隧道工程富水斷層破碎帶注漿加固機理及應用研究

張克陽

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引 言

在我國云貴川地區修建隧道工程，需要面臨地質構造環境復雜、地層巖性多變以及突水涌泥、拱頂坍塌等諸多災害的嚴峻考驗。這是因為該區域內受到印度次大陸板塊與歐亞板塊的劇烈碰撞，誘發了大范圍的區域構造運動，造就了區域內的地形起伏劇烈、溝谷縱橫，巖土體內部也出現擠壓、抬升、張裂等應力應變現象，使得巖土體在空間分布上具有明顯的各向異性，形成的斷層破碎往往控制區域的地質災害特征[1-3]。在隧道工程開挖過程中，斷層破碎帶受到不恰當的施工擾動、地下水環境的壓力、充填物質的軟弱力學性質以及水土物質的運移，極易造成隧道突水涌泥、支護結構失效破壞，引發工程災害事故。因此，研究注漿加固技術成為解決富水斷層破碎帶隧道施工問題的有效途徑[4]。

1 工程背景

1.1 隧道概況

擬建的某山嶺公路隧道工程位于四川省雅安市境內，隧道長度為7 033 m，里程為K104+525—K111+558，隧道工程是樂山通往金口河、漢源的交通咽喉，也是通往瀑布溝、烏斯河、順河彝族鄉的必經之路。該隧道屬重要工程，工程安全等級為一級；場地地形地貌復雜，為一級場地；巖土種類較多，性質變化較大。

1.2 隧道場區工程地質背景

隧道地形地貌屬于構造剝蝕低山地貌，受到構造和剝蝕作用，山地侵蝕切割造成坡地與山谷之間存在較大的相對高程，最大相對高差達178 m。相對于區域侵蝕基準面而言，山嶺受到的自然剝蝕、河流切割作用更為劇烈，切割相對高程大于300 m。由于受構造及巖性控制山體被切割起伏的形態變化較大，隧址范圍內以深切的溝谷陡崖區地貌為主，上覆地層主要為松散的第四系坡積層，分布范圍較廣，且厚度大小變化不一，基巖主要以石炭系巖石為主。

場區內出露的基巖，分布廣泛。在隧道斷面中下部，地層巖性主要為紫紅色的泥質粉砂巖，由于粉砂巖的含泥量較高，盡管在取出后巖塊具有一定的強度，取芯率可以達到70%～85%，巖體完整度等級為較完整，柱狀的巖芯上肉眼可見分布的網狀的節理裂隙，膠結程度較好，但遇水極易軟化，受到陽光暴曬和空氣中氧化后，形成碎裂的土塊，手捏極易破碎巖體的基本質量等級判別為V類。在隧道斷面上部分布的斷層破碎帶主要為泥巖，巖質極軟，遇水軟化后無自穩能力，極易誘發垮塌和突水涌泥。

場區內的構造以北北東-南南西的褶皺為主，其次有北西-南東向褶皺構造疊加。由于場區處于復式背斜的東翼近核部位置，場區斷層破碎帶發育，地下水豐富。場區斷層破碎帶統計見表1。

表1 場區斷層破碎帶統計

續表

2 水泥注漿在富水斷層破碎帶中的加固機理

水泥注漿在富水斷層破碎帶中的加固機理十分復雜，它是通過壓力設備將水泥流體注入巖土體的裂隙和孔隙中，達到初始充填，并借助水泥流體的壓力傳導效應進行擴散，在巖土體中發生離子交換、擠密固結等一系列物理化學反應，水泥漿液在巖土體內部形成漿液網絡結構，使得斷層破碎帶的力學強度性質、滲透性能得到改善，進而達到加固斷層破碎帶的目的[5]。

在注漿加固機理分析中，可以通過建立理想化的分析模型，通過數學分析手段進行水泥注漿的擴散及加固方程的求解[6]。在建立數學模型前，可以假設水泥漿液為賓漢體(Bingham)漿液，這種理想化的漿液考慮了水泥的固相顆粒，且具有非均勻的懸浮液特性。這種漿液流體在受到剪切應力作用后，其剪應力小于流體屈服剪切力時，流體發生線彈性變形；而當剪應力大于屈服剪應力后，流體將產生牛頓流體運動，黏度發生時變性。水泥漿液在注入巖土體后其擴散規律為徑向劈裂擴散，認為其流動過程為層流，不發生邊界滑移，且在巖土體內部形成的劈裂半徑足夠大，在注漿范圍內的巖土體為均勻連續介質[7-8]。建立的注漿加固數學模型如圖1所示。

圖1 水泥注漿在富水斷層破碎帶中的加固模型

由流體力學可知，水泥漿液內部的剪切力和速度分布分別如公式(1)、公式(2)所示：

(1)

式中：τ為水泥漿液受到的剪應力；hp為水泥漿液的流動核心區半徑；y為漿液擴散方向上的坐標；A為漿液在空隙內的斷面面積。

(2)

式中：μ(t)為黏滯力；v為水泥漿液的擴散速度。

水泥漿液在巖土體內的擴散可以認為是圓柱體擴散，因此可以采用積分方法對單位時間內沿擴散方向上的注漿量進行求解，得到公式(3)如下：

式中：Fx為注漿壓力。

變換公式(3)，得到：

(4)

在某個時間段內，注漿漿液的擴散距離與時間的關系如公式(5)所示：

(5)

聯合以上方程，符合邊界條件x=r0，p=p0可以得到：

式中：Δp為斷層破碎帶中的水泥漿用量；tg為注漿時間；R為水泥漿最大擴散半徑；r0為注漿孔初始半徑；ρ為密度；g為重力加速度；n和k為水泥漿的時變參數指標；α為斷層破碎帶的傾角；θ為注漿擴散角度。

公式(6)即為水泥注漿的擴散-加固控制方程，描述了水泥注漿的時間過程以及注漿參數，表達了水泥注漿量的時空演變過程。

3 注漿加固應用效果分析

在隧道掘進至里程K109+345(斷層破碎帶編號LX1的起點)段落時，在設計的支護措施基礎上進一步采取了加固措施，具體的加固手段為隧道全斷面采用密集鋼架支護，鋼架的每榀間距為600 mm，材質為I20b型鋼；在隧道拱墻位置布置了φ8的鋼筋網片，網片的網格大小為20 cm×20 cm，并增加混凝土噴射厚度，噴射厚度值為27 cm，采取的混凝土等級為C25，而在仰拱的位置保留原有的混凝土設計噴射厚度，噴射厚度值為25 cm，噴射混凝土等級為C25；在隧道拱頂位置，布設了Φ22組合中空錨桿，在隧道拱頂縱向方向上，按照每延米12根進行布置；在隧道邊墻位置，同樣地布設了Φ22砂漿錨桿，但布設的間距更為密集，在隧道邊墻縱向方向上按照每延米10根進行布置。但是在上臺階拱架安裝完畢后，施工超前小導管過程中，掌子面突然出現土塊掉落現象，并且越來越嚴重，然后右側拱腳處突然出現較大的流水，緊接著掌子面右側出現涌泥現象，并且越來越大，在短短10 min內突水涌泥達8 m3之多，如圖2所示。此時，在K109+353.9處上方出現2道寬約15 cm的環向裂縫，上臺階右側及拱部出現縱向裂縫，接著K109+356—K109+345初期支護發生嚴重的變形，根據量測數據顯示，最大變形量達36.80 cm。

圖2 隧道突水涌泥狀況

針對實際的地質條件，結合工程現狀，K109+325—K109+345(斷層破碎帶編號LX1)段隧道掌子面采取注漿預加固軟弱地層，加固范圍長20 m、寬30 m(隧道中線兩邊各15 m)，鉆孔長42 m，注漿加固范圍為隧道拱部以上8 m，嵌入至隧道上斷面泥巖以下4 m，注漿間距為0.7 m×0.7 m，梅花形布置；注漿加固采用P.O 42.5水泥配制漿液，其水灰比W/C=0.5，外加3%的CaCl2作為速凝劑。

如圖3所示，對隧道拱頂的變形監測結果表明，在隧道開挖初始階段(0～16 d)，拱頂的沉降相對較小，從1.80 mm至7.24 mm逐漸抬升，但抬升速度較慢，而在突水涌泥階段(16～21 d)，隧道的拱頂位移急劇增加，從開挖第16 d的7.24 mm急劇增加到第21 d的36.8 mm，增加幅度為408%，這時候采取注漿措施后，拱頂的位移仍繼續增加，但呈現收斂趨勢，在逐漸完成后(25 d以后)，拱頂位移趨于穩定，沉降值約為65.50 mm。以上表明，采取的注漿措施能夠有效地控制富水斷層破碎帶的隧道拱頂位移，起到了良好的加固作用。

圖3 隧道拱頂沉降變化過程

圖4 隧道注漿量實測值與計算值比較

按照公式(6)對富水斷層破碎帶的注漿量進行計算，并與實際監測值進行比較，如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著時間的變化，水泥注漿量呈現出先增加后趨于收斂的非線性變化，而監測值與計算理論值具有良好的一致性，注漿誤差小于5%，表明根據公式(6)計算得到的注漿量具有較好的實用性。

對隧道里程范圍K109+325—K109+345富水斷層破碎帶注漿前后的滲透系數進行監測，結果如圖5、表2所示。從圖5中可以看出，在注漿前，富水斷層破碎帶的滲透系數變化范圍為(5.88～8.24)×10-4cm/s，而注漿后的富水斷層破碎帶的滲透系數得到大大降低，其變化范圍為(0.15～0.68)×10-5cm/s。由此表明，采取的注漿加固措施對富水斷層破碎帶的滲透性具有明顯的改善作用，填充了巖土體之間的孔隙，并形成有效的阻水骨架，大大降低了斷層破碎帶的滲透性。

圖5 富水斷層破碎帶的滲透系數比較

表2 富水斷層破碎帶注漿前后的滲透系數變化

4 結 論

以某山嶺隧道工程富水斷層破碎帶的注漿加固為例，采用理論手段對水泥注漿加固機理進行了分析，推導出了水泥注漿的擴散-加固控制方程，并結合現場監測的手段，對隧道的拱頂位移、注漿量和富水破碎帶的滲透系數進行監測，得到以下幾個結論：

(1) 采取注漿加固后，拱頂位移趨于穩定，沉降值約為65.50 mm，表明采取的注漿措施能夠有效地控制富水斷層破碎帶的隧道拱頂位移，起到了良好的加固作用。

(2) 隨著時間的變化，水泥注漿量呈現出先增加后趨于收斂的非線性變化，而監測值與計算理論值具有良好的一致性，注漿誤差小于5%，表明根據文中所列的公式(6)計算得到的注漿量具有較好的實用性。

(3) 采取的注漿加固措施對富水斷層破碎帶的滲透性具有明顯的改善作用，填充了巖土體之間的孔隙，并形成有效的阻水骨架，大大降低了斷層破碎帶的滲透性。