隧道地表注浆加固.docx

地表预注浆加固公路隧道浅埋偏压破碎围岩效果分析

摘 要：针对XX隧道一段浅埋偏压破碎围岩的实际情况，为提高围岩强度，降低围岩的通透水性能，改善隧道成拱的作用，进而达到保护水资源、保证工程安全之目的，提出了采用水泥单液浆和水泥水玻璃双液浆的地面高压预注浆处治措施，并通过数值计算和现场试验详细分析了处治效果。综合分析表明：注浆处理后，围岩完整程度和强度明显提高，隧道断面净空收敛和拱顶下沉稳定速度较快，最终变形值较小，初期支护和二次衬砌整体受力特征得到很大改善，注浆处治效果非常显著。 关键词：隧道工程；地表预注浆；处治效果；数值分析；现场试验

1 引言
XX公路隧道常因地质地形原因要穿越浅埋破碎区，这就使隧道在开挖时容易造成冒顶式塌方，存在重大的安全和质量隐患，且在隧道施工过程中，由于埋深浅、岩层破碎、含水量大，极易出现大的涌水，造成隧道内的坍塌。开展快速、安全、经济的隧道浅埋破碎带处治技术研究，己成为高等级公路建设的重大课题，也是亟待解决的关键问题。注浆法是利用压力将能固化的浆液通过钻孔注入岩土孔隙或建筑物的裂隙中，使其物理力学性能得到改善的一种方法。该方法出现于19世纪初的法国，而我国的注浆技术研究起步较晚，20世纪50年代以前所做工作很少，50年代之后开始初步掌握注浆技术。
近年来，注浆法在土木工程的各个领域中，特别是在水电工程、井巷工程中得到了广泛的应用，已成为不可或缺的施工方法。在隧道工程中，地表注浆主要应用于围岩地质条件差、偏压、洞口及浅埋等段的围岩加固中。不可否认，经过50多年的发展，我国的注浆技术无论是在理论上，还是在实际应用上，都取得了长足的进展，提出了不同的注浆理论。但由于注浆工程的隐蔽性以及地质条件的复杂性，使注浆技术的发展仍相对落后于其他科学技术，尤其在公路工程建设中，由于缺乏系统的试验和研究，在注浆效果的综合评价方面未形成一套完善的方法体系，不免给设计和施工带来巨大困难，对工程造成经济损失。针对公路工程建设中的注浆技术进行全面而深入的研究，进而形成一套适合于公路隧道的注浆应用技术和综合评价方法体系显得非常必要。本文结合地表预注浆加固围岩在天汕高速公路广福隧道左线的浅埋偏压段实体工程中的应用，通过数值计算和现场试验详细分析了其加固效果，研究成果将有助于构建适合于公路隧道的注浆效果综合评价体系。

2 工程背景
天汕高速公路广福隧道，位于广东省梅州市蕉岭县广福镇和文福镇之间，为分离式双洞隧道，其中左线隧道全长2114m，右线隧道全长2101m，平面线形采用直线和半径4100m的圆曲线。隧道建筑限界宽10.75m，高5.00m；内轮廓净宽11.36m，净高7.01m。隧道山体受后期(喜山期)的构造运动影响比较严重，断层发育，尤其小断层较多。其中对隧道影响较大的F1断裂，与隧道走向平行；其次级的小断层横贯隧道，造成围岩破碎，岩体完整性差。注浆段为隧道左线，长60m，此段属于浅埋偏压段，最大埋深为29.3m，最小埋深为23m，围岩比较破碎。另外，此段多为弱风化碎裂花岗岩，局部微风化，中粗粒结构；岩石成分以钾长石为主，石英次之，含少量的黑云母；受构造运动影响，岩石构造节理裂隙发育，热液蚀变矿物叶腊石含量较多，常呈不规则脉状、团块状出现，致使岩石整体强度变低，岩石常沿裂隙面断开，而且松散状的覆盖土层相对较厚，顶板岩石厚度薄且破碎，同时结合钻孔施工时泥浆大量漏失的情况，开挖时极有可能出现大面积的坍塌、冒顶现象。因此，决定对该段实施地面高压预注浆处理，以提高围岩强度，降低围岩的通透水性能，改善隧道成拱的作用，进而达到保护水资源、保证工程安全的目的。

3 注浆实施方案
3.1 注浆材料
注浆材料采用水泥单液浆和水泥水玻璃双液浆两种，即外围周边孔采用双液浆，内部采用水泥单液浆。当内部的地下水丰富，地下水活动较强，吸浆量大，注浆压力不上升的情况下内外均采用双液浆。其中，注浆用水泥采用活性高，出厂日期不超过3个月的42.5R.以上普通硅酸盐水泥；水玻璃采用出厂浓度45 Be′(波美度)，模数2.8~3.4的水玻璃原浆，使用时用水稀释成35 Be′。
为了选择适合广福隧道地表注浆的最佳浆液配合比，对各配合比的浆液性能作了几组有代表性的现场试验，重点比较其凝结时间、抗拉强度及抗折强度。具体试验结果见表1。根据试验结果及设备所能达到的要求，决定单浆液水灰比为0.5︰1，双浆液水灰比为0.8︰1，而水玻璃和水泥的质量比为3︰20。

表1 现场配合比试验结果

3.2 注浆范围
注浆范围可根据地质情况、地下水压力大小和隧道施工方法等因素综合确定。一般来说，注浆加固半径为隧道开挖半径的2~3倍，当地下水压力过大或在水下施工时，应为隧道开挖半径的4~6倍。本次地表注浆加固的竖向范围为开挖轮廓拱顶以上8m至仰拱底以下2m；横向范围为开挖轮廓以外3.8m。注浆加固范围如图l所示。

图1 注浆加固范围图(单位：cm)
3.3 注浆孔布设
根据注浆试验确定注浆的扩散半径为1.5m，并通过现场对注浆压力、注入能力和注浆时间等情况确定其孔位布设如图2所示。注浆时，先行钻孔，钻孔孔径为ø91mm；之后在钻孔内放入ø32mm的钢管，钢管下半段钻设孔径φ10mm、间距40mm、呈梅花型布置的花孔；最后通过钢管向围岩注浆。

图2 地表注浆孔位布设图(单位：cm)
3.4 注浆压力
注浆压力是给予浆液在土层中渗透、扩散、劈裂及压实的能量，其大小决定着注浆效果的好坏和费用的高低。本次注浆岩性属于弱风化裂隙岩石、无大裂隙但有层理的沉积岩，经按有关规定计算得到注浆容许压力为1~3MPa。
3.5 注浆次序
在设计注浆孔的排列时，一般原则是从外围进行围、堵、截，内部进行填、压，以获得良好的注浆效果。本段注浆顺序为：整体注浆时先外围后内部，并采取隔孔注浆方式；分段注浆先注沟侧周边孔，后注山侧周边孔。每孔又采取分节注浆的方式，每次注浆结束后及时清孔，以便保证下次顺利压注。注浆结束标准以注浆终压和注浆量进行综合判定。
4 注浆效果分析
4.1 数值模拟计算分析
4.1.1 计算模型及施工过程模拟
(1) 计算模型
计算模拟采用ANSYS大型通用有限元软件，计算模型中用隧道与地层共同作用的受力模式模拟分析隧道结构的受力与变形，用四节点等参平面实体单元(PLANE42)模拟围岩(包括注浆段)；用二节点等参平面梁单元(BEAM3)模拟初期支护结构(其模量为格栅钢架和喷射混凝土的综合模量，即将喷射混凝土的模量提高到1.2倍)，用四节点等参平面实体单元(PLANE42)模拟二次衬砌，锚杆未作模拟即视锚杆对围岩的加固作用与施工扰动对围岩的破坏相抵。在计算过程中假定：①岩体的变形是各向同性的；②隧道的受力和变形是平面应变问题。
(2) 施工步骤
由于计算重在分析注浆效果，所以计算分析采用全断面开挖，开挖后假定洞周围岩释放40%应力，施作初期支护后释放40%应力，施作二次衬砌后再释放20%应力。整个模拟过程分为4个载荷步完成。具体步骤如下：①计算模型的初始应力；②全断面开挖；③激活初期支护结构；④激活二次衬砌。注浆段的模拟采用在计算过程中变换材料属性的方法实现。
4.1.2 材料计算参数选取
有限元数值分析中，隧道围岩材料特性按均质弹塑性体考虑，材料力学特性假定遵循Drucker-Prager屈服准则，当材料进入塑性状态后，其应力应变关系由塑性理论中的增量法求解。衬砌材料因其力学特性远较V级围岩好，计算中视为弹性体。2种材料的物理力学参数见表2。

表2 围岩与结构的物理力学参数

4.1.3 计算结果分析
(1) 初期支护计算结果分析
图3，4分别为注浆前后初期支护的弯矩和轴力图。
从图3可以看出：注浆前后，初期支护在埋深较大一侧拱脚处负弯矩值最大，未注浆时最大负弯矩值达14948N·m；注浆之后弯矩值降为7535N·m，减小了近一半。初期支护在埋深较大一侧仰拱靠近拱脚处正弯矩值最大，未注浆时最大正弯矩值达10674N·m；注浆后最大正弯矩值降为4761N·m，减小了一半以上。从初期支护弯矩值在注浆前后的变化可以看出注浆增加了围岩的强度，改善了其成拱作用，从而大大减小了初期支护的受力。
从图4可以看出：注浆前后，初期支护在埋深较小一侧拱腰处轴向压力值最大，未注浆时最大值达842084N；注浆后最大值降为771612N，减小了近10%，另外，未注浆时，仰拱两侧的轴向压力也较大，注浆后该部位轴向压力明显减小。注浆前初期支护在埋深较大一侧拱脚处轴向拉力值最大，达443208N；注浆后初期支护仅在仰拱中央出现较小的拉力，而注浆前轴力最大的部位由拉力变为压力，受力特征明显改善。从初期支护的轴力值在注浆前后的变化可以看出注浆加固围岩后，初期支护轴向压力减小幅度虽然不大，仅10%左右，但轴向拉力却大大减小，这使得抗压能力远大于抗拉能力的支护结构整体受力特征得到很善。
(2)二次衬砌计算结果分析
表3列出了注浆前后二次衬砌所受最大拉、压应力值。
从表3可以看出：注浆前后，二次衬砌拉应力最大值均出现在拱顶内侧，未注浆时最大值达2.26MPa，该值已超过混凝土的极限抗拉强度；注浆后最大值降为0.91MPa，减小了近60%。注浆前后，二次衬砌压应力最大值均出现在拱脚内侧，未注浆时最大值达15.30MPa，该值也接近混凝土的极限抗压强度；注浆后最大值降为9.64MPa，减小了近36%。从二次衬砌拉、压应力值在注浆前后的变化可以看出：注浆加固围岩后，二次衬砌拉应力大大减小，另外，压应力值也有较大幅度降低，二次衬砌整体受力特征得到很大改善，注浆效果非常明显。

图3 初期支护弯矩图(单位：N·m)

图4 初期支护轴力图(单位：N)

表3 二次衬砌受力分析比较表

4.2 现场实测分析
4.2.1 钻芯取样
为了验证注浆对围岩特征的改善情况，对注浆区域进行钻芯取样，钻芯取样图如图5所示。并对取样岩芯进行结石率和抗压强度测试。试验结果表明：岩体的结石率达到了96.5%，符合有关规范要求，岩体的结石率必须达到95%以上的要求；岩体28d平均抗压强度达到了9.7MPa，符合规范28d极限抗压强度不低于5.8MPa要求。

图5 注浆后钻芯取样

4.2.2 掌子面状况
图6，7分别为注浆段和相邻未注浆段围岩开挖后的掌子面。可以看出：注浆段开挖后掌子面滴水情况基本不明显，而相邻未注浆段围岩开挖后掌子面甚至出现了涌水情况，注浆止水效果明显。另外，现场观察还发现注浆浆液结石体，围岩的完整程度得到明显改善。

图6 注浆后掌子面状况

图7 相邻未注浆段围岩涌水

4.2.3 净空收敛与拱顶下沉
为了分析注浆效果，还在现场选取典型断面进行了净空收敛与拱顶下沉监控量测，测点布置如图8所示。图9，10分别为净空收敛与拱顶下沉随时间的曲线。
净空收敛监测结果(见图9)表明：注浆后隧道断面净空收敛稳定速度较快，10d左右即完成总变形的70%，20d左右基本完成收敛变形。净空收敛值较小，最终稳定收敛量不到13mm。
拱顶下沉监测结果(见图10)表明：隧道拱顶下沉与净空收敛变形具有基本一致的特征，即在前10d即完成拱顶下沉总量的70%，20d左右基本完成下沉变形。拱顶下沉值较小，最终稳定下沉量为13mm。这两项隧道变形结果综合表明注浆效果明显。

图8 变形测点布置

图9 净空收敛-时间曲线

图10 拱顶下沉-时间曲线

4.2.4 二次衬砌实测分析
为分析注浆后二次衬砌的内力，选取典型断面在二次衬砌的钢格栅内布设9对钢筋计，钢筋计采用格栅内外两侧对称布设方法，具体布设见图11。图12为现场测试结果(其中n，w分别为钢隔栅内侧与外侧测点；1，2，…，9为测点编号)。
由图12可以看出：格栅拱钢筋轴力在二次衬砌刚施筑时迅速增大，但2d后又开始减小并最终趋于稳定。这是由于读数开始期间，混凝土强度尚未完全形成，使得格栅拱和混凝土衬砌要保持协调作用，必然经历一个内部调整作用，因此变化较大。其值很快达到高值又下降并稳定下来，说明格栅拱提高了衬砌结构前期稳定性，但由于其柔性较大，只能承受部分荷载，随着混凝土强度的增长其他部分荷载转由混凝土来承担。格栅拱钢筋除在拱顶1，2，3位置内侧承受较小的拉力外，其他位置均受压，拱脚处内侧和拱顶处外侧轴向压力较大，这些测试结果与数值计算结果相吻合。另外，就量值而言，格栅拱钢筋轴力均很小，最大拉力为1.09kN，最大压力为14.36kN，说明二次衬砌整体受力并不大，这也体现了注浆处理的效果。

图11 二次衬砌格栅拱钢筋计布设

图12 二次衬砌钢筋应力-时间曲线