高寒隧道低温富水环境下帷幕注浆施工及性能优化

蒋磊 王增群 王建军

摘要：为保证高寒隧道低温富水环境下的帷幕注浆施工质量，结合工程地质实际，以白拉山高寒富水隧道施工为例，首先采用FLAC3D有限元分析软件模拟不同注浆加固圈厚度下隧道、衬砌和孔隙的水压力、应力分布和位移变化，继而得到最佳加固圈厚度。然后在上述优化的前提下，设计帷幕注浆施工工艺，并通过实时监测的方式，查看洞内周边位移量，进而验证上述优化的可行性与正确性。

关键词：高寒隧道;帷幕注浆;施工优化;FLAC3D有限元

中图分类号：U455.4

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）12-0105-04

隧道施工过程中，因富水地层裸露而引起的突水，突水等地质灾害，造成重大人员伤亡和经济损失。帷幕灌浆是控制地下工程水害的有效技术手段，但受富水地层结构模型的复杂性和灌浆工程隐蔽性的限制。富水地层注浆，堵水的理论研究远远落后实践。因此，进一步分析影响影响富水地层帷幕灌浆加固的相关影响因素，对提高隧道富水层施工具有重要的作用和价值。本研究则从数值模拟的角度，就富水地层帷幕灌浆加固问题进行模拟。

1 高寒隧道低温富水环境下帷幕注浆数值模拟

1.1 模型建立及参数选取

1.1.1 模型假设

流场计算的基本假设为：假设围岩中介质为性连续介质，同时地下水流服从达西定律;在应力场计算方面，只考虑自重的应力，且加固圈、围岩和衬砌采用采用弹塑性本构模型。

1.1.2 模型范围与监测点布置

应用FLAC3D软件，并结合地质参数建立模型，得到如图1所示的剖面图。

1.1.3 边界条件

本文模拟的边界条件为：①底部边界是固定的;②左右边界则受到受到位移的约束;③顶部则包含岩层的重力。

帷幕灌浆的加固参数设定如下，具体如表1所示。

1.2 计算结果分析

1.2.1 孔隙水压力场分析

不同注浆加固环厚度下孔隙水压力场的变化。

图2为不同注浆厚度下的孔隙水压力分布。根据统计结果可得，灌浆厚度与隧道周围孔隙水压力成正比，伴随着厚度的增加而增加。随着灌浆加固环的厚度从2m逐渐变化到10m，灌浆加固环外部的孔隙水压力逐渐增加，而衬砌上的孔隙水压力逐渐降低。

对图3中的孔隙水压力场的分析表明，在5种不同注浆加固环厚度的工作条件下，隧道的开挖已重新分布了围岩的孔隙水压力场，并且孔隙水压力在隧道腔周围形成了“漏斗”形状。能够。区域和孔隙水压力等值线比远处的围岩分布更密集，并且有明显的变化。随着注浆加固圈厚度由2m逐渐变为10m，注浆加固圈外围岩孔隙水压力逐渐增大。最大压力从工况1的1.4459MPa增加到工况5的1.6736MPa，增幅为15.7%。衬砲上的孔隙水压力逐渐降低，最大压力由工况1的2.0716MPa降至工况5的1.4162MPa，下降31.6%n

1.2.2 应力场分析

不同注浆厚度下等效应力和最大围岩压应力分析结果如图4所示。

通过图4的数值模拟结果得到，在不同的工况情况下，得到的加固圈的应力主要分布在围岩区域的隧道附近，同时在隧道周围岩层的应力变化是最大的，且主要集中分布在拱璧两侧的拱脚中。而在应力变化的同时，随着加固圈厚度的增加，围岩的等效应力和压应力在不断减少。

1.2.3 位移场分析

注浆加固圈在不同不同厚度下的位移场如图5所示。

图5为不同注浆加固环厚度下隧道各部位位移对比曲线。可以看出，从条件1到条件5，隧道各部分位移变化曲线斜率逐渐减小。其中，每个监测的位移振幅变化条件下的隧道部分1和条件2是相对较大的，和每个监测隧道的一部分的变化范围从条件3条件5相对温和，反映了注浆加固圈帷幕灌浆后，提高了隧道的承载能力，抑制和稳定的位移和变形的各个部分隧道。可以看出，随着注浆加固环厚度的增加，注浆加固环的加固堵水效果显著，衬砌的水压也有明显提高。

2 注浆帷幕安全厚度的研究

帷幕灌浆的安全厚度计算主要采用理论公式法对注浆帷幕的安全厚度进行研究。隧道超前帷幕灌浆加固环主要承受外部静水压力。根据强度理论，参照厚壁圆筒计算配筋圆的厚度，计算公式为：

式中， σ'表示围岩加固体所允许的抗压强度;C表示隧道开挖等效直径;P表示围岩最大静水压力;B表示注浆加固圈厚度。

根据本文隧道施工，假设C =6m， σ'=2.32MPa， PW =1.1MPa。根据计算得到加固圈厚度约为8.2m。

3 帷幕注浆工艺

3.1 帷幕注浆工艺的原理

为了填充密室内的裂缝和孔隙，使围岩粘结成一体，起到防渗堵水的作用，要在隧道内向前方掘进，然后将液体注入注浆孔内，从而使得围岩和隧道面粘结在一起。

3.2 帷幕注浆工艺的流程

注浆工艺流程图如图6所示。

3.3 注漿结束

3.3.1 单孔注浆结束

对于单孔注浆结束度的判定，我们通常用采用定量和定压结合的方式进行。其中，在定量的判定上，只要单孔注浆满足注浆量为设计注浆量的1.2倍，那么则结束注浆;而在定压标准下，如单孔注浆压力达到2.5MPa，也同样停止注浆。

3.3.2 全段结束

当所有单孔注浆都达到注浆标准，且注浆都无渗漏，那么则全段结束。

3.4 注浆材料选择

在注浆材料的选择方面，本文则主要选择水泥一水玻璃类的注浆材料作为帷幕加固施工的主要原材料。

3.5 隧道超前深孔帷幕注浆堵水施工

3.5.1 注浆方案

本文采用的注浆方案分为以下4步：①首先对混凝土进行灌浆墙柱施工;②进行帷幕预注浆;③采用台阶法开挖，然后搭建仰拱封闭支护设备;④针对开挖中出现的软弱围岩问题，采用小导管注浆的方式规避。

3.5.2 帷幕注浆施工设计

要进行帷幕施工，还需要确定的该止动盘的厚度。而经过计算，得到止动盘的厚度应为5m，工作面及轮廓线外的厚度为5m。整体帷幕施工的剖面图如图7所示。

3.6 施工效果分析

为了验证上述数值分析和施工效果，以隧道周边水平位移收敛为评价对象。即连续监测1个月注浆后的水平位移收敛值。根据统计得到图8的结果。根据图8可以看出，隧道水平位移的收敛随着时间逐步增加，并在增大到一定趋势后逐步变得平缓。其中，下测线水平位移收敛值（ 10.51mm）大于上测线水平收敛值（8.79mm）。

4 结语

结合以上研究看出，通过数值分析不同注浆厚度下的隧道孔隙水压力、围岩应力等的情况下，可计算得到注浆帷幕的安全厚度。在该安全厚度的基础上，通过注浆工艺，并通过检测，得到隧道在一定时间内的位移变化情况。结果表明，在一定时间后，位移趋于稳定。说明上述安全厚度和施工方案可行，并进一步表明该方法的可行性。

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