正盘台隧道超前帷幕注浆合理范围

2020-09-04朱永全

科学技术与工程 2020年22期

王聪，朱永全

(石家庄铁道大学土木工程学院,石家庄 050043)

隧道施工面临着复杂的地质条件,当隧道穿越富水断层及破碎带时极易发生突水涌泥灾害,造成严重人员伤亡和巨大经济损失,为解决此类典型问题,超前帷幕注浆加固技术得到了广泛应用。中外学者对帷幕注浆机理及注浆方案进行了研究： Liu等[1]通过建立渗流-侵蚀耦合模型研究了帷幕注浆厚度对渗流侵蚀过程的影响；何兵[2]依托三泉隧道分析了是否考虑多场耦合及不同注浆圈厚度对隧道稳定性的影响；俞文生[3]重点研究了浆液在断层泥质充填介质中的劈裂扩散理论及浆液在断层过水断面和断层结构面中的扩散机理；文献[4-7]分析了注浆后加固圈厚度、弹性模量、渗透系数对隧道涌水和围岩稳定性的影响；文献[8-12]建立隧道瞬态渗流模型,研究帷幕注浆和径向注浆不同工况下不同注浆范围及参数对排水流量、水位变化及衬砌水压荷载的影响效应；信春雷等[13]、Jiang等[14]分析了支护与衬砌外水压的力学特征,得到了渗流场的分布规律；孙振宇等[15]对全断面加固方式下围岩位移、应力和塑性区半径进行了理论推导；闫成伟等[16]提出了在浅埋大断面地铁隧道中先探测再注浆,地表注浆和隧道注浆相结合的思路。

上述研究对隧道突涌水的防治均具一定指导意义,其中超前帷幕注浆方案研究大多集中于注浆圈厚度、渗透系数的选取等,对全断面、周边、半断面等不同注浆方式缺乏深入探索。寻求在隧道帷幕注浆施工中兼顾安全性与实用性,创新性地将未注浆开挖、拱墙周边注浆开挖、全周边注浆开挖、半断面帷幕注浆开挖和全断面帷幕注浆开挖共5种工况进行对比,探索不同注浆范围对围岩稳定性、渗流变化的影响,以期为指导施工提供新思路。

1 工程背景及模型设置

1.1 工程背景

京张铁路正盘台隧道是崇礼支线段全线最长的隧道。其中,2～3号斜井区间正洞段落含有1 030 m 多期喷发火山角砾岩软弱带,为Ⅴ级围岩,弱风化,节理裂隙较发育,岩体整体较破碎,稳定性较差,是突涌水灾害治理的重点区。隧道掘进过程中,在该段大里程方向发生了2次突涌水事故,最大涌水量约7 000 m3/h,工期滞后约135 d。为防止灾害再次发生,确保工程顺利贯通和长期运营安全,本工程采用超前帷幕注浆方法进行突涌水封堵和系统的围岩加固,大规模突涌水现场如图1所示。

图1 大规模突涌水现场Fig.1 Large-scale water and mud inrush

1.2 计算模型

依据工程DK35+407典型断面,将隧道简化为静水压力作用下的平面应变模型,引入等效加固区来体现超前加固效果,为避免边界约束效应的影响,3D模型采用长104 m、高100 m、纵深48 m的长方体结构。开挖断面取三心圆结构,模型上表面距隧顶42.7 m,下表面距隧底45 m。初期支护为28 cm 厚C30喷射混凝土,注浆加固区边界为开挖断面外扩5 m。隧道埋深220 m,自由水面取模型上表面。模型前表面、后表面、左表面、右表面和下表面均采用限制法向位移的位移边界条件及不透水的渗流边界条件,上部为自由边界。模型采用三台阶法开挖方法,其中,上台阶、中台阶、下台阶长度均为4 m,开挖进尺取1 m,仰拱长度为3 m,开挖进尺取3 m,隧道贯通共需60步。

本文强调初期支护的作用,未考虑二衬。采用ANSYS建模导入FLAC3D进行加载和运算的方法,围岩及初支均假设为连续均质各向同性的八节点六面体单元。隧道断面如图2所示,关于X轴对称的剖面立体图如图3所示。

图2 隧道断面Fig.2 Section of the tunnel

图3 模型设置及尺寸Fig.3 Model setting and size

周边帷幕厚度取5 m。5种对比工况分别为未注浆开挖(工况1)、拱墙周边注浆开挖(工况2)、全周边注浆开挖(工况3)、半断面帷幕注浆开挖(工况4)、全断面帷幕注浆开挖(工况5)。其中4种注浆开挖方法对应注浆范围如图4所示。

图4 不同注浆范围示意图Fig.4 Schematic diagram of different grouting ranges

1.3 计算参数

围岩力学参数由工程勘察资料提供,并结合规范要求和数值模拟中参数折减的需要,根据相关工程经验和本工程注浆效果检验后的粗略估计,注浆后弹性模量提高30%,密度提高10%,摩擦角提高30%,黏聚力提高50%,其他参数不变。具体参数如表1所示。

表1 地层与支护结构的材料参数

2 计算结果对比分析

2.1 隧道位移

拱顶沉降、水平收敛、底部隆起及掌子面挤出是隧道开挖过程中的重要位移控制指标,为减小边界条件对提取位移的影响,监测点位置设在模型的中部位置即Y=24 m处,分别在开挖断面顶部设置拱顶沉降监测点1,在拱肩、拱腰、拱脚处分别设置水平收敛监测点2～7,底部设置隧底隆起监测点8,三台阶中心处分别设置掌子面隆起监测点9～11。Y=24 m处隧道断面监测点布置位置如图5所示。

图5 Y=24 m处隧道断面监测点Fig.5 Tunnel section monitoring point at Y=24 m

5组位移监测点随施工进程动态监测数据如图6所示。隧道贯通后开挖断面位移终值如表2所示,开挖过程中掌子面各点最大挤出位移如表3所示。

SW为上台阶开挖;ZW为中台阶开挖;XW为下台阶开挖;YW为仰拱开挖图6 断面监测点位移Fig.6 Displacement of section monitoring points

表2 隧道贯通后开挖断面监测点位移终值

表3 掌子面挤出最大变形量

基于各项监测数据可得,隧洞开挖会对未开挖断面围岩产生“预变形”,注浆开挖对于限制围岩位移场的变化量有显著影响,有效避免了拱顶围岩塌块、仰拱隆起等现象。其中,工况5提升最为显著,工况2优越性不佳。工况5各组监测点最大位移均较注浆前均至少减少25%,其中掌子面挤出变形量均可减少66%以上。由于工况2和工况4未在底部隆起监测点附近进行注浆加固,开挖时在底部隆起和下台阶掌子面挤出位移降幅逊于其他工法,工况2尤为明显。工况3和工况4在位移量控制方面各有所长,工况3优越性体现在拱脚水平收敛及底部隆起,其他监测点位移扰动均大于工况4,但工况3各测点位移较未注浆均可减小26.9%以上,提升较为均衡。

2.2 围岩塑性区

为避免边界效应,截取Y=6～40 m处分析施工过程中围岩塑性区特征,利用fish语言可实现塑性区总体积的计算统计,塑性区范围特征描述如表4所示。

表4 塑性区范围特征

塑性区的范围与网格划分方式和致密程度有关,在统一模型网格的前提下,可见注浆后均可显著减少塑性区体积,缩小松动围岩扰动范围。当分别采用拱墙周边注浆、全周边注浆、半断面帷幕注浆、全断面帷幕注浆开挖时,施工过程中塑性区X-Z平面最大半径较未注浆开挖分别降低了8.2%、26.1%、20.3%、28.2%；施工过程塑性区距上台阶开挖面最大纵深分别减小了7.1%、14.3%、35.7%、50%；贯通后的塑性区总体积分别降低了20.4%、31.6%、43.2%、68.5%。综上所述,全断面帷幕注浆效果最优。

2.3 孔隙水压力

为研究隧道超前注浆几种工况对止水效果的影响,监测隧道贯通后孔隙水压力分布可体现隧道注浆防水效果。为避免边界效应,在Y=24 m处布置KY1、KY2两条孔压监测线,孔压线布置如图7所示,孔压分布监测结果分别如图8所示。

图7 孔隙水压力监测线Fig.7 Pore water pressure monitoring lines

由监测数据可得,隧洞周边孔隙水压会因注浆加固作用发生重分布,整体形成以隧洞为中心的降落漏斗,隧道顶部4.5 m范围内围岩孔隙水压力会随注浆面积的增大而减小,隧道仰拱2 m范围内围岩孔隙水压会随注浆后周边围岩的相对强度变化。工况2和工况4均未对仰拱附近围岩进行加固,故相对强度较低,孔隙水压力较高；反之,工况3和工况5在仰拱附近的孔隙水压力较低。几种注浆开挖方法均使围岩整体水位降深明显减少,注浆总面积越大,对水位降深的控制效果越明显,模型隧洞上方围岩工况2、工况3、工况4水位降深较为接近；隧洞下方围岩工况3、工况5的水位降深接近,总体全断面帷幕注浆效果最佳。

2.4 涌水量

隧道超前注浆的主要目的就是封堵地下水,既可保护地下水资源,又可保证施工安全,施工阶段和运营阶段的隧道涌水量监测可直观体现几种工况的注浆防水效应。监测数据如表5所示。

图8 孔隙水压力曲线Fig.8 Pore water pressure curves

表5 涌水量统计结果

开挖初期隧道涌水量最大,随着支护结构的施作和仰拱的封闭作用,涌水量得以有效减少。由表5中工况2～5可得,不同注浆范围对涌水量控制区别较大,全断面帷幕注浆开挖在施工阶段和运营阶段的涌水量分别比未注浆开挖下降了56.3%和33.6%,封堵效果显著。全周边注浆止水效果在运营阶段得以显现,涌水量减少了30.2%,仅次于全断面帷幕注浆,但因掌子面未注浆加固,施工阶段涌水量仍较大。拱墙周边注浆控制效果有限。综合而言,无论施工阶段还是运营阶段,全断面帷幕注浆加固显然最有效；全周边帷幕注浆在运营阶段可实现较好止水效果,性价比较高。