深埋破碎围岩隧道围岩特征曲线及注浆加固范围

张明伟 金 纯 田斌华 李浚元

(1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061； 2.西北勘查设计研究院，陕西 西安 710000)



深埋破碎围岩隧道围岩特征曲线及注浆加固范围

张明伟1金 纯1田斌华1李浚元2

(1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061； 2.西北勘查设计研究院，陕西 西安 710000)

借助新奥法和新意法基本思想，采用数值模拟方法，研究了不同注浆加固圈厚度作用下，马蹄形深埋隧道围岩特征曲线及最佳注浆加固范围，结果表明：注浆加固能有效减小围岩松动压力，延迟初支支护时机，减小支护结构荷载承担比率，通过围岩反力释放率与注浆圈厚度关系可得到最佳注浆范围。

深埋破碎围岩，注浆加固，特征曲线，有限差分法

新奥法开始于1934年L.V.拉布采维茨在地下工程中使用的喷浆护壁，其本质是充分利用围岩的承载效能和断面空间约束作用。随后此方法被不断改进和创新，Pietro和Lunardi基于围岩压力拱理论和新奥法，提出了新意法[1]，即岩土控制变形分析法(ADECO-RS)，它是一种隧道掌子面前方核心土稳定性研究和信息化设计支护相结合，保证隧道安全通过复杂地层的动态设计施工原则。新意法中强调超前核心土的刚度影响掌子面(挤出变形、预收敛变形)和隧道(收敛变形)的变形，这使得超前核心土变为一种调节隧洞稳定的途径工具。隧道结构设计涉及多方面因素，新奥法和新意法都包括对围岩破碎区进行超前支护，主要目的都是为保证围岩稳定，不同的学者们提出了不同的围岩稳定分析方法(力学分析、围岩分类和位移反分析等方法)，其中收敛—约束法起源于法国，理论基础为圆形隧洞的弹塑性分析，其关键在于对围岩与支护的相互作用和动态作用的分析[2]。隧洞开挖时洞周岩体必定会产生一定松动，这一松动范围往往呈环状，这部分环状区域称为围岩松动圈[3]。李云等[4]基于松动圈理论采用数值模拟以及巷道变形量观测的方法对二次注浆加固支护效果进行了检验。结果表明二次注浆加固提高了围岩的整体强度，使塑性区大幅减小，可有效解决破碎围岩的持续变形问题。陈庆敏等[5]基于霍克—布朗的节理岩体经验强度准则，研究了有关破坏岩石变形围岩特征曲线方程。本文结合新奥法和新意法基本思想，通过注浆加固控制围岩预收敛变形，采用数值法研究不同注浆加固圈厚度作用下隧道围岩特征曲线及最佳注浆加固范围。

1 约束—收敛法基本原理

隧道稳定是一种复杂多结构作用体系，围岩与支护的相互依存关系是这一体系中的关键，约束—收敛法即特征曲线法，将弹塑性解析和岩石力学相关理论融入进来，进一步阐释了这种依存关系。其原理如图1中曲线所示，坐标轴上部分是隧道内壁径向位移ur和隧道内壁上围岩应力中径向压应力σr(或洞壁支护反力Pi)的关系曲线，坐标轴下部分为隧道内壁径向位移ur和时间t的关系曲线。

2 基于宝兴水电站的数值分析

2.1 工程概况

宝兴水电站引水隧洞全长18.05 km，属傍山深埋隧道，分为CⅠ～CⅤ个标段施工，不良地质洞段位于CⅡ标段，全长3 500 m。研究区域位于糜棱岩断层带，为Ⅴ级围岩，埋深400 m左右，地下水埋深100 m～170 m。隧道为马蹄形断面，直径5.4 m，初期支护采用超前固结灌浆、管棚、钢拱架、喷混凝土来解决成洞问题；二期支护采用钢筋混凝土衬砌，用来承担运行期内水压力及外水压力的作用。

2.2 计算模型

计算模型采用厚度为0.5 m的准二维数值模型，考虑模型的边界效应，取3倍～5倍隧道洞径[6]。因此，模型尺寸为80 m×60 m×0.5 m。网格模型如图2所示。模型共计2 126个单元体，包含4 398个网格节点。

计算模型四周的外边界仅约束边界面法向位移，模型底部y=-30 m采用固定约束，该模拟区段隧道埋深为400 m，在模型表面施加8 MPa竖向应力。考虑构造应力场，侧压力系数[7]取1.2，地下水水头高度为230 m，考虑孔隙水压力，得到最终孔隙压力云图如图3所示，不考虑地下水的渗流作用。

选用应变硬化/软化本构模型来模拟围岩材料，Mohr-Coulomb本构模型[8]模拟注浆圈，支护结构采用均质弹性模型模拟。计算过程中，图4曲线为应变软化模型采用的单元应力应变关系。

2.3 计算参数

研究区域位于糜棱岩断层带，取V级围岩参数，围岩物理力学参数建议值见表1。各支护结构参数见表2～表4。考虑喷射混凝土的早期强度特性，1 d龄期喷射混凝土的弹性模量约为28 d龄期的0.66倍[9]。

2.4 加固圈厚度研究

以侧墙中点为研究关键点，考虑注浆加固厚度为0 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，3 m，3.5 m，4 m，4.5 m，5 m 10种工况，得到不同注浆加固范围对应侧墙收敛值如表5所示。

表1 引水隧洞围岩物理力学参数建议值

表2 注浆加固区参数

表3 喷射混凝土参数

表4 型钢参数

表5 不同注浆范围对应侧墙收敛值

由图5可知，随着隧道注浆加固圈厚度的增加，隧道围岩侧墙收敛值不断减小，曲线越来越平缓，当加固圈厚度大于2.5 m时，注浆加固对侧墙收敛变形影响不明显。因此，注浆加固圈最佳厚度为2.5 m。

2.5 围岩特征曲线研究

以拱顶节点为研究关键点，考虑注浆加固厚度为0 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，3 m，3.5 m，4 m，4.5 m，5 m 10种工况，得到不同注浆加固圈厚度作用下的围岩特征曲线，如图6所示。

由于宝兴水电站引水隧洞处于糜棱岩断层带，属于Ⅴ级围岩。隧道开挖后，围岩强度减弱甚至丧失，于是洞周有松动区形成，松动区岩石作用在支护结构上，产生松动压力，然后围岩特征曲线停止下降，开始上升，具体变化过程见图6。

从上述结果中提取最大支护反力P0和最小支护反力P1，可得到不同注浆圈厚度作用下对应隧道围岩反力释放率，如表6所示，反力释放率定义为(P0-P1)/P0。

表6 不同注浆圈厚度下围岩反力释放率

注浆圈范围越大，隧道围岩松动压力越小，岩土体由形变压力转化为松动压力对应的临界位移和支护反力均减小，说明隧道围岩注浆能有效控制隧道围岩位移，减小作用在支护上的压力，延迟初支支护时机。由图7可知，隧道反力释放率随隧道注浆圈厚度的增加而增加，但增长速度越来越慢，由此可以得到最大注浆圈厚度，即2.5 m，与上一部分得到的结果吻合。

3 结语

1)采用FLAC3D有限差分软件，可以通过选用应变硬化/软化模型和控制时步的方法得到形变压力和松动压力两部分组成的围岩特征曲线。

2)注浆加固支护措施能有效延迟隧道支护时机，减小支护结构承担的隧道围岩荷载和荷载承担比率。由围岩节点反力释放率与注浆圈厚度的关系可得到最佳注浆加固范围，且结果与参考位移得到的结果一致。

[1] Lunardi P. Design and Construction of Tunnels: Analysis of Controlled Deformations in Rock and Soils(ADECO-RS)[M]. Springer Science & Business Media,2008.

[2] 陈峰宾,张顶立,扈世民,等.基于收敛约束原理的大断面黄土隧道围岩与初支稳定性分析[J].北京交通大学学报,2011,35(4):28-32.

[3] 董方庭.软岩巷道支护基础理论的研究[J].建井技术,1991(2):40-44.

[4] 李 云,韩立军,孙昌兴,等.大松动圈破碎围岩二次注浆加固试验研究[J].煤炭科学技术,2012,40(12):19-23.

[5] 陈庆敏,袁 亮.考虑岩石破裂后变形特性的巷道围岩特征曲线[J].辽宁工程技术大学学报,1997(5):151-155.

[6] 苏晓堃.隧道开挖数值模拟的围岩边界取值范围研究[J].铁道工程学报,2012(3):64-68.

[7] 谢启东.断层区域构造应力场特征及其对隧道围岩稳定性影响分析[D].长沙：中南大学,2010.

[8] 施大堃.基于三维地质模型和岩石应变软化的隧道围岩稳定性分析[D].南京：南京理工大学,2010.

[9] 常燕庭.喷射混凝土早期材料性质对支护效果的影响[J].长江科学院院报,1992(3):8-16.

Research of ground characteristic curve and grouting range on the deep tunnel within cracked surrounding rocks

Zhang Mingwei1Jin Chun1Tian Binhua1Li Junyuan2

(1.Geotechnical and Structural Engineering Research Center， Shandong University， Jinan 250061， China；2.Xibei Engineering Corporation Limited， Xi’an 710000， China)

Taking the basic idea of new Austrian method and new method, using the numerical simulation method, this paper researched the surrounding rock characteristic curves and optimum grouting reinforcement range of horseshoe deep tunnel under different grouting reinforcement circle thickness, the results showed that the grouting reinforcement could effectively reduce the surrounding rock loose pressure, delay initial support time, reduce the support structure load bear ratio, through the relationship of surrounding rock anti stress release rate and grouting circle thickness could get the best grouting range.

deep buried broken rock, grouting reinforcement, characteristic curve, finite difference method

1009-6825(2017)08-0152-03

2017-01-05

张明伟(1989- )，男，在读硕士； 金 纯(1993- )，女，在读硕士； 田斌华(1993- )，男，在读硕士； 李浚元(1975- )，男，工程师

U457.3

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