充填注浆参数对输水隧洞衬砌空洞加固效果的影响研究

张立群

(朝阳县凌河保护区管理局，辽宁 朝阳 122629)

1 工程概况

1.1 模型的构建

随着计算机技术的迅速发展，有限元计算也不断完善，并成为复杂超静定结构研究的重要工具。此次研究为了真实反映输水隧洞衬砌背后孔洞不同填充方案下的结构力学行为和变化特征，利用Midas GTS NX软件对隧道结构进行模拟[4]。

模型以白石水库输水工程输水隧洞2+233～2+275洞段为背景进行几何模型的构建。该段输水隧洞埋深39～43 m，在模型构建中取埋深40 m，隧洞的断面为马蹄型，开挖断面宽4.4 m，高4.8 m；初支采用锚喷结构，喷射混凝土厚度为20 cm，标号为C30；二衬结构为厚度40 cm的C40混凝土。研究中结合相关理论和工程经验，以开挖洞径的5倍确定两侧和下部边界[1-4]，上部至地表，沿隧洞方向取20 m，因此整个模型的几何尺寸为50 m×60 m×20 m。模型以隧洞中心线指向下游的方向为X轴正方向，以垂直于X轴指向右侧的方向为Y轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向。模型采用摩尔-库伦准则进行计算[5]，整个模型划分为10 225个单元，12 248个节点。

1.2 边界条件和模型参数

结合相关理论和工程实际，对模型采用位移边界条件[6]。具体来看，模型的底部施加水平和竖向位移约束；对模型的四周施加水平位移约束，模型的上部为自由边界条件，不施加位移约束。鉴于研究中依托工程的地下水埋深较大且围岩完整性相对较好，因此在模型计算过程中不考虑地下水的影响[7]。

模型材料的物理力学参数是模型计算结果准确性的主要影响因素之一，因此研究中以相关施工规范为基础，同时结合依托工程的地质勘查资料，确定模型材料物理力学参数如表1。

表1 模型材料物理力学参数

1.3 计算方案与方法

此次研究的工程背景是回填注浆的方式处理隧洞衬砌背后的空洞缺陷，回填注浆材料为水泥砂浆[8]。因此，研究中将充填砂浆的强度等级作为研究变量，设计M10、M15、M20、M25、M30等5种不同的水泥砂浆强度等级，各等级砂浆的弹性模量不同。显然，高等级砂浆具有较高的固结体强度，但是工程成本相对较高。探究砂浆等级对加固效果的影响具有其工程经济意义。此外，填充率也是影响加固效果的重要因素，因此设置0%、20%、40%、60%、80%和100%等6种不同的充填率进行模拟计算。其中0%填充率方案可以视为空洞无填充的原始情况。

在模拟计算过程中根据不同填充率对模型进行调整，在构建的有限元模型中以命令流的方式输入不同砂浆等级的模型参数和边界条件，以围岩的应力、位移为因变量进行模拟计算，并对模拟结果进行分析和评价。

2 试验结果与分析

2.1 砂浆等级

研究中在填充率60%的情况下，对不同砂浆等级方案进行应力、位移和剪应变特征模拟计算，结果如表2所示。为了直观呈现其变化特征，绘制出最大主应力，最大位移量和最大剪应变的变化曲线，分别如图1所示。从计算结果可以看出，随着砂浆等级的提高，输水隧洞衬砌结构的最大主应力呈现出不断增大的变化特点，且增速稍有加快。最大位移量和最大剪应变与之相反，呈现出不断减小的变化特点，而减小的速率稍有加快。由此可见，提高填充砂浆强度等级可以提升衬砌结构的最大主应力值，同时有助于控制位移和剪应变，这对于提高加固工程质量有利。究其原因，主要是较高等级砂浆的固结体强度较高，与围岩材料的性质更为接近，因此可以提升围岩和衬砌结构的整体性，有助于提高衬砌结构的承载力和位移应变控制。另一方面，从计算结果可以看出，砂浆等级对应力、位移和剪应变的影响相对较小。具体来看，砂浆等级从E1提高到E5时，最大主应力增大0.50%；最大位移减小0.52%；最大剪应变减小0.52%，减小幅度仅为0.50%左右。由此可见，砂浆等级虽然对空洞加固工程效果存在影响，但是影响极为有限。因此，在工程应用中应该综合考虑其他影响因素选择合适的砂浆强度等级。

(a)最大主应力

(b)最大位移量

(c)最大剪应变图1 各参数随砂浆等级变化曲线

表2 不同砂浆等级方案计算结果

2.2 填充率

研究中保持砂浆等级为E1，对不同填充率方案进行模拟计算，从计算结果中提取出最大主应力、最大位移量和最大剪应变，结果如表3所示。根据计算结果绘制出最大主应力、最大位移量和最大剪应变随填充率的变化曲线，分别如图2所示。从计算结果可以看出，随着填充率的增大，隧洞衬砌的最大主应力呈现出不断增大的变化特点，最大位移量和最大剪应变则呈现出不断减小的变化特点。由此可见，提高衬砌背后空洞的填充率可以有效提升衬砌结构的最大主应力，减小位移量和剪应变，对提高填充工程效果有利。具体来看，当填充率小于60%时，最大主应力、最大位移量和最大剪应变的变化量较小；当填充率由60%增加到80%时，最大主应力、最大位移量和最大剪应变的变化量较大，当填充率>80%时最大主应力、最大位移量和最大剪应变的变化量也相对较小。以最大主应力为例，当填充率由0%增加到60%时，最大主应力仅增加了1.59%；填充率由60%增加到80%时，最大主应力增加了16.85%。当由此可见，当填充率≤60%时几乎没有填充加固效果；当填充率在80%以上时可以取得良好的填充效果。

(a)最大主应力

(b)最大位移量

(c)最大剪应变图2 各参数随填充率变化曲线

3 结 语

针对输水隧洞衬砌背后的空洞缺陷，目前一般采用水泥砂浆填充加固。此次研究以具体工程为依托，利用数值模拟的方式探讨了砂浆强度等级和填充率对填充加固工程效果的影响。从计算结果来看，砂浆强度对填充加固工程效果的影响极为有限。因此，在工程应用中需要结合其他方面的因素，确定最合适的砂浆强度等级。另一方面，填充率小于60%时对填充工程效果的影响不大，填充率大于60%时的影响较大。因此，要保证填充工程效果，填充率必须要达到80%以上。当然，由于填充作业存在不可视的特点，如何保证填充率是一个值得研究和探讨的工程技术问题，在今后的研究中需要在这方面进行深入的理论和实践探索，以便为工程施工提供技术支持。