穿越断层带隧道注浆加固的数值模拟研究

摘要：文章依托银岭隧道实际工程，利用FLAC3D软件进行建模与计算，研究注浆圈的渗透系数和厚度对隧道围岩孔隙水压力分布和变形稳定性的影响。结果显示：随着注浆加固圈的渗透系数比或厚度增大，注浆圈外侧的孔隙水压力上升，初期支护外侧的孔隙水压力降低，围岩位移逐渐减小；当注浆加固圈的渗透系数比＞50或厚度＞5 m时，其止水效果和对围岩变形的限制能力不再显著提升。根据现场实际情况和数值模拟计算分析结果，对银铃隧道设计了专项注浆方案，给出了设计参数，明确了涌水、渗水状态下的施工注意事项。本研究对同类隧道工程在遇到涌水面的注浆设计和施工具有一定的指导意义。

关键词：穿越断层带的隧道；注浆圈；孔隙水压力；围岩变形；数值计算；FLAC3D软件

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0 引言

随着我国经济的快速发展，在交通强国战略的大背景下，公路和铁路建设逐渐增多，为保证选线方案能够取得最优的效果，在路线遇到山区时多会将隧道作为首选方案。然而，我国各地地质地貌情况千差万别，丰水区隧道工程往往存在较大的隧道涌水风险。隧道涌水会造成地下水位下降，同时也会破坏地表绿化环境，甚至造成人员伤亡［1］。

对于隧道涌水的研究大多集中在岩溶隧道方面，而对于断层控制的隧道涌水研究相对较少。张付军等［2］基于武九高楼山公路隧道工程，利用FLAC3D软件，分析了隧道埋深、围岩级别、侧压力系数、地下水位高度、断层宽度、断层与隧道间距、断层倾角等因素对围岩的稳定性以及涌水量的影响。任晓雨等［3］基于登楼山隧道工程，论述了隧道涌水的形成条件。阮志刚等［4］基于隧道和断层的空间等效关系，推导出断层影响下双洞隧道的涌水量预测公式，对比某双洞隧道实际工程的实测水量。苏培东等［5］基于红豆山隧道工程，分析了其穿越花岗岩蚀变带区段的涌水成因机理，利用模糊数学的方法对红豆山隧道涌水量进行了预测。李辰舟等［6］基于某水电站进厂交通洞工程，利用该工程发生涌水后的实测数据分析涌水成因，建立模型并利用伯努利方程估算最大涌水量。袁青等［7］利用人工神经网络，考虑了影响断层带涌水的主要风险因子，构建了风险评估指标体系。崔景川等［8］基于高寒山区的赛里木湖隧道工程，针对其穿越断层破碎带的情况，提出超前地质预报+超前支护的综合处治方案，以提高围岩强度。

鉴于此，本文依托银岭隧道实际工程，通过FLAC3D软件进行建模与计算，研究注浆圈的渗透系数和厚度对隧道围岩孔隙水压力分布和变形稳定性的影响，为类似工程条件的隧道工程施工和后续的研究作出贡献。

1 工程背景与数值建模

1.1 工程概况

银岭隧道位于南宁市西乡塘区三联村东南，路线横穿山脊，设计为分离式隧道。左洞起讫桩号为ZK160+845～ZK162+358，全长1 513 m，为长隧道，起点设计高程为121.44 m，终点设计高程为130.95 m，隧道底板最大埋深为87 m；右洞起桩号为YK160+867～YK162+336，全长1 469 m，为长隧道，起点设计高程为121.38 m，终点设计高程为130.62 m，隧道底板最大埋深为98 m；两洞中轴线最大间距约为53 m。该隧道围岩主要以Ⅳ级、Ⅴ级为主，Ⅳ级占58.1%，Ⅴ级占41.9%。隧址区内土体受褶皱、节理构造等影响严重，使得岩体结构相对较破碎，且富水性强，隧道预测涌水量左线约为1 560.3 m/d，右线约为1 665 m/d，对施工安全、质量和进度都造成非常大的影响。为了保障工程能够顺利施工，解决该隧道在开挖初期遇到的涌水问题，拟采用注浆的方法对其进行加固。银岭隧道断面图如图1所示，左右洞均采用进出口双向掘进的方法施工。

1.2 数值模型的建立

本文通过有限元模拟软件FLAC3D建立模型，模型尺寸根据银铃隧道实际断面尺寸建立。隧道开挖断面高度为12 m，跨度为14 m，初期支护的厚度为0.35 m，二衬的厚度为0.55 m，隧道截面位于xOz平面上。隧道沿y轴方向开挖，隧道埋深取为100 m，拱顶距模型的上边界距离为45 m。为降低边界效应问题，尽量取较大的计算模型，为100 m×100 m×60 m。数值模拟过程中采用三台阶临时仰拱法对隧道进行开挖，建立数值模型如图2所示。

对模型的边界的法向位移进行约束，设置初始重力场，竖直方向上按岩土自重考虑，模型上方施加竖向荷载，以便于模拟围岩自重荷载。掌子面设为透水边界并固定孔隙水压力为0 MPa，模型四周及底面设为透水边界且孔压恒定。

1.3 本构模型与计算参数

岩土体的本构关系采用摩尔-库伦模型，其中可通过提高部分围岩的强度参数对注浆加固圈进行模拟，支护结构的本构模型釆用线弹性模型［9］。其余的物理力学参数指标选取的计算参数如表1所示。

1.4 流固耦合计算模式

本文中的渗流计算需要利用FLAC3D软件的流固耦合模块，其计算模式分为完全流固耦合计算和渗流场、力学场单独计算两种模式。本文采用完全流固耦合计算的模式进行计算。假定施工速度为匀速，设置开挖速率为2 m/d，施工模拟流程如图3所示。

2 注浆圈参数对围岩稳定性的影响

本文依托的工程在开挖前采用了注浆的方式对部分围岩进行了加固，使得围岩的力学性质得到一定程度的提高。同时，在隧道周边的一定范围内形成了低渗透系数区，以防止隧道涌水。注浆加固圈的参数在很大程度上影响隧道周边渗流场的分布和隧道围岩的稳定性。因此，本节取初始地下水水位位于拱顶上方75 m处，讨论注浆圈的渗透系数和厚度对隧道围岩的孔隙水压力和变形稳定性的影响。

2.1 注浆圈渗透系数

为研究不同注浆圈渗透系数下隧道围岩的孔隙水压力和围岩变形情况，本节设置了不同的9种计算工况，如表2所示。其中，渗透系数比n为注浆前与注浆后的围岩渗透系数之间的比值，用来描述止水效果，n越大，止水效果越好。

根据数值计算结果，得到不同注浆圈渗透系数比情况下隧道监测断面处下台阶挤出变形曲线，如图4所示，并对隧道监测断面围岩变形进行了统计，如表3所示。

如图4所示，渗透系数比的增大代表注浆加固后隧道的强度增强，地下水无法渗透形成通道。因此，掌子面位置的围岩受到的地下水的渗透力逐渐减小，掌子面位置的围岩位移值及变形范围均逐渐减小。当渗透系数比n分别为1、5、20、100时，对应的下台阶变形趋于稳定的位置与掌子面的距离分别为11.8 m、10.4 m、9.2 m、8.2 m。

如表3所示，不同渗透系数比n情况下，隧道围岩的变形规律基本一致。随着渗透系数比n的逐渐增大，止水效果逐渐提升，围岩累计变形逐渐减小。尤其对拱底隆起变形的控制效果很好。当渗透系数比n为100时，拱底隆起变形相较于n为1时减小42%，掌子面的挤出变形减小了68%，而对于拱顶的沉降形仅减小了13%。同时与孔隙水压力的规律类似，渗透系数比n存在一个临界值，当渗透系数比ngt;50后，继续增大渗透系数比n，围岩变形减小的变化幅度会显著减小，说明隧道注浆压力控制在0.5 MPa左右比较合适。

2.2 注浆圈厚度

为研究不同注浆圈厚度下隧道围岩的孔隙水压力和围岩变形的情况，本节设置了不同的5种计算工况如表4所示。

2.2.1 孔隙水压力分布

通过有限元软件计算得到不同注浆圈厚度情况下隧道各监测点的孔隙水压力，绘制成曲线，如图5所示。

如图5所示，注浆加固圈在很大程度上分担了初期支护外侧的孔隙水压力，且随着注浆加固圈厚度的逐渐增大，注浆加固圈承担的孔隙水压力越大，作用在初期支护外侧的孔隙水压力值越小，即在注浆加固圈的渗透系数比n一定的情况下，可通过增加注浆加固圈的厚度，进一步提升注浆加固圈抵抗地下水水压力的能力，有效降低初期支护所承担的水压力荷载。当注浆加固圈厚度分别为3 m、5 m、7 m、9 m时，初期支护外侧的孔隙水压力值相较于注浆加固圈厚度为1 m的情况分别减小了47%、61%、69%、73%。同时可知，注浆对降低初期支护外侧的孔隙水压力的效果会随着浆液厚度的逐渐增大先明显增强，即注浆加固圈厚度存在一个临界值，当注浆加固圈厚度gt;5 m后，继续增大浆液加固圈厚度，则支护外侧的孔隙水压力增大幅度会显著减小。

2.2.2 围岩位移场分布

不同注浆圈厚度的下台阶挤出变形曲线如下页图6所示，并对隧道监测断面围岩变形进行了统计，如下页表5所示。

如图6和表5所示，当注浆圈厚度为1 m时，仅有小范围内的围岩力学性质得到加强，注浆加固圈抵抗地下水水压力的能力有限，依然有较大的孔隙水压力作用在初期支护外侧，围岩的变形值较大。随着浆液圈厚度逐渐增大，围岩的力学参数得到了提高，注浆加固的效果逐渐增强，当注浆圈厚度gt;5 m时，继续增大注浆加固圈厚度，围岩变形减小的变化幅度会显著降低。

3 注浆方案设计

根据数值分析结果，对银铃隧道进行注浆方案设计。开挖进尺为50 cm，架立Ⅰ25a工字钢，架设25纵向连接筋，环向间距为100 cm，L=70 cm，安装8钢筋网片，搭接长度为1～2个网格。中空注浆锚杆选用25，纵向间距L=75 cm，环向L=100 cm，在拱脚、拱腰处打设2根50×4锁脚锚管。中空注浆锚杆布置如图7所示。

采用外径为50 mm，壁厚为4.0 mm，长500 cm的热扎无缝钢花管设置在隧道洞内，无长管棚支护的Ⅴ级围岩。超前小导管选用50×4型号，L=450 cm，小导管环向设置间距为40 cm，纵向排距为350 cm，外插角第一排为30°，第二排为7°，管身设置8 mm注浆孔，尾端焊接16 mm钢筋加箍筋并置于钢架之上，具体布置如图8、图9所示。超前小导管注浆采用水泥浆液，水泥浆水灰比为1∶1，注浆压力为0.5～1.0 MPa，采用P·O 42.5水泥，注浆参数可通过现场试验适当调整。

当遇到涌水或有渗水的岩体结构，应根据现场实际情况对其进行喷射处理。如果遇到大股涌水，宜采用注浆堵水后，并观察24 h不再漏水后再补喷射混凝土。对于处理岩面裂隙处存在的小股渗水问题，宜采用岩面注浆或导管引排后再喷射混凝土。严格控制涌水后的注浆时机，先进行钻孔卸压施作，对涌水处钻孔分流，然后进行掌子面注浆，待水量减少或消退、水压降低后再进行注浆处理。

4 结语

本文通过FLAC3D软件进行数值模拟，研究注浆圈的渗透系数和厚度对隧道围岩孔隙水压力分布和变形稳定性的影响，从而确定最优的注浆加固圈的参数，得到如下结论：

（1）注浆加固圈可以起到很好的止水效果，随着注浆加固圈的渗透系数比或厚度增大，注浆圈外侧的孔隙水压力上升，初期支护外侧的孔隙水压力降低。当注浆加固圈的渗透系数比gt;50或厚度gt;5 m时，其止水效果不再显著提升，即注浆最优压力在0.5 MPa左右。

（2）围岩位移随注浆圈渗透系数比或注浆圈厚度增大而减小，当注浆加固圈的渗透系数比gt;50或厚度gt;5 m时，

围岩的位移变化幅度明显变小。综合多因素考虑，最优的注浆圈渗透系数比取值为50，最优的注浆圈厚度取值为5 m。

（3）根据现场实际情况和数值模拟计算分析结果，对银铃隧道设计了专项注浆方案，提供了设计参数，明确了涌水、渗水状态下的施工注意事项，为银铃隧道工程的安全施工和保障提供了有力支持。

参考文献：

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