Ⅳ级软岩公路隧道注浆加固合理范围优化设计
时间：2023-06-19 18:10:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孙龙淼
（中交一公局集团有限公司,北京 100000）
在《国家公路网规划》提出全国公路规划至2035年的布局方案大背景下，国家各个省与直辖市也出具相应的公路规划，高速公路、国道、省道与县道等修建工作仍然在如火如荼地进行中，其中高速公路的修建无疑是最具难度的挑战，山区隧道屡见不鲜，也是存在已久的“大问题 ”[1]。
山区高速公路由于地质岩层形成原理复杂，围岩呈现出不单一与复合的特性，隧道的修筑过程中时常遭遇多种不同岩性的围岩，例如黄土、湿陷土岩溶、地下水发育等不良地质区域，由于软岩性质较差导致塌方与涌水等工程灾害时常出现，隧道施工与运营的安全稳定性也面临着较大的挑战，所以对于高速软弱围岩隧道穿越岩溶、地下水等发育等不良地质区域时，加固措施显得至关重要[2]。软弱围岩一般出现在地下水发育区段，遇水围岩可作降级处理，鉴于此国内外专家总结得出对隧道软弱围岩区域进行注浆加固，可以有效地改善隧道周围岩层的力学特性。龚斌等[3]依托实际工程对高水压盾构隧道穿越断裂区域的预先加固方案优劣进行分析，通过现场试验与实际监测，对加固效应进行了综合评价，为后来相似工程提供相应的参考价值。周新星综合评价隧道突水突泥机理与典型案例，对突水突泥注浆处治技术应用进行总结，评价了隧道断层破碎带突水突泥注浆安全防护技术。刘彬等以成都轨道交通30号线出入段区间隧道为对象，采用数值计算对不同地层条件下盾构隧道下穿高速公路时注浆加固范围开展了研究。高峰等为探讨注浆前后隧道周边围岩的力学稳定性，对单洞隧道进行注浆加固模型试验，确定了衬砌模型、围岩材料与注浆方法，验证了试验方案的可行性。付尧为解决大跨度浅埋软弱围岩隧道的进出口施工难度较大的问题，以实际隧道为依托工程，针对进洞施工的技术特点与难点，详细阐述钢花管应用于注浆加固技术的工艺流程、关键技术与适用性。
综合以上学者的实验与数值分析，可以看出为了让软岩隧道整体结构在施工期间保持良好的安全稳定性，其重难点在于分析隧道周边围岩位移、塑性区与初期支护受力如何变化，是否存在整体破坏或者局部破坏的可能性，结合现在人员安全、施工安全与环保适用的建设方针，在施工期间对隧道周边围岩进行注浆加固设计显得越来越具有研究价值。该文针对Ⅳ级软岩公路隧道施工阶段进行注浆加固展开分析，研究在不同注浆范围情况下，隧道围岩塑性区、变形与初期支护结构安全系数的变化规律，为相关软岩公路隧道施工阶段的安全稳定性提供相应参考意见。
该文工程背景为某Ⅳ级软岩公路隧道，为分离式单向两车道，平均埋深为66 m，内轮廓高9.6 m、宽11.3 m。隧道周边围岩以泥灰岩与云母片岩为主，岩石空隙与裂隙发育，遇见地下水发育，岩石易处于饱和状态且发生较大变形，采用分层台阶法进行开挖，初期支护为25 cm的喷射混凝土，二次支护采用45 cm的钢筋混凝土，数值模拟观测点为结构拱顶、拱腰、边墙、拱脚、仰拱。
结合隧道施工阶段影响围岩范围为5倍左右洞口直径，建立注浆加固围岩二维数值模型（纵向为单位长度），模型大小为120 m×100 m×1 m。围岩采用摩尔库伦模型，初期支护与二次支护分别采用弹性的实体单元与壳单元。
力学：上端为自由边界，下端采用全固定，左右前后均约束法向位移。
渗流：水头距隧顶11 m，上下前后左右均不透水，初期支护渗水且开挖断面始终为零水压，注浆加固后的弹性模量等参数按照一定范围进行优化设。
数值模拟加固圈范围工况为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m与3.0 m，数值模型见图1。隧道结构参数见表1。
表1 隧道结构相关参数取值
图1 Ⅳ级软岩公路隧道网格模型图
3.1 隧道围岩变形位移研究
选择拱顶竖向沉降、边墙水平位移与拱底竖向隆起共同作为位移特征值进行研究分析，提取0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m与3.0 m等6种加固圈范围工况的相应位移特征值，统计不同加固圈范围工况下的位移变化规律见图2，其中拱顶竖向沉降与拱底竖向隆起允许位移值为10.3 mm，水平位移允许位移值为8.6 mm，分析相关数据得出下列结论：
图2 不同加固圈范围的围岩位移变化
（1）拱顶竖向沉降、边墙水平位移与拱底竖向隆起均随加固圈范围的增加而减小，在加固圈范围由0.5 m变至3 m时，拱顶沉降、水平收敛与拱底隆起分别由4.9 mm、1.6 mm与7.9 mm减小至4.3 mm、1.2 mm与6.7 mm。周边围岩变形位移最大数值均表现于0.5 m加固圈范围工况。随着加固范围的增大，隧道将越来越稳定，0.5 m工况的竖向位移与水平位移均小于10.3 mm与8.6 mm，可以得出隧道在施工阶段处于稳定状态。
（2）由位移特征值大小可以看出，拱底隆起位移最大，说明隧道底部容易处于受拉状态，可能存在受拉破坏的可能性，而水平位移较小，表明水平挤入不明显。位移特征值变化速率亦是拱底隆起，变化速率随加固圈范围增大而减小，在2 m加固范围工况时出现转折点，在加固范围达到2 m后位移基本不发生变化，若继续进行逐渐加固，加固效应不明显，结合环保经济可以得出加固圈合理范围为2.0 m。
3.2 隧道围岩塑性区研究
位移与塑性区是有所关联的，位移由弹性变形与塑性变形以及其他变形所组成，分析塑性区分布规律可有效知晓隧道结构整体受力特性，图3是不同加固圈范围工况下的塑性区面积变化规律与塑性区范围分布云图（0.5 m与3.0 m加固范围），结合相关学者专家的理论与应用，将塑性区面积为隧道全断面面积的85%作为围岩塑性区评价标准，隧道横断面面积为105 m2，塑性区面积安全范围则为89 m2。
图3 不同加固范围的围岩塑性区面积变化规律
分析0.5~3.0 m的加固圈范围工况下的隧道围岩塑性区面积变化规律可以看出：
（1）从图中的塑性区云图可以看出，当加固范围由0.5 m变化为3.0 m时，塑性区范围与侵入深度明显减小，变化较为明显的地方为拱腰、边墙与拱脚处，拱顶与拱底处塑性区变化不明显。塑性区的存在说明了隧道可能存在拉伸或者剪切破坏的可能性。塑性区在施工阶段会较快形成，当二次支护完成后进行运营阶段，塑性区亦会有继续发展的趋势，最不利节点为拱脚。施工阶段在注浆加固应该重视拱脚处的注浆加固效果并动态调整设计，确保隧道围岩在拱脚处不发生局部破坏。
（2）塑性区面积安全范围89 m2为界限，分析得出当注浆加固范围在为0.5 m与1.0 m时，塑性区整体面积分别为133 m2与100 m2，均大于安全范围89 m2，表明还应继续增大加固范围。当加固圈范围达到1.5 m后才满足设计要求，达到2.0 m的注浆范围后，塑性区整体面积变化均在70 m2左右。继续扩大注浆加固范围，对隧道周边围岩塑性区减小并无更多促进作用，结合塑性区整体面积与经济实惠而言最合理的加固圈范围为2.0 m。
3.3 初期支护安全系数研究
已经分别分析了隧道围岩位移变形与塑性区范围变化规律，为了保证隧道施工阶段的安全稳定性，作为其中重要的荷载承担者初期支护的施工要求就显得至关重要。3.3小节就不同加固圈范围工况下的初期支护内力状态进行分析研究，运用结构设计原理对软弱围岩Ⅳ公路隧道施工期间的初期支护安全系数进行计算，从数值的角度去分析并且评价出隧道稳定性，结合经济实用的角度去得出加固圈合理范围，不同部位的初期支护内力值计算所得的安全系数见图4，综合确定初期支护抗压与抗压能力，将抗拉安全系数与抗压安全系数界限数值均定为2。
图4 不同加固圈范围工况下的初期支护安全系数变化规律
分析不同注浆加固圈范围条件下的隧道初期支护内力数值与安全系数得出：
（1）隧道初期支护的内力数值均随加固圈范围的增大而减小，围岩与初期支护在施工阶段一起承担隧道周边围岩荷载。当加固范围变大时，围岩自身属性得到提高进而可以承担更多的荷载，反之初期支护的内力就有所减小。不同工况的弯矩最大数值均位于拱脚处，由于剪切应力的作用，在拱脚的两端弯矩呈现出不同符号，所以在施工阶段，应该尽快封闭拱脚成环，抵挡围岩对初期支护的剪切应力，降低隧道初期支护发生局部破坏的可能性。
（2）分析表中的初期支护安全系数变化规律，结合安全稳定性进行分析，不同加固圈厚度工况下的拱顶、拱腰、边墙与拱底处的初期支护安全系数均高于界限数值2，例外的是在加固圈范围0.5~1.0 m的范围内，初期支护的安全系数小于2，表明在加固圈范围2 m以下，隧道初期支护拱脚处易发生局部破坏，综合拱脚可能受剪破坏，建议隧道加固圈范围应在2 m及其以上。
（3）隧道不同部位的初期支护安全系数均随注浆加固圈范围的增大而逐渐缓慢增大，变化速率却是与之相反的。在2 m加固范围之后，不同部位的安全系数变化趋于平缓，明显可以看出加固范围2 m是一个临界值，低于2 m隧道存在整体或者局部破坏的可能性，高于2 m各项指标参数变化不明显，所以为了避免隧道初期支护在施工阶段保持安全稳定状态，加固圈合理范围理所应当设置为2 m及其以上。
该文以某Ⅳ级软岩公路隧道为研究背景，基于不同注浆加固圈范围工况下，分析Ⅳ软弱围岩公路隧道施工阶段的安全稳定性，通过分析隧道周边围岩变形位移与塑性区分布、初期支护内力与安全系数等模拟数据，多角度多方面去分析论证了加固圈合理范围，得到以下结论：
（1）拱顶竖向沉降、边墙水平位移与拱底竖向隆起均随加固圈范围的增加而减小。拱底隆起位移最大，隧底存在受拉破坏的可能性，水平挤入不明显。位移特征值变化速率随加固圈范围增大也减小，结合环保经济得出加固圈合理范围为2.0 m。
（2）拱腰、边墙与拱脚处塑性区变化明显，拱顶与拱底处不明显，最不利节点为拱脚，施工应重视拱脚注浆加固效果，确保围岩不发生局部破坏，以89 m2为界限对比分析得出最合理加固圈范围为2.0 m。
（3）初期支护内力随加固圈范围增大而减小，弯矩最大数值位于拱脚处，应尽快封闭拱脚成环，抵降低隧道初期支护发生局部破坏的可能性。拱顶、拱腰、边墙与拱底处初期支护安全系数均高于界限值，综合拱脚可能受剪破坏，建议隧道加固圈范围应在2 m及其以上。初期支护安全系数变化速率随加固圈范围增大而减小，加固范围2 m作为临界值，为保证隧道初期支护的安全稳定，加固圈合理范围理所在2 m及其以上。
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