摘 要：隧道穿越富水?dāng)鄬悠扑閹С０l(fā)生突涌水及圍巖變形失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害，帷幕注漿是治理隧道斷層破碎帶的有效方法，通過帷幕注漿在隧道周邊形成注漿加固圈，降低圍巖滲透能力，提高隧道周邊圍巖強(qiáng)度。為確定合理的注漿加固圈參數(shù)，提高注漿加固效果，基于流固耦合理論對隧道周邊滲流場、應(yīng)力場和位移場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同加固圈參數(shù)對隧道涌水及變形規(guī)律的影響。研究結(jié)果表明：隨著注漿加固圈厚度的增加，隧道涌水量和變形量均減少，但當(dāng)加固圈厚度大于一定值時(shí)，涌水量及變形量變化均趨于平緩。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出最合理的注漿加固參數(shù)并指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，研究結(jié)果對于完善帷幕注漿理論和指導(dǎo)類似工程注漿設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：注漿 流固耦合 數(shù)值模擬

中圖分類號：TU454 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（a）-0041-04

隨著我國隧道建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，隧道建設(shè)過程中遇到的地質(zhì)問題不斷增多，尤其隧道穿越富水?dāng)鄬悠扑閹r(shí)常發(fā)生突涌水及圍巖變形失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害。受斷裂構(gòu)造及斷層充填介質(zhì)的影響，斷層破碎帶具有圍巖破碎、導(dǎo)水路徑復(fù)雜多變等特點(diǎn)[1～3]。斷層破碎帶如得不到有效的處治，將嚴(yán)重影響隧道的正常施工安全和和運(yùn)營的長久穩(wěn)定性。

為保證隧道穿越斷層破碎帶時(shí)的安全穩(wěn)定，避免大變形及突涌水災(zāi)害，采用全斷面帷幕注漿的方式對斷層破碎帶進(jìn)行加固，降低圍巖滲透能力并提高隧道周邊圍巖強(qiáng)度。注漿加固圈厚度作為帷幕注漿的關(guān)鍵影響因素成為斷層破碎帶注漿加固治理的首要研究問題。在隧道斷層破碎帶注漿治理過程中，圍巖的應(yīng)力場與滲流場是相互作用的，注漿改變了圍巖力學(xué)參數(shù)，使隧道圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布，同時(shí)影響圍巖滲透率、孔隙率等參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致滲流場的改變；滲流場中孔隙水壓力等參數(shù)的變化又導(dǎo)致巖體有效應(yīng)力的改變，最終圍巖應(yīng)力場、位移場也隨之改變。因此，在研究注漿加固圈的合理參數(shù)時(shí)，應(yīng)該考慮圍巖應(yīng)力場和滲流場的耦合作用。

本文通過有限元計(jì)算軟件對注漿加固引起的滲流場、應(yīng)力場及位移場變化特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，討論加固圈不同參數(shù)（厚度、滲透率及彈性模量）對圍巖穩(wěn)定性及堵水能力的影響[4]，優(yōu)化注漿加固圈參數(shù)，有效指導(dǎo)注漿現(xiàn)場工程實(shí)踐。

1 工程背景

某隧道為單洞雙線輕軌專用隧道，地面高程482～543 m左右，地勢西高東低，高差60余米，坡角7°～10°。隧址區(qū)背斜是線路穿越的主要構(gòu)造，形成主要的富水區(qū)域。

隧道K26+770～K26+830段為斷層破碎帶，地層巖性為灰色，黃灰色厚層塊狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、巖溶角礫巖，屬雷口坡組與嘉陵江組結(jié)合部，為巖溶水富水層。圍巖裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，巖體破碎，強(qiáng)度較低，圍巖穩(wěn)定性極差，設(shè)計(jì)為Ⅴ級支護(hù)段。該段涌水類型為隧道拱頂股狀涌水、散淋水，隧道底板的區(qū)域涌水，斷層破碎帶全段涌水量>2000 m3/d。隧道涌水段擬采用帷幕注漿的方式對斷層破碎帶進(jìn)行堵水加固，在隧道周邊形成隔水承壓帷幕圈，確保隧道后期開挖的安全穩(wěn)定。

2 流固耦合模型

2.1 流固耦合理論

為簡化分析，將圍巖視為均質(zhì)、各向同性的彈性多孔介質(zhì)[5～8]。地下水在隧道圍巖中的滲流運(yùn)動(dòng)通過達(dá)西定律描述；巖土體的應(yīng)力與變形通過經(jīng)典彈性力學(xué)理論描述；根據(jù)有效應(yīng)力原理，水壓力與巖土體骨架有效應(yīng)力之和為巖土體總應(yīng)力。

滲流連續(xù)性方程為：

（1）

達(dá)西定律運(yùn)動(dòng)方程為：

（2）

考慮水的壓縮性，流體狀態(tài)方程為：

（3）

其中，為水的密度（kg/m3）；為滲流速度（m/s）；為介質(zhì)孔隙率；為流體壓力（Pa）；為水的動(dòng)力粘度，=0.001 Pa.s；為水的標(biāo)準(zhǔn)密度，=1000 kg/m3；為水的壓縮率，=4×10-10/Pa。

根據(jù)經(jīng)典彈性力學(xué)理論，巖土體主要服從平衡方程、幾何協(xié)調(diào)方程及本構(gòu)方程。

圍巖介質(zhì)平衡方程為：

（4）

幾何協(xié)調(diào)方程為：

（5）

本構(gòu)方程為：

（6）

（7）

其中，為巖土體應(yīng)力（Pa）；F為巖土體附加應(yīng)力（Pa）；為巖土體變形；E為彈性模量（Pa）；v為泊松比。

注漿加固圈及圍巖滲流場和應(yīng)力場的耦合作用遵循有效應(yīng)力原理：

（8）

其中，為巖土體有效應(yīng)力（Pa）；為水壓力（Pa）；為總應(yīng)力（Pa）。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算模型由襯砌結(jié)構(gòu)、注漿加固圈、周邊圍巖組成，巖土體為飽水狀態(tài)。模型上邊界為自由水面，模型設(shè)定為穩(wěn)態(tài)模型，不考慮時(shí)間因素的影響（圖1）。

斷層破碎帶圍巖破碎、圍巖彈性模量低、孔隙率高[9～10]、滲透性強(qiáng)。在確定斷層破碎帶物理力學(xué)參數(shù)時(shí)，對典型巖層取樣進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，并與相似工程類比，確定圍巖及襯砌的物理力學(xué)參數(shù)如表1。

依據(jù)實(shí)際工程狀況，計(jì)算模型設(shè)計(jì)尺寸為200 m×180 m的長方形，隧道斷面為實(shí)際尺寸，隧道襯砌厚度80 cm，加固圈厚度從0～20 m變化。模型左右邊界為輥支撐邊界，只能發(fā)生上下方向的位移，即u=0；下邊界為固定約束，即u，v=0；上邊界為自由邊界，發(fā)生自由變形。

襯砌排水性很強(qiáng)，經(jīng)加固圈滲流到襯砌的水隨即通過襯砌排水系統(tǒng)排出，因此襯砌承受水壓為零，設(shè)定襯砌外邊緣為自由出水邊界，即p=0；設(shè)定模型上邊界為自由水面；模型左右邊界和下邊界均設(shè)定為不透水邊界，即。水的滲流運(yùn)動(dòng)完全由水的自身重力引起。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在注漿過程中，采用不同的注漿材料、注漿工藝等因素會(huì)導(dǎo)致加固圈彈性模量、滲透率等物理力學(xué)參數(shù)變化[11]。在數(shù)值模擬過程中，通過控制注漿加固圈厚度、滲透率、彈性模量的變化，得出不同加固圈滲透率、不同彈性模量條件下隧道拱頂沉降、隧道水平收斂、1 m涌水段出水量隨加固圈厚度的變化曲線。

3.1 不同加固圈滲透率條件下，隧道襯砌變形量和涌水量隨加固圈厚度變化情況

加固圈厚度從1～20 m設(shè)定20個(gè)參數(shù)值；ks為圍巖滲透率，ks=1×10-12 m2，kg為注漿加固圈滲透率，取n=ks/kg，n取7種不同數(shù)值（如表2）。

數(shù)值模擬結(jié)果如圖2～3。

由以上數(shù)值模擬結(jié)果可知，若沒有注漿加固圈，隧道1 m涌水段出水量為1.38×10-3 m3/s，隧道拱頂沉降為206 mm，隧道水平收斂為122 mm，存在嚴(yán)重的安全隱患。

（1）在不同加固圈滲透率條件下，隨著注漿加固圈厚度的增加，隧道涌水量和變形量均明顯減少，但當(dāng)加固圈厚度大于5 m時(shí)，隧道涌水量及變形量變化均趨于平緩。

（2）注漿加固圈滲透率對隧道滲水量有明顯的影響，隨著注漿加固圈滲透率的降低，隧道涌水量明顯減??；當(dāng)滲透率減小到一定程度時(shí)，涌水量變化趨于平緩。加固圈滲透率對隧道變形量有一定的影響，隨著加固圈滲透率的降低，隧道變形量減少。

3.2 不同加固圈彈性模量條件下，隧道襯砌變形量隨加固圈厚度的變化情況

加固圈厚度從1～20 m設(shè)定20個(gè)參數(shù)值；Es為圍巖彈性模量Es=200 MPa，Eg為注漿加固圈彈性模量，取k=Eg/Es，k取5種不同數(shù)值（如表3）。

數(shù)值模擬結(jié)果如圖4。

由以上數(shù)值模擬結(jié)果可知。

（1）在不同加固圈彈性模量條件下，隨著注漿加固圈厚度的增加，隧道變形量明顯減少，但當(dāng)加固圈厚度大于5 m時(shí)，隧道變形量變化均趨于平緩。

（2）注漿加固圈彈性模量對隧道變形有明顯的影響，隨著加固圈彈性模量的增加，隧道變形量明顯減小。

4 注漿加固圈參數(shù)選擇

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著注漿加固圈厚度的增加，隧道變形量及涌水量都顯著減小，當(dāng)厚度增加到一定值時(shí)，厚度增加對涌水量及隧道變形的影響會(huì)降低。在該隧道工程中，當(dāng)加固圈厚度大于5 m時(shí)，隧道變形及涌水量變化均趨于平緩。

從工程經(jīng)濟(jì)性方面考慮，隨著注漿加固圈厚度的增加，工程造價(jià)不斷提高，而且加固圈厚度越大，單位厚度加固圈的成本不斷提高。綜合考慮理論可行性與經(jīng)濟(jì)適用性，該隧道斷層破碎帶注漿加固圈厚度取5 m最為合理。

以注漿加固圈厚度優(yōu)選分析結(jié)果為指導(dǎo)，在該隧道斷層破碎帶治理中，設(shè)計(jì)注漿加固圈厚度為5 m，為控制漿液擴(kuò)散半徑，提高注漿加固圈強(qiáng)度，選用水泥-水玻璃雙液漿，配合雙液注漿工藝施作注漿加固圈。現(xiàn)場取樣測得注漿加固圈內(nèi)漿-巖加固體的滲透率為1.02×10-14m2，彈性模量為6 GPa。圖7～8為該條件下的數(shù)值模擬結(jié)果。

由圖5～6可知，在整個(gè)滲流場中，滲流速度最快的區(qū)域分布在隧道開挖斷面附近，表明隧道開挖斷面附近水頭梯度大；隧道襯砌變形主要集中在隧道拱頂和拱底位置。

在數(shù)值模擬過程中，將滲流速度對隧道斷面周長積分得隧道14 m涌水段的涌水量5.90 m3/h；在隧道拱頂及兩幫位置設(shè)置變形監(jiān)測探針，得隧道拱頂沉降為30.3 mm，隧道變形量及涌水量均能滿足工程要求。

圖7為現(xiàn)場實(shí)測的隧道拱頂沉降曲線，隧道拱頂沉降累計(jì)變形量收斂于25 mm，同時(shí)實(shí)測隧道治理段涌水量5.6 m3/h。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本符合，驗(yàn)證了模型的可靠性。

5 結(jié)論

采用有限元分析軟件對隧道周邊滲流場及應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了注漿加固圈不同參數(shù)對隧道變形及涌水量的影響，進(jìn)而得出以下結(jié)論。

（1）隨著注漿加固圈厚度的增加，隧道涌水量和變形量均明顯減少，加固圈厚度大于一定值時(shí)，隧道涌水量及變形量變化均趨于平緩。綜合考慮理論可行性和經(jīng)濟(jì)適用性，選擇合理的注漿加固圈厚度。

（2）在實(shí)際工程中，隧道滲流場和應(yīng)力場發(fā)生相互耦合作用。注漿加固圈滲透率不僅影響隧道涌水量，也對隧道變形有影響，隨著加固圈滲透率降低和彈性模量增高，隧道變形量和涌水量都減少。

（3）針對某隧道斷層破碎帶帷幕注漿治理工程，應(yīng)用流固耦合理論分析注漿加固圈不同參數(shù)對斷層破碎帶堵水加固效果的影響，優(yōu)選注漿加固圈參數(shù)并成功應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)踐，應(yīng)用效果顯著，對類似工程有一定指導(dǎo)意義。

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