深埋富水岩溶隧道帷幕注浆参数优化分析

宋之恒，余化彪，周 游，周宏根，文海荣

(云南省建设投资控股集团有限公司，云南 昆明 650000)

随着我国基础设施建设的快速发展，西南岩溶地区修建了越来越多的深埋富水岩溶隧道。在这些富水隧道的施工过程中，涌水、涌泥等问题往往制约着工程的顺利进行，且容易造成隧道施工事故，造成重大伤亡。因此，深埋富水岩溶隧道施工中的关键问题是如何控制隧道内的涌水涌泥。

从国内外研究可知，在隧道围岩内注浆可以加固裂隙岩体，控制岩溶水灾害[1-4]。通常做法是根据隧道的水文地质条件和隧道涌水涌泥的特点，采用静压注浆法或高压喷射注浆法将预配置的渗透浆液注入含水层，这一过程利用围岩形成一定强度的水道，以确保其稳定性并控制涌水。蹇宜霖等[5-7]利用超前地质预报技术和理论分析方法对穿越高压富水区隧道工程进行注浆参数研究；华福才等[8-9]的研究主要侧重于理论分析和数值模拟，研究了注浆圈相关参数的改变对隧道涌水和内部水压力的影响。张成平等[10]依据地质预报结果，分析确定了合理的注浆参数，通过监测数据评价了注浆效果；李鹏飞等[11]以厦门翔安海底隧道为研究对象，对海底隧道复合衬砌水压力分布规律展开了研究，此外基于规范标准对如何合理确定注浆加固圈参数进行了研究。然而，目前对围岩注浆方法的研究大多是基于注浆材料的研究，而对注浆参数优化或注浆效果的研究相对较少，且大部分确定的注浆参数取决于工程经验。

鉴于对注浆参数优化或注浆效果的研究相对较少，本文以成都至贵阳高速铁路的应山岩隧道的修建为研究案例，利用钻孔所揭示的溶洞形态等特征，结合超前地质预测，采用帷幕注浆控制涌水和掘进工作面的稳定性。根据数值模拟结果，本文优化了注浆参数，最终确定合理的注浆参数。本文的研究成果可为这种深埋、高压、富水隧道的施工提供参考。

1 项目背景及数值模型

1.1 工程概况

应山岩隧道平导位于四川省兴文县大坝苗族乡及云南省威信县旧城镇境内，平导设置在应山岩隧道进口端线路前进方向左侧30 m，全长2 164 m，起点对应正洞里程D2K254+362 m，单车道段衬砌净宽5.0 m、净高6.0 m，采用无轨单车道运输，隧道岩溶发育，隧道所处位置地质有灰岩、泥岩、页岩夹砂岩、泥质灰岩和煤层等，拱顶最大深度约250 m。

在距离隧道进口右侧30～142 m的一个大洼地发育有一溶洞，隧道工作面前方3～30 m处有一个富含水溶性泥浆的空腔，根据现场钻孔的具体情况和超前地质预报可以粗略推断空腔充填体分布形式和尺寸，隧道出口空腔如图1所示。处理空腔充填体的主要难点是初期泥浆压力大、排量大、预排水工作量大、现场作业危险，且充填体空穴分布比隧道轮廓范围宽，加之隧道围岩强度低，造成开挖支护难度高，在空腔充填体内溶解水最初释放后，会形成大面积的孔隙，如果处理不当，极易引起隧道内滑坡和突水突泥，影响隧道安全。

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

通过方案比选，考虑到上述困难和潜在风险，选择帷幕灌浆作为加固措施处理隧道工作面富水溶洞，然后根据隧道支护参数采用临时支护方法对Ⅴ级围岩段进行开挖。

1.2 有限元模型

本文研究思路是根据隧道所处地质条件，对隧道注浆段注浆施工进行数值模拟研究，分析注浆断面开挖和注浆参数对帷幕注浆的影响。因此，本文设计了多种工况的模拟，主要用于研究不同注浆参数下隧道周边渗流场、位移场和塑性区之间的相对关系。

利用有限元软件ABAQUS对应山岩隧道建立三维模型，模型尺寸100 m×100 m×50 m。其中，模型最大高度为100 m，模型表面由实际地形条件模拟，网格单元是线性的，由四面体型C3D4P组成，本构模型是理想的弹塑性摩尔—库仑模型，模型如图2所示。

图2 隧道模型Fig.2 Tunnel model

材料的物理力学参数：密度2.5 t/m3，弹性模量6 GPa，泊松比0.25，内摩擦角50°，黏聚力0.7 MPa，渗透系数3.06×10-5m/h，与地质物探资料相符。

计算模型的边界条件：位移边界采用位移约束，即限制左右边界的X方向位移，限制底部边界的Y方向位移，并使顶面自由。在渗流边界及其底部周围设置透水边界，允许周围岩溶水和裂隙水输送到计算模型。因此，流体可能流入(或流出)模型的边界。注浆范围距离隧道开挖轮廓5 m，注浆加固圈模型如图3所示。

图3 注浆圈模型Fig.3 Grouting circle model

2 注浆模型分析

本文主要分析了无注浆和全断面帷幕注浆2种工况，无注浆工况下，注浆加固圈的参数与围岩中的参数相同；对于全断面帷幕注浆工况，注浆圈参数的设置：密度为2.6 t/m3，弹性模量为6.1 GPa，泊松比为0.2，内摩擦角为41°，黏聚力为0.8 MPa，渗透系数为3.06×10-6m/h。

2.1 孔隙水压力结果分析

利用有限元分析结果，对位于隧道中段25 m的隧道开挖段进行了研究，分析了其力学和渗流特性。如图4所示，在无注浆的情况下，在5 m的隧道开挖范围内，最大孔隙压力出现在隧道低部下方5 m，孔隙压力为0.147 MPa，而在全断面帷幕注浆下，注浆加固圈为5 m，最大孔隙压力出现在横向注浆加固圈的底部，孔隙压力为0.155 MPa，由此可见在全断面帷幕注浆下围岩孔隙压力比无注浆时大，说明注浆堵水能起到阻止围岩裂隙水进入隧道内部的效果，从而导致围岩孔隙压力增大。

图4 隧道开挖5 m范围内孔隙水压力的分布Fig.4 Tunnel excavation 5 m within the scope of the distribution of pore water pressure

2.2 渗流速度结果分析

流速矢量如图5所示。由图5可知，在无注浆和全断面帷幕注浆时，隧道内涌水的最大流速均出现在拱脚，无注浆时最大流速为1.560×10-4m/s，全断面帷幕注浆时最大流速为1.395×10-5m/s，通过对比分析表明，全断面帷幕注浆时隧道的最大涌水流量明显小于无注浆时，且两者相差一个数量级。结果表明，隧道注浆能有效降低涌水流速，起到堵水作用，有利于隧道施工。沿着拱顶至左壁底部至拱底的路线提取涌水流速绘制成流速曲线，如图6所示。从图6中可发现，无注浆时渗流速度曲线存在尖点，表明隧道拱脚流速变化较大，会发生大量局部渗流，影响衬砌稳定性，而全断面帷幕注浆中流速曲线的变化较为平稳，有利于衬砌结构的稳定。因此，根据全断面帷幕注浆的结果，本文采用全断面帷幕注浆法对参数进行优化。

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

图6 流速曲线Fig.6 Velocity curve

3 全断面帷幕注浆参数的优化分析

根据现场地质条件，本文对隧道注浆效果进行了数值模拟，主要通过数值分析对注浆加固圈进行研究，而注浆加固圈厚度可影响隧道渗透系数的大小。因此，可通过数值分析优化注浆参数的渗透系数以得到一个合理的注浆加固圈，以优化隧道施工。

3.1 注浆圈渗透系数的优化分析

利用数值模拟结果分析了位于注浆加固圈5 m处的孔隙水压力和渗流速度，已知Kr为围岩渗透系数，Kg为注浆圈渗透系数，保持围岩渗透系数不变，令Kr/Kg为2、4、6、8、10、12、14、16、18、20，由此绘制了孔隙水压力、渗流速度与注浆圈渗透系数的关系图(图7、图8)。从图8可看出，当渗流速度减小时，最大减小幅度出现在隧道顶部，故选取渗流速度作为研究对象，计算渗透系数变化时渗流速度的下降幅度。

由此获得最有效的渗透系数：

(1)

图7 孔隙水压力与注浆圈渗透系数的关系Fig.7 Relationship between pore water pressure and the permeability coefficient

图8 渗流速度与注浆圈渗透系数的关系Fig.8 Seepage velocity and coefficient of permeability of grouting circle

式中，当渗透系数的比值为n时，ηn为渗流速度的下降幅度；vn为渗流速度；当渗透系数之比为1时，v1为渗流速度，即初始渗流速度。

通过提取数据计算得到渗透速度降低的幅度，见表1。

表1 渗流速度的减小幅度Tab.1 Decrease of seepage velocity

从图7和图8可以看出，当渗透系数的比值增大时，孔隙水压力在增大，而渗流速度在减小。从表1得出，当渗透系数比增加到4时，渗流速度的减小幅度减缓，表明注浆加固圈系数对渗流速度的影响是不连续的。所以，渗透系数比为4是渗流速度减小幅度的拐点，注浆圈渗透系数为围岩渗透系数的1/4是较为经济合理的。

3.2 注浆圈厚度的优化

为了研究注浆加固圈对渗流速度的影响，控制围岩和注浆圈的渗透系数不变，调整了注浆加固圈的厚度，令注浆加固圈的厚度分别为2、4、6、8、10、12 m。最终得到渗流速度与注浆加固圈厚度的关系曲线，如图9所示。从图9可以看出，当注浆加固圈厚度增加时，渗流速度减小，曲线以凹函数形式出现。当注浆加固圈厚度大于4 m时，隧道底部和拱腰处渗流速度显著降低，表明隧道底部和拱腰处注浆加固圈流速显著，而对拱顶流速的影响相对较小，因此注浆加固圈最优厚度应为4 m。

图9 渗流速度与注浆加固圈厚度关系Fig.9 Relationship between seepage velocity and thickness of grouting reinforcement ring

3.3 围岩渗透系数的影响

通过计算隧道开挖后渗流速度，确定围岩渗透系数的变化对隧道开挖的影响，并对厚度为5 m的注浆加固圈和未注浆时的数据进行对比。根据数值模拟的渗透系数和渗流速度变化范围，选取了3组数据，渗透系数分别为3.05×10-5、1.2×10-6、2.55×10-7m/h，注浆加固圈厚度为5 m时渗透速度与围岩渗透系数的关系如图10所示。从图10可以看出，随着围岩渗透系数的增大，渗流速度也随之增大，且无注浆时的渗流速度比注浆时显著增大。

图10 渗流速度与围岩渗透系数的关系Fig.10 Relationship between seepage velocity and permeability coefficient of surrounding rock

4 结论

本文利用有限元软件ABAQUS对应山岩隧道帷幕注浆进行数值模拟分析，通过对数据的分析和2种工况的比较，可以看出注浆加固圈降低了涌水流速，从而有效地控制了渗流。但是隧道注浆虽然降低了涌水流速，但由于注浆加固圈中的孔隙水压力增加，注浆加固圈必须承受更大的压力。通过对数值模拟注浆数据和理论分析的综合总结，进行了以下注浆优化。

(1)当渗透系数比增加到4时，渗流速度的减小幅度减缓，表明注浆加固圈系数对渗流速度的影响是不连续的，所以渗透系数比为4是渗流速度减小幅度的拐点，注浆圈渗透系数是围岩渗透系数的1/4较为经济合理。

(2)当注浆圈位于隧道轮廓的4 m范围内时，注浆堵塞效果最为显著。建议将注浆范围缩小到4 m以内，这样可以降低工程材料的成本。

(3)隧道设计中提供的最终注浆压力数据为2.0 MPa，但实际计算的最大孔隙压力仅为0.155 MPa。当注浆压力过大时，原始完整岩体可能会发生破裂，导致岩溶或岩溶软弱岩石破坏，从而导致它们连接，这样会显著增加注浆量。因此，考虑到数值模拟的不确定性，修正优化后的最终压力为1 MPa。