宋之恒，余化彪，周 游，周宏根，文海榮

(云南省建設投資控股集團有限公司，云南 昆明 650000)

隨著我國基礎設施建設的快速發(fā)展，西南巖溶地區(qū)修建了越來越多的深埋富水巖溶隧道。在這些富水隧道的施工過程中，涌水、涌泥等問題往往制約著工程的順利進行，且容易造成隧道施工事故，造成重大傷亡。因此，深埋富水巖溶隧道施工中的關鍵問題是如何控制隧道內的涌水涌泥。

從國內外研究可知，在隧道圍巖內注漿可以加固裂隙巖體，控制巖溶水災害[1-4]。通常做法是根據隧道的水文地質條件和隧道涌水涌泥的特點，采用靜壓注漿法或高壓噴射注漿法將預配置的滲透漿液注入含水層，這一過程利用圍巖形成一定強度的水道，以確保其穩(wěn)定性并控制涌水。蹇宜霖等[5-7]利用超前地質預報技術和理論分析方法對穿越高壓富水區(qū)隧道工程進行注漿參數研究；華福才等[8-9]的研究主要側重于理論分析和數值模擬，研究了注漿圈相關參數的改變對隧道涌水和內部水壓力的影響。張成平等[10]依據地質預報結果，分析確定了合理的注漿參數，通過監(jiān)測數據評價了注漿效果；李鵬飛等[11]以廈門翔安海底隧道為研究對象，對海底隧道復合襯砌水壓力分布規(guī)律展開了研究，此外基于規(guī)范標準對如何合理確定注漿加固圈參數進行了研究。然而，目前對圍巖注漿方法的研究大多是基于注漿材料的研究，而對注漿參數優(yōu)化或注漿效果的研究相對較少，且大部分確定的注漿參數取決于工程經驗。

鑒于對注漿參數優(yōu)化或注漿效果的研究相對較少，本文以成都至貴陽高速鐵路的應山巖隧道的修建為研究案例，利用鉆孔所揭示的溶洞形態(tài)等特征，結合超前地質預測，采用帷幕注漿控制涌水和掘進工作面的穩(wěn)定性。根據數值模擬結果，本文優(yōu)化了注漿參數，最終確定合理的注漿參數。本文的研究成果可為這種深埋、高壓、富水隧道的施工提供參考。

1 項目背景及數值模型

1.1 工程概況

應山巖隧道平導位于四川省興文縣大壩苗族鄉(xiāng)及云南省威信縣舊城鎮(zhèn)境內，平導設置在應山巖隧道進口端線路前進方向左側30 m，全長2 164 m，起點對應正洞里程D2K254+362 m，單車道段襯砌凈寬5.0 m、凈高6.0 m，采用無軌單車道運輸，隧道巖溶發(fā)育，隧道所處位置地質有灰?guī)r、泥巖、頁巖夾砂巖、泥質灰?guī)r和煤層等，拱頂最大深度約250 m。

在距離隧道進口右側30～142 m的一個大洼地發(fā)育有一溶洞，隧道工作面前方3～30 m處有一個富含水溶性泥漿的空腔，根據現(xiàn)場鉆孔的具體情況和超前地質預報可以粗略推斷空腔充填體分布形式和尺寸，隧道出口空腔如圖1所示。處理空腔充填體的主要難點是初期泥漿壓力大、排量大、預排水工作量大、現(xiàn)場作業(yè)危險，且充填體空穴分布比隧道輪廓范圍寬，加之隧道圍巖強度低，造成開挖支護難度高，在空腔充填體內溶解水最初釋放后，會形成大面積的孔隙，如果處理不當，極易引起隧道內滑坡和突水突泥，影響隧道安全。

圖1 隧道出口空腔示意Fig.1 Schematic diagram of cavity at the tunnel exit

通過方案比選，考慮到上述困難和潛在風險，選擇帷幕灌漿作為加固措施處理隧道工作面富水溶洞，然后根據隧道支護參數采用臨時支護方法對Ⅴ級圍巖段進行開挖。

1.2 有限元模型

本文研究思路是根據隧道所處地質條件，對隧道注漿段注漿施工進行數值模擬研究，分析注漿斷面開挖和注漿參數對帷幕注漿的影響。因此，本文設計了多種工況的模擬，主要用于研究不同注漿參數下隧道周邊滲流場、位移場和塑性區(qū)之間的相對關系。

利用有限元軟件ABAQUS對應山巖隧道建立三維模型，模型尺寸100 m×100 m×50 m。其中，模型最大高度為100 m，模型表面由實際地形條件模擬，網格單元是線性的，由四面體型C3D4P組成，本構模型是理想的彈塑性摩爾—庫侖模型，模型如圖2所示。

圖2 隧道模型Fig.2 Tunnel model

材料的物理力學參數：密度2.5 t/m3，彈性模量6 GPa，泊松比0.25，內摩擦角50°，黏聚力0.7 MPa，滲透系數3.06×10-5m/h，與地質物探資料相符。

計算模型的邊界條件：位移邊界采用位移約束，即限制左右邊界的X方向位移，限制底部邊界的Y方向位移，并使頂面自由。在滲流邊界及其底部周圍設置透水邊界，允許周圍巖溶水和裂隙水輸送到計算模型。因此，流體可能流入(或流出)模型的邊界。注漿范圍距離隧道開挖輪廓5 m，注漿加固圈模型如圖3所示。

圖3 注漿圈模型Fig.3 Grouting circle model

2 注漿模型分析

本文主要分析了無注漿和全斷面帷幕注漿2種工況，無注漿工況下，注漿加固圈的參數與圍巖中的參數相同；對于全斷面帷幕注漿工況，注漿圈參數的設置：密度為2.6 t/m3，彈性模量為6.1 GPa，泊松比為0.2，內摩擦角為41°，黏聚力為0.8 MPa，滲透系數為3.06×10-6m/h。

2.1 孔隙水壓力結果分析

利用有限元分析結果，對位于隧道中段25 m的隧道開挖段進行了研究，分析了其力學和滲流特性。如圖4所示，在無注漿的情況下，在5 m的隧道開挖范圍內，最大孔隙壓力出現(xiàn)在隧道低部下方5 m，孔隙壓力為0.147 MPa，而在全斷面帷幕注漿下，注漿加固圈為5 m，最大孔隙壓力出現(xiàn)在橫向注漿加固圈的底部，孔隙壓力為0.155 MPa，由此可見在全斷面帷幕注漿下圍巖孔隙壓力比無注漿時大，說明注漿堵水能起到阻止圍巖裂隙水進入隧道內部的效果，從而導致圍巖孔隙壓力增大。

圖4 隧道開挖5 m范圍內孔隙水壓力的分布Fig.4 Tunnel excavation 5 m within the scope of the distribution of pore water pressure

2.2 滲流速度結果分析

流速矢量如圖5所示。由圖5可知，在無注漿和全斷面帷幕注漿時，隧道內涌水的最大流速均出現(xiàn)在拱腳，無注漿時最大流速為1.560×10-4m/s，全斷面帷幕注漿時最大流速為1.395×10-5m/s，通過對比分析表明，全斷面帷幕注漿時隧道的最大涌水流量明顯小于無注漿時，且兩者相差一個數量級。結果表明，隧道注漿能有效降低涌水流速，起到堵水作用，有利于隧道施工。沿著拱頂至左壁底部至拱底的路線提取涌水流速繪制成流速曲線，如圖6所示。從圖6中可發(fā)現(xiàn)，無注漿時滲流速度曲線存在尖點，表明隧道拱腳流速變化較大，會發(fā)生大量局部滲流，影響襯砌穩(wěn)定性，而全斷面帷幕注漿中流速曲線的變化較為平穩(wěn)，有利于襯砌結構的穩(wěn)定。因此，根據全斷面帷幕注漿的結果，本文采用全斷面帷幕注漿法對參數進行優(yōu)化。

圖5 流速矢量Fig.5 The velocity vector diagram

圖6 流速曲線Fig.6 Velocity curve

3 全斷面帷幕注漿參數的優(yōu)化分析

根據現(xiàn)場地質條件，本文對隧道注漿效果進行了數值模擬，主要通過數值分析對注漿加固圈進行研究，而注漿加固圈厚度可影響隧道滲透系數的大小。因此，可通過數值分析優(yōu)化注漿參數的滲透系數以得到一個合理的注漿加固圈，以優(yōu)化隧道施工。

3.1 注漿圈滲透系數的優(yōu)化分析

利用數值模擬結果分析了位于注漿加固圈5 m處的孔隙水壓力和滲流速度，已知Kr為圍巖滲透系數，Kg為注漿圈滲透系數，保持圍巖滲透系數不變，令Kr/Kg為2、4、6、8、10、12、14、16、18、20，由此繪制了孔隙水壓力、滲流速度與注漿圈滲透系數的關系圖(圖7、圖8)。從圖8可看出，當滲流速度減小時，最大減小幅度出現(xiàn)在隧道頂部，故選取滲流速度作為研究對象，計算滲透系數變化時滲流速度的下降幅度。

由此獲得最有效的滲透系數：

(1)

圖7 孔隙水壓力與注漿圈滲透系數的關系Fig.7 Relationship between pore water pressure and the permeability coefficient

圖8 滲流速度與注漿圈滲透系數的關系Fig.8 Seepage velocity and coefficient of permeability of grouting circle

式中，當滲透系數的比值為n時，ηn為滲流速度的下降幅度；vn為滲流速度；當滲透系數之比為1時，v1為滲流速度，即初始滲流速度。

通過提取數據計算得到滲透速度降低的幅度，見表1。

表1 滲流速度的減小幅度Tab.1 Decrease of seepage velocity

從圖7和圖8可以看出，當滲透系數的比值增大時，孔隙水壓力在增大，而滲流速度在減小。從表1得出，當滲透系數比增加到4時，滲流速度的減小幅度減緩，表明注漿加固圈系數對滲流速度的影響是不連續(xù)的。所以，滲透系數比為4是滲流速度減小幅度的拐點，注漿圈滲透系數為圍巖滲透系數的1/4是較為經濟合理的。

3.2 注漿圈厚度的優(yōu)化

為了研究注漿加固圈對滲流速度的影響，控制圍巖和注漿圈的滲透系數不變，調整了注漿加固圈的厚度，令注漿加固圈的厚度分別為2、4、6、8、10、12 m。最終得到滲流速度與注漿加固圈厚度的關系曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，當注漿加固圈厚度增加時，滲流速度減小，曲線以凹函數形式出現(xiàn)。當注漿加固圈厚度大于4 m時，隧道底部和拱腰處滲流速度顯著降低，表明隧道底部和拱腰處注漿加固圈流速顯著，而對拱頂流速的影響相對較小，因此注漿加固圈最優(yōu)厚度應為4 m。

圖9 滲流速度與注漿加固圈厚度關系Fig.9 Relationship between seepage velocity and thickness of grouting reinforcement ring

3.3 圍巖滲透系數的影響

通過計算隧道開挖后滲流速度，確定圍巖滲透系數的變化對隧道開挖的影響，并對厚度為5 m的注漿加固圈和未注漿時的數據進行對比。根據數值模擬的滲透系數和滲流速度變化范圍，選取了3組數據，滲透系數分別為3.05×10-5、1.2×10-6、2.55×10-7m/h，注漿加固圈厚度為5 m時滲透速度與圍巖滲透系數的關系如圖10所示。從圖10可以看出，隨著圍巖滲透系數的增大，滲流速度也隨之增大，且無注漿時的滲流速度比注漿時顯著增大。

圖10 滲流速度與圍巖滲透系數的關系Fig.10 Relationship between seepage velocity and permeability coefficient of surrounding rock

4 結論

本文利用有限元軟件ABAQUS對應山巖隧道帷幕注漿進行數值模擬分析，通過對數據的分析和2種工況的比較，可以看出注漿加固圈降低了涌水流速，從而有效地控制了滲流。但是隧道注漿雖然降低了涌水流速，但由于注漿加固圈中的孔隙水壓力增加，注漿加固圈必須承受更大的壓力。通過對數值模擬注漿數據和理論分析的綜合總結，進行了以下注漿優(yōu)化。

(1)當滲透系數比增加到4時，滲流速度的減小幅度減緩，表明注漿加固圈系數對滲流速度的影響是不連續(xù)的，所以滲透系數比為4是滲流速度減小幅度的拐點，注漿圈滲透系數是圍巖滲透系數的1/4較為經濟合理。

(2)當注漿圈位于隧道輪廓的4 m范圍內時，注漿堵塞效果最為顯著。建議將注漿范圍縮小到4 m以內，這樣可以降低工程材料的成本。

(3)隧道設計中提供的最終注漿壓力數據為2.0 MPa，但實際計算的最大孔隙壓力僅為0.155 MPa。當注漿壓力過大時，原始完整巖體可能會發(fā)生破裂，導致巖溶或巖溶軟弱巖石破壞，從而導致它們連接，這樣會顯著增加注漿量。因此，考慮到數值模擬的不確定性，修正優(yōu)化后的最終壓力為1 MPa。