广昆铁路秀宁隧道下穿水库围岩加固技术研究

孔繁越

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）

广昆铁路秀宁隧道下穿水库围岩加固技术研究

孔繁越

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）

以广昆铁路秀宁隧道工程的建设为背景，针对秀宁隧道出口端下穿水库围岩采用注浆加固的效果进行研究。采用M idas/GTS对围岩加固进行基于流固耦合的数值模拟分析，通过计算得到的数据对围岩加固方案进行评价，并给出合理的注浆加固设计方案。采用流固耦合理论对隧道软弱围岩加固的数值模拟研究在国内外学术界并不多见，此项研究对富水极破碎围岩的加固施工有积极的指导意义，研究成果有助于工程界深入了解下穿水库围岩的工程特性，对有丰富地下水渗流的隧道开挖工程提供了有效的前期加固方案。

下穿水库；围岩加固；流固耦合；注浆；数值模拟

大量的工程实践表明，在下穿水库隧道施工过程中，地下水渗流对隧道有很大的影响，其中地下水渗流对围岩强度的影响是一个重要的研究课题。对于隧道下穿水库工程，如何堵水、防水成为施工的重中之重。研究依托广昆铁路秀宁隧道下穿水库工程，该工程围岩为VI级饱和糜棱岩，开挖施工极其困难（汪乐，2011），为评价注浆加固的可行性，找出最经济、适用的围岩加固方案。研究基于流固耦合理论，采用数值模拟方法分析了地下水渗流对隧道开挖的影响，通过对比各种工况下地下水渗流方向的变化及开挖断面变形等计算结果，对秀宁隧道出口段下穿水库时采取的围岩超前加固方案进行评价，并给出详尽的围岩加固方案（王梦恕，2010）。

1 围岩物理力学性质研究

围岩是承载结构的一个重要组成部分，它既承受一定荷载同时也是荷载的主要来源，可以说围岩的工程性质是影响隧道结构稳定最为重要的因素（邹代峰等，2002）。为掌握秀宁隧道下穿水库段围岩的物理及力学性质，对秀宁隧道未注浆糜棱岩现场取样及试验，获得其物理和力学性质指标，为后续的数值模拟和注浆设计提供了相应参数。

通过对秀宁隧道下穿水库段围岩试样一系列物理力学性质试验的研究，最终确定了未加固围岩相关数据，其中围岩的渗透系数是根据此前地质勘查得出，具体参数如表1所示。

表1 围岩物理力学指标Tab.1 physical and mechanical indexes of surrounding rock

2 围岩加固数值模拟

通过对秀宁隧道出口下穿水库围岩加固和施工过程实际情况的研究，利用MIDAS/GTS有限元分析软件对隧道的施工过程进行了考虑流固耦合的数值模拟，动态地反映施工过程中围岩和初期支护位移、内力等变化情况，从而评价注浆加固的可行性。

2.1 模型建立

有限元计算模型的范围确定为沿隧道横断面方向（x向）100m；沿隧道纵向（y向）50m，模拟的里程范围为DK1005+950～DK1006+000，注浆试验段50m（两个循环），y轴正方向为隧道小里程方向。上表面边界根据勘察测绘等高线取值模拟，取为自由边界；下表面边界取自隧道开挖面几何中心以下45m，约束所有位移自由度；侧面边界水平8、位移受到约束，自由水面设在隧道顶部以上10m处。隧道及周边围岩、注浆加固区域采用了实体单元进行模拟，初期支护采用板单元进行模拟。其中，注浆加固区域沿轴向取为50m，径向范围为隧道开挖外轮廓线5m，分两个开挖循环进行加固，注浆加固效果通过提高围岩参数来进行模拟。计算模型共划分为11868个四面体单元，2359个节点（图1）。

图1 有限元计算网格模型Fig.1 fnite elem ent com puting grid model

2.2 计算结果分析

MIDAS/GTS通过计算孔隙水压力后把结果导入土体应力计算，最后输出有效应力结果的间接方式来完成流固耦合模拟过程。隧道在注浆段开挖结束后的竖向位移如图2所示，从图中可清晰看出隧道拱顶、拱底及地层的竖向位移分布，拱顶沉降最大值为149mm，拱底隆起最大值为131mm。

图2 注浆段开挖结束后竖向位移Fig.2 vertical disp lacement after grouting the excavation

地下水渗流速度向量可以看出注浆加固圈对开挖地下水渗流的导向作用。通过加固圈是否有效的改变了渗流路径来判断围岩加固的效果是否良好。图3是注浆加固围岩在开挖第一步的地下水渗流速度向量图，从给出的地下水速度向量显示结果可以看出，在第一循环注浆加固后，地下水不从第一循环注浆加固圈中流入开挖面，而是顺加固圈流入下面土层和第二循环注浆加固范围，可以判断注浆加固圈基本达到了止水、导向的作用。

图3 开挖第一步地下水渗流速度向量Fig.3 the f rst step in the excavation of groundwater seepage velocity vector

提取开挖后初期支护最大主应力结果来查看初期支护状态，初期支护最大主应力结果如图4，从图中可以看出，初期支护主要受压应力，无拉应力出现，开挖段最大压应力为20.5Mpa，产生在开挖段头部拱顶处，最小压应力为0.18Mpa，产生在开挖中段拱腰处。

图4 开挖后初期支护最大主应力Fig.4 primary support maximum principal stress after excavation

2.3 注浆加固效果评估

通过分析数值计算结果可以发现，对围岩进行超前加固，可大大增强围岩的稳定性。对于控制拱顶沉降和拱底隆起更加明显，而且能大大改善初期支护受力状态，减少初期支护的投入成本。综上所述，采用超前注浆加固的方式作为秀宁隧道出口下穿水库围岩的加固方案是可行的。

3 全断面超前注浆设计方案

针对秀宁隧道出口下穿水库段的实际情况，结合数值模拟评价结果并结合全断面注浆设计经验，该段采用全断面超前注浆方法处理软弱围岩。隧道开挖前对地层进行全断面超前预注浆加固，注浆开挖分两个循环进行，每个循环的注浆段落长度为25m，开挖段落长度为20m。

3.1 注浆材料选择及配比

根据断层地质情况及堵水加固的要求，采用普通水泥单液浆、硫铝酸盐水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆配合使用（李泽龙，2004）。在外圈孔采用普通水泥-水玻璃双液浆形成止水帷幕；内圈孔采用硫铝酸盐和普通水泥单液浆相互配合加固地层。由于秀宁隧道出口段下穿水库，地下水丰富。考虑地下水对浆液的稀释作用，水灰比取低值。浆液配比参数如表2所示。

表2 浆液配比参数表Tab.2 slurry ratio parameter table

3.2 止浆墙厚度

根据研究段掌子面地质情况，结合施工方法，考虑到软弱围岩施工可能会出现的涌水、涌泥的危险，故第一循环使用2.0m厚混凝土作为止浆墙，若施工仍存在比较明显的串浆、冒浆，则加厚处理；若止浆效果良好，可以经过研究适当减小止浆墙厚度，但要保证施工安全和注浆效果（陈俊儒，2009）。

3.3 注浆孔布置

对于浆液扩散半径的选取，一般根据现场施工采取经验取值。在中细砂层、粉质黏性土中取0.5～0.8m；中粗砂、砂卵石层中取0.8～1.2m；断层破碎带取1.5～2.0m。由于秀宁隧道出口下穿水库围岩处于断层破碎带而且富水、软弱，所以根据经验，扩散半径取2.0m（崔玖江等，2011）。根据现场施工钻机型号的参数以及软弱围岩施工经验，秀宁隧道出口下穿水库围岩全断面预注浆钻孔半径采用Φ100mm。具体注浆孔布置纵断面图，如图5所示。

图5 注浆孔布置纵断面图Fig.5 grouting hole layout longitudinal prof le

秀宁隧道出口下穿水库段全断面超前预注浆注浆孔布置以浆液扩散不出现空白为原则进行布置。每循环超前注浆共设置98个注浆孔，A1-A24孔深13m，B1-B22孔深16.7m，C1-C22孔深21m，D1-D20孔深26.5m。具体加固范围示意图及扩散半径图，如图6、7、8所示。

3.4 参数汇总

秀宁隧道出口下穿水库段全断面超前预注浆设计遵照设计相关规范，并吸取类似工程的设计施工经验。对于参数的取值及注浆孔的布置都严格经过审核（张民庆等，2008）。汇总注浆设计中的注浆参数，如表3所示。

图6 注浆加固范围示意图Fig.6 grouting reinforcem ent range diagram

图7 断面A-A注浆孔布置图Fig.7 section A - A grouting hole arrangement

图8 断面C-C注浆孔扩散效果示意图Fig.8 section C - C grouting hole diffusion effect diagram

表3 注浆参数汇总表Tab.3 summary of the grouting parameters

4 结论

本文依托秀宁隧道出口段的建设，通过对秀宁隧道出口下穿水库段围岩基本资料、围岩加固方案和施工过程的研究，采用流固耦合的数值模拟方法对研究段进行模拟计算后，制定全断面超前预注浆参数并完成注浆设计，主要结论如下：

（1）通过对一系列关于秀宁隧道出口段围岩性质试验的研究，确定了下穿水库段糜棱岩的工程特性：糜棱岩的含水量w在5.9% ～11.4%之间，平均含水量约为8%；糜棱岩的天然密度ρ在2.20～2.32g/cm3之间，平均密度约为2.25g/cm3；糜棱岩的比重Gs在2.65～2.70之间，平均值约为2.67；糜棱岩岩体破碎，颗粒粒径范围较广，级配不良密实度不高，工程性质不良。

（2）通过对秀宁隧道出口下穿水库段围岩的研究并结合类似工程的经验，确定全断面超前预注浆为最适合的围岩超前加固方式。

（3）通过有限元软件MIDAS-GTS对秀宁隧道出口下穿水库段的开挖过程进行了数值模拟，分析数值计算结果可以发现，对地层进行全断面超前注浆加固后，隧道开挖时最大拱顶沉降、拱的隆起值都有相应的减少；初期支护的受力状态得到很大改善；通过渗流速度向量看出，注浆加固圈对地下水渗流起到了很好的止水、导向作用。

（4）综合分析可知秀宁隧道出口下穿水库段采用全断面超前预注浆加固效果明显，能有效改善糜棱岩的工程性质，提高围岩的稳定性，减小隧道开挖时围岩和支护的变形，并能改善支护结构的受力状态，因此，全断面超前预注浆加固围岩可以用于秀宁隧道出口下穿水库段的施工。

（5）根据工程经验并分析秀宁隧道现有施工方案，提出了更加合理的全断面超前注浆加固方案，对工程的施工起到指导、借鉴作用。

陈俊儒，2009. 基于流固耦合的海底隧道注浆圈合理参数研究[D]. 中南大学.

崔玖江，崔晓青，2011. 隧道与地下工程注浆技术[M]. 中国建筑工业出版社：9-66，97-99.

李泽龙，2004. 歌乐山隧道水环境保护及堵水注浆设计[J]. 现代隧道技术，41(S3)：34-39

王梦恕，2010. 中国隧道及地下工程修建技术[M]. 北京：人民交通出版社：3-7.

汪乐，2011. 秀宁隧道出口段糜棱岩工程特性及其注浆加固技术研究[D]. 北京交通大学.

邹代峰，贾德华，2002. 赤岭隧道水库库底段的施工技术[J].铁道建筑，24-25

张民庆，彭峰，2008. 地下工程注浆技术[M]. 北京：地质出版社：1-148.

Research on Reinforcing Technology for Surrounding Rock Undercrossing the Reservoir of Xiuning Tunnel along the Guangtong-Kunm ing Railway

KONG Fanyue

(China Railway Design Corporation, Tianjin 300142)

Based on the construction of Xiuning tunnel along the Guang-Kun railway, the paper has studied the grouting reinforcement effect in surrounding rock undercrossing the reservoir. The numerical simulation of fuid-solid coupling method is adopted, as a result, the optim ization evaluation and scheme of surrounding rock reinforcing are proposed. The innovation of this article lies in the fluid-solid interaction theory, however the numerical simulation study on the weak wall rock tunnel at home and abroad is seldom experienced. The research results are beneficial to understand the engineering properties of surrounding rock undercrossing the reservoir, and to provide effective reinforcement measures for the tunnel excavation engineering in the condition of rich groundwater.

Undercrossing the reservoir; Surrounding rock reinforcement; fluid-solid interaction; Grouting; Numerical simulation

A

1007-1903（2017）02-0035-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.007

孔繁越（1989- ），男，硕士，研究方向：岩土工程。E-mail：foreverten89@126.com