出现大面积的坍塌、冒顶现象。塌方平均高度12 m，宽度9 m，塌方长度62 m。该隧道运营期间，在同样位置对应的山顶发生局部塌陷，塌陷区大致呈圆筒状，直径达10～12 m，浅处深度为1～2 m，深处深度达10～12 m，塌方量约1 200 m3。探地雷达检测结果表明该段围岩局部脱空、不密实严重。为提高围岩强度，降低围岩的透水性能，改善隧道成拱的作用，决定对该段实施地表高压预注浆处理，进而达到保证工程安全的目的。

2 注浆加固数值模拟计算

2.1 注浆加固的数值模拟

本文首先结合探地雷达检测结果，对密实程度不同围岩采用不同材料属性来模拟注浆加固过程，通过数值模拟对注浆步序、注浆压力等因素进行重点分析。数值模拟采用以下几个基本假定:

1)采用耦合模型方法，将山体、注浆区域和隧道作为一个共同体来建模。

2)注浆过程中，不考虑隧道内通行车辆的影响。3)不考虑注浆管道对山体的影响。

4)假设注浆完成后，浆液以拱形均匀分布。

通过有限元程序 ABAQUS模拟［7］分析注浆加固主要包括以下内容:

1)隧道拱顶施加冲击荷载模拟山体塌陷，分析隧道受力特性。

2)增加不密实区域的岩体刚度和密度(通过field，variable命令实现)，填充破碎、脱空区域(通过Model Change，add命令实现)来模拟注浆。

3)分析注浆步序对注浆效果的影响。由于隧道左右边墙围岩密实情况不同(左边墙围岩脱空、不密实较为严重)，根据施工经验，主要分析以下两种注浆步序情况下的隧道应力应变特性:

步序A:注浆次序依次为左边墙、右边墙、左拱腰、右拱腰及拱顶。

步序B:注浆次序依次为右边墙、左边墙、右拱腰、左拱腰及拱顶。

通过对比分析，提出合理注浆步序。

4)分析注浆压力对注浆效果影响。实际注浆过程中，注浆压力过小不利于浆液的填充密实，压力过大容易造成隧道的不稳定。在合理注浆步序基础上分别对1.0 MPa、1.5 MPa及2.0 MPa三种注浆压力进行数值模拟分析，提出合理注浆控制压力，为理论验证实际注浆压力的合理性提供依据。

2.2 建模说明

根据山体实际检测情况和具体计算的需要，计算基础深度取2倍洞径20 m，长度取113 m;两侧基础边界均距拱脚25 m;模型拱顶上方土体平均高度取60 m。另外，根据探地雷达［8］实测数据，在模型中建立不同材料属性区域，结构整体建模情况及材料分区情况见图1。山体及隧道二次衬砌材料采用摩尔—库伦模型，计算参数见表1。山体和隧道采用六面体 C3D8R单元进行网格划分，钢筋层采用SFM3D4单元。共划分C3D8R单元67 545个，节点71 438个;SFM3D4单元18 844个，节点18 950个。

在数值计算中，模拟过程分9个分析步:

1)分析步1～分析步2模拟隧道开挖和修建过程，通过 ABAQUS中的 remove和 add命令来实现，分析围岩塌方前山体及隧道的应力分布情况。

图1 隧道不密实区域模型

表1 模型计算参数

2)分析步3结合实际情况，模拟在隧道正常运营期间，山顶岩体塌陷造成隧道内出现局部裂缝，分析此次塌陷对隧道整体稳定及应力应变特性的影响。

3)分析步4～分析步8模拟注浆过程，主要对不同注浆步序、注浆压力计算分析，为最优注浆加固方案的设计提供依据。

4)分析步9为注浆完成后，进行隧道应力应变分析，评定注浆效果。

3 计算结果与分析

本文模拟地表注浆加固既有公路隧道，分析注浆加固的主要影响因素、注浆过程中隧道应力应变特性及注浆加固效果。

3.1 注浆施工步序的选择

图2给出了两种步序下隧道应力计算结果。分析得出:随注浆步序不同，隧道左边墙受拉应力集中在0.2～0.9 MPa之间，在步序A中，应力最大值为1.5 MPa，在步序 B中，最大应力达到1.7 MPa;注浆过程中隧道右边墙受拉应力集中在0.3～0.7 MPa之间，在步序A中，应力最大值为1.4 MPa，在步序B中，最大应力达到1.6 MPa。

图2 两种步序下隧道左右边墙应力对比

对比两种注浆步序计算结果可以发现，步序A更为合理，可以有效降低隧道受拉应力，减小注浆对隧道的负面影响。

3.2 注浆压力的选择

在注浆步序A基础上对注浆压力为1.0 MPa，1.5 MPa及2.0 MPa三种情况进行分析。从图3可知，在三种注浆压力下，隧道左边墙最大应力依次为1.2 MPa，1.5 MPa，2.1 MPa。其中在 2.0 MPa 注浆压力下，最大应力为2.1 MPa，超过其极限抗拉强度标准值(C25标准值为1.78 MPa)，即2.0 MPa注浆压力下可能会破坏隧道结构。注浆压力越大，注浆填充加固效果越明显，但注浆压力过大，可能会对隧道结构造成新的破坏。综合分析各种原因，得出1.5 MPa注浆压力满足要求。

图3 不同注浆压力下左边墙处应力对比

3.3 注浆加固前后隧道应力分析

在合理的注浆步序、注浆压力基础上，对注浆加固过程进行模拟分析。由图4可知，注浆后，隧道应力较注浆前明显减小，其中左边墙及右边墙应力值由原来的1.5 MPa减小至0.8 MPa以下;拱顶应力值由原来的0.8 MPa减小至0.4 MPa左右。总之，隧道整体承受荷载减小，分布趋于均匀，注浆加固效果理想。

图4 注浆前后隧道不同部位应力对比

4 工程应用及效果分析

考虑到本隧道山体的不稳定性，为保证浆液良好的操作性、适应性和结构安全性，浆液采用灌性好、早凝早强、成本经济的水泥浆液［8］。水灰比控制在0.6～0.8，凝固时间为8 h左右。按照步序A设计要求，以1.5 MPa注浆压力分步注浆，具体施工步骤如下:

1)塌陷区域定位:首先采用 GPS技术［9］确定地表塌陷坑的三维空间位置，判断该塌陷区与隧道的相关关系以及对应的隧道里程和部位。然后采用地震波技术对山体塌方情况进行探测，同时采用探地雷达技术对隧道衬砌及其背后围岩密实、空洞情况进行探测。通过以上综合技术，可较明确定出塌陷区的空间位置、塌陷深度以及塌陷范围等。

2)注浆孔布置:隧道注浆加固区域为 LK66+410—LK67+510段。注浆孔采用梅花形布置，沿隧道方向布置5排注浆孔，相邻两排间距5 m，每排相邻两孔间间距5 m。

3)注浆孔成孔:由 GPS确定各个注浆钻孔的深度，然后采用电动回转钻机成孔，钻孔直径为75 mm，每个注浆孔与隧道距离控制在2 m左右。钻机钻到设计深度后清理孔位并拔出钻头，同时下设加工好的钢管(直径30 mm，其中一端10 m范围内钻设间距20 cm、直径15 mm的孔眼用于注浆)于孔内。

4)动态跟踪注浆加固:采用隧道激光断面仪［10］监测并记录隧道各断面数据，并观测隧道裂缝变化和渗水情况，确保注浆过程中隧道结构安全，直至注浆完成。

注浆完成后，监测结果表明隧道拱圈变形微小，山顶塌陷区域最大沉降量1.2 mm，整个隧道二次衬砌结构趋于稳定(见图5)。数值模拟结果与实际监测结果相近，验证了有限元模型分析的有效性和正确性。

由于地表注浆过程中，高压浆液具有填充和压密作用，注浆后的隧道渗水现象得到有效治理，防渗效果如图6所示。同时探地雷达检测结果表明，填充效果明显(见图7)。注浆前，隧道LK66+420—LK66+435段左边墙内部围岩7～12 m处脱空、不密实严重，注浆后，病害区域得到有效填充加固。