公路软岩隧道底鼓注浆加固厚度数值模拟

徐嵩基，王育奎

(山东高速工程检测有限公司，山东济南　250000)



公路软岩隧道底鼓注浆加固厚度数值模拟

徐嵩基，王育奎

(山东高速工程检测有限公司，山东济南250000)

通过对某位于构造剥蚀沉积岩低中山区高速公路隧道的全面检测，分析隧道产生底鼓的原因，采用FLAC3D模拟不同厚度仰拱时围岩塑性区变化情况，分析仰拱厚度不足对隧道的危害，验证隧道全断面注浆的可行性。通过计算模拟不同厚度的注浆圈，提出合理的注浆圈厚度，为施工及加固提供一定的技术参考。

仰拱底鼓；FLAC3D；注浆圈

随着中国高速公路网的快速建设，长大隧道工程不断涌现。在长大隧道建设过程中，难免会穿越软弱围岩或地质环境恶劣的高地应力区域，从而使隧道经常发生拱顶坍塌、仰拱底鼓及围岩大变形等地质灾害。部分软弱围岩具有遇水膨胀的性质，伴随隧道深埋、高地应力等方面的影响，易使隧道发生仰拱底鼓现象。隧道底鼓一旦发生，其变形一般是持续性的，很难自行稳定，不但会造成仰拱严重破坏，出现开裂上浮，而且对建设期间的施工安全和运营期的行车安全造成较大的威胁[1]。隧道底鼓是一个极其复杂的物理、力学过程，与隧址区的地质、水文、地应力、施工、设计等多方面因素密切相关。国内外学者对隧道底鼓的成因进行了多方面的研究：文献[2]认为产生底鼓的原因是含水、弹性应变变形、破坏变形，并利用相似材料模型试验研究底板锚杆控制底鼓的机理、参数选择和适用范围；文献[3]通过松散土体在2个压膜作用下被挤出的现象揭示底鼓的本质，并通过土体的极限平衡理论计算分析底鼓巷道支架所受的压力；文献[4]通过大比例尺寸模型试验与有限元相结合的方法研究隧道仰拱的力学行为；文献[5]对隧道底鼓机理进行分析，建立仰拱底鼓量的估算公式；文献[6]计算分离式隧道一侧洞身开挖对另一侧洞身隧道底鼓的影响及底鼓量；文献[7]借助弹塑性力学滑移线理论分析隧道底鼓的机理及锚杆在塑性区和塑性区以下岩层中的受力情况，从理论上确定防治隧道底鼓锚杆长度的取值；文献[8]在工程实践的基础上,对隧底隆起的成因、分类与控制技术途径进行了研究。煤矿中对软岩巷道仰拱底鼓的处理较多，文献[9]借助岩石弹塑性、扩容、膨胀、流变及弯曲等理论，分析底鼓机理并推导出预测底鼓量公式; 文献[10]利用理想刚塑性理论分析松软围岩巷道产生底鼓机理，提出底板角锚杆防治底鼓的方法，推算出锚杆的支护参数公式。煤矿中对软岩巷道仰拱底鼓的处理较多，文献[11]提出并实施了注浆加固顶帮围岩、底板锚索和底板胶囊管帷幕注浆的深井巷道底鼓综合控制技术；文献[12]应用底板锚注技术对巷道底板进行加固；文献[13]将顶板、两帮、底角和底板四部位看作是相互联系的整体，综合控制各部位变形，并结合防治水措施，达到有效控制底鼓的目的；文献[14-17]等对煤矿开采巷道的底鼓问题进行大量的研究，积累宝贵的处理底鼓的经验。

目前在对隧道底鼓的处理方法中，径向注浆加固是较有效和应用较普遍的方法之一，但是在实际注浆时，多是凭经验确定注浆圈的厚度。

本文结合隧道全面检测结果，在分析病害产生原因的基础上，利用FLAC3D有限差分软件，采取上下台阶法开挖，对衬砌采用壳单元进行模拟，通过分析不同注浆圈厚度、不同厚度仰拱条件下围岩塑性区位移及应力情况，进而判定合理的隧道径向注浆圈厚度。

1　工程概况

该隧道全长4 590 m，最大埋深183.72 m，属岩石山岭深埋特长隧道。隧址区位于构造剥蚀沉积岩低中山区，黄土梁昂地势起伏较大，沟壑纵横，局部切割较深，山顶及山坡被第四系风积、冲积、残坡积黄土和黄土状土覆盖，植被发育一般多为旱地梯田，山麓、冲沟侧壁、沟底泥岩、砾岩裸露。隧址区与隧道直接有关的地层为第四系(Q)风积、披积新近堆积黄土、角砾土和上第三系(N)泥岩、泥质粉砂岩，下第三系(E)砾岩、砂砾岩为主。

隧道按新奥法原理设计和施工，Ⅳ级围岩段采用上下台阶法施工，Ⅴ级围岩采用环形开挖留核心土法。支护采用复合式衬砌支护型式。

2　仰拱底鼓病害检测

由于该隧道围岩情况较差，且穿越多个断层破碎带，断层处围岩为弱风化泥岩，泥质结构，胶结较差，在隧道施工期曾多次出现塌方、初期支护开裂侵限、二衬开裂等现象，个别段落存在单侧较大变形。根据不同的病害情况，施工期已进行过换拱、加强拱脚锁脚、注浆导管径向注浆加固等措施。

在隧道运营期，发现路面中心线处局部位置开张底鼓，个别位置伴有错台(开张最大达30 mm，上行线错台最大达10 mm，下行线错台最大达40 mm)，局部位置开裂破损等；路面存在多处横缝、纵缝、斜缝；个别位置存在坑槽和凹陷。衬砌存在多条环向、纵向、斜向裂缝以及网裂，其中施工缝多处开裂；个别位置拱脚下沉较明显。

根据隧道内出现的病害情况，在路面中心线处对仰拱每间隔50 m进行钻孔取芯，并利用地质雷达对仰拱进行探测，发现仰拱存在不同程度的缺陷：①个别位置未做仰拱；②部分仰拱处回填厚度小于设计值；③部分芯样混凝土不密实；④个别位置路面结构厚度不足;⑤存在缺陷的芯样范围内，衬砌裂缝较多，仰拱底鼓、路面开张错台现象严重；⑥个别位置还伴随有拱脚下沉。

3　病害成因分析

3.1仰拱支护较弱

在钻孔取芯中发现，仰拱底鼓处部分位置未设置仰拱或部分位置仰拱未满足设计要求。仰拱成为隧道整体成环的薄弱环节，在边墙二衬结构压模效应和远地场应力的作用下，隧道周边软弱岩体被挤压到隧道内最薄弱的中间地带，隧道仰拱不能承受底部传递的压力，从而发生底鼓。

3.2隧道围岩强度低

隧道前段为弱风化泥岩，局部为泥质砂岩，泥质结构，层状构造，软硬相间，成岩较差，遇水易软化，缩水易开裂，属极软岩；中间段为泥岩与砾岩接触带，属于断层破碎带，正断层，属Ⅴ级围岩，围岩为极软岩，基岩内存在裂隙水；后段为弱风化砾岩，成岩较差，岩质软硬不一，遇水易软化，属极软岩、软岩，围岩稳定性较差。隧道开挖后，原始地应力释放掉一部分，围岩发生卸荷和应力重分布。围岩切向应力增加，塑性圈半径扩大，变形破碎由隧道浅部向深部扩展。如碰到雨季，使岩体软化加剧，围岩裂隙增大和扩张，变形量加大，产生一定量的底鼓。

3.3地下水

隧道底鼓段为弱风化泥岩，雨季有滴水或渗水现象，泥质类软岩(泥岩、泥质粉砂岩)遇水后出现泥化、膨胀、崩解和破碎现象。随地下水的侵蚀作用，隧道底板岩体强度进一步降低，隧道底板在水平应力作用下进一步破坏，此时水更容易渗透至隧道底板更深部的岩层，加剧底板深部岩层的水理作用，使得底板更大范围内的岩体强度降低，破坏范围进一步扩大。

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4　数值模拟

该隧道部分底鼓段伴随有二次衬砌开裂、拱脚下沉等病害，而通过对二次衬砌厚度的检测发现，二次衬砌厚度基本满足设计要求，通过查阅施工资料，初期支护的型式及参数与设计也基本一致，据此分析隧道围岩的力学性能已经下降，围岩产生流变，导致作用在初期支护及二衬上的力变大，从而产生开裂、底鼓现象。在对围岩的加固中，径向注浆加固是一种常用的方法，其中文献[18]计算了锚杆+注浆条件下的加固效果；文献[19]通过数值模拟方法得出巷道两帮围岩强度和底板底鼓量成正增长关系，即两帮围岩强度和变形程度对巷道底板底鼓产生重要影响。鉴于该隧道衬砌及仰拱都存在病害，因此采取全断面注浆方式，增强围岩力学性能，降低围岩流变量，进而抑制底鼓及衬砌开裂。

4.1建模

本隧道埋深变化较大，最大埋深为183.72 m，实际发生仰拱底鼓的位置埋深在100 m左右，故本次模拟隧道埋深为100 m时的施工过程，模拟注浆圈厚度d=1、2、3、4、5 m时的变化情况，计算时除地表不受约束外，模型其它边界均为固定边界。图1为部分计算模型。

a)d=1 m　　　　　　　　　　　　　　　　　b)d=3 m　　　　　　　　　　　　　　　c)d=5 m图1　不同注浆圈厚度计算模型

4.2计算参数

计算模型为弱风化的V级围岩。计算时假设围岩为单一、均质的连续体，计算模型参数的选取根据地质勘查资料取值。由于缺少现场注浆结石体力学试验数据，因此参考相关文献取值。文献[20]在南京地铁南北线一期工程，采用水泥-水玻璃双液劈裂注浆加固地层，加固土体比原状土的内凝聚力、摩擦角分别提高了41.3%、59.3%；文献[21]采用路基下注浆加固的方案治理滑坡病害，目的在于通过注浆增加土体的密实度，提高复合土体的抗剪强度参数，从而提高路基边坡稳定性；。通过原位剪切试验，注浆试件比原状试件的内凝聚力、摩擦角分别提高了38.1%、40.91%。参考上述文献资料，不考虑注浆锚杆的单独作用，将其等效到注浆后的岩体强度中，注浆后围岩的弹性模量和黏聚力分别提高50%来计算[22-23]。本计算采取的计算参数见表1。

表1　围岩及注浆后岩体物理力学参数

根据现场钻孔取芯情况，发现实际仰拱厚度与设计厚度存在较大差别，因此分别计算无仰拱、仰拱厚度为设计厚度1/4、1/2、3/4以及等于设计厚度时，衬砌围岩的塑性区分布情况，并计算注浆加固厚度为1～5 m更换仰拱时，围岩的应力及位移变化情况。

表2　等效的壳单元计算参数

选取FLAC3D结构单元中的壳单元进行支护模拟，将初期支护及二次衬砌等效为相应厚度的混凝土给壳单元进行赋值计算，等效后壳单元的计算参数见表2。隧道内壳单元支护型式见图2。

4.3计算结果分析

图2　 隧道衬砌壳单元支护模拟

4.3.1不同仰拱厚度计算结果

本文分别模拟了仰拱厚度等于设计值、设计值的1/2、设计值的1/4以及无仰拱4种工况，不同仰拱厚度时围岩塑性区分布图见图3。

通过图3可以看出，随着仰拱厚度的减小，围岩塑性区面积不断增大，仰拱处围岩塑性区增大尤为明显，仰拱厚度等于设计值1/4时的塑性区分布与无仰拱的塑性区分布基本相同，此时已经失去仰拱的作用。由隧道围岩的塑性区分布可以看出，对围岩进行全断面注浆，增强围岩力学性能可以提高隧道整体稳定性。

图3　不同仰拱厚度围岩塑性区分布图

4.3.2不同注浆圈厚度计算结果

本文模拟了注浆圈厚度分别等于1、2、3、5 m时，围岩的应力分布状态，不同注浆圈厚度时的围岩最小主应力分布计算结果如图4所示(图中单位为MPa)。

a)注浆圈厚度1 m　　　　　　　　b)注浆圈厚度2 m　　　　　　　c)注浆圈厚度3 m　　　　　　　d)注浆圈厚度5 m图4　不同注浆圈厚度围岩最小主应力分布图

通过图4可以看出，注浆圈厚度为1 m及2 m时，最小主应力分布基本相同，极值差距不大，当注浆圈厚度为3 m时，最小主应力分布区域明显减小，最小主应力峰值减小约50%，当注浆圈厚度大于3 m时，最小主应力的分布及峰值变化均不大。不同注浆圈厚度时围岩竖向位移分布图见图5所示(图中单位为cm)。

通过图5可以看出，通过围岩径向注浆加固，可以降低拱顶下沉量及仰拱底鼓量，当注浆圈厚度为1～3 m时，拱顶下沉及仰拱底鼓递减量较为明显；当注浆圈厚度为5 m时，拱顶下沉量及仰拱底鼓量与注浆圈为3 m厚时差值明显减小。

综合以上分析，底鼓隧道在注浆圈厚度大于2 m时，注浆加固效果较为明显，当注浆圈厚度超过3 m时，继续增加注浆圈厚度对加固围岩效果不再明显，因此注浆圈厚度宜选择2～3 m。

a)注浆圈厚度1 m　　　　　　b)注浆圈厚度2 m　　　　　　　c)注浆圈厚度3 m　　　　　　　d)注浆圈厚度5 m图5　不同注浆圈厚度围岩竖向位移分布图

5　结论

1)隧道仰拱支护较弱是该隧道仰拱产生的主要原因。仰拱成为隧道整体成环的薄弱环节，在边墙二衬结构压模效应和远地场应力的作用下，隧道周边软弱岩体被挤压到隧道内最薄弱的中间地带，隧道仰拱不能承受底部传递的压力，从而导致发生底鼓。

2)通过对计算结果的分析可知，当仰拱厚度减小时，围岩塑性区面积不断增大，仰拱处围岩塑性区增大尤为明显，仰拱厚度等于设计值的1/4时，塑性区分布与无仰拱的塑性区分布基本相同，此时已经失去仰拱的作用。

3)在不同注浆圈厚度对围岩的最小主应力及竖向位移计算可知，采用围岩径向注浆加固处理隧道仰拱底鼓是行之有效的方法，根据该隧道的地质情况，注浆圈厚度取2～3 m为较为合理的厚度，可以为加固处理提供一定的技术参考。

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(责任编辑：郎伟锋)

Numerical Simulation of Grouting Thickness Applied to Floor Heave in Soft Rock Highway Tunnel

XUSongji1,WANGYukui1

(ShandongHi-SpeedEngineeringTestCO.,Ltd.,Jinan250061,China)

To analyze the reason that floor heave occurs,a highway tunnel located among the eroded sedimentary rocks in low or medium mountains is overhauled.FLAC3D is used to simulate the changes in plastic zones of surrounding rocks with different thickness of arch. The harms to the tunnel is analyzed to reduce thickness of inverted arch and the feasibility of full-face tunnel grouting is verified. Through the numerical simulation of different thickness of grouting circles, the reasonable thickness of grouting circle is proposed, which provides a technical reference for construction and reinforcement

floor heave of the inverted arch; FLAC3D; grouting circle

2016-06-26

徐嵩基(1980—)，男，济南人，高级工程师，主要研究方向为隧道检测与桥梁检测，E-mail：66733720@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.03.011

U452

A

1672-0032(2016)03-0060-07