浅埋卵石土层隧道地表注浆加固技术数值模拟分析*

龙 凯，孙启博，韩长乐，陈生坤,孙晨科

(1.中国水电建设集团十五工程局有限公司，西安 710061；2.西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021)

在我国基础设施建设不断深入的阶段，地质条件复杂的卵石地层给工程建设带来挑战，尤其是隧道等地下工程。卵石地层结构松散，介于土石之间，具有强烈的不均匀特性，自稳能力差，渗透性强，时常伴随地下水丰富的地质条件。这些使得卵石地层隧道施工面临开挖坍塌、地表塌陷、支护结构变形严重等问题[1-2]。

基于国内丰富工程实践，学者对卵石地层中的隧道施工进行了探索和研究。文献[3]在罗汉山隧道中运用地表注浆技术，使注浆范围内土体得到固结，确保了开挖与初期支护过程中隧道的稳定，有效防止了隧道在施工过程中出现坍塌、涌水的现象；文献[4]立足于富水砂卵石地层浅埋暗挖电力隧道的修建实践，总结出富水砂卵石地层浅埋暗挖技术成功实现的两个关键：一是施工降水，隧道的开挖必须要在无明水的状态下进行，二是超前支护；文献[5]围绕隧道浅埋段地表深层注浆施工技术展开研究，提出质量控制方法，运用于相关工程，并在施工后进行质量检测，表明地表注浆加固效果明显，地层强度得到了很大的提高。

本文以石羊岭隧道浅埋段为工程依托，研究地表注浆加固技术对浅埋卵石土层隧道施工变形影响。研究成果对本项目具有重要的工程意义，可保证在浅埋卵石土层地带隧道施工的安全性，提高施工效率和创造较好的经济效益。今后可推广到各类浅埋卵石土层地质条件的隧道工程施工中，为更多的工程提供技术支持和参考。

1 工程概况

1.1 工程整体情况及设计支护参数

石羊岭隧道位于青海省互助土族自治县，起点位于加定镇下麻九村，终点位于青岗峡。为双洞分离式隧道，左线全长1 822 m，右线1 796 m。隧址区属侵蚀地貌中切割中山陡坡地貌，覆盖层厚度较薄，基岩普遍浅埋或裸露。其中K0+870～K1+170段埋深约为19～27 m，属浅埋，围岩以卵石土、强中风化片岩为主，节理裂隙发育，岩体较破碎，围岩自稳能力差，易引起大规模坍塌。

隧道采用三台阶法施工，超前支护采用∅42 mm×4 mm小导管L=4 m@40 cm，初期支护为I20b钢架，间距60 cm，C25喷射混凝土，厚度26 cm，系统锚杆长3.5 m，梅花形布置，120 cm×60 cm(环×纵)。

1.2 地表注浆加固技术设计方案

为保证浅埋段施工安全，对该段采用地表注浆加固措施，以改善围岩物理力学性能，提高围岩的自稳性，缩小围岩松弛区范围。钢花管注浆加固是通过压力输送方式将水泥浆液或其他注浆浆液利用花管壁上的孔洞，注入到力学性质较差的岩层或土体中。注浆液在压力的作用下渗透、填充、挤密、扩展形成浆脉并排除岩土体中的水和空隙，然后占据岩土体颗粒间的空隙，使岩土体之间的空隙减少。经过一段时间的凝结之后，注入岩土体的浆液与岩土体形成了一个整体，可使原岩土体力学性能提高和透水性降低，进而提高围岩承载力。注浆后的钢花管留在岩层内，还可起到普通锚杆的锚固和抗滑作用。这两种作用结合起来能够更好地提高岩土体的整体刚度，满足施工开挖的要求[6]。石羊岭隧道地表注浆范围沿隧道纵向为ZK1+050～ZK1+100段，横向为隧道横截面内轮廓线左侧8 m至右侧8 m，注浆横截面示意图如图1所示。

图1 地表注浆横截面示意图Fig.1 Cross section of surface grouting

地表注浆设计方案是否成立取决于其功能性、适应性、可实施性、经济性、对环境的保护以及安全性原则。根据石羊岭隧道周边地质情况，采用以下注浆方案：地表注浆孔采用梅花形布置，布置间距为1.5 m×1.5 m，如图2所示。

图2 地表注浆钻孔平面图

注浆时，先行钻孔，钻孔孔径不小于∅110 mm，之后在孔内放入∅50 mm×5 mm钢花管，注浆浆液为水泥浆，当单孔每延米注浆量达到1 m3或注浆压力达到2 MPa时停止注浆。

2 数值分析

运用Midas/GTS软件分别对隧道注浆与未注浆两种工况进行数值计算，模型沿隧道方向长50 m，上边界至洞顶为隧道实际埋深19 m，左、右边界取6倍隧道洞径60 m，下边界至隧道底取6倍洞跨[7]，为60 m。模型上部为卵石土层，下部为片岩，模型如图3所示。

图3 模型建立图

地层模拟采用弹塑性结构，采用Mohr-Coulomb屈服准则。支护结构采用弹性结构，模拟喷射混凝土采用板单元，锚杆采用植入式桁架单元模拟。为简化计算，通过改变注浆范围内的围岩参数模拟注浆效果[8-10]，并将钢拱架弹性模量折算到喷射混凝土中[11]。根据地层勘察报告和室内外试验，计算参数选取见表1。

表1 材料计算参数表

2.1 施工步骤模拟

隧道采用三台阶法施工，开挖进尺1.2 m。未注浆隧道具体开挖步骤如下：① 超前支护；② 上部弧形导坑开挖、支护；③ 左侧中台阶开挖、支护；④ 右侧中台阶开挖、支护；⑤ 左侧下台阶开挖、支护；⑥ 右侧下台阶开挖、支护；⑦ 核心土开挖；⑧ 仰拱开挖。

注浆隧道具体施工步骤如下：① 地表注浆；② 超前支护；③ 上部弧形导坑开挖、支护；④ 左侧中台阶开挖、支护；⑤ 右侧中台阶开挖、支护；⑥ 左侧下台阶开挖、支护；⑦ 右侧下台阶开挖、支护；⑧ 核心土开挖；⑨ 仰拱开挖。

2.2 位移计算结果分析

分别对未进行地表注浆加固和地表注浆加固后隧道开挖进行数值计算，得到位移云图，如图4～5所示。

图4 隧道竖向位移云图

图5 隧道水平位移云图

在未进行地表注浆时开挖隧道拱顶沉降如图4(a)所示，进行地表注浆后隧道开挖拱顶沉降如图4(b)所示，相比未进行地表注浆时约减小了20.9 mm，减小幅度为66%。进行注浆后相比未注浆时地表沉降减小。

对比图5(a)和图5(b)地表注浆前与注浆后水平位移云图，水平位移减小了约50%，结果表明通过地表注浆改变隧道周围岩体物理学参数可以很有效地抑制隧道变形。

2.3 应力计算结果分析

分别对地表注浆前和注浆后隧道进行开挖数值模拟，隧道与地层Z方向有效应力如图6所示。图6中，Z方向最小有效压应力位于隧道拱顶，Z方向最大有效压应力发生在下台阶拱脚处。

图6 隧道竖直方向应力云图

图7(a)中，X方向最大有效压应力发生在边墙以及边墙与底拱相交处。图7(b)中，X方向最大有效压应力位于拱顶处。

越靠近隧道开挖位置地表沉降量越大，故选取隧道中心线附近5个点A1～A5对比地表下沉结果。

图8(a)中，隧道未进行地表注浆时，隧道中心线处地表下沉量最大，其余四点沉降量由隧道中心处沿两侧分别呈对称趋势减小。图8(b)中，在隧道进行地表注浆后，地表下沉规律与隧道未注浆时相同，地表最大沉降量同样出现在中心线处，其余四点沉降量同样沿隧道中心两侧分别呈对称趋势减小，注浆后各点地表沉降量与注浆前对比均有减小。

3 结 论

石羊岭隧道浅埋段上部围岩为卵石土、强中风化片岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，围岩自稳能力差，易引起大规模坍塌，为确保隧道结构安全对浅埋段采取地表注浆预加固措施。采用数值模拟分析了地表注浆预加固技术在浅埋卵石地层隧道施工中的工程效果，具体得出以下结论：

1) 应力计算结果表明，地表注浆对隧道围岩应力状态影响较小，未进行地表注浆和地表注浆后隧道围岩应力分布状态相同，应力大小相近。

2) 位移计算结果表明，采取预注浆加固措施后，隧道拱顶下沉、周边收敛和隧道洞顶沉降位移值相比未施做超前支护显著减小，可有效控制围岩变形，保障结构安全。

3) 地表沉降计算结果表明，注浆后地表最大沉降量相比未进行注浆明显减小，地表注浆加固可有效控制地表沉降，保障施工安全。