炭质泥岩隧道洞顶地表裂隙披露及注浆加固

胡思维

(保利长大工程有限公司, 广州 510620)

0 引言

炭质泥岩具有强度低、节理多、整体性差等影响隧道施工安全和效率的不利因素，这使得在炭质泥岩地层中的隧道施工难度骤增。在隧道施工过程中，洞口段的施工难度相比进洞后也更大，主要是受到偏压、洞口边坡风化程度高、缺乏有效约束等因素的制约。为保证隧道进洞施工安全，需采用注浆等方法，对施工影响范围内的软弱地层进行加固。

关于围岩注浆加固及相关作用的研究较多，相关学者从数值模拟、现场试验、劈裂注浆机理等方面进行了全面的研究。余俊[1]等建立了考虑松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应的隧道开挖三维有限元计算模型，定量分析了不同管棚注浆加固参数对隧道开挖稳定性的影响，并通过工程实践验证了数值计算结果。岳洪武[2]等为研究浅埋破碎软岩隧道采用管棚预注浆超前支护后的加固效果，建立了管棚预注浆超前支护、仅采用管棚支护以及无任何超前支护作用下的三种开挖模型，研究结果表明，管棚加预注浆超前支护可改善地层成拱能力，并有效控制了地表下沉、拱顶沉降和应力集中等现象。Hweiger，HF[3]利用有限元仿真模型对劈裂注浆的沉降补偿机理进行数值模拟研究。赵继伟[4]以罗汉山2#隧道右YK5+350～YK5+425区段为例，通过运用地表注浆加固技术，对隧道施工过程中的洞内坍塌、涌水等险情进行有效整治，并总结了施工参数。李杨[5-9]等在实际隧道工程洞口段施工中采用注浆加固技术，一定程度上提高了围岩物理力学方面的性质，并取得了较好的效果。王玉平[10]利用模型试验，总结了软土劈裂的注浆压力及注浆量随时间的变化规律。官治立[11]对粤东山区浅埋偏压隧道进洞施工技术进行了优化研究，认为软岩地层进口段隧道采用“管棚+地表小导管注浆+混凝土反压护拱”的措施，可以起到加固围岩的作用。

通过对现有相关研究成果的梳理可以发现，当前的研究对隧道周围地层的注浆加固作用已经研究得较为完善。但在实际工程应用方面，对于注浆加固的影响范围，洞口、洞身等不同位置的加固作用，不同地层的加固作用等有待深入研究。为此，本文结合其古顶隧道施工过程中遇到的问题，基于数值模拟和实际监测数据，分析炭质泥岩隧道洞顶地表裂隙注浆的加固效果。在此基础上，结合开挖后的现场实际情况，对洞顶地表裂隙注浆加固的限制因素进行分析，以为类似工程提供参考。

1 工程概况

其古顶隧道位于梅州市梅县丙村镇横石村，左线隧道起讫桩号L1K9+397～L1K11+519，隧道长度为2 122m;右线隧道起讫桩号K9+393～K11+528，隧道长度为2 122m。隧道为深埋长隧道，隧道穿过丘陵地貌区，地形起伏大，地面标高169～417m，最大相对高差约为248m，隧道最大埋深约229.5m。

前期勘察和施工期间现场观测表明，其古顶隧道IV级围岩占比45%，V级围岩占比55%。根据开挖揭露的围岩，其古顶隧道围岩主要为全-强风化炭质泥岩，由岩粉、压碎的岩石碎屑、碎片等组成。试验结果表明，围岩具有膨胀性，开挖后易风化，遇水软化、崩解。隧道围岩变化较大，同一断面的围岩存在较大差异，地质偏压现象明显，施工难度大。

在其古顶隧道浅埋段进洞施工时，支护结构发生显著变形及大面积的地表沉降。此外，施工过程中还出现了如洞口边坡开裂滑移、开挖扰动区较大、围岩稳定性差时常掉块等问题，严重影响施工进度和工程安全。初支变形及沉降收敛超限是其古顶隧道在开挖过程中面临的普遍问题，自隧道进洞以来，第三方监控联测单位共发出沉降预警24次。对断面K11+493和断面K11+482(右洞口附近)地表下沉进行监测，从图1～图4可以看出，右侧地表沉降累计值小于左侧沉降累计值，监测区域沉降量较大，其中主要原因是同一断面围岩破碎且破碎程度存在明显差异。

图1 K11+493断面地表日沉降关系

图2 K11+493断面地表下沉累计关系

图3 K11+482断面地表日沉降关系

图4 K11+482断面地表下沉累计关系

为保证隧道施工安全，控制围岩的变形，施工过程中采取了对隧道洞顶的地表裂隙披露进行劈裂注浆的措施，以期通过注浆加固地层，减少围岩的扰动和变形。本文为探究裂隙披露并注浆加固的作用效果，结合洞口附近断面K11+493和K11+482地表下沉监测数据，采用数值模拟的方法进行分析。

2 洞顶地表裂隙披露及注浆加固

2.1 有限元模型

本文基于有限元计算软件MIDAS-GT/SNX，对其古顶隧道右线K11+449～K11+508区段(长56m)进行裂隙披露及注浆加固分析，断面具体位置如图5所示。该区段下伏基岩为浅色砂页岩及灰黑色薄层状碳质泥页岩等，浅色砂页岩上覆于灰黑色薄层状碳质泥页岩，因厚度不大建模忽略不计。本文所构建的三维模型如图6所示，计算模型由围岩、隧道、裂隙(注浆加固区)组成，其中材料参数见表1。

图5 隧道断面分布

图6 三维计算模型

表1 三维计算模型材料参数

为了方便观察计算结果，以通过隧道中心线的竖直平面为对称面，取整个研究区域的一半进行计算，该竖直平面即计算模型的对称边界。为模拟实际工况，模型表面边界设置为自由边界，通过隧道中线的竖直平面设置为对称边界。两个竖直边界设置为只发生竖向位移、不发生水平位移的辊支撑边界，下部边界设置为固定边界，在该边界上不允许发生任何位移。围岩内部裂隙及开挖临空面设置为自由变形边界。

2.2 模拟结果及分析

为分析劈裂注浆加固对炭质泥岩隧道围岩稳定性、成拱能力的提升作用，假设炭质泥岩隧道围岩存在两处裂隙，分别模拟各裂隙披露情况以及随着施工进度产生的变形情况。在本文的数值模拟中，分别设置了两处未披露裂隙、左侧披露裂隙并加固、右侧披露裂隙并加固、两侧披露裂隙及加固四种工况进行模拟，模拟结果如图7～图10所示，各工况变形最大值见表2。

图7 位移云图-两处未披露裂隙

图8 位移云图-披露左侧裂隙并注浆加固

图9 位移云图-披露右侧裂隙并注浆加固

图10 位移云图-披露两侧裂隙并注浆加固

表2 各工况下变形最大值 (单位：mm)

工程施工中，对隧道洞顶地表进行了大范围的加固处理，其沉降观测值与两侧披露裂隙并加固的工况相接近，即实际地表日沉降量观测最大值约为26mm，模拟结果为25.85mm,吻合较好。

对比图7～图10的模拟结果可见，随着裂隙都被披露和加固，隧道开挖施工的影响范围和地表沉降量均有明显的改善。主要表现为：随着两侧裂隙被披露和加固，围岩变形的影响范围逐渐收缩，变形幅度也显著减小。通过对比模拟结果可知，裂隙是否得到披露并进行注浆加固对隧道拱顶变形有较大影响；通过第一处裂隙模拟结果表明，在图7(a)与图9(a)中考虑各种因素作用下未能披露的第一处裂隙，隧道开挖经过该裂隙时，拱顶上方出现明显的拱顶变形；而在图8(a)与图10(a)中，因对该裂隙进行了注浆加固，有效控制了开挖穿越时出现的拱顶变形现象。劈裂注浆加固在隧道拱顶地表裂隙上部形成了加固带，承受了部分隧道开挖区域的围岩荷载，改善了地层成拱能力，从而有效控制了地表下沉和拱顶沉降。

3 开挖情况及制约因素分析

其古顶隧道右洞部分山体经过注浆加固措施后，稳定性得到了一定的改善，但在后续开挖进尺中，部分段落还是出现了沉降异常现象。经分析，主要原因为：(1)浆液通过其他通道流失造成浪费；(2)岩层过于密实，使其无法被劈裂，影响浆液扩散效果；(3)炭质泥岩物理力学特性较差，注浆液无法显著改善其强度。

根据其古顶隧道出口段后期的地质补勘资料(图11)，隧道出口部分地段存在溶洞以及炭质泥岩、砂岩与灰岩的交界破碎带，部分浆液可能经由岩溶管道或者破碎带裂隙流失，造成注浆浆液浪费，降低了注浆效果，这与注浆施工过程中注浆压力表有异常回落等状况对应。

图11 后期补勘地质资料

在实际加固和开挖的过程中，可以发现部分区域炭质泥岩地层密实度较高，使得劈裂注浆施工难度增加。这与钻孔施工时频繁卡钻、钻孔较困难等情况对应，且某些注浆管超过设计压力，却无法注入设计量的浆液。

此外，由于其古顶隧道出口端围岩主要为全-强风化炭质泥岩，由岩粉、压碎的岩石碎屑、碎片等组成，呈薄片状，有大量密集的节理，围岩的粘聚力和内摩擦角很低。施工过程中经过注浆处理后，虽然围岩整体性得到了一定的改善，但炭质泥岩本身具有膨胀性，开挖后依旧易风化，风化后很快就分解为鳞片状或粉末状，遇水软化、崩解，影响了部分注浆加固的效果。

4 结语

(1)通过建立含裂隙的隧道-围岩地质开挖模型，分析了不同工况下的围岩位移情况。对比分析发现，通过对洞顶地表裂隙注浆，使开挖轮廓线外一定范围的围岩形成固结圈，在一定范围内有效控制了围岩的变形，减少了施工扰动。

(2)其古顶隧道洞口段施工时，出现了地表及洞顶沉降异常等问题。通过对地质条件较差的炭质泥岩进行注浆后，明显改善了土体基本物理指标，提高了剪切强度，减少了地表及隧道拱顶的沉降。数值模拟结果较好地验证了地表裂隙注浆的加固效果。

(3)分析了施工中部分断面出现的沉降异常现象，发现炭质泥岩地层中的注浆加固效果受到地质条件、岩层性质、地应力条件等因素的制约，有待进一步深入研究。