隧道下穿水库注浆加固围岩稳定性分析

尹文平

(天津地铁建设发展有限公司，天津 300000)

0 引言

某隧道出口段开挖揭示岩体为泥质、炭质板岩质糜棱岩及角砾岩，揭露时片理清楚，层厚小于2 cm，岩体富水。随着隧道开挖不断接近水库影响区，围岩逐渐富水饱和，采用双侧壁导坑法开挖时砂砾状围岩饱和体不能自稳。在隧道穿越水库后，可能产生渗漏和涌水。因此，为确保今后的运营安全，需要对隧道行经库底区域进行地表加固处理。

采用有限元方法对地层加固前后的隧道开挖过程进行了数值模拟和分析，其目的是研究地层用高压旋喷桩加固的可行性，同时预测不同加固效果下隧道开挖时拱顶的沉降，为隧道下穿水库的安全施工提供帮助。

1 注浆加固措施

对洞顶水库出露地表及水库影响范围内的土层进行加固，加固采用高压旋喷桩，桩径为50 cm，桩间距1.0 m，梅花形布置。根据实地勘测，加固范围取50 m×60 m，旋喷桩自地表加固至隧底2 m，桩长19 m～34 m，共需加固桩3 051根/80 851.5 m。

2 隧道下穿水库施工方案的有限元数值模拟

2.1 模型的建立

有限元计算模型的范围沿隧道方向取为27 m，沿隧道断面方向100 m，上表面边界取至地表，下表面边界取至隧道底部以下24 m(见图1)。

图1 有限元计算模型

如图2所示为计算模型与隧道和地层加固范围的位置关系，其中矩形ABCD为高压旋喷桩加固地层的范围。

2.2 计算参数及材料模型

数值模拟中采用的围岩参数根据JTG D70-2004隧道设计规范附录A中围岩分级有关规定来选取，具体取值见表1。

该段隧道围岩的级别设计为Ⅵ级，其强度和刚度较低，受力时有较大的变形，可假设为弹塑性材料，材料塑性屈服采用Mohr-Coulomb屈服准则模拟。

2.3 施工工序模拟

本次有限元分析时，施工工序的模拟即按照采用双侧壁导坑法步序进行。此外，考虑到地层加固后围岩等级的提高，在模拟计算中还考虑了采用台阶法进行开挖。

图2 计算模型与隧道和地层加固范围的位置关系

表1 有限元计算模型材料参数表

3 有限元模拟计算结果及其分析

3.1 模拟计算工况的确定

本次数值模拟考虑了三种不同的地层加固情况，针对不同的地层加固效果，计算并分析了不同施工方法开挖隧道时隧道的变形。不同的地层加固和隧道开挖方法共分为以下六种工况，作为比较其中加入了地层未加固的情况。

工况一:

采用双侧壁导坑法施工，洞内采用大管棚、超前小导管、径向小导管注浆对拱顶进行支护，但不加固水库底部地层;

工况二:

采用双侧壁导坑法施工，洞内不采用大管棚、超前小导管、径向小导管注浆对拱顶进行支护，加固水库底部地层至Ⅴ级围岩强度;

工况三:

采用双侧壁导坑法施工，洞内不采用大管棚、超前小导管、径向小导管注浆对拱顶进行支护，加固水库底部地层至Ⅳ级围岩强度;

工况四:

采用台阶法施工，洞内采用大管棚、超前小导管、径向小导管注浆对拱顶进行支护，不加固水库底部地层;

工况五:

采用台阶法施工，洞内不采用大管棚、超前小导管、径向小导管注浆对拱顶进行支护，加固水库底部地层至Ⅴ级围岩强度;

工况六:

采用台阶法施工，洞内不采用大管棚、超前小导管、径向小导管注浆对拱顶进行支护，加固水库底部地层至Ⅳ级围岩强度。

3.2 各工况的拱顶沉降

各个工况下的隧道施工产生的地层竖向位移分布见图3，其中隧道拱顶的最大沉降见表2。旋喷桩加固起到了很好的改善地层条件、减小拱顶沉降和控制隧道变形的作用，另外采用双侧壁导坑法施工要比台阶法施工引起的拱顶沉降小很多，但施工工序要比台阶法复杂。

表2 各个施工工况下隧道拱顶的最大沉降值 mm

4 结语

1)高压旋喷桩加固起到了很好的改善地层条件、减小拱顶沉降和控制隧道变形的作用，另外采用双侧壁导坑法施工要比台阶法施工引起的拱顶沉降小很多，但施工工序要比台阶法复杂。

图3 各工况下施工过程中隧道拱顶的沉降曲线

2)在地层得到加固的条件下，采用台阶法施工时拱顶沉降不算很大，虽然台阶法施工简单，但考虑到工法转换的困难，不建议改换工法。