破碎围岩隧洞稳定性分析与超前注浆加固参数确定

郭金龙

(辽宁葠窝水力发电有限责任公司，辽宁 辽阳 111000)

1 研究背景

柴河供水系统是某重点供水工程二期的重要组成部分，线路总长56.18 km，主要由铁岭市老城区供水工程和沈铁共用供水工程组成[1]。其中沈铁共用供水工程为有压自流输水方式，供水线路的起点为柴河水库库区小河贝村新建取水头部，终点为沈铁分水口，供水线路由有压隧洞和管线组成，线路长度9.05 km，其中隧洞长度为7.35 km，管线长度为1.69 km。该工程输水隧洞D1+203～D2+522洞段存在一条断层破碎带，碎石占比较大，碎石间隙为砂和黏性土填充。同时，由于该洞段处在河谷地带，地下水较发育，因此工程风险高。为了防止施工过程中的系列地质灾害，综合采用超前帷幕注浆、超前小导管和砂浆锚杆加固措施，采用三台阶带仰拱一次开挖工法，支护尽快封闭成环，以获得一定的安全系数冗余量，保证工程施工的顺利进行。

在地下洞室工程施工过程中，保证掘进面的安全性和稳定性十分重要，特别薄弱地质因素会对掘进施工造成相当程度的干扰和破坏，导致围岩出现较大变形甚至坍塌破坏，引发严重的施工安全事故[2]。因此，保证掘进面的稳定性是保证隧洞施工安全的关键所在[3]。背景工程由于线路长、地质构造条件复杂，同时施工工期要求较高。为了保证工程的安全高效施工，展开掘进面的稳定性的分析和超前加固研究就显得尤为必要，不仅对保证隧洞施工安全穿越断层破碎带具有重要意义，同时也可以为相关类似工程提供参考。基于此，此次研究以施工掘进面的稳定性系数为标准，分析围岩荷载、浆液凝固后的黏聚力以及注浆范围的掘进面安全性影响，获得合适的超前注浆参数。

2 计算模型与方法

2.1 模型的构建

FLAC3D是美国ITASCA公司推出的一款基于快速拉格朗日差分分析的岩土力学计算软件，被广泛应用于支护设计和评价、地下洞室施工设计、河谷演化分析和边坡稳定性分析等众多工程研究领域[4]。因此，此次研究利用该软件进行背景工程的计算模型构建。

为了方便模型研究分析，模型构建过程中将隧洞围岩视为各向同性均质连续介质；围岩岩体符合摩尔-库伦本构模型，满足弹塑性变形特征，地下水不会对岩石产生软化作用[5]；隧洞埋深用上覆岩体的自重模拟，不考虑构造应力的影响。

根据背景工程的初始设计资料，首先利用MIDAS GTS建立网格模型，然后导入FLAC3D模型形成模型主体[6]。为了减少计算过程中边界约束效应，模型的左右边界按照5倍洞径确定并取整，整个模型的尺寸为100 m×50 m×80 m，划分为122 780个网格单元，156 886个节点。

2.2 边界条件与模型参数

计算模型采用位移约束条件，对模型的下部边界施加竖向位移约束，左右边界施加水平位移约束，前后边界施加纵向位移约束，上部边界为自由边界条件不施加位移约束条件[7]。为了模拟隧洞深度，将等效于塌落拱高度的岩土体自重应力施加于模型的上部边界。计算模型采用静力模式，在破碎带的表面施加梯度静水压力，不考虑渗流影响[8]。本文分析的重点是断层破碎带，因此根据相关施工规范和工程经验确定正常围岩物理力学参数，断层破碎带围岩物理力学参数则通过现场取样试验获取，具体见表1。

表1 模型材料物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 黏聚力影响分析

研究中结合计算断面的实际情况，确定上部荷载为32 MPa不变，对3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa和7 MPa等5种不同浆液凝固后黏聚力条件下的掘进工作面的稳定性进行计算，结果如表2所示。由计算结果可以看出，在注浆范围相同的情况下，隧洞掘进面的安全系数随着浆液凝固化黏聚力的增大而增大。也就是说，提高注浆后浆液结石体的黏聚力，可以有效提升掘进面的安全系数。另一方面，在注浆浆液凝固后黏聚力相同的情况下，隧洞掘进面的安全系数随着注浆范围的增加而增大，且呈现出比较显著的线性相关关系。具体来看，要达到工程设计的1.15的安全系数值，浆液凝固后的黏聚力越大，需要注浆范围就越小。从具体的计算结果来看，当浆液凝固后黏聚力为3 MPa时，注浆范围需要达到440 cm；当浆液凝固后黏聚力为4 MPa时，注浆范围需要达到425 cm；当浆液凝固后黏聚力为5 MPa时，注浆范围需要达到420 cm；当浆液凝固后黏聚力为6 MPa时，注浆范围需要达到415 cm；当浆液凝固后黏聚力为7 MPa时，注浆范围需要达到410 cm。

表2 不同浆液凝固后黏聚力的安全系数计算结果

3.2 围岩荷载影响分析

研究中保持浆液凝固后黏聚力为4 MPa不变，对15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa和35 MPa等不同围岩荷载条件下的隧洞掘进面安全系数进行模拟计算，结果如表3所示。从计算结果可以看出，在注浆距离相同的情况下，围岩荷载越大，隧洞掘进面的安全系数就越小。由此可见，隧洞的埋深越大越不利于提高掘进面的安全系数，需要采取更有效的加固工程措施。在围岩荷载不变的情况下，掘进面的安全系数随着注浆范围的增加而增大。具体来看，在满足安全系数1.15的工程设计要求情况下，围岩荷载为15 MPa时，注浆范围需要达到400 cm；围岩荷载为20 MPa时，注浆范围需要达到405 cm；围岩荷载为25 MPa时，注浆范围需要达到410 cm；围岩荷载为30 MPa时，注浆范围需要达到415 cm；围岩荷载为35 MPa时，注浆范围需要达到420 cm。

表3 不同围岩荷载的安全系数计算结果

4 注浆参数的选取

通过上述研究，同时结合背景工程的实际情况，对注浆参数进行如下设计：

根据相关施工规范和工程经验，水灰比为1.0、0.8和0.6的水泥浆液在凝固后的黏聚力值分别为3.6 MPa、4.5 MPa和7.5 MPa。根据上述研究成果，选择水灰比为1.0的水泥浆液注浆时，其注浆范围至少需要达到440 cm；选择水灰比为0.8的水泥浆液注浆时，其注浆范围至少需要达到425 cm；选择水灰比为0.6的水泥浆液注浆时，其注浆范围至少需要达到410 cm。

查阅研究洞段断层破碎带的渗透率值并进行注浆浆液的渗透率计算，结果显示注浆浆液的水灰比为1.0时方可满足注浆渗透系数的要求，因此在注浆施工过程中选择1.0的水灰比进行注浆。

考虑到注浆压力的影响，研究中对不同注浆压力下水灰比为1.0的水泥浆液的注浆范围进行试验，结果如表4所示。从试验结果可以看出，在注浆压力分别为0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa和2.0 MPa的条件下，分别需要600 s，450 s，450 s和300 s即可达到440 cm的注浆范围要求。由此可见，由于围岩比较破碎，较低的注浆压力也可以达到较好的注浆效果，满足注浆半径的要求。当然，增加注浆压力可以增加注浆半径或减小注浆时间，但是注浆压力的增加也会导致不可逆损失风险的加大。基于此，在工程施工中推荐采用水灰比为1.0的水泥浆，注浆压力为0.5 MPa，注浆时间不低于600 s。

表4 注浆范围试验结果

5 结 语

超前注浆可以有效提高输水隧洞围岩的整体性和承载力，对保证施工安全具有重要意义，是穿越断层破碎带输水隧洞施工中的重要工程措施。当然，超前注浆施工的工程效果与工程地质和注浆参数有密切关系。因此，此次研究深入分析了围岩荷载、浆液固结后黏聚力和注浆范围对施工安全性的影响，并以此为基础确定具体的注浆施工参数，对背景工程施工设计和相关类似研究具有一定的支持和借鉴意义。当然，此次研究没有考虑地下水的影响，在今后的研究中需要在该方面进行进一步的研究和探索，以便为相关研究和工程建设提供更有力的支持和借鉴。