注浆对大变形隧道围岩及衬砌力学特性影响数值模拟研究

王广勇, 孙小康, 连跃杰, 王 玮, 张永斌

(1.冀中能源峰峰集团有限公司 河北 邯郸 056503；2.南阳理工学院土木工程学院 河南 南阳 473000)

0 引言

众所周知，我国山地面积占到全国总面积的三分之二，西部腹地更是山岭重重。随着第十四个五年规划和二〇三五年远景目标建议的提出[1]，我国工业化、城镇化将进入加速发展阶段，隧道工程建设也逐渐向西部极端复杂环境延伸，例如川藏铁路是世界上地质环境最复杂的铁路，其涉及的多个隧道工程都面临高应力、高水压、围岩破碎等问题。隧道工程技术和大型工程项目向复杂地质环境区域发展，会产生一系列的工程问题，如隧道的塌方、大变形、突水等灾害[2-4]，其中在破碎围岩区域施工遇到的隧道围岩大变形，衬砌开裂、掉块等问题不仅影响隧道的开挖与运行，增加隧道的施工成本和维护费用，还会对施工人员人身安全造成威胁，是隧道工程所面临的难题之一，1997年对我国运营的5000余座隧道调查表明，由于开裂、渗漏水等原因影响运营的隧道数量高达1502座，占隧道总数的30.04%[5]。如何通过有效的手段来改善隧道围岩及衬砌的受力状态，控制隧道围岩及衬砌稳定，从而实现隧道工程安全也成为一项重大难题[6]。

混凝土衬砌开裂原因主要有以下几方面：不良的地质条件、隧道设计不合理、开挖和支护施工操作不当、不良环境条件(地下水、温度、空气质量等)及其他因素。为解决隧道衬砌开裂问题，国内外学者做了大量的研究工作，韦猛[7]对黏土层引起隧道衬砌开裂的机理进行研究，并根据实际情况有针对性地提出了注浆加固方案，取得了良好的效果；苏香龙[8]对山岳隧道衬砌开裂渗水成因进行了分析，提出施工期间应采用隧道全断面防排水系统，运营期间通过在衬砌背后形成防渗帷幕防治衬砌开裂渗水；黄宏伟[9]采用扩展有限元研究了衬砌在主要影响因素作用下的裂缝分布规律、裂缝扩展过程、裂缝外观表现形式及发生机制；韩旭[10]通过数值模拟研究了对称组合裂缝和非对称组合裂缝对衬砌外侧水压力分布和结构受力的影响。

注浆是用隧道围岩加固常用的技术手段，不但能够改善围岩自身的力学性能，并且施工工艺简单，施工成本低，施工空间要求也较小[11-13]。因此，本文以穿越IV级破碎围岩的某隧道为背景，隧道施工采用注浆加固的方式改善隧道围岩的不良地质条件，以此来改善衬砌受力状态，进而达到防止衬砌开裂的目的。为研究注浆加固对隧道围岩及衬砌结构力学特性的影响，采用数值模拟的方式，通过改变围岩粘聚力和摩擦角模拟围岩加固注浆效果，分析注浆加固强度和注浆加固圈厚度对隧道围岩及衬砌结构的力学特性影响，为隧道穿越破碎围岩时采用注浆加固技术控制围岩及衬砌结构稳定提供参考。

1 工程背景

本文依某隧道右洞K107+545-K107+610标段，该标段地应力测试结果表明，此处竖直应力约为7.5 MPa，水平应力约为9.0 MPa，侧压力系数约等于1.2，隧道宽为11 m，高为5 m，隧道衬砌采用单心圆内轮廓断面，衬砌厚度0.5 m，隧道断面及衬砌设计图如图1所示，隧道围岩较破碎，隧道开挖过程中围岩变形严重，属Ⅳ级围岩。取隧道围岩并开展单轴压缩试验，实验结果如图2所示，隧道围岩单轴抗压强度约为25.8 MPa，弹性模量约为8.3 GPa。为控制隧道围岩变形及保证衬砌结构稳定，拟采用注浆的方式加固隧道围岩。

图1 隧道衬砌设计图

图2 围岩单轴压缩试验曲线

2 数值模型建立

为分析注浆加固对隧道围岩及衬砌结构的力学特性影响，采用FLAC3D建立隧道数值计算模型(如图3所示)，模型长×宽×高=80 m×40 m×40 m，隧道模型宽11 m，高11 m，衬砌厚度为0.5 m，模型上表面采用应力约束，施加均布载荷q=7.5 MPa，测压系数取1.2，其他边界采用位移约束，围岩密度取2500 g/cm3。隧道围岩单轴压缩试验表明，岩石破裂后强度随变形增加而迅速降低，因此采用应变软化模型描述围岩的本构关系，通过建立单轴压缩数值计算模型，模拟岩石单轴压缩试验，并调整数值模拟参数使得数值模拟结果与试验结果基本重合(如图4所示)，通过实验拟合获得的材料物理力学参数见表1。根据王永秀[14]等人通过正交实验法得出的研究成果可知，岩体的性质会受节理和裂缝等结构面的影响，经过与实验的对比发现，在数值模拟过程中弹性模量、黏聚力和抗拉强度等物理参数取值应为岩块物理参数的1/5～1/3，岩体的泊松比是岩块泊松比的1.2～1.4倍，在本次数值模拟中隧道围岩力学参数见表2。

图3 隧道数值计算模型

图4 数值模拟曲线与实验曲线对比

表1 实验拟合所得材料物理力学参数

表2 岩体数值模拟物理力学参数

图5 应力检测线分布图

破裂岩石注浆固结后的力学性能的提高可以通过广义黏聚力和广义内摩擦角的增加来表示[15]。影响注浆加固效果的参数主要是注浆加固圈厚度(即注浆范围)和注浆加固圈的强度(浆液填充率和黏结强度)，注浆加固圈厚度表示注浆管的长度，在数值模拟中通过限定注浆范围实现，本次数值模拟注浆圈范围分别为2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m；注浆加固圈强度表示浆液填充围岩裂隙的充填率及浆液固结后对结构面的加固效果，在数值模拟中以注浆后单元粘聚力提升表示，本次数值模拟研究注浆加固圈强度为注浆后黏聚力分别为注浆前的1.2倍、1.4倍、16倍、1.8倍、2.0倍，注浆判别标准为当单元最大塑性应变不小于0.003时浆液可以填充裂隙完成注浆。为分析注浆加固效果，在隧道模型拱顶、边墙和仰拱处分别设置监测线如图5所示。a线为拱顶检测线，主要监测水平应力；b线是边墙检测线，主要监测竖直应力；c线是仰拱检测线，主要监测水平应力。

3 结果与分析

3.1 注浆加固圈厚度对隧道围岩及衬砌影响

为分析注浆加固圈厚度对隧道围岩及衬砌影响，建立隧道数值计算模型，注浆圈厚度分别设置为2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m，在围岩变形量达到80 mm时对隧道围岩注浆，隧道注浆模拟是对注浆加固圈范围内塑性应变大于0.003的岩体提高黏聚力为原来的1.6倍，内摩擦角为原来的1.2倍。当隧道围岩稳定后分别统计监测线a、b、c上的最大水平集中应力和竖直集中应力、衬砌最大水平集中应力和竖直集中应力，分析不同载荷随注浆厚度增加变化规律(如图6和图7所示)。

从图6中可以看出，随着注浆加固圈厚度增加，隧道围岩水平应力最大值先增大后减小，衬砌水平应力最大值先降低后增加。当注浆加固圈厚度小于3.0 m时，隧道围岩水平应力最大值逐渐增加，这是因为随着注浆加固圈厚度增加，破碎围岩被重新加固，破碎区围岩承载的水平应力得到提高，这对于隧道围岩的整体稳定具有积极意义。与之相反，衬砌水平应力最大值随着注浆加固圈厚度增加逐渐降低，从最初的4.55 MPa降到了3.22 MPa，降低幅度达到了29.23%。这是由于随着注浆加固圈厚度的增加，破碎围岩承载力得到较大提高，从而降低了衬砌承载的围岩压力，这可以极大地预防衬砌的开裂，保证衬砌结构的稳定。当注浆加固圈厚度大于3.0 m后，随着注浆加固圈厚度增加隧道最大水平应力逐渐降低，这是因为注浆加固圈厚度大于3.0 m后，随着注浆加固圈厚度的增加，破裂区围岩承载能力和范围逐渐增加，进而导致围岩水平应力最大值逐渐减小；衬砌最大水平应力随着注浆加固圈厚度增加而逐渐增加，但这种变化并不明显，这表明当注浆加固圈厚度大于3.0 m后，其对隧道衬砌结构受力影响下降。

图6 隧道水平应力最大值随注浆加固圈厚度变化规律

从图7中可知，随着注浆加固圈厚度增加，隧道围岩竖直应力最大值先减小后增加，衬砌竖直应力最大值先增加后趋于稳定。当注浆加固圈厚度小于3.0 m时，隧道围岩竖直应力最大值随注浆加固圈厚度增加而减小，这是因为随着注浆加固圈厚度增加，边墙处围岩承载能力及承载范围增加，进而有效减低了围岩的竖直应力最大值；衬砌竖直应力最大值随着注浆加固圈厚度增加而增加，这是因为当注浆加固圈厚度小于3.0 m时，衬砌在边墙位置处于塑性状态(见图8)，随着注浆加固圈厚度增加，衬砌边墙承载能力迅速增加，并在注浆加固圈厚度达到3.0 m衬砌结构不再出现塑性区。当注浆加固圈厚度大于3.0 m时，隧道围岩及衬砌竖直应力随着注浆加固圈厚度增加变化不明显，这表明当注浆加固圈厚度大于等于3.0 m时可保障衬砌结构稳定，不出现开裂等问题。

图7 隧道竖直应力最大值随注浆加固圈厚度变化规律

图8 衬砌结构塑性区随注浆加固圈厚度变化云图

从图9中可以看出，拱顶和边墙变形随注浆加固圈厚度增加逐渐减小。注浆加固圈厚度从2.0 m增加到2.5 m过程中，拱顶变形从108 mm减小到了98.6 mm，变形量降低了8.7%，边墙变形量从73.9 mm减小到了57.5 mm，变形量降低了22.2%，当注浆加固圈厚度从2.5 m增加到4.0 m过程中，拱顶和边墙变形量分别降低了4%和2.4%，变形量明显趋于平缓。这表明当注浆加固圈厚度大于2.5 m后，加固圈厚度对隧道衬砌结构变形影响已不明显。综合隧道应力及衬砌变形分析，建议该隧道注浆加固圈厚度不小于3.0 m。

图9 隧道衬砌变形随注浆加固圈厚度变化规律

3.2 注浆加固圈强度对隧道围岩及衬砌影响

注浆加固是将浆液填充到围岩裂隙内部，浆液固结可以增加劈裂岩体结构面强度，进而实现围岩加固效果。在数值模拟过程中，通过提高注浆后的数值模型的黏聚力和内摩擦角来模拟注浆加固的效果。注浆加固圈的强度以注浆后黏聚力的提升倍数表示，即以注浆加固后粘聚力提升倍数1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2.0倍来表示注浆加固圈强度。不同注浆加固圈强度条件下隧道围岩及衬砌应变变化规律如图10和图11所示。

图10 隧道水平应力随注浆加固圈强度变化规律

图11 隧道竖直应力随注浆加固圈强度变化规律

从图10中可以看出，隧道围岩和衬砌水平应力随注浆加固圈强度增加逐渐降低，且当注浆加固圈强度从1.2增加至1.6过程中，隧道围岩及衬砌水平应力最大值迅速降低，其中围岩水平应力从16.95 MPa降到了15.98 MPa，降低了5.7%；衬砌水平应力从4.57 MPa降到了3.33 MPa，降低了27.1%。这是因为随着注浆加固圈强度增加，破裂围岩的承载力和稳定性得到显著改善，围岩应力显著增加，导致围岩和衬砌结构承受的水平应力最大值降低，这有利于隧道围岩和衬砌结构的稳定。当注浆强度大于1.6后，注浆加固圈强度对隧道水平应力的影响逐渐减小。从图11中可以看出，隧道围岩竖直应力随着注浆加固圈强度增加而逐渐减小，这与围岩水平应力变化规律相似。与之相反，隧道衬砌竖直应力最大值随着注浆加固圈强度增加先增加后趋于稳定。这是因为当注浆加固圈强度不够时，衬砌边墙在高应力作用下发生破裂并导致承载力急剧下降，随着注浆加固圈强度增加到1.6，衬砌结构承载的应力下降，保障了衬砌结构的稳定和完整，衬砌结构承载力得到提升。当注浆加固圈强度大于1.6后，注浆加固圈强度的变化对衬砌受力影响不大。综合上述分析，注浆加固圈强度应不小于1.6，如此才能保障隧道围岩与衬砌结构的稳定。

图12 隧道衬砌变形随注浆加固圈强度变化规律

从图12中可以看出，拱顶和边墙变形随注浆加固圈强度增加先迅速降低，后逐渐趋于平缓。当注浆加固圈强度从1.2增加到1.6过程中，拱顶变形从113.2 mm减小到了94.6 mm，变形量降低了16.4%，边墙变形量从73.5 mm减小到了55.7 mm，变形量降低了24.2%。这表明增加注浆加固圈强度可以有效降低衬砌变形，对隧道围岩及衬砌结构稳定具有显著效果。当注浆加固圈强度从1.6继续增加时，拱顶和边墙变形量明显趋于平缓。这表明当注浆加固圈强度大于1.6后，其对隧道衬砌结构变形影响已不明显。

综合注浆加固圈厚度和注浆加固圈强度对隧道围岩及衬砌结构的应力变形分析，隧道注浆加固圈厚度不小于3.0 m，注浆加固圈强度不低于1.6时，隧道围岩及衬砌结构更加稳定，在应力作用下变形较小，能够保证隧道围岩及衬砌结构的稳定，因此建议隧道支护过程中注浆锚杆的长度应不小于3.0 m，注浆浆液制备建议使用黏结强度较高的水泥基注浆材料。

4 结论

本文依托穿越Ⅳ级破碎围岩的某隧道为背景，针对该隧道大变形的问题，通过数值仿真计算，分析了注浆加固圈厚度和注浆加固圈强度对隧道围岩及衬砌结构的力学特性影响，得到如下结论：

(1) 当注浆加固圈厚度小于3.0 m时，隧道围岩及衬砌结构所受应力较大，且衬砌结构在高应力作用下产生了塑性破坏，当注浆加固圈厚度大于3.0 m后，随着注浆加固圈厚度增加，隧道围岩及衬砌承载载荷逐渐趋于稳定。隧道衬砌结构的变形随着注浆加固圈厚度增加逐渐减小，且当注浆加固圈厚度大于2.5 m后，加固圈厚度对隧道衬砌结构变形影响已不明显。因此，建议隧道支护过程中注浆锚杆的长度应不小于3.0 m。

(2) 随着注浆加固圈强度增加，隧道围岩和衬砌结构的受力都能得到有效改善，且增加注浆加固圈强度可以有效降低衬砌变形。随着注浆加固圈强度从1.2增加到1.6，拱顶变形量降低了16.4%，边墙变形量降低了24.2%。因此建议注浆浆液制备使用黏结强度较高的水泥基注浆材料。