富水断层带隧道变形力学机制及双梯度注浆NPR补偿对策.pdf

陶志刚,周子琮,杨晓杰,等.富水断层带隧道变形力学机制及双梯度注浆 NPR 补偿对策J.矿业科学学报,2023,8(6):768-779.DOI:10.19606/ki.jmst.2023.06.004Tao Zhigang,Zhou Zicong,Yang Xiaojie,et.al.Mechanics of tunnel deformation in water-rich fault zone and double-gradient grouting NPR compensa-tion countermeasures J.Journal of Mining Science and Technology,2023,8(6):768-779.DOI:10.19606/ki.jmst.2023.06.004富水断层带隧道变形力学机制及双梯度注浆NPR 补偿对策陶志刚,周子琮,杨晓杰,霍树森,孙吉浩,杜志锋深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083;中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院,北京 100083收稿日期:2023-06-10 修回日期:2023-08-31基金项目:深部岩土力学与地下工程国家重点实验室创新基金(SKLGDUEK202201)作者简介:陶志刚(1981),男,河北邯郸人,博士,教授,硕士生导师,主要从事深部岩石力学理论及灾害控制方面的研究工作。Tel:[phone],E-mail:摘 要:云南他白依隧道位于青藏高原东麓,穿越多条断层构造带,其围岩软弱破碎,遇水强度骤降。原设计方案下围岩存在米级大变形,出现了拱架扭曲、仰拱隆起和突泥涌水等灾害。针对富水断层带隧道围岩破碎难题,首先通过矿物成分分析、点荷载试验及地应力测试,分析了富水断层带隧道变形力学机制及其转化,通过未注浆、常规注浆及双梯度注浆的围岩承载力试验,确定采用双梯度注浆工艺进行 NPR 锚索锚固;然后,通过数值模拟及现场试验,得出了最佳锚索数目;最后,通过现场应用,基于监测数据验证了双梯度注浆及高预紧力长短 NPR 锚索支护体系的可靠性。研究结果可为类似富水断层带隧道的大变形灾害控制提供参考。关键词:富水断层带;软岩大变形;双梯度注浆;NPR 锚索中图分类号:U 456.3 文献标志码:A文章编号:2096-2193(2023)06-0768-12Mechanics of tunnel deformation in water-rich faultzone and double-gradient grouting NPRcompensation countermeasuresTao Zhigang,Zhou Zicong,Yang Xiaojie,Huo Shusen,Sun Jihao,Du ZhifengState Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,Beijing 100083,China;School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing 100083,ChinaAbstract:Tabaiyi Tunnel is located in the eastern foothill of the Tibetan Plateau,crossing a multi-stagefault tectonic zone,and its surrounding rock is weak and broken,and its strength plummets when it en-counters water.The peripheral rock under the original design scheme has a large deformation of meterscale,and there are disasters such as twisted arch,elevated arch bulge and sudden mud and watersurge.In order to solve the problem of peripheral rock fragmentation in the tunnel in the water-rich faultzone,firstly,the deformation mechanism of the tunnel in the water-rich fault zone and its transformationwere analyzed through mineral composition analysis,point load test and ground stress test;through thebearing capacity test of the grouted peripheral rock with ungrouted,regular grouted and double-gradientgrouted,it was determined to adopt the double-gradient grouted process for the anchoring of NPR anchor第 8 卷 第 6 期2023 年 12 月矿 业 科 学 学 报JOURNAL OF MINING SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.8 No.6Dec.2023ropes;then,the optimal anchor rope number was derived from the numerical simulation and on-site test;finally,through the on-site application,the optimal anchor rope number was obtained.Finally,the relia-bility of the double gradient grouting and high preload long and short NPR anchor cable support systemis verified through field application.Based on monitoring data,the results of the study can be used as areference for the control of large deformation hazards in similar tunnels with water-rich fault zones.Key words:water-rich fault zone;large deformation of soft rock;double gradient grouting;NPR cable 富水断层带隧道因地下水丰富且穿越断层破碎带,节理裂隙发育,围岩强度低,易发生各类地质灾害。例如,通省隧道开挖揭穿富水断层带,导致涌水突泥事故1。石峡隧道因富水断层带影响,施工期间多次出现涌水事故2。解决富水断层带隧道灾害的关键,是分析其变形力学机制。杨辉3通过相似模型试验和数值模拟,研究了穿越断层破碎带隧道围岩大变形机理。闫红江等4根据现场监测与理论分析,探讨了隧道初支大变形的力学机制。孙晓明等5通过物理模型试验研究了软弱破碎围岩隧洞的破坏机理。王树仁等6通过现场试验和数值模拟,分析了隧道的复合型变形力学机制。张建智7以力学分析为工具,分析了膨胀岩隧道的变形机制。刘波等8预测了时间效应影响下隧道沉降变形机制。隧道破碎围岩的超前处理是富水断层带隧道支护中的难点之一。目前,隧道支护广泛采用单一压力注浆来改善富水断层带隧道围岩结构。榆林子富水隧道通过大管棚超前注浆加固隧道围岩,以限制隧道变形9。平武隧道地下水富集,现场通过注浆控制富水问题10。何文瑞等11研究了淋水软弱巷道浆液扩散机理。朱光轩等12提出劈裂注浆扩散控制方程,以揭示渗滤效应对注浆扩散的影响机制。邹金锋等13侧重研究劈裂注浆半径及压力衰减规律。朱明听等14、李鹏等15通过模拟试验,分析了劈裂注浆主控因素以及注浆机制。然而已有研究未考虑围岩受断层破碎带和流水侵蚀的耦合影响。在断层带和高应力作用下,地下水对围岩强度的削弱更为显著。云南他白依隧道属富水断层带隧道,常规劈裂注浆未能有效解决软岩大变形问题。针对破碎、高应力岩体注浆加固难题,本文提出粒径梯度与压力梯度相配合的双梯度注浆工艺。1 隧道区域地质特征及变形破坏特征1.1 隧道区域地质特征他白依隧道属建(个)元高速公路重点建设工程,位于云南省红河哈尼族彝族自治州建水县。该区域属季风气候,雨季降水较多,全年降水集中。隧道区域地势起伏明显,相对高差高达 420 m。现场地下水丰富,雨季时地下水位升高加之季节性冲沟对隧道岩土体侵蚀严重。他白依隧道穿越 15 条地质断层破碎带。隧道距离红河逆深大断裂最近处 50 m,距离龙岔河弧形压性断裂最近处约 350 m,故隧道建设受两者影响大。他白依隧道地层为第四系全新统坡积层及三叠系中统法郎组,以残积土与坡积土为主,黏土矿物含量高。他白依隧道 V 级围岩占比高达51%,开挖揭露岩体破碎至极破碎。1.2 围岩变形特征(1)初期变形速率快。他白依隧道在上台阶开挖之后,7 d 内水平收敛超过了 300 mm,最大日均变形量高达 43 mm/d,说明他白依隧道在高地应力影响下,围岩初期变形速率非常快。(2)围岩变形量大。围岩揭露后,在为期35 d的监测中,拱顶下沉最大值高达 1 064 mm,属米级大变形,左右拱肩位移均超 900 mm。(3)围岩变形时间长。上台阶开挖后,他白依隧道围岩持续变形,在 30 d 的时间变形不断加剧,且中下台阶开挖期间变形速率增速明显。1.3 隧道破坏形式他白依隧道破坏形式如图 1 所示,隧道破坏形式以仰拱隆起、拱架扭曲、涌水突泥和二衬片帮垮落为主。(1)仰拱隆起。仰拱施工后,因支护成环时间过长,加之隧道围岩强度过低,在极高地应力影响下,隧道右线区域仰拱隆起高达 40 cm。(2)拱架扭曲。隧道初支施工后,出现初支拱架径向大变形,钢拱架扭曲变形,被迫换拱处置。原支护下换拱率高达 70%。(3)涌水突泥。在富水条件下,他白依隧道发生 4 次涌水突泥事故。最严重的一次突泥长度为70 m,突泥量约4 500 m3,衬砌台车被推移20 m,地面裂缝延伸至 11 cm。(4)二衬片帮垮落。二衬结构段落发生开裂现象,拱腰二衬混凝土片帮垮落。769第 6 期陶志刚等:富水断层带隧道变形力学机制及双梯度注浆 NPR 补偿对策图 1 他白依隧道破坏形式Fig.1 Tabaiyi tunnel failure form2 他白依隧道围岩变形力学机制2.1 矿物成分分析对他白依隧道岩体矿物成分进行分析,全岩矿物及黏土矿物成分相对含量见表 1 和表 2。岩土体主要由黏土矿物、石英和长石组成,岩样以强风化板岩夹灰岩为主。其中,黏土矿物含量均在 50%以上;黏土矿物中以伊利石及伊蒙混层为主;黏土矿物吸水后体积膨胀,易产生软化、崩解和膨胀现象,造成岩石强度降低。2.2 点荷载试验在他白依隧道选取 150 块岩样进行点荷载试验,点荷载强度如图 2 所示。前半段以砂质灰岩为主,点荷载强度在 8.3 29.5 MPa 之间,平均强度为 18.7 MPa;中段以中风化泥质板岩为主,点荷载强度在7.1 21.7 MPa 之间,平均强度为14.2 MPa;后半段以强风化泥质板岩为主,点荷载强度在3.05 14.7 MPa 之间,平均强度为 8.8 MPa。这表明他白依隧道岩体破碎,围岩强度低。表 1 全岩矿物成分相对含量统计表Table 1 Statistical table of relative contents ofmineral components in whole rock%编号矿 物 含 量石英钾长石斜长石岩盐云母黏土矿物111.10.217.81.213.256.5212.40.714.81.917.651.9313.80.518.60.98.757.4表 2 黏土矿物成分相对含量统计表Table 2 Statistical table of relativecontents of clay mineral components%编号黏土矿物相对含量SI/SIK1146.152.50.420.83266.90.332.14156.20.7 注:S蒙皂石类;I/S伊蒙混层;I伊利石;K高岭石。图 2 他白依隧道围岩点荷载强度Fig.2 Tabaiyi tunnel point load strength2.3 地应力测试为分析初始地应力对富水断层带隧道围岩变形规律的影响,在他白依隧道现场开展地应力水平测试。根据地应力测试结果,他白依隧道测区内垂直主应力居于最大水平主应力与最小水平主应力之间;在埋深约为 148 m 处,他白依隧道最大水平主应力为 4.52 MPa,垂直主应力为 3.8 MPa;隧道整体侧应力系数在 1.07 1.16 之间。2.4 他白依隧道软岩力学分析根据地应力测试,埋深 148 m 时,最大水平主应力为 4.52 MPa,泥质板岩饱和单轴抗压强度为22.36 MPa,故他白依隧道岩体强度应力比为4.95,属高应力软岩16。他白依隧道围岩主要为强风化泥质板岩,强度较低,节理化严重。岩土体内部板理面发育,包含三组优势结构面。这些结构面不同程度切割、影响隧道岩土体,因而他白依隧道围岩属于节理化软岩。综上,他白依隧道围岩既有节理化、遇水易膨胀的特征,又受到高地应力影响,属于高应力-节理化-膨胀性软岩。770矿 业 科 学 学 报第 8 卷2.5 他白依隧道开挖补偿及力学机制转化根据 He 等17的开挖补偿理论,他白依隧道开挖破坏如图 3 所示。开挖后,径向应力 3减小至零,切向应力 1集中,致使主应力差值增大。他白依隧道穿多条断层带,围岩节理化水平高,强度很低,加之隧道地下水丰富,岩土体遇水强度急剧下降。因此,他白依隧道围岩揭露后,其应力变化波动很大,围岩变形剧烈,属于米级大变形。图 3 他白依隧道开挖破坏示意Fig.3 Schematic Diagram for ExcavationDamage of Tabaiyi Tunnel高预应力 NPR 锚索可有效限制地下工程变形18。他白依隧道采用高预紧力 NPR 锚索支护补偿示意如图 4 所示。长短 NPR 锚索成环后可封闭围岩,有效限制围岩变形;加密设计可针对性提高他白依隧道右侧支护强度,有效抵抗工程偏应力影响。图 4 他白依隧道开挖补偿示意Fig.4 Schematic Diagram for ExcavationCompensation of Tabaiyi Tunnel由于围岩黏土矿物含量高达 56.5%,且黏土矿物中以绿泥石和伊利石为主,故他白依隧道围岩变形力学机制属分子膨胀+胶体膨胀型。他白依隧道围岩主要为强风化泥质板岩,断层影响下层理结构明显,岩体受多组结构面切割,在开挖扰动下围岩出现揉皱和层间相互挤压变形,加剧围岩破碎化程度,故岩体结构对隧道大变形的影响机制为断层-随机节理型。他白依隧道穿越多条断层破碎带,地应力水平高,且受先行洞开挖影响,右洞存在工程偏应力,因此变形机制包含构造应力、偏应力机制和重力机制。综上,基于软岩工程力学19分析可知,他白依隧道变形力学机制属断层-随机节理型、构造应力及重力驱动和分子吸水膨胀+胶体膨胀型的复合。他白依隧道变形力学机制转化如图5 所示。图 5 他白依隧道变形力学机制转化Fig.5 Transformation of deformation mechanicsmechanism of Tabaiyi tunnel针对分子膨胀+胶体膨胀机制和断层-随机节理力学机制,采用双梯度注浆加固围岩,浆液挤压岩体内部水分和空气,提高围岩抗渗性,为 NPR 锚索提供稳定的锚固基点。喷浆与双梯度注浆相配合封闭围岩,吸收软岩膨胀变形能,从而实现分子膨胀+胶体膨胀机制和断层-随机节理力学的转化。针对断层-随机节理机制,采用双梯度注浆,发挥胶结作用加固围岩,减轻随机节理对围岩的削弱。后续采用短 NPR 锚索加固软弱围岩,与围岩形成组合梁体系,生成承压拱结构;长 NPR 锚索发挥悬吊作用,加强前者生成的承压拱,从而高效实现断层-随机节理机制的转化。针对构造应力机制,利用双层钢拱架对他白依隧道现场的构造应力进行强力刚性约束,抵抗地应力的影响。此外,针对现场右侧工程偏应力机制,采用NPR 锚索加密设计对他白依隧道右侧加强支护,提高右侧锚索支护强度,抵抗工程偏应力,从而将富水断层带隧道复合型变形力学机制转化为单一重力型变形力学机制。3 双梯度注浆及承载力试验他白依隧道原注浆为普通水泥液浆,水灰比1 1,注浆压力 4 MPa,注浆孔间距 2.0 m。由于他白依隧道穿越富水断层带,隧道围岩稳定性差,围岩771第 6 期陶志刚等:富水断层带隧道变形力学机制及双梯度注浆 NPR 补偿对策风化破碎严重,若注浆压力低,则出现溢浆,致使浆液与围岩粘结效果不佳,无法形成稳定的浆脉网络,黏结作用部分失效,导致注浆后围岩强度未得到显著提升;若注浆压力太高,则会导致现场围岩裂缝拓展,围岩整体垮落。综上,原劈裂注浆在他白依隧道的应用存在明显局限性。针对该问题,提出注浆压力阶段性变化的新工艺。3.1 双梯度注浆含义围岩注浆时,应当考虑注浆压力 p 与浆液流量q 的相互关系。注浆过程中注浆压力与浆液流量的变化情况如图 6 所示。孙志强等20指出,8 MPa 下扩散半径 3 m左右足以加固他白依隧道围岩。张玉等21总结了注浆压力及注浆量对注浆有效扩散距离的影响。根据他白依隧道现场实际情况与相似工程注浆经验,结合有关规范及文献22-24,确定浆液流量为 30 L/min 时,浆液有效扩散半径最佳。双梯度注浆压力 p 与浆液流量 q 的关系表明:粗颗粒时,压力为 4 MPa、流量在 30 L/min左右时,利于浆液扩散至原有裂隙中,为后续细颗粒充分填充裂隙提供条件;细颗粒时,压力8 MPa、流量在 30 L/min 左右时,可有效填充围岩细小裂隙,改善围岩结构。图 6 双梯度注浆压力-流量Fig.6 Pressure-flow of double gradient grouting 双梯度注浆过程如图 7 所示。在注浆起始阶段,首先进行粗颗粒低压注浆。基于浆液传压原理,粗粒浆液初步填满围岩,撑开围岩裂隙,便于后续细粒充分填充小裂隙。同时,先期低压粗粒注浆可有效控制浆液扩散半径,使得浆液在设计范围内发挥作用,保证注浆效果。此外,对于富水断层带隧道,低压注浆也可避免注浆压力过高引起的围岩滑塌问题。第二阶段利用高压将细粒浆液送入围岩内部,利用细粒浆液流动性良好的特性,填充尚未被填满的裂缝。高压同样有利于浆液灌入填充围岩内微裂缝,促使围岩形成连贯的浆脉网络。通过双梯度注浆施工,隧道围岩空隙被填充,提高岩体内摩擦角和黏聚力,改良围岩性质;且浆液可挤压空隙中的空气和水分,抵抗外界水分的渗透,显著提高围岩抗渗性,为 NPR 锚索锚固提供坚固的锚固点。图 7 双梯度注浆过程Fig.7 Double gradient grouting process772矿 业 科 学 学 报第 8 卷 以顶板注浆(图 8)为例,设置 2 m 宽止浆墙,低压粗颗粒先行注浆,后续高压细颗粒注浆以拓宽浆液加固范围,进一步巩固先期形成的浆脉网络。双梯度注浆加固半径为 30 m。图 8 顶板双梯度注浆断面Fig.8 Double gradient grouting section of roof3.2 注浆补偿围岩承载力试验为验证双梯度注浆加固效果,进行无注浆、常规劈裂注浆及双梯度注浆围岩承载力试验,以 NPR 锚索极限锚固力衡量注浆对岩体的加固效果。注浆补偿锚索锚固力测试结果如图 9 所示,未注浆及原劈裂注浆对应 NPR 锚索极限锚固力分别为 150 kN 和 260 kN。根据现场施工要求,锚索极限锚固力应在 350 kN 以上。不同注浆条件 NPR 锚索锚固情况如图 10 所示。他白依隧道围岩破碎,无法为 NPR 锚索提供稳定锚固点。未注浆时,NPR 锚索锚固端与深部围岩脱离,锚索锚固端失效,锚索无法发挥其恒阻图 9 注浆补偿锚索锚固力Fig.9 Grouting compensation for anchorageforce of anchor cable大变形特性,极限锚固力仅有 150 kN,致使围岩开裂严重。常规劈裂注浆时,一定程度限制了围岩裂隙拓展,但在富水断层带影响下,锚固端部分失效,锚索丧失稳定的锚固点,恒阻大变形特性无法发挥。双梯度注浆下,粗颗粒浆液初步填充围岩裂隙,配合后续细颗粒浆液形成完整的浆脉网络和稳定的浆脉骨架,改善围岩微观结构,增强围岩整体性,为 NPR 锚索提供稳定的锚固点,利于后续 NPR锚索充分发挥其恒阻大变形吸能特性,极限锚固力可至 360 kN。图 10 不同注浆条件 NPR 锚索锚固情况Fig.10 Anchorage of NPR anchor cable under different grouting conditions773第 6 期陶志刚等:富水断层带隧道变形力学机制及双梯度注浆 NPR 补偿对策4 NPR 锚索数目优化4.1 NPR 锚索数目优化数值模拟为优化 NPR 锚索数目,数值模拟选取他白依隧道 K63+630 区域进行试验。该区域属 V 级围岩,节理裂隙高度发育。他白依隧道数值模型如图 11 所示,隧道开挖宽度为13 m,预留变形量为400 mm,所选模型尺寸(长宽高)为 80 m2.4 m80 m。模拟参数通过注浆前后室内试验确定,其中密度为1.53 g/cm3,弹性模量为 11.3 GPa,泊松比为 0.21,黏聚力为1.2 MPa,内摩擦角为 35。为防止边界效应对数值模拟计算的影响,模型的左右两边与边界的距离取3 倍以上洞径。依照隧道岩体力学参数,结合现场施工,对隧道数值模拟进行几何网格划分。图 11 他白依隧道数值模型Fig.11 Numerical model of Tabaiyi tunnel简化岩体力学参数以突出重点,数值模拟材料视为连续均质的各向同性材料。通过莫尔-库伦理论对数值模拟模型进行强度折减。地层模型采用实体单元,本构模型为莫尔-库仑本构模型。他白依隧道的现阶段 NPR 锚索支护为 21 根长 NPR 锚索组成的支护系统,其中上台阶 4 根长锚索为加密设计。通过现场双梯度注浆及 NPR 锚索施工,围岩变形收敛控制效果良好,故尝试 NPR锚索优化,试验方案分别为上台阶无加密锚索设计、上台阶 2 根加密锚索设计和上台阶 4 根加密锚索设计,锚索数目分别对应 17、19 和 21 根。不同锚索数目下隧道模型在 Z 方向及 X 方向的位移如图 14 所示。不同锚索数目围岩变形如图 12 所示,17、19和21 根锚索支护之下模型拱顶最大位移 Z 分别为297 mm、286 mm 和 269 mm,锚索数目与拱顶最大位移呈负相关;由拱顶与底部的竖向位移对比可知,锚索数目相同,隧道拱顶的沉降大于底部围岩位移,这说明应当重点支护隧道拱顶,防止隧道拱顶下沉。锚索数目从21 减少至19 根时,围岩位移 Z 增多 17 mm,围岩变形在容许范围之内。而若锚索减少至 17 根时,受工程偏应力的影响,隧道开挖后其围岩位移增至297 mm,与安全容许值300 mm 过于接近,无法满足安全要求。17、19、21 根锚索支护下,围岩 X 方向位移分别为 83.1 mm、78.9 mm 及 73.2 mm。锚索数目相同时,隧道拱顶沉降远大于水平收敛,故现场应当注重隧道拱顶的加强支护。此外,受右侧工程偏应力影响,右侧水平收敛均大于左侧。综上,NPR 锚索从 21 根优化至 19 根时,隧道围岩位移属安全范围,故 19 根 NPR 锚索数目最佳。4.2 NPR 锚索数目优化现场试验此次优化针对上台阶加密锚索。在他白依隧道选取 3 个地质条件相近且均经过双梯度注浆处理的隧道断面 K36+620、K36+640 和 K36+660。3个断面长 NPR 锚索分别采用 17、19 和 21 根,对应断面 A、B、C。不同数目 NPR 锚索围岩位移及拱架应力如图13 所示。在 3 个监测断面中,前 15 d 隧道位移急剧增长,隧道围岩位移均在 30 d 后趋于平稳。其中,断面 B 前 15 d 位移为 230 mm,达最大位移的80%以上。最大位移均出现在右拱肩,因此现场右拱肩需加强支护。断面 A、B、C 对 应 围 岩 最 大 位 移 分 别 为298 mm、281 mm 及 263 mm,均符合施工安全要求。显而易见,在他白依隧道支护中,NPR 锚索数目与围岩位移呈负相关。图 14 为数值模拟及现场试验锚索数目-位移曲线。二者趋势及数据基本一致,说明该数值模拟可验证他白依隧道锚索间距优化参数有效,现场试验验证了锚索数目优化试验的可靠性。3 个断面拱架应力均在开挖 30 d 后达到稳态。拱架起初受拉,且拉应力逐渐增大,中台阶开挖后变为受压。受偏应力影响,3 个断面最大钢拱架应力均出现在右拱肩。在中下台阶开挖的过程中,钢拱架受力状态变化剧烈,波动较明显。断面 A、B、C 拱架最大应力分别为 265 MPa、207 MPa 和 189 MPa。在 2 根加密锚索作用下,断面 B 最大拱架应力比无加密锚索设计下减少了774矿 业 科 学 学 报第 8 卷图 12 不同锚索数目围岩变形Fig.12 Deformation of surrounding rock with different number of anchor cables58 MPa,说明右侧加密设计可有效吸收围岩变形能,降低拱架应力。在原有 2 根加密设计基础上再增加 2 根,拱架应力无明显下降。可见,由于 3 个断面围岩位移钢拱架应力最大值均出现在右拱肩部位,故右拱肩应当进行加强支护。相较于断面 C,断面 B 符合安全要求。此外,断面 A 拱架应力的波动太剧烈,不予以考虑。综上所述,采用 19 根 NPR 锚索的支护方案是富水断层带隧道支护的最佳方案。5 现场工程应用5.1 双梯度注浆及 NPR 锚索补偿对策他白依隧道 NPR 锚索支护设计方案包括双梯度注浆及高预紧力 NPR 锚索开挖补偿技术。(1)双梯度注浆。粗粒浆液为早强硫铝酸盐单液浆+HPC 注浆外加剂,粒径在 20 m 左右,注浆压力 4 MPa;细粒浆液为超细水泥,粒径在 2 m左右,注浆压力 8 MPa,养护 3 d。粗粒细粒注浆管直径均为 60 mm。双梯度注浆浆脉分布如图 15 所示。通过窥视仪显示,浆脉分支均匀,6 7 m 及 8 9 m 处均形成完整连续的浆脉网络。主干浆脉与诸多分支浆脉纵横交叉,构成强力高效的浆脉骨架,限制围岩裂隙拓展,改变富水断层带隧道围岩结构,提高了围岩完整性,从而改良提高围岩工程力学性质。(2)高预紧力 NPR 锚索支护。他白依隧道NPR 锚索支护方案如图 16 所示。高预紧力长、短NPR 锚索支护包括 12.3 m NPR 锚索和8.3 m NPR775第 6 期陶志刚等:富水断层带隧道变形力学机制及双梯度注浆 NPR 补偿对策图 13 不同数目 NPR 锚索围岩位移及拱架应力Fig.13 Different number of NPR anchor cables for rock displacement and arch stress图 14 数值模拟及现场实验锚索数目-位移曲线Fig.14 Numerical simulation and field experimentation of anchor number-displacement curves776矿 业 科 学 学 报第 8 卷图 15 双梯度注浆浆脉分布Fig.15 Double gradient grouting process锚索,预紧力在 320 kN 以上。锚索对称分布,右侧加密设计,预留变形量为 400 mm。锚索施工后安装 W 型钢带+高强柔性网,一同组成 NPR 锚网,最后进行 C25 喷浆处理。上述支护工艺通过高预紧力短 NPR 锚索的高强支护,结合长锚索的悬吊作用形成加强拱加固围岩;W 型钢带+高强柔性网经喷混凝土与围岩紧密结合,加固 NPR 锚索预应力拱;围岩-NPR锚索-型钢拱架与混凝土喷层形成整体,共同受力,提高稳定性,有效限制富水断层带隧道软岩大变形。图 16 他白依隧道 NPR 锚索支护方案Fig.16 NPR cable support scheme for Tabaiyi Tunnel5.2 富水断层带围岩大变形控制效果分析他白依隧道原支护与 NPR 锚索支护围岩变形如图 17 所示。原支护下围岩位移在 7 d 内突破了300 mm,最大日均变形量高达 43 mm/d,最大围岩位移高达 1 064 mm。方案优化后,围岩在 30 d 左右达到稳定,最大围岩收敛均在 300 mm 以内,最大日均变形量不超过 16 mm。可见,采用双梯度注浆-NPR 锚索支护后,隧道变形量级显著减小,平均变形速率下降,仰拱封闭成环时间大大降低。图 17 他白依隧道原支护与 NPR 锚索支护围岩变形Fig.17 Deformation of the original support and NPR anchor cable support surrounding rock in Tabaiyi Tunnel6 结 论(1)阐明了他白依隧道地质特征与变形破坏特征。隧址建设区域受富水断层带影响,岩体风化破碎,遇水易软化,受流水影响显著。围岩变形量大,变形速率极快,变形持续时间长,隧道变形破坏形式多种多样。(2)总结了他白依隧道围岩软岩类型。围岩变形机制为构造应力、重力机制、分子膨胀+胶体膨胀和断层-随机节理机制共同作用的复合型变形机制。通过双梯度注浆、长短 NPR 锚索及双层钢拱架支护工艺技术,可使复合型力学机制转化为单一型变形力学机制。(3)通过双梯度注浆承载力试验,表明双梯度注浆可提供稳定锚固区域,提高 NPR 锚索极限锚固力。基于数值模拟及现场试验,得到了他白依隧道最佳 NPR 锚索数目,说明了上台阶2 根 加 密 NPR 锚 索 支 护 可 有 效 控 制 软 岩 大变形。(4)现场应用及监测表明,隧道围岩变形均控制在 300 mm 以内,富水断层带隧道软岩大变形破坏得到有效控制。777第 6 期陶志刚等:富水断层带隧道变形力学机制及双梯度注浆 NPR 补偿对策参考文献1 王章琼,晏鄂川,王亚军.隧道穿越片岩断层破碎带塌方涌水机理及处治技术J.施工技术,2018,47(24):5-8.WangZhangqiong,YanEchuan,WangYajun.Mechanism and treatment technology of collapse andwaterinrushinfaultzoneschisttunnel J.Construction Technology,2018,47(24):5-8.2 吴金刚,陈建芹,马杰,等.富水断层破碎带大断面隧道设计与快速施工J.隧道建设:中英文,2022,42(S1):353-359.Wu Jingang,Chen Jianqin,Ma Jie,et al.Design and fastconstruction technology for large-cross-section tunnel inwater-rich fracture zone J.Tunnel Construction,2022,42(S1):353-359.3 杨辉.穿越断层破碎带隧道围岩大变形机理及控制技术研究D.阜新:辽宁工程技术大学,2022.4 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