马 青， 罗禄森， 阳军生， 张 峥， 李林毅

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031； 2. 中南大学土木工程学院， 湖南 长沙 410075； 3. 长江勘测规划设计研究有限责任公司， 湖北 武汉 430010)

0 引言

随着国家经济的飞速发展，为满足人们日益增长的出行需求，以隧道建设为代表的基础建设项目迅速增加。隧道建设过程中不可避免地需要穿越岩溶富水地层，为降低衬砌水压、控制涌水量、保障结构安全，隧道注浆堵水是解决该问题的有效措施之一[1-3]。而在现有隧道设计与施工中，尤其对于岩溶富水区隧道，如何确定隧道注浆参数仍是普遍存在的难点问题[4]。截至目前，不少学者及研究人员对富水区隧道注浆参数进行了研究，王辉等[5]结合现场出现的突水、涌水灾害，采用ABAQUS软件进行动态仿真分析，优化注浆圈厚度，应用于施工现场并取得了良好的堵水效果；权乾龙[6]通过离散元软件实现注浆过程的细观力学模拟，并进一步研究了注浆圈渗透性和结构形式等因素对注浆堵水效果的影响，提出了合理的注浆圈厚度值；邹育麟等[7]结合实际工程，基于3种不同防排水形式探讨了注浆参数对衬砌水压与涌水量的影响关系，提出了适用于实际工程的合理注浆加固参数。上述研究结果经过工程实践验证，满足工程需求，能够较好地指导同类工程，已被工程人员接受与使用。但是，上述研究均是基于常规排水方式，即围岩渗水渗透进入隧道内并汇聚于侧沟，最终由侧沟、中心水沟共同排出的排水方式。近年来，随着岩溶富水区隧道建设项目的不断增多，常规排水方式在隧道运营过程中易产生较高的衬砌水压力，使衬砌结构受力特征随之改变[8]，导致衬砌开裂、仰拱隆起、翻浆冒泥等[9]。鉴于此，提出一种排水能力更强、隧底水压力控制效果更好的深埋水沟排水方式(见图1)，且经工程实践证明了该排水方式的可行性[10]。

随着深埋水沟排水方式工程应用[11-13]的不断增多，如何合理确定该排水方式下的注浆圈参数成为设计及施工人员关心的重点问题。为此，本文以某岩溶富水区隧道工程为依托，采用FLAC3D软件建立流固耦合计算模型，针对其注浆圈参数进行探讨，研究注浆圈厚度、注浆圈渗透系数对隧道涌水量、衬砌水压力、结构安全性的影响规律，由此提出注浆圈合理参数，以期为同类工程的设计与施工提供参考。

图1 深埋水沟排水隧道示意图Fig. 1 Sketch of deep-ditch drainage tunnel

1 工程概况及水文地质情况

1.1 隧道工程概况

拟建铁路隧道位于云南威信县境内，进口里程D2K254+362，出口里程D2K261+223，隧道全长6 861 m，隧道纵坡采用人字形坡，平均埋深150 m。隧址区地质构造复杂，地层岩体破碎，地表多为中低山地貌，植被较发育，最高处位于隧道洞身段中部，高程1 374 m。该隧道为可溶岩隧道，岩溶较发育，隧址区存在多条地下暗河，隧道开挖过程中可能揭露多处溶洞。隧道典型区段地质纵断面如图2所示。

图2 隧道典型区段地质纵断面Fig. 2 Geological profile of typical section of tunnel

1.2 水文地质情况

隧址区降雨量丰富，地形坡度较小，地表多处连续分布落水洞，地表水多以下渗和径流等形式排泄，地下水补给条件好，地下水丰富。隧身主要穿越地层的岩性为灰岩、白云岩、岩溶角砾岩，地下岩溶发育，存在多条暗河，且暴雨季节流量明显增大，经现场勘测，暗河最大流量达300 L/s，主要涌水区段属于强透水、强富水溶隙溶洞含水地层。

针对上述水文地质情况，尤其是断层、裂隙密集的部位可能出现地下水水头高、隧道涌水量大的问题，若修建过程中，未能选取合理的注浆堵水参数，易导致因堵水能力不足引发的运营期隧道水害的发生，或因过度强调堵水使得注浆费用大幅上升。因此，合理确定该隧道的注浆堵水参数具有实质性意义。

2 岩溶富水区隧道流固耦合计算模型

2.1 模型建立

根据隧道地质情况，选取具有代表性的D2K260+010断面(图2已标明)，地勘资料显示该断面位于断层接触带附近，埋深约为250 m，地下水头高度可达200 m。计算中顶部取实际埋深，两侧及底部距离隧道5倍洞径以上，最终范围取为150 m×300 m(宽度×高度)。

基于深埋水沟排水隧道结构断面设计图(见图3)，采用FLAC3D有限差分软件建立流固耦合模型(如图4所示)。围岩采用实体单元模拟，且服从摩尔-库仑屈服准则，隧道结构(支护结构、仰拱填充等)均采用实体弹性单元模拟。

图3 深埋水沟排水隧道结构断面图(单位： cm)Fig. 3 Cross-section of tunnel structure (unit： cm)

(a) 计算模型

(b) 模型细部图

渗流计算遵循如下假定： 1)地下水流动属于恒定流且满足Darcy定律； 2)围岩为均质、各向同性材料。模型力学边界取为底部固定约束，两侧水平约束； 渗流边界取为底部、两侧孔压固定，均能与外界发生液体交换[14]，初始地下水面位于隧顶以上200 m。

2.2 材料参数选取

根据地勘资料，该断面围岩主要为灰岩和白云岩2种，且以断层交界面为分界面，模型对上述2种岩体均予以考虑，围岩具体参数依据地勘资料取值；支护结构的力学参数按照“等效刚度法”计算；支护结构视为不透水介质，隧道排水通过隧底排水沟排水实现。各材料的计算参数见表1。

表1 材料计算参数Table 1 Calculation parameters of materials

2.3 分析工况设置

注浆圈参数中以注浆圈厚度、注浆圈渗透系数最为关键，因此，针对上述因素设置计算工况，如表2所示。

表2 分析计算工况Table 2 Analysis of calculation working conditions

3 注浆圈参数影响分析

3.1 注浆圈厚度的影响

基于已建流固耦合模型，对工况1-1—工况1-5进行计算，探讨注浆圈厚度对衬砌水压力、隧道涌水量、结构安全性的影响规律。

3.1.1 衬砌水压力影响分析

工况1-1—工况1-5衬砌水压力计算结果见表3，由表可知：

1)随注浆圈厚度的增大，衬砌水压力逐步降低，但不同位置处降幅不一，其中降幅最明显处为仰拱部位，这与深埋水沟排水作用有关。

2)注浆圈厚度小于3 m时，衬砌水压力减小幅度较小，衬砌结构仍承受较大的水压力；注浆圈厚度大于8 m时，继续增加注浆圈厚度，除仰拱外其他部位衬砌水压力减小不明显； 单纯针对衬砌水压力而言，注浆圈厚度取5～8 m较为适宜，既可较大幅度地降低衬砌水压力(初始水压2 MPa)，又可保证经济性。

表3不同注浆圈厚度对应的衬砌水压力

Table 3 Lining water pressure corresponding to thickness of different grouting circles MPa

3.1.2 隧道涌水量影响分析

工况1-1—工况1-5隧道涌水量计算结果如图5所示。由图可知： 随注浆圈厚度的增大，隧道涌水量逐渐降低。当注浆圈厚度从0 m增加至3 m，涌水量大大减小，降幅达62.5%；当注浆圈厚度从3 m增加至8 m，涌水量降低幅度明显减小，仅降低13.8%；当注浆圈厚度超过8m，隧道涌水量基本趋于稳定，表明继续增大注浆范围，已不能显著减小涌水量。因此，从控制涌水量角度分析，注浆圈厚度设计为5 m左右较为合理。

图5 随注浆圈厚度的增大隧道涌水量变化曲线

Fig. 5 Variation curve of water gushing volume with thickness of grouting circle

3.1.3 衬砌结构安全性影响分析

根据《铁路隧道设计规范》[15]中隧道结构安全系数计算方法，得到工况1-1—工况1-5隧道衬砌结构安全系数计算结果，见表4，由表可知：

1)随注浆圈厚度的增大，衬砌安全性逐步提升，其中仰拱处提升最为明显，这应与深埋水沟排水导致的隧身衬砌水压力分布不均有关。

2)不注浆时，衬砌安全系数小于2.0，结构安全性不能满足规范要求[15]； 注浆圈厚度小于5 m时，增大注浆圈厚度，衬砌安全系数提高幅度较大，其中，注浆厚度等于5 m时，衬砌最小安全系数为2.82，不仅能够满足规范要求，而且存在一定安全储备；注浆圈厚度大于8 m时，继续增大注浆圈厚度，衬砌结构安全系数提高不明显。

3)隧道注浆可一定程度提高围岩力学参数，降低围岩渗透性，注浆圈厚度的增加有利于衬砌结构安全性的提高，但是注浆圈厚度并非越大越好，安全余量的富余过度将造成较大浪费，因此，综合安全性与经济性要求，建议注浆圈厚度取值为5 m。

3.2 注浆圈渗透系数的影响

基于已建流固耦合模型，对工况2-1—工况2-5进行计算，探讨注浆圈渗透性对衬砌水压力、隧道涌水量、结构安全性的影响规律。

表4不同注浆圈厚度对应的衬砌安全系数

Table 4 Safety factor of lining corresponding to different thickness of grouting circle

位置注浆圈厚度/m035810拱顶1.282.082.823.513.66拱腰1.832.934.314.784.12边墙1.482.493.763.994.05仰拱1.983.224.734.965.11

3.2.1 衬砌水压力影响分析

工况2-1—工况2-5衬砌水压力计算结果见表5，由表可知：

1)随注浆圈渗透性的减小，衬砌水压力逐步降低，但不同位置处降幅不一，其中仰拱部位降幅最为明显，这与深埋水沟排水作用有关。

2)围岩与注浆圈渗透系数的比值从1变化到30范围内，衬砌水压力有较大幅度降低，其中仰拱部位水压力降幅达43.1%；渗透系数之比从30变化到50范围内，衬砌水压力进一步降低，但下降幅度明显减小；渗透系数之比超过50(即注浆圈渗透系数小于2×10-6cm/s)后，衬砌水压力基本维持不变。

表5不同渗透性比值对应的衬砌水压力

Table 5 Lining water pressure corresponding to ratio of different permeability MPa

3.2.2 隧道涌水量影响分析

工况2-1—工况2-5隧道涌水量计算结果如图6所示，由图可知：

1)随注浆圈渗透性的减小，隧道涌水量逐步降低。围岩与注浆圈渗透比从1变化到30范围内，隧道涌水量迅速下降，降幅达60.3%； 2)渗透比超过30后，涌水量下降曲线出现明显转折，下降速率明显降低，其中，比值等于50时，涌水量降幅为70.3%，隧道涌水已得到较好控制； 3)当渗透比超过50后，渗透性的变化对涌水量影响已不明显。因此，从减小涌水量的角度分析，通过注浆将围岩的渗透系数降低到注浆前的1/50(即注浆圈渗透系数等于2×10-6cm/s)是比较合理的。

图6 随注浆圈渗透性的隧道涌水量变化曲线

Fig. 6 Variation curve of tunnel water gushing volume with permeability of grouting circle

3.2.3 衬砌结构安全性影响分析

工况2-1—工况2-5隧道衬砌结构安全系数计算结果见表6，由表可知：

1)随注浆圈渗透性的减小，衬砌安全性逐步提升，其中仰拱处提升最为明显，这应与深埋水沟排水导致的隧身衬砌水压力分布不均有关。

2)不注浆时，衬砌安全系数小于2.0，结构安全性不能满足规范要求[15]；渗透性比值不超过50时，注浆圈渗透系数的减小能够较大幅度地提高衬砌安全系数，其中，比值等于30时，衬砌最小安全系数为2.56，不仅能够满足规范要求，而且存在一定安全储备；渗透性比值大于50(即注浆圈渗透系数小于2×10-6cm/s)后，继续减小注浆圈渗透系数，衬砌结构安全系数提高不明显。

3)注浆渗透性的减小能够降低隧身地下水补给能力，控制隧道涌水量，有效降低衬砌水压力，对于提高衬砌结构安全性存在有利作用，但是注浆圈渗透性并非越低越好，过分强调浆液的低渗透性不仅将使注浆费用大幅上升，而且衬砌安全性并不能得到明显提升，因此，综合安全性与经济性要求，建议注浆圈渗透系数取值为注浆前的1/30～1/50(即渗透系数取为2×10-6～3.33×10-6cm/s)。

表6不同渗透性比值对应的衬砌安全系数

Table 6 Safety factor of lining corresponding to different permeability ratio

位置渗透性比值1103050100拱顶1.282.182.562.823.00拱腰1.832.663.344.314.52边墙1.482.533.033.764.03仰拱1.982.873.934.734.91

4 合理注浆参数的选取

4.1 合理注浆圈厚度的选取

根据数值计算结果，针对本文依托工程，当注浆圈厚度为5 m时，仰拱水压力得到明显降低，隧道涌水量降幅达71.5%，已满足防排水设计要求，衬砌最小安全系数为2.82，衬砌安全性不仅能够满足规范要求，而且具备一定安全储备，在此基础上继续增大注浆圈厚度，对减小衬砌水压力和提高衬砌安全性的作用不明显，因此5 m的注浆圈厚度值相对经济合理。

除本文模拟计算外，亦收集了富水区典型隧道案例注浆圈厚度取值，见表7。

表7 富水区典型隧道案例注浆圈厚度取值

结合同类工程案例及本文计算结果，注浆圈厚度取值以5～6 m为宜，并应结合工程实际，进行技术经济对比，合理确定注浆范围。此外，对于高压富水充填型溶腔，应综合运用超前注浆、径向注浆、局部注浆和补充注浆等技术，实行渐进注浆、层层堵水、分层加固，以取得良好的注浆效果。

4.2 合理注浆圈渗透系数的选取

根据数值计算结果，针对本文依托工程，当注浆圈降低至未注浆时的1/50(即注浆圈渗透系数等于2×10-6cm/s)，仰拱水压力得到明显降低，隧道涌水量降幅达70.3%，已满足防排水设计要求，衬砌最小安全系数为2.82，衬砌安全性不仅能够满足规范要求，而且具有一定安全储备，在此基础上继续降低注浆圈渗透系数，对减小衬砌水压力、减小涌水量和提高衬砌安全性的效果不甚显著。

注浆圈的渗透系数越小，不仅需要的注浆工艺水平越高，可能存在技术上的可行性问题，而且实际施工中可能需要采用微细水泥或超细水泥，将导致注浆费用的大幅增加，存在经济上的合理性问题。经综合分析，对于渗透性强的软弱破碎围岩，注浆圈与围岩的渗透系数之比值取为1/50左右是比较合理的。

5 结论与讨论

本文以某岩溶富水区隧道为依托，采用FLAC3D软件建立流固耦合计算模型，对深埋水沟排水隧道合理注浆圈参数进行探讨，得到结论如下：

1)隧道注浆的主要作用在于降低衬砌水压力，合理控制隧道涌水量，保障衬砌结构安全。注浆圈厚度的增加或注浆圈渗透性的减小均能实现以上作用，并降低运营期岩溶富水区隧道水害发生的概率，但是并不代表在实际工程中注浆参数需要一味追求最值，而应结合工程实际，兼顾安全性和经济性，选取相对合理的注浆圈厚度、注浆圈渗透系数。

2)针对本文依托工程，当注浆圈厚度、渗透性比值分别取5 m、1/50时，衬砌水压力得到明显降低，隧道涌水量满足防排水设计要求，衬砌安全性不仅能够满足规范要求，而且具有一定安全储备，在此基础上继续增大注浆圈厚度或降低注浆圈渗透系数，对减小衬砌水压力和提高衬砌安全性的作用不甚显著。

3)结合同类工程案例，建议本文依托工程注浆圈厚度以5～6 m、渗透性比值以注浆前的1/50为宜(即注浆圈渗透系数取为2×10-6cm/s)，并应结合工程实际，进行技术经济对比，合理确定注浆范围，正确选取注浆圈渗透系数。

4)除合理选取注浆圈参数外，对于渗透性强的软弱破碎围岩，应综合运用超前注浆、径向注浆、局部注浆和补充注浆等技术，实行渐进注浆、层层堵水、分层加固，以取得良好的注浆效果。

5)此外，由于依托工程的富水高压特性，本文研究的注浆圈参数合理取值是以注浆堵水为主要目的，而对于以加固软弱地层为目的的注浆参数研究仍需进一步深入。本文主要采用数值仿真分析的研究手段，如何将研究结果更好地结合工程实际，用实测数据验证研究结果的正确性，将作为后续研究的主要方向。