高地应力缓倾岩层隧道底部围岩注浆加固方法

摘 要：隧道仰拱在长期受列车动荷载作用、高地应力和地下水侵蚀等恶劣环境下，结构极易受到破坏，会导致隧道底部围岩弱化，严重影响隧道运营安全。为解决这个问题，本文根据国内某隧道采用数值模拟方法分析了不同注浆深度对仰拱变形的影响，研究表明：采用注浆加固隧道底部围岩，能有效抑制隧道仰拱的竖向变形，对高地应力水平层状地层隧道底部围岩的最佳注浆深度为9m。

关键词： 高地应力；层状地层；隧道仰拱；注浆加固

中图分类号：U 45" " " 文献标志码：A

目前我国高速铁路隧道主要采用无碴轨道结构，因此对隧道结构的可靠、稳定、平顺和耐久性提出了更高的要求、也对隧道底部变形控制的要求更为严格[1]。随着越来越多运营隧道仰拱病害的出现，隧道仰拱结构的重要性逐渐引起大家的关注，但目前是对仰拱结构参数优化设计的研究较少。尤其对高速铁路隧道来说，隧道穿越板块缝合带高能地质环境区段（高地应力、高地温、深大富水断裂、富水冰碛层等），隧道仰拱结构受力更加复杂[2-3]。因此，为解决隧道底部结构隆起问题，需要对其进行研究，并提出相应的解决方案。

综合研究及现场整治经验可以看出，对隧道仰拱结构进行优化或者仅采用锚索和锚杆对隧道基底围岩进行加固虽然能够在一定程度上减缓隧道底鼓速率，但是不能彻底解决隧道底鼓问题，采用水泥浆液对隧道底部围岩层状岩层进行注浆加固，注浆后形成的结石体不仅提高了底部围岩的强度，还提高了围岩的自稳性，减少了隧道结构所受荷载，缩小了仰拱结构的竖向变形。

1 研究方法

1.1 工程概况

为了研究高地应力条件下水平层状地层隧道底部围岩注浆加固范围对仰拱变形的影响，并确定最经济且有效的注浆深度，本文以国内某高地应力水平层状地层隧道为研究对象，隧道全长7858m，距成都42km，隧道洞身主要穿过侏罗统蓬莱镇组泥岩夹砂岩及巨厚层砂岩，岩层产状大多较平缓。对隧底部岩层进行钻孔分析可知，仰拱底部岩层均以泥质粉砂岩为主，呈紫红色，泥质结构，多为中厚层状构造。

1.2 数值模型建立

数值计算以国内某隧道为计算模型，根据该铁路隧道施工图可知，由于该铁路隧道除进口段110m和出口段112m为Ⅳ、Ⅴ级围岩外，其余均处于地下水发育的Ⅲ级围岩，且以粉砂质泥岩为主，因此根据规范要求，该铁路隧道设有仰拱结构。隧道宽13.30m、高10.99m，隧道初支混凝土为C20，初支厚度为0.15m，二衬混凝土为C25，二衬厚度为0.4m，仰拱厚度为0.45m。该铁路隧道断面内轮廓为五心圆形式，仰拱采用单心圆形式，半径为14.8m，该铁路隧道仰拱跨度为9.6m，铁路隧道内轮廓断面图如图1所示。

通过现场勘察可知，隧道底鼓最高点位于里程左线位置，其底鼓量为62.37mm，因此选取此里程左右各5m的区段为研究对象，根据现场在中心位置及右4.1m处钻孔取样分析可知，仰拱底部岩层均以泥质粉砂岩为主，呈紫红色，多为中厚层状构造。

通过地质勘察此区段隧道底部多为水平岩层，且主要为中厚层状构造，中厚层为0.1＜h≤0.5，因此本文整体建模均以隧道底部以下地层按照水平中厚层地层模拟，在仰拱下方建立水平中厚层岩体，总厚度为30m，每层厚0.5m。

为了研究高地应力条件下水平层状地层隧道底部围岩注浆加固范围对仰拱变形的影响，确定最经济且有效的注浆深度，本文以现场测试的初始应力场地质环境为基础，在拱底30m范围内考虑层状岩层分布，单层层厚取0.5m，分析隧道底部围岩不同注浆深度对仰拱变形的影响，并且和不注浆工况进行对比，共建立6组模型，注浆深度分别为0m、3m、5m、7m、9m和11m，模型建立方案见表1。

在底部围岩注浆加固模拟过程中，通过增加注浆范围内围岩的力学参数来模拟注浆效果，一般将岩层的弹性模量、黏聚力和内摩擦角增加1倍[4-5]。因此在本次模拟过程中，底部注浆加固区围岩力学参数选取见表2。

为了模拟与现场实测相同的地应力场，通过在侧面分别施加水平方向梯度变化的荷载来模拟水平构造应力作用，不断调整模型边界添加的σx、σy，直至模型监测点应力与现场实测地应数值接近为止，模型的底部边界及侧面均采用约束法向方向位移，模型顶部边界为自由边界。

1.3 监测断面及监测点

由于隧道边缘易受边界效应的影响，为了消除边界效应的影响，选取模型中间断面y=5m作为研究断面。当隧道仰拱结构在受到围岩压力及地应力作用时，拱脚及拱底附近是最危险部位，因此针对隧道仰拱结构最易破坏的位置，选取仰拱底部7个主要监测点。主要监测点布置如图2所示。

2 计算结果分析

2.1 隧道仰拱竖向位移

选取模型中间断面即y=5m作为研究断面，提取该断面上仰拱竖向位移，该仰拱上最大与最小竖向位移如图3所示。

根据图3可知，各组模型中仰拱的竖向位移左右对称，且仰拱中部的竖向位移最大，竖向位移均由仰拱中部向两侧逐渐减少；在其他条件相同的情况下，随着隧道底部围岩注浆深度增加，仰拱最大竖向位移也不断增加。在其他因素相同的情况下，隧道底部注浆深度分别为0m、3m、5m、7m、9m和11m时，隧道仰拱最大竖向位移均位于仰拱中部，其最大竖向位移分别为37.31mm、8.67mm、6.12mm、5.25mm、4.98mm和4.86mm；隧道仰拱最小竖向位移均位于仰拱拱脚处，其最小竖向位移分别为8.47mm、4.37mm、3.62mm、3.34mm、3.26mm和3.20mm。

根据仰拱上的监测点绘制各点在隧道底部围岩不同注浆深度下的竖向位移变化曲线，分析其竖向变形与注浆深度范围之间的关系。由于仰拱为中心对称结构，因此只绘制出监测点1～4的竖向位移变化曲线，如图4所示。

对图4各监测点竖向位移变化曲线进行分析可知，监测点4为仰拱中心位置，在不同注浆深度情况下，其竖向位移均最大，监测点1为仰拱拱脚处，在不同注浆深度情况下，其竖向位移均最小；从各监测点变形速率来看，随着注浆深度增加，越靠近仰拱中点处，其竖向位移迅速减少；在仰拱拱脚处，竖向位移降幅最小。对监测点1、2、3和4来说，在注浆深度从0m增至3m的过程中，其竖向位移急剧减少，竖向位移分别减少48.3%（4.09mm）、70.18%（16.78mm）、75.43%（26.08mm）和76.76%（28.64mm）；在注浆深度从3m增至11m的过程中，仰拱竖向位移缓慢减少，尤其是在注浆深度超过5m后，仰拱竖向位移变化趋于平缓。当隧道底部围岩注浆深度为9m时，仰拱最大竖向位移为4.98mm，与不进行注浆加固相比，其竖向位移减少了86.65%（32.33mm），且已达到无砟轨道对底部结构隆起量≤5mm的要求。当注浆深度继续增加时（注浆深度为11m），仰拱最大竖向位移变化不大，仅减少0.12mm。因此将注浆深度设置为9m左右。

表2 底部注浆加固区围岩力学参数

弹性模量（GPa） 黏聚力（MPa） 内摩擦角（ ° ） 泊松比

25.5 1.80 55 0.23

综上所述，在注浆深度下，各监测点的竖向位移出现不同程度变化，越靠近仰拱中部其变化越明显，因此采用注浆加固隧道底部围岩，能够有效抑制隧道仰拱的竖向变形，高地应力水平层状地层隧道底部围岩最佳注浆深度为9m，能达到加固隧底围岩和抑制仰拱结构隆起变形的理想效果。

2.2 隧道仰拱应力变化规律

不同注浆深度与仰拱最大压应力关系曲线如图5所示。

由图5可知，在上述所有模型中，仰拱隧道仰拱最大主应力和最小主应力均为负值，说明仰拱均只受压应力，不受拉应力，这也说明，隧道仰拱结构能够有效传递底部围岩的荷载，并且充分发挥了混凝土受压性能良好的特性。当隧道底部注浆深度为0m、3m、5m、7m、9m和11m时，隧道仰拱结构均仅受压应力作用，最大压应力均出现在拱脚处，最大压应力分别为92.31MPa、41.55MPa、35.83MPa、33.90MPa、33.27MPa和33.06MPa。随着注浆深度增加，仰拱所受最大压应力随之减少，在注浆深度从0m增至3m的过程中，仰拱所受最大压应力显著减少，但是当注浆深度从3m增至7m过程中，仰拱所受最大压应力降幅减弱，在注浆深度超过9m后，最大压应力变化趋于平缓。

综上所述，在高地应力条件下，通过注浆加固隧道底部围岩将有效减少仰拱竖向位移及所受压应力，在注浆深度超过9m后，对减烧仰拱最大压应力作用较小，通过注浆深度对仰拱最大竖向位移的影响可知，高地应力水平层状地层隧道底部围岩最佳注浆深度为9m，且加固隧底围岩和抑制仰拱结构隆起变形的效果最理想。

3 结论

本文对隧道底部围岩注浆加固进行研究，发现注浆加固能有效增加围岩强度、提高自稳性和有效抑制隧道仰拱的竖向变形。

采用注浆加固隧道底部围岩，能有效抑制隧道仰拱的竖向变形，高地应力水平层状地层隧道底部围岩最佳注浆深度为9m。

当隧道底部围岩最佳注浆深度范围为9m时，其仰拱最大竖向位移为4.98mm，与不进行注浆加固相比，其竖向位移减少了86.65%（32.33mm），且已达到无砟轨道对底部结构隆起量≤5mm的要求。注浆深度继续增加，仰拱竖向位移变化并不明显。

参考文献

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