隧道工程富水断层破碎带注浆加固机理及应用研究

2022-12-11张克阳

工程与建设 2022年5期

张克阳

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州 450001)

0 引言

在我国云贵川地区修建隧道工程，需要面临地质构造环境复杂、地层岩性多变以及突水涌泥、拱顶坍塌等诸多灾害的严峻考验。这是因为该区域内受到印度次大陆板块与欧亚板块的剧烈碰撞，诱发了大范围的区域构造运动，造就了区域内的地形起伏剧烈、沟谷纵横，岩土体内部也出现挤压、抬升、张裂等应力应变现象，使得岩土体在空间分布上具有明显的各向异性，形成的断层破碎往往控制区域的地质灾害特征[1-3]。在隧道工程开挖过程中，断层破碎带受到不恰当的施工扰动、地下水环境的压力、充填物质的软弱力学性质以及水土物质的运移，极易造成隧道突水涌泥、支护结构失效破坏，引发工程灾害事故。因此，研究注浆加固技术成为解决富水断层破碎带隧道施工问题的有效途径[4]。

1 工程背景

1.1 隧道概况

拟建的某山岭公路隧道工程位于四川省雅安市境内，隧道长度为7 033 m，里程为K104+525—K111+558，隧道工程是乐山通往金口河、汉源的交通咽喉，也是通往瀑布沟、乌斯河、顺河彝族乡的必经之路。该隧道属重要工程，工程安全等级为一级；场地地形地貌复杂，为一级场地；岩土种类较多，性质变化较大。

1.2 隧道场区工程地质背景

隧道地形地貌属于构造剥蚀低山地貌，受到构造和剥蚀作用，山地侵蚀切割造成坡地与山谷之间存在较大的相对高程，最大相对高差达178 m。相对于区域侵蚀基准面而言，山岭受到的自然剥蚀、河流切割作用更为剧烈，切割相对高程大于300 m。由于受构造及岩性控制山体被切割起伏的形态变化较大，隧址范围内以深切的沟谷陡崖区地貌为主，上覆地层主要为松散的第四系坡积层，分布范围较广，且厚度大小变化不一，基岩主要以石炭系岩石为主。

场区内出露的基岩，分布广泛。在隧道断面中下部，地层岩性主要为紫红色的泥质粉砂岩，由于粉砂岩的含泥量较高，尽管在取出后岩块具有一定的强度，取芯率可以达到70%～85%，岩体完整度等级为较完整，柱状的岩芯上肉眼可见分布的网状的节理裂隙，胶结程度较好，但遇水极易软化，受到阳光暴晒和空气中氧化后，形成碎裂的土块，手捏极易破碎岩体的基本质量等级判别为V类。在隧道断面上部分布的断层破碎带主要为泥岩，岩质极软，遇水软化后无自稳能力，极易诱发垮塌和突水涌泥。

场区内的构造以北北东-南南西的褶皱为主，其次有北西-南东向褶皱构造叠加。由于场区处于复式背斜的东翼近核部位置，场区断层破碎带发育，地下水丰富。场区断层破碎带统计见表1。

表1 场区断层破碎带统计

续表

2 水泥注浆在富水断层破碎带中的加固机理

水泥注浆在富水断层破碎带中的加固机理十分复杂，它是通过压力设备将水泥流体注入岩土体的裂隙和孔隙中，达到初始充填，并借助水泥流体的压力传导效应进行扩散，在岩土体中发生离子交换、挤密固结等一系列物理化学反应，水泥浆液在岩土体内部形成浆液网络结构，使得断层破碎带的力学强度性质、渗透性能得到改善，进而达到加固断层破碎带的目的[5]。

在注浆加固机理分析中，可以通过建立理想化的分析模型，通过数学分析手段进行水泥注浆的扩散及加固方程的求解[6]。在建立数学模型前，可以假设水泥浆液为宾汉体(Bingham)浆液，这种理想化的浆液考虑了水泥的固相颗粒，且具有非均匀的悬浮液特性。这种浆液流体在受到剪切应力作用后，其剪应力小于流体屈服剪切力时，流体发生线弹性变形；而当剪应力大于屈服剪应力后，流体将产生牛顿流体运动，黏度发生时变性。水泥浆液在注入岩土体后其扩散规律为径向劈裂扩散，认为其流动过程为层流，不发生边界滑移，且在岩土体内部形成的劈裂半径足够大，在注浆范围内的岩土体为均匀连续介质[7-8]。建立的注浆加固数学模型如图1所示。

图1 水泥注浆在富水断层破碎带中的加固模型

由流体力学可知，水泥浆液内部的剪切力和速度分布分别如公式(1)、公式(2)所示：

(1)

式中：τ为水泥浆液受到的剪应力；hp为水泥浆液的流动核心区半径；y为浆液扩散方向上的坐标；A为浆液在空隙内的断面面积。

(2)

式中：μ(t)为黏滞力；v为水泥浆液的扩散速度。

水泥浆液在岩土体内的扩散可以认为是圆柱体扩散，因此可以采用积分方法对单位时间内沿扩散方向上的注浆量进行求解，得到公式(3)如下：

式中：Fx为注浆压力。

变换公式(3)，得到：

(4)

在某个时间段内，注浆浆液的扩散距离与时间的关系如公式(5)所示：

(5)

联合以上方程，符合边界条件x=r0，p=p0可以得到：

式中：Δp为断层破碎带中的水泥浆用量；tg为注浆时间；R为水泥浆最大扩散半径；r0为注浆孔初始半径；ρ为密度；g为重力加速度；n和k为水泥浆的时变参数指标；α为断层破碎带的倾角；θ为注浆扩散角度。

公式(6)即为水泥注浆的扩散-加固控制方程，描述了水泥注浆的时间过程以及注浆参数，表达了水泥注浆量的时空演变过程。

3 注浆加固应用效果分析

在隧道掘进至里程K109+345(断层破碎带编号LX1的起点)段落时，在设计的支护措施基础上进一步采取了加固措施，具体的加固手段为隧道全断面采用密集钢架支护，钢架的每榀间距为600 mm，材质为I20b型钢；在隧道拱墙位置布置了φ8的钢筋网片，网片的网格大小为20 cm×20 cm，并增加混凝土喷射厚度，喷射厚度值为27 cm，采取的混凝土等级为C25，而在仰拱的位置保留原有的混凝土设计喷射厚度，喷射厚度值为25 cm，喷射混凝土等级为C25；在隧道拱顶位置，布设了Φ22组合中空锚杆，在隧道拱顶纵向方向上，按照每延米12根进行布置；在隧道边墙位置，同样地布设了Φ22砂浆锚杆，但布设的间距更为密集，在隧道边墙纵向方向上按照每延米10根进行布置。但是在上台阶拱架安装完毕后，施工超前小导管过程中，掌子面突然出现土块掉落现象，并且越来越严重，然后右侧拱脚处突然出现较大的流水，紧接着掌子面右侧出现涌泥现象，并且越来越大，在短短10 min内突水涌泥达8 m3之多，如图2所示。此时，在K109+353.9处上方出现2道宽约15 cm的环向裂缝，上台阶右侧及拱部出现纵向裂缝，接着K109+356—K109+345初期支护发生严重的变形，根据量测数据显示，最大变形量达36.80 cm。

图2 隧道突水涌泥状况

针对实际的地质条件，结合工程现状，K109+325—K109+345(断层破碎带编号LX1)段隧道掌子面采取注浆预加固软弱地层，加固范围长20 m、宽30 m(隧道中线两边各15 m)，钻孔长42 m，注浆加固范围为隧道拱部以上8 m，嵌入至隧道上断面泥岩以下4 m，注浆间距为0.7 m×0.7 m，梅花形布置；注浆加固采用P.O 42.5水泥配制浆液，其水灰比W/C=0.5，外加3%的CaCl2作为速凝剂。

如图3所示，对隧道拱顶的变形监测结果表明，在隧道开挖初始阶段(0～16 d)，拱顶的沉降相对较小，从1.80 mm至7.24 mm逐渐抬升，但抬升速度较慢，而在突水涌泥阶段(16～21 d)，隧道的拱顶位移急剧增加，从开挖第16 d的7.24 mm急剧增加到第21 d的36.8 mm，增加幅度为408%，这时候采取注浆措施后，拱顶的位移仍继续增加，但呈现收敛趋势，在逐渐完成后(25 d以后)，拱顶位移趋于稳定，沉降值约为65.50 mm。以上表明，采取的注浆措施能够有效地控制富水断层破碎带的隧道拱顶位移，起到了良好的加固作用。

图3 隧道拱顶沉降变化过程

图4 隧道注浆量实测值与计算值比较

按照公式(6)对富水断层破碎带的注浆量进行计算，并与实际监测值进行比较，如图4所示。从图4中可以看出，随着时间的变化，水泥注浆量呈现出先增加后趋于收敛的非线性变化，而监测值与计算理论值具有良好的一致性，注浆误差小于5%，表明根据公式(6)计算得到的注浆量具有较好的实用性。

对隧道里程范围K109+325—K109+345富水断层破碎带注浆前后的渗透系数进行监测，结果如图5、表2所示。从图5中可以看出，在注浆前，富水断层破碎带的渗透系数变化范围为(5.88～8.24)×10-4cm/s，而注浆后的富水断层破碎带的渗透系数得到大大降低，其变化范围为(0.15～0.68)×10-5cm/s。由此表明，采取的注浆加固措施对富水断层破碎带的渗透性具有明显的改善作用，填充了岩土体之间的孔隙，并形成有效的阻水骨架，大大降低了断层破碎带的渗透性。