注浆加固对深埋富水围岩隧道开挖变形影响研究分析*

李立端 张延森 肖立拓

(1.广东省南粤交通揭惠高速公路管理中心 揭阳 515325； 2.徐州市交通规划设计研究院 徐州 221000； 3.广州市市政工程设计研究总院 广州 510000)

注浆加固作为一种提高围岩力学性质的手段，具有堵水防渗和加固的作用。加固作用是指利用浆液充填和固结被破坏的或原有的裂隙面，从而提高岩体强度，并参与巷道围岩应力平衡过程，充分发挥岩体自身承载能力[1]。堵水作用是指将各种堵水材料制成的浆液压入到含水岩层中的预定地点，并使浆液扩散、凝固和硬化，从而达到堵塞水渗流空隙、隔绝水源、提高透水岩层隔水性能并封堵矿井涌水的目的[2]。目前，隧道注浆材料一般为水泥类浆材或水泥-水玻璃类浆材，注浆方法一般可分为超前预注浆、径向注浆、局部注浆和补强注浆4种，其中超前帷幕注浆法在防止突泥、涌水方面效果较好[3]。作为隧道施工的重要辅助工法，注浆加固在高水压隧道施工中得到比较广泛的应用。其中，针对高水压断层破碎带和节理发育密集带的止水注浆，及穿越软弱、不良地质段的加固注浆对隧道的施工安全、施工进度及运营后的止排水等都有显著效果[4]。

对于深埋富水围岩隧道，特别是断裂破碎带处，在高地应力、高水压围岩应力场与渗流场耦合作用下，隧道开挖围岩变形很大且变形速度很快，因此，开展注浆加固对富水围岩隧道开挖变形影响的研究非常必要。

1 裂隙岩体注浆加固理论

1.1 注浆加固作用

注浆加固原理是借助于压力液压、气压或电化学手段将具有胶凝功能的浆液通过一定的管路注入土层或岩层中的空隙、裂隙与空洞中，将其中的水分与空气赶走，并将松散破碎的岩土层胶结起来。可以达到改善岩土层性能，降低岩、土层的渗透性，提高岩、土层的强度与承载能力，减少岩、土层变形的目的。

注浆是广泛用于交通土建工程、水电工程、工业民用建筑及人防工程的加固技术。在不同的工程中，注浆的目的是不同的。对于隧道工程，注浆的目的主要有以下几种。

1) 防渗。注浆时，浆液被高压注入岩土体的裂隙中,减少岩体的空隙率，降低岩体的渗透性，消除或减少地下水的渗流量，降低工程场压力或空隙水压力，提高岩体的抵抗渗透变形能力，起到防渗的作用。

2) 堵水。注浆浆液凝固后，封堵岩土体中的裂隙，截断岩体中的水流通道，提高其防水性，使之形成一定厚度的止水圈，起到堵水作用。

3) 固结。改善岩土或结构的力学性能，恢复其整体性。

4) 提高围岩的承载能力。浆液渗透凝固后，降低岩体的空隙率，改善岩体的内聚力和内摩擦角等力学参数，提高了岩体的力学性能。

5) 改善支护衬砌受力条件。通过注浆，可以充填隧道衬砌背后的大空洞和大空隙，起到改善支护衬砌受力条件的作用。

可见，注浆加固对于围岩开挖变形的影响主要有2个方面：① 注浆加固提高加固区围岩的强度，使得围岩开挖卸载后的回弹变形变小；②注浆加固后加固区围岩渗透系数的大小不仅关系到隧道的排水量[5]，还决定开挖渗流对围岩变形的影响程度。另外，注浆圈的厚度及渗透系数的选择关系到施工难度及施工成本。

1.2 注浆对围岩参数的影响

1.2.1对弹性模量的影响

灌浆浆液经高压渗入岩块破裂面后，能够较好地固结岩块，提高其承载能力，并在较大的变形范围内保持稳定的承载力。

有关岩石注浆前后岩体的静弹性模量统计表明，围岩在进行注浆加固以后，其弹性模量一般的都能提高30%以上，更有甚者能使之提高到375%，极大地提高了围岩的性能。

1.2.2对粘聚力和内摩擦角的影响

灌浆后的节理岩体内充填了水泥浆，而且裂隙面受到灌浆压力作用而被压紧，变为闭合状态，从整体上增加了裂隙间的咬合，这些有助于岩体抗剪强度的提高。另外，由于节理面的贯通性受到改变并受到一定的闭合压力，弱面破坏受到一定比例的阻止。因此，灌浆对岩体的凝聚力和摩擦系数均有所提高。

前苏联M·卡姆别霍尔及别廖也夫对后注浆加固围岩的力学过程进行了理论分析和现场测试，结果表明，注浆后岩石的黏结力增加40%～70%，平均增加50%。一般认为，对于岩体的黏聚力和内摩擦角能提高20%～30%。围岩力学参数的提高，对隧道的顺利安全施工创造了条件。

1.2.3对渗透系数的影响

水在围岩中的渗流能力取决于围岩中裂隙本身的宽度、间距、连通度、粗糙度及岩体的应力状态。一般而言，裂隙的宽度越大、间距越小、连通度越好、粗糙度越小或裂隙面法向应力越小，则围岩的渗透系数越大。

在隧道围岩中注浆，用高压将浆液充填到岩体裂隙中，通过浆液的凝固结石，减小裂隙的宽度，增加裂隙的粗糙度，使裂隙面受到灌浆压力作用而被压紧，变为闭合状态,达到减小围岩渗透系数，降低围岩渗透性的作用。

对围岩的注浆实践表明，注浆结束后围岩的透水系数一般为原来围岩透水系数的0.1%～0.5%，因此，对围岩进行高压固结注浆堵水后，其渗透系数可以减小，以达堵水的目的。

2 注浆后隧道的孔隙水压力分布

设一圆形隧道，隧道内半径为ra，承受内水水头ha，二次衬砌外半径为r，二次衬砌外侧水头为h2，初期支护外半径r1，初期支护外侧水头为h1，注浆加固圈外半径为rg，注浆加固圈外侧水头为hg，海水深度hw。假定隧道衬砌及周围岩土体都是均质体，忽略介质的自重，同时假设材料的渗透系数在各个方向相同，且渗流方向以径向为主，则渗流体积力中浮力部分比例较小，为研究隧道开挖后地下水渗流的影响机制，浮力的影响可不考虑。假定半径r0以外形成的稳定渗流场水头与隧道中心点的原始静水压力水头h0相等，本文中，取r0=h0=rw+H，将h0作为模型计算外边界水头。在以上假设前提下，可近似按轴对称平面应变问题分析隧道地下水渗流场分布，如图1所示。

图1 隧道地下水渗流模型

围岩渗透系数为ks，注浆加固区渗透系数kg，初期支护渗透系数为k1，二次衬砌渗透系数为k2。根据地下水渗流力学理论[6]，可求解隧道渗水量Q、二次衬砌外水压力p2、初期支护外水压力p1、注浆加固圈外壁水压力pg，远场围岩水压p0。

(1)

p2=γwh2=γw×

(2)

p1=γwh1=γw×

(3)

pg=γwhg=γw×

(4)

p0=γwh0

(5)

(6)

(7)

(8)

由水力学中的达西定律和地下水连续方程可知[7-8]，孔隙水压u与渗透系数K的关系如式(9)。

(9)

式中：K为渗透系数；γw为地下水容重，kN/m3。

在稳定渗流中，有∂/∂t=0，则2u=0；由对称性可知∂/∂θ=0，由式(9)可得：

1) 在二衬范围内(ra≤r≤r2)，孔隙水压力

(10)

2) 在初支范围内(r2

(11)

3) 在注浆圈范围内(r1

(12)

4) 注浆圈外围岩(rg

(13)

由此可知，隧道的初期支护、二次衬砌、注浆圈的厚度、渗透系数及围岩渗透系数的大小均会影响隧道的渗水量和孔隙水压力分布。但是在隧道开挖过程中，隧道渗水量及围岩孔隙水压力分布主要由注浆圈与围岩的渗透系数的比值及注浆圈的厚度决定，注浆圈越厚、注浆圈与围岩渗透系数比值越大，注浆圈所承受的水压力越大，隧道渗水量越小。

3 注浆加固对围岩开挖变形影响模拟分析

某隧道位于丘陵区，隧道按分离式布设，左线隧道里程为ZK14+390-ZK17+390，最大埋深280 m。右线隧道里程为K14+380-K17+388，最大埋深270 m。隧址区基底主要为燕山期花岗岩，局部见辉绿岩岩脉，覆盖层由黏土、全～强风岩组成，基岩由中～微风化岩组成。地下水以大气降水和山谷汇水下渗补给为主，排泄方式则以蒸发和侧向径流排泄为主。隧道在ZK16+450-Z16+600(K16+400-K16+580)段存在F3区域大断裂(图2a))，该断层处围岩破碎，裂隙发育，工程地质复杂，属于IV、V级围岩，且其上方约150 m处存在一水库(图2b))。隧道开挖过程中改变了天然地下水的补、径、排条件，隧道成为新的局部排泄基准，易发生塌方、涌水、水资源流失、生态环境破坏等不良情况。破碎带涌水情况如图2c)所示。

图2 工程地质情况汇总

3.1 模型建立及计算参数选取

选取隧洞右线深埋富水段作为研究对象，研究注浆加固对围岩开挖变形的影响。采用midas GTS NX软件，隧道埋深取150 m，每次进尺的长度2 m，模拟开挖30步，模型的计算范围为120 m×120 m×210 m，整个数学模型共划分为97 679个实体单元、4 480个板单元、17 469个节点，见图3所示。开挖网格组分布见图4所示。

图3 隧道模型图

图4 开挖网格组分布图

模拟围岩为V级围岩，根据地质勘探资料确定岩体的物理力学参数，采用等效连续介质模型，D-P弹塑性屈服准则。岩体采用实体单元模拟，支护结构用板单元模拟。初喷在围岩开挖后跟进施作，二衬只在开挖前20 m施作，只作为开挖前支护条件，不随着开挖的进行而跟进施作。

隧道埋深较大，隧道在垂直方向的初始地应力取岩体的自重，水平方向的初始地应力按侧压力系数λ=1考虑。假定隧道开挖前，围岩处于饱和状态。开挖后，地下水在隧道开挖区域的边界上为自由透水边界，渗流水压力为0。采用超前帷幕全断面注浆加固，注浆加固效果可通过提升注浆区围岩的物理力学参数模拟，注浆参数如图5所示。

图5 注浆圈参数图

围岩、支护结构、注浆区及破碎带的模拟计算参数，如表1所示。其中，对于衬砌只考虑其支护作用，不考虑其堵水作用，因此取衬砌的渗透系数为无穷大。

表1 计算参数表

3.2 注浆圈厚度对围岩开挖变形影响分析

3.2.1渗流场分析

取注浆圈渗透系数为2.0×10-5cm/s，模拟注浆圈厚度分别为0(未注浆)，2.5，5.0，7.5，10 m时对围岩开挖的渗流场影响，孔隙水头分布如图6所示。

图6 不同注浆圈厚度下的孔隙水头分布图

由图6可见：

1) 当对隧道采用了超前注浆加固，地下水直接通过注浆圈渗透进隧道，隧道开挖对渗流场的影响区域比未注浆前有所减小，注浆加固圈分担了一部分的水压力，渗流速度矢量的方向为隧道径向方向。

2) 注浆圈厚度对于隧道开挖渗流场的影响较小，开挖边界周围区域孔隙水压力只随着加固圈厚度的增大而略微增大。

3.2.2位移场分析

进行应力-渗流耦合分析，得到注浆圈厚度分别0(未注浆)，2.5，5.0，7.5，10 m时围岩的位移结果，提取不同注浆圈厚度的拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛计算结果，如图7所示。其中图中水平轴负值表示该断面未开挖，正值表示该断面已开挖。

图7 不同注浆圈厚度下位移场曲线图

由图7可见：

1) 注浆加固可有效地抑制有水开挖渗流作用引起围岩的变形，尤其是对围岩开挖后的变形抑制更为明显，可以看出，围岩在注浆加固后的拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛总值均比无注浆时大幅减小；另外，围岩在采用注浆加固后减小了围岩的变形速度，缩短了围岩的变形收敛时间。

2) 随着注浆圈厚度的增大，围岩的拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛值均逐渐减小，加固效果越来越好；但另一方面，围岩变形减小速度越来越小，加固效果越来越不明显。

例如，围岩拱顶下沉总值在0(未注浆)，2.5，5.0，7.5，10 m加固圈情况下分别为20.72，16.70，14.95，13.91，13.26 mm；相互差值分别为4.02，1.75，1.04，0.65 mm。围岩变形值在注浆加固后减小主要是由于注浆区围岩物理力学参数的提升，但隧道开挖渗流对周边围岩影响区域有限，因此，只有在隧道开挖边界一定范围内，注浆加固的效果才比较明显。

3.3 注浆圈渗透系数对围岩开挖变形影响分析

3.3.1渗流场分析

取注浆圈厚度为5 m，模拟注浆圈渗透系数分别为3.0×10-5，2.0×10-5，1.0×10-5，0.5×10-5，0.1×10-5cm/s时注浆圈渗透系数对围岩开挖的渗流场影响，孔隙水头分布如图8所示。

图8 不同注浆圈渗透系数下的孔隙水头分布图

由图8可见：

1) 注浆圈渗透系数对于隧道开挖渗流场的影响较大，随着注浆圈渗透系数的增大，注浆加固区分担的水压力越来越大。

2) 随着注浆圈渗透系数的增大，开挖边界区域孔隙水压力大幅增大，显著地减小了开挖渗流场的影响区域。当渗透系数小于1×10-6cm/s时，开挖施工只对注浆圈区域的渗流场的影响较大，对其余地方影响很小，接近未开挖时的围岩渗流场。

3.3.2位移场分析

进行应力-渗流耦合分析，得到注浆圈渗透系数分别为3.0×10-5，2.0×10-5，1.0×10-5，0.5×10-5，0.1×10-5cm/s时围岩的位移结果，提取不同注浆圈渗透系数的拱顶下沉、拱底隆起及水平收敛结果，如图9所示。

图9 不同注浆圈渗透系数下位移场曲线图

由图9可见：

1) 随着注浆圈渗透系数的减小，拱顶下沉值越来越小，拱底隆起值越来越大，水平收敛值变化很小。

2) 由于渗透系数的减小，注浆加固区分担的水压力越来越大，减小了开挖渗流场的影响区域，开挖渗流引起的隧道整体固结沉降也逐渐减小，并且由于注浆加固区围岩物理力学参数的提升限制了围岩的收敛变形，因此注浆圈渗透系数对于隧道净空影响不大，只表现出隧道整体的固结沉降，注浆圈渗透系数的大小主要影响隧道的总体位置。

4 结论

1) 注浆加固对于提升围岩的弹性模量、黏聚力、内摩擦角及渗透系数等参数有显著作用，注浆加固会改变开挖渗流场影响下围岩的孔隙水压力分布。

2) 隧道渗水量及围岩孔隙水压力分布主要由注浆圈与围岩渗透系数的比值及注浆圈的厚度决定,注浆圈越厚,注浆圈与围岩渗透系数比值越大，注浆圈所承受的水压力越大，隧道渗水量越小。

3) 注浆加固会减小渗流影响下围岩开挖变形速度及变形量，在开挖边界一定范围内注浆效果比较明显，注浆圈渗透系数的大小决定隧道的固结沉降值，主要影响隧道的总体位置。注浆圈渗透系数的大小直接关系到隧道的渗水量，考虑实际施工难度和成本问题，并不是注浆圈厚度越大、渗透系数越小对于围岩变形的抑制作用效果越好，而是存在相对经济合理的参数值。

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