李天保

（中鐵十八局集團第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

1 引言

巖溶有多種多樣的發(fā)育形態(tài)和復(fù)雜的影響因素，施工時往往因難以預(yù)測富水巖溶區(qū)域的巖溶位置和形態(tài)而常遇到一系列的問題。 如在巖溶區(qū)域修建隧道時常會出現(xiàn)突水突泥等事故，嚴重可能導(dǎo)致地表出現(xiàn)塌陷等［1］。 在巖溶區(qū)修建隧道時，如何在安全的基礎(chǔ)上使隧道得以快速的穿越巖溶水體區(qū)是關(guān)鍵所在，而當(dāng)前在巖溶隧道的施工安全控制方面，主要采用的是注漿堵水的方法［2］。 為進一步確保施工的安全，對巖溶富水區(qū)注漿加固進行研究非常必要。

2 工程概況

九萬大山四號隧道（DK233+560～DK249+045），全長15485 米。 九萬大山四號隧道隧區(qū)屬中低山剝蝕溶蝕峰叢洼地地貌，地表巖溶洼地、落水洞、 漏斗、 溶洞發(fā)育，洼地平面形態(tài)呈現(xiàn)為多邊形、 橢圓形或圓形、 長條形及不規(guī)則形等?，F(xiàn)場調(diào)查隧區(qū)可溶巖大面積出露，巖性以灰?guī)r、白云巖為主，地表溶溝、 溶槽發(fā)育，洼地分布較多，約40 個，并伴隨有落水洞、 漏斗發(fā)育。 溶洞也較發(fā)育，經(jīng)綜合分析，隧道巖溶中等～強烈發(fā)育。 局部可能存在溶洞和小型地下巖溶管道，地下水蘊藏空間較大，水量較豐富。 隧道施工時遇涌水突泥的風(fēng)險較大，雨季更大。

3 注漿加固臨界富水高度的確定

當(dāng)有巖溶水存在時，隧道的支護開挖施工會對隧道的變形和受力造成較大的影響，嚴重可能會導(dǎo)致安全事故的出現(xiàn)，因此需確定一個臨界值，在大于該臨時值之后即需采取注漿加固措施。 當(dāng)前有較多關(guān)于判別圍巖穩(wěn)定性的方法［3-6］，綜合考慮之下，本文以 《公路隧道設(shè)計規(guī)范》 經(jīng)修正后的位移控制數(shù)值作為失穩(wěn)判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)圍巖失去穩(wěn)定性時的富水高度即為所需求解的臨界值。

3.1 初期支護極限位移值

支護體系在各施工階段應(yīng)起到的某種功能在極限狀態(tài)時的各部分位移即為極限位移，在隧道施工所導(dǎo)致的圍巖變形中，隧道位移值是最為直觀的表現(xiàn)。 在各個施工階段中，隧道洞室施工到施作初期支護的整個施工階段僅需較短的用時，不便于施工測量； 一般情況下，二次襯砌多被當(dāng)成是安全儲備，不具備測量的意義。 因此，在通過位移對隧道的穩(wěn)定性進行判斷時的核心是初期支護階段的極限位移值。 在現(xiàn)有規(guī)范里有給出初期支護施工時的相對允許收斂數(shù)值，但其未體現(xiàn)出支護參數(shù)等因素對極限位移的影響。 徐東強教授［7-9］通過有限元分析軟件FLAC3D 對不同參數(shù)條件下隧道各位置的極限相對位移進行模擬，基于尖點突變理論得出了洞周變形控制點的極限位移值。 其中，各控制點的具體位置如下圖1 所示。

圖1 隧道控制點分布示意圖

本文所依托隧道使用的是復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，有Ⅳ級和Ⅴ級兩種類型的圍巖，在具體模擬時以臺階法進行施工。 按照徐東強教授的理論，結(jié)合本項目特點，可以計算得到圍巖等級不同時隧道各控制點的極限位移值，具體如下表1 所示。 限于篇幅，本文僅列出部分數(shù)據(jù)。

表1 不同圍巖等級下各控制點的極限位移值

在具體進行分析時，各控制點的位移均會有所改變，以隧道到達極限位移值作為判斷失穩(wěn)的依據(jù)，此時相應(yīng)的富水高度就是臨界深度，隧道注漿加固的臨界點為該臨界埋深。

3.2 臨界富水高度的確定

對隧道在巖溶水條件下的位移和埋深進行數(shù)值模擬分析，結(jié)合上表2 所得數(shù)據(jù)，可得出圍巖級別不同時的臨界富水高度，具體如下圖2 和圖3 所示。

圖2 Ⅳ級圍巖下極限位移和埋深的關(guān)系

圖3 Ⅴ級圍巖下極限位移和埋深的關(guān)系

從圖中可以看出，隧道的極限位移和數(shù)值位移均和隧道埋深有線性聯(lián)系，在所模擬的埋深范圍內(nèi)，不管是哪種圍巖，初期支護的拱腰收斂值和拱腳數(shù)值模擬值均小于極限位移值，即拱腰和拱腳不會出現(xiàn)失穩(wěn)的情況； 但對于Ⅳ級圍巖而言，拱頂下沉數(shù)值位移在230m 遂道埋深后大于拱頂下沉極限位移，但在230m 前都較小。 因此，可以知道隧道在Ⅳ級圍巖時的臨界富水高度為230m 的埋深，該處即為需注漿加固的臨界點；同理可以知道，Ⅴ級圍巖的注漿加固臨界點為240m。

4 富水區(qū)注漿加固數(shù)值分析

4.1 注漿加固數(shù)值模擬方案

基于上述研究成果，對不同圍巖等級下施工超過臨界富水高度時的拱頂位移進行模擬，所得結(jié)果如下表2 所示。

表2 拱頂位移對比分析表

續(xù)表

從所得結(jié)果可以知道，在230m 到280m 的范圍內(nèi)，Ⅳ級圍巖有5%以下的位移相對差值；在240m 到280m 的范圍內(nèi)，Ⅴ級圍巖有10%以下的位移相對差值； 雖然拱頂下沉數(shù)值比極限位移數(shù)值要大，但僅有超出幅度較小，在確保安全的基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)濟性和適用性的原則，在模擬注漿加固措施時，決定對1m 加固厚度下的三種環(huán)向范圍內(nèi)的注漿加固圈進行模擬，三種環(huán)向范圍分別是1/4、 1/2 和1。

4.2 位移場計算結(jié)果及分析

因拱腰和拱腳收斂均為水平位移且始終保持在極限位移內(nèi)，因此在分析位移場時只對豎向位移進行考慮。 基于模擬結(jié)果，對拱頂下沉在各工況下的位移最大值進行統(tǒng)計，結(jié)合其極限位移數(shù)值，繪制下圖4 和圖5。

圖4 Ⅳ級圍巖拱頂下沉最大位移

圖5 Ⅴ級圍巖拱頂下沉最大位移

從結(jié)果上看，當(dāng)圍巖等級相同時，拱頂在越大的注漿加固圈環(huán)向范圍內(nèi)有越小的下沉位移數(shù)值，當(dāng)注漿加固圈環(huán)向范圍相同時，越大的圍巖等級下有越大的拱頂下沉位移。 隨著不斷增加的隧道埋深，拱頂下沉值也不斷增大，當(dāng)埋深相同時各工況的拱頂下沉量的排序為：1/4＞1/2＞1，表明在一定的加固厚度下，越大的加固圈環(huán)向范圍有越好的加固效果，隧道施工的安全性越高。

Ⅳ級圍巖里，在230m 至280m 的范圍內(nèi)，三種工況下的拱頂下沉位移最大值均保持在極限位移以內(nèi)； Ⅴ級圍巖里，在230m 至270m 的范圍內(nèi)，三種工況下的拱頂下沉位移均在極限位移以內(nèi)，但270m 至280m 的范圍內(nèi)，1/4 的加固工況無法符合要求，該種注漿條件下拱頂下沉位移已經(jīng)在極限位移之上。

將拱頂下沉最大值和拱頂未加固時的下沉最大值相減可以發(fā)現(xiàn)，雖然注漿加固圈環(huán)向范圍越大，拱頂下沉最大數(shù)值減小百分比也越大，但變化幅度基本相似，均小于3%，且減小的百分比均在9%左右； 從拱頂下沉最大值和極限值相比之下位移減小的百分比可以發(fā)現(xiàn)，減小的幅度均在5%以上，表明其具有一定的安全儲備。 因此，綜合經(jīng)濟性和安全性等因素進行考慮，在可以將拱頂下沉量控制在臨界位移值之下時，應(yīng)先采用1/4 環(huán)向注漿的方式。 即在Ⅳ級圍巖的條件下，在230m 至280m 的區(qū)間范圍內(nèi)，應(yīng)使用1m 注漿加固厚度、 1/4 環(huán)向加固范圍的工況。

對隧道在不同埋深和不同加固范圍下Ⅴ級圍巖拱頂下沉最大值和拱頂在未加固條件下的下沉最大值進行比較，排除掉280m 埋深時1/4 加固范圍的工況，從兩者所減小的百分比可看出，各工況拱頂下沉的最大值減小百分比均在15%以下，有較為接近的變化幅度； 但出于對安全的考慮，將拱頂下沉最大值和極限值進行比較之后所減小的百分比上看，在240m 至260m 范圍內(nèi)均有3%以上的減小幅度，可以有效確保安全性；但在270m 的埋深下，雖然1/4 加固范圍可以將拱頂下沉最大值保持在極限值以下，但只有約0.3%的減小幅度，缺乏一定的安全性，因此不宜使用，1/2 環(huán)向加固范圍的工況有約1.8%的減小幅度，可以確保安全性得到滿足； 在280m 埋深下，1/4 環(huán)向加固范圍的工況所出現(xiàn)的拱頂下沉最大位移仍不滿足要求，1/2 環(huán)向加固范圍的工況雖然可以將拱頂下沉最大值控制在極限值以下，但減小幅度較小，缺乏一定的安全性，因此不宜使用，全部環(huán)向加固范圍有約3.8%的減小幅度可以使安全性滿足要求。

綜合上述分析，在確保拱頂下沉最大值保持在極限值以下且安全性一定時，將圍巖等級不同時，不同埋深下徑向注漿加固最終方案確定如下表3 所示。

表3 注漿加固方案

在該隧道的局部淌水位置，施作初期支護后進行徑向注漿試驗，經(jīng)48h 后，待注漿加固圈完全凝固且施作二次襯砌之前，開展現(xiàn)場取芯工作。 為確保取芯的完整程度，以90mm 作為鉆孔直徑，深度為80cm，在注漿口下方30cm 的位置取芯，所得結(jié)果如下圖6 所示。

圖6 注漿加固區(qū)完整芯樣

從現(xiàn)場施工過程看，取芯過程較為順利，未出現(xiàn)頂鉆和卡鉆等情況，從取芯結(jié)果看，注漿斷面有較好效果，可以有效封堵滲漏點，有效改善地下水滲漏現(xiàn)象。 巖土體在注漿加固后更為完整，能夠有效分擔(dān)部分水壓力。

5 結(jié)語

本文基于初期支護極限位移的修正值，以數(shù)值模擬的方法探討了不同圍巖級別和富水高度下模型的位移數(shù)值，得出Ⅳ級圍巖的臨界富水高度為230m 埋深，Ⅴ級圍巖的臨界富水高度為240m，該臨界高度即為隧道注漿加固的臨界點。

探討了圍巖等級不同的隧道在三種拱頂環(huán)向注漿加固方式下的位移場，主要結(jié)論有：隨著不斷加大的隧道埋深，三種注漿加固工況下隧道的拱頂沉降不斷加大。 在將拱頂下沉最大位移控制在極限位移以下且具備一定安全性時，不同圍巖等級下各隧道埋深的加固方案為：Ⅳ級圍巖里，在230 至280m 的埋深下應(yīng)使用1m 加固厚度、1/4 加固范圍的方案； Ⅴ級圍巖里，在240-260m的埋深下應(yīng)使用1m 加固厚度、 1/4 加固范圍的方案，在260 至270m 的埋深下應(yīng)使用1m 加固厚度，1/2 加固范圍的方案，在270-280m 的埋深下應(yīng)使用1m 加固厚度、 全部環(huán)向注漿加固范圍的方案。