岩溶富水区注浆加固方案研究

李天保

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

1 引言

岩溶有多种多样的发育形态和复杂的影响因素，施工时往往因难以预测富水岩溶区域的岩溶位置和形态而常遇到一系列的问题。 如在岩溶区域修建隧道时常会出现突水突泥等事故，严重可能导致地表出现塌陷等［1］。 在岩溶区修建隧道时，如何在安全的基础上使隧道得以快速的穿越岩溶水体区是关键所在，而当前在岩溶隧道的施工安全控制方面，主要采用的是注浆堵水的方法［2］。 为进一步确保施工的安全，对岩溶富水区注浆加固进行研究非常必要。

2 工程概况

九万大山四号隧道（DK233+560～DK249+045），全长15485 米。 九万大山四号隧道隧区属中低山剥蚀溶蚀峰丛洼地地貌，地表岩溶洼地、落水洞、 漏斗、 溶洞发育，洼地平面形态呈现为多边形、 椭圆形或圆形、 长条形及不规则形等。现场调查隧区可溶岩大面积出露，岩性以灰岩、白云岩为主，地表溶沟、 溶槽发育，洼地分布较多，约40 个，并伴随有落水洞、 漏斗发育。 溶洞也较发育，经综合分析，隧道岩溶中等～强烈发育。 局部可能存在溶洞和小型地下岩溶管道，地下水蕴藏空间较大，水量较丰富。 隧道施工时遇涌水突泥的风险较大，雨季更大。

3 注浆加固临界富水高度的确定

当有岩溶水存在时，隧道的支护开挖施工会对隧道的变形和受力造成较大的影响，严重可能会导致安全事故的出现，因此需确定一个临界值，在大于该临时值之后即需采取注浆加固措施。 当前有较多关于判别围岩稳定性的方法［3-6］，综合考虑之下，本文以 《公路隧道设计规范》 经修正后的位移控制数值作为失稳判断标准，当围岩失去稳定性时的富水高度即为所需求解的临界值。

3.1 初期支护极限位移值

支护体系在各施工阶段应起到的某种功能在极限状态时的各部分位移即为极限位移，在隧道施工所导致的围岩变形中，隧道位移值是最为直观的表现。 在各个施工阶段中，隧道洞室施工到施作初期支护的整个施工阶段仅需较短的用时，不便于施工测量； 一般情况下，二次衬砌多被当成是安全储备，不具备测量的意义。 因此，在通过位移对隧道的稳定性进行判断时的核心是初期支护阶段的极限位移值。 在现有规范里有给出初期支护施工时的相对允许收敛数值，但其未体现出支护参数等因素对极限位移的影响。 徐东强教授［7-9］通过有限元分析软件FLAC3D 对不同参数条件下隧道各位置的极限相对位移进行模拟，基于尖点突变理论得出了洞周变形控制点的极限位移值。 其中，各控制点的具体位置如下图1 所示。

图1 隧道控制点分布示意图

本文所依托隧道使用的是复合式衬砌结构，有Ⅳ级和Ⅴ级两种类型的围岩，在具体模拟时以台阶法进行施工。 按照徐东强教授的理论，结合本项目特点，可以计算得到围岩等级不同时隧道各控制点的极限位移值，具体如下表1 所示。 限于篇幅，本文仅列出部分数据。

表1 不同围岩等级下各控制点的极限位移值

在具体进行分析时，各控制点的位移均会有所改变，以隧道到达极限位移值作为判断失稳的依据，此时相应的富水高度就是临界深度，隧道注浆加固的临界点为该临界埋深。

3.2 临界富水高度的确定

对隧道在岩溶水条件下的位移和埋深进行数值模拟分析，结合上表2 所得数据，可得出围岩级别不同时的临界富水高度，具体如下图2 和图3 所示。

图2 Ⅳ级围岩下极限位移和埋深的关系

图3 Ⅴ级围岩下极限位移和埋深的关系

从图中可以看出，隧道的极限位移和数值位移均和隧道埋深有线性联系，在所模拟的埋深范围内，不管是哪种围岩，初期支护的拱腰收敛值和拱脚数值模拟值均小于极限位移值，即拱腰和拱脚不会出现失稳的情况； 但对于Ⅳ级围岩而言，拱顶下沉数值位移在230m 遂道埋深后大于拱顶下沉极限位移，但在230m 前都较小。 因此，可以知道隧道在Ⅳ级围岩时的临界富水高度为230m 的埋深，该处即为需注浆加固的临界点；同理可以知道，Ⅴ级围岩的注浆加固临界点为240m。

4 富水区注浆加固数值分析

4.1 注浆加固数值模拟方案

基于上述研究成果，对不同围岩等级下施工超过临界富水高度时的拱顶位移进行模拟，所得结果如下表2 所示。

表2 拱顶位移对比分析表

续表

从所得结果可以知道，在230m 到280m 的范围内，Ⅳ级围岩有5%以下的位移相对差值；在240m 到280m 的范围内，Ⅴ级围岩有10%以下的位移相对差值； 虽然拱顶下沉数值比极限位移数值要大，但仅有超出幅度较小，在确保安全的基础上，根据经济性和适用性的原则，在模拟注浆加固措施时，决定对1m 加固厚度下的三种环向范围内的注浆加固圈进行模拟，三种环向范围分别是1/4、 1/2 和1。

4.2 位移场计算结果及分析

因拱腰和拱脚收敛均为水平位移且始终保持在极限位移内，因此在分析位移场时只对竖向位移进行考虑。 基于模拟结果，对拱顶下沉在各工况下的位移最大值进行统计，结合其极限位移数值，绘制下图4 和图5。

图4 Ⅳ级围岩拱顶下沉最大位移

图5 Ⅴ级围岩拱顶下沉最大位移

从结果上看，当围岩等级相同时，拱顶在越大的注浆加固圈环向范围内有越小的下沉位移数值，当注浆加固圈环向范围相同时，越大的围岩等级下有越大的拱顶下沉位移。 随着不断增加的隧道埋深，拱顶下沉值也不断增大，当埋深相同时各工况的拱顶下沉量的排序为：1/4＞1/2＞1，表明在一定的加固厚度下，越大的加固圈环向范围有越好的加固效果，隧道施工的安全性越高。

Ⅳ级围岩里，在230m 至280m 的范围内，三种工况下的拱顶下沉位移最大值均保持在极限位移以内； Ⅴ级围岩里，在230m 至270m 的范围内，三种工况下的拱顶下沉位移均在极限位移以内，但270m 至280m 的范围内，1/4 的加固工况无法符合要求，该种注浆条件下拱顶下沉位移已经在极限位移之上。

将拱顶下沉最大值和拱顶未加固时的下沉最大值相减可以发现，虽然注浆加固圈环向范围越大，拱顶下沉最大数值减小百分比也越大，但变化幅度基本相似，均小于3%，且减小的百分比均在9%左右； 从拱顶下沉最大值和极限值相比之下位移减小的百分比可以发现，减小的幅度均在5%以上，表明其具有一定的安全储备。 因此，综合经济性和安全性等因素进行考虑，在可以将拱顶下沉量控制在临界位移值之下时，应先采用1/4 环向注浆的方式。 即在Ⅳ级围岩的条件下，在230m 至280m 的区间范围内，应使用1m 注浆加固厚度、 1/4 环向加固范围的工况。

对隧道在不同埋深和不同加固范围下Ⅴ级围岩拱顶下沉最大值和拱顶在未加固条件下的下沉最大值进行比较，排除掉280m 埋深时1/4 加固范围的工况，从两者所减小的百分比可看出，各工况拱顶下沉的最大值减小百分比均在15%以下，有较为接近的变化幅度； 但出于对安全的考虑，将拱顶下沉最大值和极限值进行比较之后所减小的百分比上看，在240m 至260m 范围内均有3%以上的减小幅度，可以有效确保安全性；但在270m 的埋深下，虽然1/4 加固范围可以将拱顶下沉最大值保持在极限值以下，但只有约0.3%的减小幅度，缺乏一定的安全性，因此不宜使用，1/2 环向加固范围的工况有约1.8%的减小幅度，可以确保安全性得到满足； 在280m 埋深下，1/4 环向加固范围的工况所出现的拱顶下沉最大位移仍不满足要求，1/2 环向加固范围的工况虽然可以将拱顶下沉最大值控制在极限值以下，但减小幅度较小，缺乏一定的安全性，因此不宜使用，全部环向加固范围有约3.8%的减小幅度可以使安全性满足要求。

综合上述分析，在确保拱顶下沉最大值保持在极限值以下且安全性一定时，将围岩等级不同时，不同埋深下径向注浆加固最终方案确定如下表3 所示。

表3 注浆加固方案

在该隧道的局部淌水位置，施作初期支护后进行径向注浆试验，经48h 后，待注浆加固圈完全凝固且施作二次衬砌之前，开展现场取芯工作。 为确保取芯的完整程度，以90mm 作为钻孔直径，深度为80cm，在注浆口下方30cm 的位置取芯，所得结果如下图6 所示。

图6 注浆加固区完整芯样

从现场施工过程看，取芯过程较为顺利，未出现顶钻和卡钻等情况，从取芯结果看，注浆断面有较好效果，可以有效封堵渗漏点，有效改善地下水渗漏现象。 岩土体在注浆加固后更为完整，能够有效分担部分水压力。

5 结语

本文基于初期支护极限位移的修正值，以数值模拟的方法探讨了不同围岩级别和富水高度下模型的位移数值，得出Ⅳ级围岩的临界富水高度为230m 埋深，Ⅴ级围岩的临界富水高度为240m，该临界高度即为隧道注浆加固的临界点。

探讨了围岩等级不同的隧道在三种拱顶环向注浆加固方式下的位移场，主要结论有：随着不断加大的隧道埋深，三种注浆加固工况下隧道的拱顶沉降不断加大。 在将拱顶下沉最大位移控制在极限位移以下且具备一定安全性时，不同围岩等级下各隧道埋深的加固方案为：Ⅳ级围岩里，在230 至280m 的埋深下应使用1m 加固厚度、1/4 加固范围的方案； Ⅴ级围岩里，在240-260m的埋深下应使用1m 加固厚度、 1/4 加固范围的方案，在260 至270m 的埋深下应使用1m 加固厚度，1/2 加固范围的方案，在270-280m 的埋深下应使用1m 加固厚度、 全部环向注浆加固范围的方案。