水底隧道注浆圈设计参数研究

周宇锴，张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

水底隧道所处的工程地质及水文地质条件复杂、存在高水头地表水及地下水的作用、地下水的赋存形式不明确、地层的渗透系数及岩层产状不明确等因素都给水底隧道设计及施工带来困难。目前，国内外对矿山法跨越江河的水底隧道的设计、施工主要仍是沿用山岭隧道的设计、施工的方法及理念，外加对高水压地下水的处理措施。富水隧道支护结构体系在含高水头地下水的水底隧道中所起作用的大小，地下水是否对初期支护措施有削弱的作用，注浆加固圈层的设计参数对控制地下水的排放及控制围岩变形的影响大小等都是值得研究的。本文就该问题进行研究，以达到弄清地下水的存在对各支护结构的影响。

1 注浆加固圈设计

为保证水底隧道开挖的安全性、围岩的稳定性及隧道运营过程中可行性、舒适性等，一般均需要对水底隧道围岩实施超前帷幕(全断面)注浆、超前小管棚注浆预加固以及开挖后系统锚杆注浆等措施，来减小地下水的渗流量、减小围岩变形值、确保围岩稳定性及隧道衬砌结构安全性。

超前钻孔注浆预加固是把具有充填和凝胶性能的注浆材料，通过配套的注浆机具设备压入所需加固的地层中，经过凝胶硬化作用后填充和堵塞地层中缝隙，减小注浆区地层渗透系数及隧道开挖时的渗漏水量，并能固结软弱和松散岩体，使围岩强度和自稳能力得到提高。其主要的设计参数有：注浆圈层的厚度、注浆量的大小、注浆压力的大小、注浆孔的布置方式及间距、注浆孔的扩散半径，以及注浆圈层的渗透系数等。

注浆加固圈厚度的确定一般应满足：(1)大于塑性区范围；(2)将地下水渗透体积力降到最低；(3)控制地下水渗流量及衬砌背后孔隙压力值。本文研究模拟的重点在于：注浆圈层厚度、注浆圈的渗透系数的优化。

2 模型建立及数值分析

为了研究注浆圈渗透系数对支护结构的受力影响，以某跨江水底隧道为工程背景制定本数值模拟方案。隧道直径D=5m，隧道中心距河床15m，隧道中心距水面22.5m。隧道主要处于冲积黏土层，岩体及初期衬砌物理力学参数见表1。考察注浆圈厚度及渗透系数对隧道形变的影响。围岩渗透系数为kr=1.0×10-5m/s=0.864m/d，初期支护的渗透系数为kl=7.4×10-5m/s=6.394m/d，不考虑二次衬砌的作用，采用FLAC3D流固耦合模块进行分析。

计算时取隧道轴线方向为Y轴，水平面内垂直隧道轴线方向为X轴，竖直向上为Z轴。计算范围：-25m≤X≤25m，0≤Y≤10m，Z方向零平面选在隧道中心位置，模型底部取至Z=-15m。有限差分模型见图1(注浆圈厚度为2m)。初始地应力场在竖直方向按岩体自重考虑，水平应力按侧压力系数λ=0.6考虑，初始渗流场为静水压力场。依注浆圈厚度及渗透系数进行工况设置(表1)。

图1 有限差分模型

类别弹性模量E/GPa泊松比μ粘接力c/MPa内摩擦角φ/°密度ρ/(kg·m-3)孔隙率n围岩1.00.40.12519000.3初期衬砌230.3——22000.2

3 数值模拟结果分析

为了分析注浆圈对围岩与支护结构的影响，本模拟主要分析重点为注浆圈厚度及渗透系数对地下水渗流规律，洞室拱顶、拱底的位移以及初衬的受力情况。

3.1 地下水渗流规律

为了研究超前注浆加固圈对渗流规律的影响，由于注浆圈厚度对渗流规律的影响没有注浆圈渗透系数对渗流规律的影响大，同时各注浆圈厚度下渗流规律的相似性，限于篇幅，仅列出注浆圈厚度为2m时，孔隙水压力场达到稳态时的分布，以反映注浆圈对渗流规律的影响(图2)。断面渗流量与注浆圈渗透系数的关系(图3)。

(a)整个模型区域(k=1.0×10-6m/s)；注浆圈区域(k=1.0×10-6m/s)

(a)整个模型区域(k=1.0×10-7m/s)；注浆圈区域(k=1.0×10-7m/s)图2 注浆圈厚度2m时，孔隙水压力场分布(单位：Pa)

图3 断面渗流量与注浆圈渗透系数的关系

3.2 位移场及初衬受力分析

为了研究超前注浆加固圈对围岩位移场及支护结构受力的影响，拱顶位移与注浆圈的渗透关系如图4，初衬的最小主应力与注浆圈的渗透关系如图5。

4 结论

根据研究结果，可得出结论如下：

(1)注浆加固圈厚度一定的条件下，注浆加固圈渗透系数越低，则洞室周围孔隙压力降低幅度越小，渗流体积力也越小，进而拱顶沉降值越小。

(2)注浆加固圈渗透系数一定的条件下，注浆圈厚度越大，则洞室周围孔隙压力降低幅度越小，渗流体积力也越小，进而拱顶沉降值越小。但是，当注浆加固圈的渗透系数相比围岩渗透系数降低两个量级(即Kg/Kr≤0.01)时，注浆圈厚度继续加大对控制位移的有效性已不那么明显。

图4 拱顶位移与注浆圈渗透系数的关系

图5 初衬最小主应力与注浆圈渗透系数的关系

(3)注浆加固圈厚度一定的条件下，注浆加固圈渗透系数越低，则初期衬砌的最小主应力的绝对值越小，即初期衬砌的受力越安全。由于没有考虑二衬的支护作用，所以初期支护的受力情况也可以间接反映支护体系的受力的情况。

(4)注浆圈渗透系数一定的条件下，注浆圈厚度越大，则初期衬砌的最小主应力的绝对值越小，即初期衬砌的受力越安全。