刚柔联合注浆支护技术在深部岩溶隧道施工中的应用

唐万贵

中铁十八局集团有限公司 天津 300222

我国地大物博，地质情况复杂，在广大国土范围内分布有岩溶或喀斯特等地貌，在处于深部高地应力环境下，极易发生隧道断面不稳定或者塌方现象，给生命及财产带来重大损失。因此，研究地下深部岩溶隧道施工支护技术，对于提高围岩的整体稳定性具有重要意义[1-3]。

目前，关于岩溶隧道开挖支护的研究比较多，且根据工程现场实际提出了不同的开挖支护施工方案，浅层溶洞和深层溶洞的处理方式是有所区别的[4-5]，并认为预留核心土＋超前管棚＋小导管注浆的开挖支护方式是较为合理可行的。林志等[6]以重庆明月山某隧道为依托工程，对特长岩溶隧道的衬砌结构方案与参数进行了优化，得出了经济合理的施工方式；钟乃龙等[7]通过数值模拟分析得到了岩溶充填物软化对支护结构稳定性的影响，为岩溶隧道施工提供了相关参数；马天明[8]则对常规的格栅拱架支护方式进行了对比分析，为岩溶隧道格栅拱架支护施工技术提供参考；孟哲玮等[9]通过荷载-结构法数值分析，对比分析了3种不同钢支撑支护下的应力和变形特性。

刚柔联合支护可以提高围岩的完整性和稳定性，具有工艺流程简单、施工效率高、工程成本低等特点，在当前隧道施工中是比较新颖的一种施工方法。目前，关于刚柔联合注浆支护技术在深部岩溶隧道施工中的应用还比较鲜见，本文以实际工程为依托，设计了2种不同的刚柔联合注浆支护方案，在对比原支护方案与优化方案的应力和位移情况后，再次进行优化，并运用于实际工程，探讨其支护效果，为类似岩溶隧道的支护施工提供借鉴。

1 工程背景

某隧道全长12 734 m，隧道最大埋深达到432 m，隧道洞身全长约有2/3要穿过可溶岩地段，围岩以灰岩及风化的灰岩为主，非可溶岩段主要为页岩、泥质灰岩、砂岩等，全隧道共穿越3条断裂带， IV、V类围岩占比达到80%以上。其中，桩号160＋324～162＋185段为岩溶区，岩溶裂隙发育，含水量较大，富水量较多，且分布呈无规律性，雨季施工时地下水将成倍增加，围岩稳定性较差，极易发生工程地质灾害，给隧道施工带来不利影响。故根据现场工程地质勘察，决定对该段隧洞进行刚柔联合注浆支护。

2 支护方案

刚柔联合支护是指通过注浆锚杆向破碎岩体内注入带有一定压力的浆液，以提高围岩的强度和稳定性，注浆材料也不再采用单一的无机水泥浆液，而是采用将刚性注浆材料（如水泥、水玻璃）与颗粒粒径较小的柔性材料（如脲醛树脂）相结合的注浆方式。其基本原理是在开挖表面利用喷射混凝土方式进行初期支护后，将长锚杆与短锚杆分别布入围岩内，再分别注入刚性注浆材料与颗粒粒径较小的柔性材料，在掌子面周边围岩形成一个刚性的支撑层，而在远离隧道的深部区域则会形成一个释压层，高地应力在柔性注浆区则可以释放一部分应力，使得刚柔协同作用以保证隧道的整体稳定性。

根据现场地质勘察情况，本工程初步拟定3种刚柔联合注浆支护方案（图1）：

1）第一种方案：原支护方案，锚杆为梅花形布置，锚杆长度一定。

2）第二种方案：在同一断面采用长、短锚杆交替注浆支护，锚杆为梅花形布置。

3）第三种方案：在不同断面采用长、短锚杆交替布置，锚杆仍呈梅花形布置。

图1 支护方案示意

3 模拟分析

3.1 数值模型

利用FLAC 3D三维数值分析软件，建立了隧道模型。该隧道模型包括275 490个单位和297 226个节点，模型边界范围取隧道直径的5倍；岩体材料为灰岩，本构模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，围岩衬砌、初期支护和二次衬砌等采用线弹性本构模型，开挖时采用Null模型；模型两侧施加水平约束，底部施加竖直向上的位移约束，对所有节点施加y正方向的位移约束，隧道顶部为自由约束，建立的隧道模型见图2。

图2 隧道数值模型

3.2 应力分析

3种支护方案下，隧道的垂直应力分布情况见图3。从图3中可以看到：在原支护方案下，周围岩体受力均大于优化方案周围岩体的应力，整体而言，垂直应力由大到小的排序为：原支护方案＞优化方案一＞优化方案二。在采用刚柔联合注浆支护方案后，周围岩体的应力通过柔性注浆区得到有效释放，而刚性注浆材料则很好地形成一道应力拱，将围岩两侧及顶拱应力传递到拱脚附近，能够保证隧道围岩断面的整体稳定性。

3.3 垂直位移分析

3种支护方案下，隧道的垂直位移分布情况见图4。从图4中可以看到：在原支护方案下，隧道顶拱位置的沉降量较大，达到了18 cm，对整个断面的稳定性极为不利，当采用优化方案一以后，顶拱沉降量明显减小，仅为9.6 cm，较原支护方案下降46.7%；当采用优化方案二以后，顶拱沉降量为6.3 cm，较原支护方案下降65%。可见，采用刚柔联合注浆支护技术后，对顶拱部位的沉降能够起到有效的抑制和控制作用，这是因为柔性注浆区对顶拱部位的应力进行了部分释放，减小了拱顶周围的围岩应力，同时刚性注浆区域衬砌层共同作用形成了一道应力拱，对顶拱围岩起到支撑作用，因此隧道顶部的垂直位移量大大减小。

3.4 水平位移分析

3种支护方案下，隧道的水平位移分布情况见图5。从图5中可以对比得到：水平位移分布呈明显的对称关系，位移最大部位出现在隧道边墙和底部位置；在周边多种应力作用下，围岩会失去原有的平衡状态逐渐向内收敛，但从采用刚柔联合注浆技术后的收敛效果可以看出，隧道边墙的位移收敛情况明显小于原支护方案，分别较原支护方案减少36.7%和47.8%，说明刚柔联合支护方案改善了隧道周边的围岩受力状态，使得其更加接近于稳定状态，大大减小了形变量的发展。

4 实际工程应用效果

从上文分析可以看出，在不同断面采用长、短锚杆交替布置进行刚柔联合注浆支护方案，具有明显改善围岩受力和抑制隧道变形的作用，因此是最佳的支护方案。将此方案运用到该段隧道的实际支护施工中，并进行现场监控和监测，主要监测项目包括顶拱下沉、左右边墙收敛及拱脚收敛，监测结果见图6。从顶拱累计下沉量可以看出：在开挖支护24 d后，顶拱的累计下沉量为7.4 mm，下沉速率呈逐渐降低趋势，在开挖支护15 d后，顶拱的下沉量为7.15 mm，基本达到沉降稳定状态，这说明采用刚柔联合注浆支护技术后能够减小隧道顶拱的沉降量且能促使围岩尽早进入沉降稳定期；左右边墙和拱脚的收敛情况与顶拱下沉情况类似，变形速率均逐渐减小，左右边墙进入收敛稳定期的时间为15 d左右，收敛量仅为4.1 mm，而拱脚处进入收敛稳定期的时间略有滞后，约为21 d（收敛量为5 mm），这是因为刚性受力拱将部分应力传至拱脚，使得拱脚处应力有所增大和集中，因此变形收敛时间略滞后于左右边墙。

图3 垂直应力模拟结果

图4 垂直位移模拟结果

从模拟分析再回到实际应用的效果来讲：采用刚柔联合支护后，不仅可以有效降低隧道的变形收敛量，而且可以使得填充溶洞的底层结构及周围岩体的强度得到有效提升，在柔性注浆区则能够对部分应力进行释放，减小隧道周围岩体的受力以保持其稳定性；同时，刚柔联合注浆技术采用无毒无害的材料，对土体和水源不会产生污染问题，既安全又环保，具有很好的社会环境效应。

5 结语

图5 水平位移模拟结果

图6 隧道施工实测数据

刚柔联合注浆支护技术能够有效地改善深部岩溶隧道围岩的受力状态，减小隧道的形变以及收敛量，在深部岩溶隧道等复杂地质工程中取得了较好的支护效果，具有很好的社会环境效益，可在类似工程地质的隧道施工中推广运用。