注浆压力作用下隧道围岩变形规律与安全控制

惠　冰， 张　立， 张庆松， 江　海， 张文俊, 柴　霞

(1. 山东正元建设工程有限责任公司， 山东 济南　250101； 2. 山东城市建设职业学院，

山东 济南　250014； 3. 山东大学岩土与结构工程研究中心， 山东 济南　250061)



注浆压力作用下隧道围岩变形规律与安全控制

惠冰1， 张立2， 张庆松3， 江海1， 张文俊1, 柴霞1

(1. 山东正元建设工程有限责任公司， 山东 济南250101； 2. 山东城市建设职业学院，

山东 济南250014； 3. 山东大学岩土与结构工程研究中心， 山东 济南250061)

摘要：注浆是隧道围岩加固与涌水封堵的主要技术手段，当围岩较为破碎且自稳能力较差时，注浆过程中若采取了不合适的注浆压力，极易造成围岩大变形甚至塌方等次生灾害。基于渗流-应力耦合理论，选取典型隧道开挖断面，建立注浆作用下渗流场与应力场数学模型，运用COMSOL多物理场耦合软件分析注浆过程中注浆压力作用下隧道围岩的变形规律。结果表明，围岩等级为Ⅴ时，注浆过程中注浆压力不断向隧道周围地层中扩散与传递，渗流场、应力场分布随注浆孔深度增加呈现衰减趋势； 随着注浆压力的提高，应力发生急剧变化，并不断地向围岩深部转移； 注浆初期，围岩变形速率急剧上升，注浆后期围岩变形速率下降，且变形量趋于稳定。依托具体工程实例，提出了合理选择注浆压力的控制技术，保证了围岩的稳定和安全。

关键词：隧道； 注浆压力； 围岩变形； 渗流-应力耦合； 安全控制

0引言

近年来，随着我国交通工程建设规模的不断发展，大量深埋长大隧道(洞)正在建设、修建，由于地质条件的复杂性，施工过程中突涌水、塌方等地质灾害时有发生，地下水灾害成为影响隧道安全建设与运营的关键问题。隧道建设过程中的突涌水问题成为急需解决的热点问题，然而注浆是隧道围岩加固与涌水封堵的主要技术手段，当围岩破碎严重，且自稳能力较差时，注浆过程中注浆压力的选择至关重要，如果选取不合适的注浆压力，极易造成围岩大变形甚至塌方等次生灾害[1-4]。

高延法等[5]根据注浆减沉实验成果，分析了注浆减沉过程中注浆压力的变化规律。孙闯等[6]采用FLAC软件对上海某越江隧道施工过程进行了数值模拟，分析了注浆压力对管片上浮的影响。谢自韬等[7]采用FLAC程序对盾构区间隧道施工在不同注浆压力条件下引起的地表沉降及围岩变形进行了数值模拟研究。李方楠等[8]针对影响地层沉降变形与顶管施工的几个关键因素，提出了考虑注浆压力时顶管施工引起的地层移动的计算方法。国内外相关学者[9-13]采用有限元、离散元等方法对地下工程的稳定性进行分析，并做了相关研究工作。然而对于注浆过程中注浆压力对隧道围岩变形的影响研究甚少。

基于此，本文基于渗流-应力耦合理论和数值分析相结合的方法开展研究，选取典型隧道开挖断面，建立了注浆过程中渗流-应力耦合数学模型，运用COMSOL多物理场耦合软件分析注浆过程中注浆压力作用下隧道围岩的变形规律。

1注浆作用下隧道围岩变形影响因素

在围岩等级一定条件下，注浆压力、浆液自重、地应力和地下水压力等多种荷载共同作用于隧道围岩上，其中仅考虑注浆作用时，影响围岩变形的主要因素有浆液自重、注浆压力、孔口管长度和注浆孔布置等。

1.1浆液自重

浆液是原材料用水或其他溶剂混合后所配制的液体，是注浆时所用的材料。浆液作为一种体积力，作用于地层中，导致围岩应力发生再次重新分布，浆液自重是围岩发生变形的重要诱因之一。

1.2注浆压力

注浆注浆压力是为克服浆液流动阻力并使浆液扩散一定范围所需的压力。注浆压力既是浆液扩散运动的动力，同时也是围岩附加荷载。注浆压力过低会减小浆液扩散范围，无法满足实际工程需求；注浆压力过高容易导致软弱围岩变形量过大，诱发次生灾害。作为围岩变形的关键影响因素，合理选择注浆压力，是保证围岩稳定和安全的重要措施。

1.3孔口管长度

孔口管是连接注浆管路、阻隔注浆压力对浅层围岩作用的重要装置。其长度对注浆压力的传递与浆液的渗透路径有显著影响，孔口管能减小注浆压力对周边围岩的破坏，在注浆孔附近形成稳固安全的承压荷载体，确保注浆压力向深部岩层的传递。

1.4注浆孔布置

根据特定地层条件及浆液扩散半径合理设计注浆孔位置，需要确定注浆孔数量、布置、间距以及每个钻孔的倾角和方位角等参数。由于不同的地层及含水构造等因素具有不确定性，即注浆孔的布置不同，依据注浆孔的布置进行注浆，对周边围岩稳定性影响各异。

2注浆过程渗流-应力耦合数学模型

2.1基本假设

1)地下水渗流为单相流，且具有不可压缩性。

2)不考虑温度对岩体物性的影响。

3)固体为各向同性介质。

4)浆液为各向同性不可压缩流体。

2.2注浆过程中渗流场方程

考虑到渗流-应力耦合效应，渗流过程中骨架颗粒也会存在一定的运动速度，因此将流体质点速度分解为流体运动的绝对速度vf和骨架颗粒运动的绝对速vs，根据定义可得

vs=∂u/∂t。

(1)

对于传统的流体运动的绝对速度，只考虑地下水中的孔隙水压力及重力作用下的达西渗流速度，然而注浆过程中浆液自重和注浆压力不可忽视，可得以下公式：

(2)

式中： φ为孔隙率； k为渗透率，m2； μ为流体动力黏度，Pa·s； pw为注浆压力，Pa； pg为孔隙水压力，Pa； ρw为流体密度，kg/m3； ρg为浆液密度，kg/m3； h为水头高度，m。

根据质量守恒即可得到在注浆过程中渗流-应力耦合下渗流场方程

(3)

式中： Ks为固体骨架体积压缩模量； Kf为水泥浆液的体积压缩模量； p为注浆压力和孔隙水压力之和。

2.3注浆过程中应力场方程

基于多孔介质的有效应力原理，建立以位移和孔隙水压力为因变量的基本方程，来描述注浆过程中应力场对渗流场的影响。Terzaghi 有效应力可表示为

σij′=σij-φpδij。

(4)

式中： σij′为Terzaghi有效应力； σij为总应力； φ为多孔介质的孔隙率； p为注浆压力; δij为Kroneckey符号，有δij=1(i=j),δij=0(i≠j)。

根据有效应力原理与应力平衡条件，即可得到注浆过程中固体骨架的应力场方程

(5)

k=k0+f(σ1-σ3)。

(6)

(7)

式中： εv=εx+εy+εz+εg，其中εg为注浆压力引起的围岩体积应变增量。

2.4边界条件及初始条件

水头边界上所有点水头压力h给定: h=f1(x,y,z)或h=f2(x,y,z,t)，其中f1， f2为已知函数。

1)位移边界条件。常用的位移边界条件有底边固定、顶边自由、两侧竖直边横向位移为零和竖向自由。

2)渗流场初始条件。h(x,y,z,0)=fh(x,y,z)，式中fh为已知函数。岩体应力场初始条件，初始时刻位移为零，应力场为实际岩体的应力情况。

2.5岩体破坏准则

采用Hoek-Brown经验强度准则评判注浆过程中围岩变形及破坏情况。Hoek-Brown 强度准则，也称为狭义Hoek-Brown强度准则。其表达式为

(8)

式中： σ1、σ3分别为岩体破坏时的最大、最小主应力，MPa； σc为岩体单轴抗压强度，MPa； m、s均为经验参数。

3注浆压力作用下隧道围岩变形规律与控制技术

3.1计算模型及物理力学参数

针对围岩破碎自稳能力较差的岩体注浆，围岩等级设置为Ⅴ，选取典型隧道开挖断面，运用COMSOL数值模拟注浆压力对隧道围岩变形的影响，建立二维水文地质模型，进行渗流-应力耦合分析。

由于地下洞室开挖后的应力和应变影响区域为距洞室中心3～5倍开挖宽度的范围内[14]。选取隧道开挖尺寸15 m×12 m，埋深32.0 m，断面面积145.31 m2。

向下取至洞跨的3倍，横向取洞跨的3倍。整个模型尺寸100 m×80 m。计算模型运行前进行初始地应力位移清零工作，不考虑地应力对隧道围岩变形的影响。

注浆注浆材料为42.5R硅酸盐水泥，水灰比为0.8～1.0。 根据工程实践钻孔布置在隧道的右壁上，其中倾角42°，孔深30 m；孔口管长度2 m(见图1)。注浆压力作为外荷载作用在钻孔位置，分别设置为4、6、8 MPa。孔口管因起到阻隔注浆压力作用，不设置外荷载。不考虑注浆对隧道围岩体的加固作用。围岩物理力学参数见表1。

边界条件： 模型上部设置为自由边界，模型下部设置为固定约束，模型的两端设置为辊支承，其中隧道开挖面周边设置为自由边界。

图1　注浆孔布置图

表1　物理力学参数

3.2监测点布置

为研究注浆作用下隧道围岩变形规律，在硐室周边设置4个点进行围岩变形量监测，如图2所示。监测点1、2、3、4分别监测顶板、左侧、右侧、底板。

3.3注浆压力作用下隧道围岩变形规律

围岩等级为Ⅴ时，围岩自稳能力很差，岩体破碎严重，注浆过程中注浆压力极易引起隧道围岩大变形及次生灾害。分析模拟结果可知，注浆压力作用于隧道围岩岩体中，应力集中分布在注浆孔周围，注浆压力不断向隧道周围地层中扩散与传递，渗流场-应力场分布随注浆孔深度增加呈现衰减趋势。随着注浆压力的提高，隧道围岩变形量加剧。注浆终压为4、6、8 MPa时，围岩最大变形量分别为35.38、40.12、43.22 mm(见图3—8)。

图2　监测点布置图

图3　注浆压力4 MPa时渗流压力分布图

图4　注浆压力4 MPa时围岩变形分布图

Fig. 4Surrounding rock deformation under grouting pressure of 4 MPa

图5　注浆压力6 MPa时渗流压力分布图

图6　注浆压力6 MPa时围岩变形分布图

Fig. 6Surrounding rock deformation under grouting pressure of 6 MPa

图7　注浆压力8 MPa时渗流压力分布图

图8　注浆压力8 MPa时围岩变形分布图

Fig. 8Surrounding rock deformation under grouting pressure of 8 MPa

注浆注浆初期，围岩变形速率急剧上升，注浆后期围岩变形速率下降，且变形量趋于稳定。当注浆时间1 800 s时，围岩变形速率最大，随着注浆的不断进行，注浆压力对围岩变形影响持续增加，但变形速率在不断下降。当注浆结束后围岩变形趋于稳定，注浆压力为4、6、8 MPa时，隧道左壁围岩变形量分别为3.71、4.75、5.45 mm； 隧道右壁围岩变形量分别为7.98、9.34、10.31 mm，相比于左壁围岩变形分别增加53.5%、49.14%、47.14%。隧道底板围岩变形量为5.88、6.56、7.03 mm； 隧道顶板围岩变形量分别为11.39、13.57、15.02 mm，相比于底板围岩变形分别增加48.38%、51.66%、53.2%(见图9)。

(a)1号监测点

(b)2号监测点

(c)3号监测点

(d)4号监测点

Fig. 9Total surrounding rock deformation of Metro station mea-sured from monitoring point No. 1 to No. 4

3.4注浆压力作用下隧道围岩应力变化

注浆过程中，注浆压力作为外荷载施加于隧道围岩及支护结构中，导致隧道围岩应力重新分布，并且隧道围岩Tresca应力集中在注浆孔周边，随着注浆终压的提高，应力发生急剧变化，并不断地向围岩深部转移(见图10)。

(a)注浆压力4 MPa时

(b)注浆压力6 MPa时

(c)注浆压力8 MPa时

Fig. 10Surrounding rock stress under grouting pressure of 4 MPa,that of 6 MPa and that of 8 MPa

注浆的持续进行导致隧道浅层围岩出现应力集中，极易诱发次生灾害。注浆终压分别为4、6、8 MPa时，隧道左侧、右侧围岩Tresca应力分布见表2。

表2不同注浆压力下隧道围岩应力分布

Table 2Stress distribution of surrounding rocks under different grouting pressures

注浆压力/MPa隧道左侧/(×106N/m2)隧道右侧/(×106N/m2)41.341.5161.411.6281.571.86

3.5合理选择注浆压力的控制技术

对于隧道围岩自稳能力较差、岩体破碎严重的情况，合理选择注浆压力是保证注浆过程中围岩稳定与安全的重要保障。根据以上研究成果可知，Ⅴ级围岩注浆压力应不高于6 MPa，且在注浆过程中进行围岩变形的实时监控。在注浆初期，注浆压力导致围岩变形速率急剧增加，可选择间歇式注浆方法。在围岩变形稳定后继续进行注浆，并根据前期现场情况，调整合理的注浆压力(见图11)。特别对于Ⅴ级围岩的高压动水注浆，需要采取浅层加固手段，保证注浆过程中浅层围岩稳定。根据地下工程开挖面距离、涌水量、静水压力及浅层围岩情况，综合确定浅部围岩加固区域、厚度、布孔数量及注浆孔深度，对浅部破碎围岩注浆加固。在注浆材料完全固化后进行后期注浆封堵动水,后期根据围岩变形监测数据、浅层围岩加固体强度合理选择注浆压力。

图11　现场注浆压力控制

4工程实例

4.1工程概况及注浆治理方案

重庆市轨道交通一号线中梁山隧道为单洞双线轻轨专用隧道。一号线歌乐山隧道长4 294 m，当出口端掘进至K27+227～+248里程时侧壁出现涌水，主要集中在3个出水点，出水量84 m3/h，水压达1 MPa。该涌水地层岩性为灰色，黄灰色厚层块状白云岩、白云质灰岩、盐溶角砾岩，属雷口坡组与嘉陵江组结合部，为岩溶水富水层，围岩裂隙发育强烈，强度较低(见图12)。

由于涌水区域围岩破碎严重且为动水注浆封堵涌水通道，采用浅层围岩加固，待浆液固化达到设计强度后，合理选择注浆压力保证注浆过程中隧道围岩的安全。

图12　隧道涌水图

注浆过程中注浆材料采用42.5R硅酸盐水泥，水灰比为0.8～1.0。一般注浆终压为静水压力的2～3倍，故注浆终压设定为4 MPa。深孔注浆孔采用φ108 mm钻头开孔，安装8～10 m孔口管，采用孔口管内注浆返浆的方法进行孔口管封闭，孔口管封闭完成后采用φ75 mm钻进至终孔，详细钻孔见图13。

图13　深部注浆钻孔投影图

4.2围岩变形监测

注浆注浆过程中，注浆压力引起隧道围岩发生大变形，如果注浆压力选择不合适，极易引起次生灾害发生。因此，在注浆区域内均匀布设了围岩变形监测点(K26+785，K26+795，K26+805，K26+815)(见图14)。对注浆过程中的围岩变形进行了监测，监测频率为每天2次(见图15)。

图14　监测点横断面布置图

(a)K26+785

(b)K26+795

(c)K26+805

(d)K26+815

分析图15中注浆阶段隧道围岩变形数据可知，注浆压力是导致围岩变形的主要因素，而非开挖支护引起的围岩变形。注浆压力为4 MPa时，隧道围岩最大变形量为22 mm/d。注浆结束后，随着注浆材料的凝结固化，围岩变形会逐渐减小并趋于稳定，有效保证了隧道围岩的安全与稳定。

4.3注浆治理效果

注浆注浆治理过程中共施工钻孔242个，钻探进尺2 000多m，消耗注浆材料1 000多t。该段工程涌水量由95 m3/h减少至7.5 m3/h，堵水率达92%(见图16)。

图16　注浆治理后效果图

5结论及展望

1)注浆过程中注浆压力、浆液自重、地应力和地下水压力等多种荷载共同作用于隧道围岩及支护结构上，分析了注浆作用下隧道围岩变形影响主要因素浆液自重、注浆压力、注浆孔布置和孔口管长度等。

2)基于渗流-应力耦合理论，选取典型隧道开挖断面，运用COMSOL多物理场耦合软件模拟注浆过程中注浆压力下隧道围岩变形规律。结果表明，围岩等级为Ⅴ时，注浆过程中注浆压力不断向隧道周围地层中扩散与传递，渗流场、应力场分布随注浆孔深度增加呈现衰减趋势； 随着注浆压力的提高，应力发生急剧变化，并不断地向围岩深部转移； 注浆初期，围岩变形速率急剧上升，注浆后期围岩变形速率下降，且变形量趋于稳定。

3)提出合理选择注浆压力的控制技术，保证了注浆过程中隧道围岩的稳定。由于隧道及地下空间工程的隐蔽性、复杂性等特点，考虑不同注浆阶段的多变性，注浆过程中其他因素对隧道围岩变形的影响需要进一步研究。

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Deformation Regulation and Safety Control of Tunnel Surrounding

Rocks Under Different Grouting Pressures

HUI Bing1, ZHANG Li2, ZHANG Qingsong3, JIANG Hai1, ZHANG Wenjun1， CHAI Xia1

(1.ShandongZhengyuanConstructionEngineeringCo.,Ltd.,Jinan250101,Shandong,China;

2.ShandongUrbanConstructionVocationalCollage,Jinan250014,Shandong,China;

3.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,Shandong,China;)

Abstract:Large deformation and collapse may occur when irrational grouting pressure is used for reinforcement of tunnel surrounding rocks characterized by poor self-stability. In this paper, typical tunnel excavation cross-sections are chosen, and a mathematic model in which seepage field and stress field are considered under various grouting pressures is established. The deformation of tunnel surrounding rocks under different grouting pressures is analyzed by means of multi-physical field coupling software COMSOL based on seepage-stress coupling theory. The results of surrounding rocks Grade V show that: 1) The grouting pressure can be transmitted to surrounding rocks during grouting. 2) The stress field decreases with increasing length of grouting hole. 3) The stress significantly varies and passes to surrounding rocks. 4) The deformation speed of surrounding rocks rises rapidly in the primary phase and drops in later phase. In the end, the stability and safety of the surrounding rocks are guaranteed by using rational grouting pressure control technologies proposed in this paper, which can provide theoretical support and technical guidance for similar projects in the future.

Keywords:tunnel; grouting pressure; surrounding rock deformation; seepage-stress coupling; safety control

中图分类号：U 455.49

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)01-0037-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.006

作者简介：第一 惠冰(1986—)，男，山东枣庄人，2013年毕业于山东大学岩土与结构工程研究中心，岩土工程专业，硕士，助理工程师，现从事岩土工程中地下结构安全稳定及数值分析研究工作。E-mail： yzxcdd@sohu.com。

基金项目：山东局青年科技基金资助项目； 国家自然科学基金资助项目(41272385)； 高等学校博士学科点专项科研基金(20130131110032)

收稿日期：2015-04-20； 修回日期： 2015-07-01