富水软弱围岩隧道工程施工方案分析

周小生

(广西信达高速公路有限公司，广西 南宁 530021)

0 引言

近年来，随着西部大开发战略实施逐渐深入，我国山区公路高速发展，山区隧道工程发展迅猛。大量隧道工程建设在群山交错、峰峦叠嶂、地质及水文条件复杂多变的多山地区，经常遇到各种地质灾害。其中隧道突泥涌水就是对隧道工程建设影响较大的地质灾害之一，处治不当易引发洞内坍塌、地表沉降、地下水流失等次生灾害，给公路隧道工程的建设造成巨大经济损失和人员伤亡，社会影响较大[1]。帷幕注浆技术是地下工程施工中常采用的辅助工法之一，在处理富水软弱地层方面具有独特优势，对保证隧道施工及运营期的安全起到了重要作用[2]。本文依托在建岑溪至水汶高速公路均昌隧道，采用数值模拟的方法，研究分析不同工况条件下帷幕注浆技术在富水软弱地层隧道工程施工中的作用，以期找到一种安全快速处治富水软弱地层的隧道施工方案，为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

岑溪至水汶高速公路是包头至茂名高速公路的重要路段，在建岑溪至水汶高速公路均昌隧道为小间距特长隧道，其右线长4 288 m，左线长4 270 m，左右洞净距约17 m。隧址区山峰脊线高程250～806 m，相对高差约556 m；隧道洞身段最大埋深约450 m，最小埋深约90 m。均昌隧道路线穿越山心-岭脚村谷地，为相对封闭的长条状小型盆地，谷地四面环山，内部地势平坦，东西长约2 900 m，南北宽约400 m，谷地的长轴方向与隧道线位基本垂直。

隧址区位于由福庆向斜、白石垌向斜、塘垌向斜构成的加里东期褶皱群与燕山期水汶向斜之间，容县至岑溪断层及大隆至水汶断层分别从隧道两端的北东、南东向通过。勘察揭示山心-岭脚村带状谷地范围内的岩体全～强风化层相对较厚和风化强烈，推断除与多期次的侵入岩体和地质构造的作用有关外，还与谷地范围内的混合岩成分相对复杂有关。岩体经长期的风化、剥蚀和溶蚀作用形成了目前的谷地现状。

均昌隧道目前尚未贯通段位于岑溪市岑城镇山心村、岭脚村下方。隧道未贯通段地表谷地分布有大量房屋，该谷地汇水面积较大，并且有大量的地表水和地下水补给源，地下含水层厚度大，含水层连通性及富水性好。附近居民生活及生产用水均采自地下，在保证地表稳定和居民生产及生活用水的情况下，隧道施工要切断隧道洞身周围岩体与外界水源的联系顺利掘进，技术要求高，实施难度大。本文采用数值模拟的方法，研究左右洞不同施工工况条件下洞周收敛变形、地表沉降、地下水渗流等响应规律，以期对隧道施工开挖提供有益的参考。

2 隧道施工过程数值模拟

通过一些有限元软件可以有效地对隧道的施工过程进行数值模拟，从而对隧道施工过程中可能出现的各种情况进行预测，并了解相应的围岩位移变化情况。本文采用有限元计算软件ABAQUS进行不同工况下的隧道施工变形及围岩渗水情况分析，进而分析帷幕注浆在处治富水软弱地层隧道工程复杂地质问题的有益作用。

2.1 模型的建立

ABAQUS是功能全面的有限元数值模拟软件。依托ABAQUS大型三维有限元计算分析平台，采用地层结构法研究隧道左右洞开挖支护施工过程力学特征，重点研究左右洞不同施工错距条件下洞周收敛变形、结构受力、围岩损伤破坏区及地表沉降等响应规律。

根据该隧道工程地质勘察和结构设计的实际情况，以及现有资料表明，地下洞室开挖后的围岩位移，仅在洞室周围距离洞室中心点5倍洞室开挖直径的范围内存在实际影响[3]。在实际工程中，隧道围岩应力应变实际为三维变化的。本文有限元计算分析采用渗流耦合三维数值模型；隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑，采用Drucker-Prager模型的屈服准则[3][4]；围岩、帷幕加固圈、初次衬砌、二次衬砌均采用实体单元；模型的边界条件除上部为自由边界外，两边侧面和底面为法向约束边界；隧道应力场按自重应力场考虑[5]，隧道衬砌四周水压力按照静水压力计算。

计算模型X方向(垂直隧道轴线水平向)宽度260 m，Y向(隧道轴线方向)计算长度取为120 m，Z向(竖向)高度为200 m，共有95 640个单元，102 021个节点。计算模型如图1所示，其物理力学参数见表1。

图1 均昌隧道计算模型示意图

地层天然密度/(kg/m3)弹性模量/(MPa)泊松比含水率(%)孔隙率(n)渗透系数/(m/s)冲洪积层1 8501000.38320.455×10-6全强风化1 9502000.36300.438×10-6微风化2 1001 3000.3250.31×10-7注浆加固区2 0301 0000.35270.365×10-7

2.2 计算工况

为全面研究均昌隧道左右洞开挖掌子面不同错距条件下隧道贯通时的受力变形规律，开展了左右洞同时开挖、左洞超前右洞10 m、20 m、30 m、40 m、50 m，及左洞贯通后再开挖右洞等7种不同计算工况。同时，对比研究了5 m厚帷幕注浆圈和不设帷幕注浆方案。计算工况情况见表2。

表2 计算工况表

2.3 计算结果及分析

数值计算中通过逐步移除开挖轮廓线范围内的岩土体模拟隧道开挖过程，开挖完成后进行初期支护施工，同一隧道进出口端同时开挖。整个计算过程分为初始平衡和开挖支护两个主要阶段，其中第1步为初始平衡步，获得初始应力场与渗流场，后续隧道分步开挖支护过程。监测断面位于30 m处，掌子面开挖由0 m处开始，掌子面在监测断面后方距离为负，经过监测断面后距离为正。

2.3.1 不同工况的围岩变形特征

图2中给出先行开挖的左洞拱顶沉降与水平收敛变形在有无注浆圈时的对比曲线，可以看出，通过设置注浆圈能够显著减小施工过程中的沉降与收敛变形，其中左右洞同时开挖的工况1设置5 m帷幕注浆圈时较未设置帷幕注浆圈，其最大拱顶沉降值由97.5 mm减小至69.8 mm，减小约28%；而左洞超前右洞30 m的工况4在设置5 m厚帷幕注浆圈后的最大拱顶沉降值也由90.6 mm减小至65.7 mm，减小约27%，左右洞同时开挖的工况7在设置帷幕注浆圈后最大沉降值减小约24%。而水平收敛变形计算结果也表现出同样的规律，三种工况在设置5 m厚帷幕注浆圈后最大水平收敛变形值减小约30%。

(a)拱顶沉降

(b)水平收敛

图3中给出后开挖的右洞拱顶沉降与水平收敛变形在有无注浆圈时的对比曲线，与左洞类似，通过设置帷幕注浆圈，右洞开挖过程中的拱顶沉降与水平收敛变形也出现明显减小，其中最大拱顶沉降值减小约30%，而收敛变形值减小约20%。

(a)拱顶沉降

(b)水平收敛

2.3.2 不同工况地表变形特征

图4给出了有无注浆圈时地表沉降变化曲线计算分析结果，由图4(a)可以看出，设置5 m帷幕注浆圈条件下左洞开挖贯通所引起的地表沉降明显小于未设置帷幕注浆条件，其中左右洞同时开挖的工况1引起的地表沉降变形最大，在未设置帷幕注浆和设置5 m帷幕注浆圈时的最大沉降值分别为66 mm和25 mm；左洞超前右洞30 m的工况4次之；左洞先行贯通的工况7所引起的最大地表沉降变形分别为38 mm和13 mm。同时可以看出，由于左洞先行贯通时间的不同，地表沉降漏斗中心位置也有所不同。图4(b)中给出了左右洞均贯通后的地表沉降曲线，通过设置5 m厚帷幕注浆圈地表沉降变形较未设置帷幕注浆圈时显著减小，最大地表沉降减小约60%。

(a)左洞贯通

(b)左右洞均贯通

2.3.3 帷幕注浆对隧道掌子面涌水量影响特征

通过对均昌隧道施工过程开展应力渗流耦合三维有限元分析，得到隧道开挖过程中洞内稳定渗涌水量的变化规律，如表3所示。

表3 有无注浆圈时各工况左洞进口端掌子面涌水量表(m3/h)

由表3可以看出，通过设置5 m厚帷幕注浆圈，掌子面开挖过程中的稳定涌水量较不设置帷幕注浆圈时显著减小，左右洞同时开挖的工况1在不设置帷幕注浆圈时涌水量为103.3 m3/h，而随着左洞超前右洞距离的增加，左洞进口端掌子面涌水量也相应增加，当左洞超前右洞30 m以上时，掌子面涌水量基本不再变化。相应于设置5 m帷幕注浆圈的情况，各工况掌子面涌水量锐减至2.8 m3/h，减小幅度可达97%，且与左洞超前距离关系不明显，表明通过帷幕注浆能够有效控制隧道施工过程中洞内渗水量，进而大大降低隧道施工突泥涌水的风险。

3 结语

(1)在不设置帷幕注浆圈或帷幕注浆质量不达标时，拱顶沉降随着隧道开挖的推进经历“缓慢增加-迅速增大-渐趋稳定”的变化过程，其中以左右洞同时开挖的工况1所引起的拱顶沉降值最大，为83 mm；而以左洞先贯通的工况7所引起的拱顶沉降值则相对较小，为81 mm。水平收敛变形随着开挖推进经历了缓慢“波动增加-快速增大-峰值降低后渐趋稳定”的变化过程，其中以左右洞同时开挖的工况1开挖引起的水平收敛变形值最小，为33 mm；而左洞先贯通的工况7所引起的水平收敛变形值则相对较大，约为40 mm。主要是由于隧道基本处于自重应力场条件，隧道开挖后在拱顶处为受拉区，而两拱腰位置为受压区的二次应力场分布特征所决定。

(2)设置5 m厚帷幕注浆圈时，隧道拱顶沉降与水平收敛变形随开挖过程同样经历了“缓慢增加-迅速增大-渐趋稳定”的变化过程，隧道开挖掌子面位于监测断面10 m以外时，引起监测断面处的变形值相对较小，掌子面距离监测断面10 m以内时，拱顶沉降与水平收敛变形均显著增加，仍以左右洞同时开挖的工况1所引起的拱顶沉降变形最大，为69 mm。

(3)对比有无设置帷幕注浆圈计算分析表明，设置5 m帷幕注浆圈后，隧道施工过程中的拱顶沉降、水平收敛及地表沉降将显著减小，其中，拱顶沉降约减小25%，水平收敛减小约30%，地表沉降减小达60%，掌子面渗水量减小幅度可达97%。通过数值模拟可以有效反映隧道开挖施工过程中围岩的变形及渗水情况，预测可能出现的危险情况，对隧道施工有一定的指导意义。

[1]刘 建，刘 丹.基于SVM的隧道涌水来源识别[J].北京：水文地质与工程地质，2012，39(5)：26-30.

[2]张民庆，张 亮，何志军，等太行山隧道富水宽张裂隙注浆堵水技术研究[J].铁道工程学报，2015(1)：104-109.

[3]徐干成，白洪才，郑颖人.地下工程支护结构[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[4]周顺华.开挖理论[M].北京：中国铁道出版社，1997.

[5]余 健，何 川.软弱围岩段隧道施工过程中围岩位移的三维弹塑性数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2006，25(3)：623-629.