导管注浆技术在隧道围岩加固中的应用

赵江涛

山西省公路局阳泉分局平定公路管理段 山西平定 045200

1 导管注浆技术施工原理分析

在隧道结构加固施工实践中，为了保证隧道围岩及周边岩体的承载能力、荷载稳定性及抗变形刚度指标，必须采取相应的加固处治技术措施。在工程实践中，导管注浆施工技术在隧道围岩结构加固施工实践中的应用尤为普遍，主要原因是该加固技术的施工难度较低、适用范围较广、综合成本较低。从根本上分析，采取导管注浆加固技术的根本在于控制隧道围岩结构的自身荷载稳定性，保证隧道围岩及土体结构的等级满足承载要求，围岩结构稳定性是隧道工程中急需解决的关键问题之一，为了降低后期加固施工的成本，提升隧道结构加固的性价比和可靠性，必须尽量发挥隧道岩体结构的残留强度，通过自身强度维持隧道围岩结构的自身稳定性，防止隧道围岩相互错动，影响结构整体稳定性[1]。在导管注浆施工过程中，高压注入到隧道围岩结构内的砂浆材料渗透到围岩缝隙内部，借助砂浆材料自身的渗透、挤压和冲击效应，凝固后与隧道围岩结构形成相互嵌锁的整体结构，实现二者的协调变形，极大地提高了隧道围岩结构的整体受力特性。隧道洞口截面参数很大程度决定了隧道的整体受力特性，隧道围岩等级和洞口截面参数直接影响隧道结构的岩体物理特性，同时也影响到岩体结构的荷载破坏形式和破坏发展特性。综上，导管注浆施工技术不单单可以优化隧道岩石结构的物理特性，对于存在细微毛细开裂的隧道岩体结构，导管注浆材料能够在隧道围岩结构内渗流，极大地填充了围岩结构的缝隙，排尽了原始停留在隧道裂缝内的空气和水分，提高了隧道围岩结构的整体性和承载刚度，还显著改善了原有隧道岩体结构内的天然水环境。此外，通过导管高压注浆处治后，砂浆材料在对应毛细开裂内部凝结硬化，砂浆材料同原隧道岩石形成整体承载结构，提高了隧道围岩之间的内摩擦角，增加了二者之间的摩阻力水平。

2 导管注浆技术在隧道岩体加固中的应用

2.1 隧道围岩壁后加固处治应用分析

隧道围岩壁后加固处治技术的关键在于借助高压导管注浆技术将高压高性能砂浆直接喷射打入隧道围岩的毛细开裂中，起到填充孔隙，提高隧道围岩材料整体性和协调变形性能的目的。导管注浆材料的渗透作用，切实影响和改变了隧道围岩结构的原始组分，最大程度排尽了其中残留的空气和水分，实现了高性能砂浆和空气、水分的高效置换，从本质上解决了外界空气、水分渗透到隧道围岩结构内的可能性，缓解了隧道围岩结构风化进程，高压高性能砂浆材料借助高压可以渗透到围岩孔隙深处，使隧道围岩内壁缝隙得到充分填充，提高了隧道围岩结构的整体性；在砂浆作用下，围岩材料之间的内摩擦角变大，摩阻力相应增加，围岩的综合承载能力明显提升，优化后的隧道围岩结构能够高效、快速地实现荷载传递，围岩荷载能够快速传递到隧道衬砌支护结构上，建立了良性的隧道围岩受力传递体系，在保证隧道围岩结构承载性能的同时，控制了隧道围岩的大规模变形，有助于提高隧道围岩和衬砌结构的稳定性[2]。

2.2 隧道围岩开裂填充与密实加固效应分析

经典断裂力学基本理论表明，整体材料和相同体积的存在众多毛细开裂的材料而言，二者在承受相同外荷载作用的基础上，存在毛细开裂的材料在材料尖角和裂纹转向位置容易出现不同程度的应力集中效应，由于应力集中效应影响，导致该位置的应力水平明显高于其他位置，一旦应力水平超过材料的极限抗拉强度指标，将诱导材料裂缝快速扩展，最终演化为断裂病害。采用导管注浆处治施工技术，在高压渗透作用下，内部额毛细开裂被完全填充密实，由于材料内部缺陷被填充，材料的整体性明显增加，应力集中效应基本消失，原有的断裂病害条件无法满足，材料的整体性明显增强；此外，在高压注浆处治后，注浆材料经历从初凝至终凝的强度形成过程，高性能砂浆中添加了一定比例的膨胀剂，在高性能砂浆凝结硬化的过程中，膨胀剂可以有效弥补应干缩变形导致的体积缩减，起到裂缝密实和提高注浆位置抗渗性的作用和目的。隧道围岩结构的毛细开裂被完全填充密实，裂缝完全封闭，围岩的抗变形刚度和动弹性模量指标均显著提升。

2.3 注浆处治隧道围岩后的骨架效应分析

高性能砂浆材料在高压作用下能够完全渗透到围岩开裂位置的最深处，且高压注浆处治技术可以同时满足多维开裂的同步密封处治，裂缝处治效率明显提高；经砂浆处治后的隧道围岩结构整体刚度明显提高，其弹塑性变形特性更加显著，可以在较大荷载变形的基础上，不发生严重的失稳或断裂病害，且隧道围岩结构的延展性明显增强，断裂失效前的征兆较为明显，属于典型的延性破坏形式。通过凝结后的高性能砂浆材料能够将孤立的隧道围岩结构连接成一个完整的受力体，虽然凝固后的砂浆材料本身的抗拉及抗压性能低于隧道围岩，但形成的整体结构则具备较高刚度和动回弹模量，隧道围岩在高性能砂浆的嵌锁作用下能够协调变形，在骨架效应的干预下，隧道围岩破坏控制条件逐步从单一的薄弱围岩大变形破坏向隧道整体围岩强度条件演变，在外荷载冲击作用下，凝结的高性能砂浆能够充分发挥吸能和储能效应，提升围岩的残存强度指标，有效约束围岩在外荷载作用下的变形值[3]。

3 结语

综上分析可知，在隧道围岩结构加固施工实践中，可以尽量推广使用导管注浆处治技术，不但可以发挥导管注浆低成本、施工便捷等优势，还能最大程度提升隧道围岩结构之间的相互嵌锁性能，进而提高隧道围岩的综合承载力水平、动弹性模量及荷载稳定性等指标，对于优化隧道围岩的受力特性和传力途径，约束隧道围岩结构在荷载作用下的各向变形量具有重要作用和实践意义。