罗胜利, 杨 翔

(1.中铁二院昆明公司，云南昆明650200； 2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

随着交通基础设施建设的持续推进和运营的需要，隧道工程建设不断向复杂地质环境发展，施工条件越来越复杂、施工难度也越来越大，西南地区已成为隧道工程的重点建设区域。其中粉细砂地层为软弱围岩地层，广泛分布于西南地区，富水粉细砂围岩自稳能力极差，隧道施工控制难度大，极易造成塌腔和塌方等灾害，对隧道结构、甚至人员的安全性造成威胁。因此，有必要对粉细砂地层隧道修建相关技术开展研究。

针对于软弱围岩地层修建隧道，当前国内外专家学者进行了大量的研究工作。闵书[1]讨论了隧道超前小导管注浆加固机理；王辉等[2]分析了不同小导管注浆参数下隧道开挖导致的地表沉降；赖金星等[3]研究了管棚加固下地表沉降和隧道变形规律；刘鹏飞等[4]针对高含水率黄土地层建立帷幕注浆模型，分析了帷幕注浆对地层的稳定性有较好的提升作用；董书宁等[5]通过放水试验、钻孔取芯等手段对帷幕注浆加固的效果分析评价。曾学艺等[6-7]针对大直径隧道穿越粉细砂地层的施工风险，提出采用高压旋喷桩预加固技术方案；殷洪波等[8]采用离散元法对粉细砂地层隧道进行围岩塌落过程模拟，并提出了旋喷桩加固围岩及开挖面的施工控制措施；牛斌等[9-10]通过注浆试验与数值分析的手段分析了柱洞法在粉细砂地层大断面隧道施工中的不足，并对粉细砂地层暗挖车站的施工方案进行了优化；王庆林和冷雅梅[11-12]对胡麻岭隧道粉细砂地层在富水条件下围岩的稳定性与工程措施进行了探讨，提出了富水粉细砂地层的相关施工方法和工程措施。

综上研究，许多学者已对富水粉细砂地层隧道进行了相关研究，但针对此类地层帷幕注浆预加固技术研究涉及较少。本文以某铁路隧道工程为依托，采用室内试验获得富水粉细砂土体的物理力学参数；结合数值分析方法，对富水粉细砂地层隧道的帷幕超前注浆技术进行数值模拟分析，以期为类似地层隧道超前预加固参数的确定提供参考。

1 工程概况

以中老昆万铁路某隧道工程为依托，隧道跨度为13.50 m、高度为12.79 m、最大埋深为153 m，隧道支护结构如图1所示。粉细砂地层段全长183 m，粉细砂土体成岩性较差，当不存在地下水时，围岩具有一定的自稳性；当遇到地下水的浸润作用时，土体结构自稳能力差，极易出现破坏，丧失承载力。此外在施工扰动作用下，粉细砂土体易变成松散的状态，使得隧道围岩稳定性急剧减弱；在隧道施工中，多次出现开挖面坍塌、隧道大变形等问题。

图1 隧道支护结构

2 富水粉细砂地层注浆效果模拟分析

2.1 数值计算模型

基于圣维南原理，计算模型边界取至开挖隧道洞径的3～5倍，左右边界到隧道中心线的距离保持在50 m左右，模型的底面与隧道的底部距离为45 m，模型的纵向长度取为40 m。选取最大埋深153 m处为分析对象，隧道顶部土体厚度取60 m；左、右两侧边界处和底部分别设置水平向位移和竖向位移，同时考虑地下水及自重应力场作用。隧道采用三台阶法施工。隧道具体施工计算模型见图2。

图2 隧道施工计算模型

2.2 计算参数

在现场取不同位置的粉细砂土样，进行相应的室内力学实验，得到粉细砂土体的力学参数，试验结果如表1所示。

根据GB/T50123-2019《土工试验方法标准》，研究了粉细砂土在不同孔隙条件下渗透性能的变化规律。采用变水头渗透实验,得到粉细砂试样在不同的孔隙率条件下的渗透系数，如表2所示。

初期支护为C25喷射混凝土；系统锚杆长度为3.50 m、直径为25 mm，采用梅花型布置，纵向间距和环向间距分别设置为1 m和1.2 m。注浆圈抗渗性能的降低可以选取渗透系数为5×10-4cm/s来模拟。粉细砂地层土体的物理力学参数详见表3。

表1 土样的物理力学参数

表2 不同孔隙率粉细砂的渗透系数统计

表3 计算模型物理力学参数

2.3 数值模拟分析

2.3.1 围岩位移变化特性

通常围岩的稳定性可通过围岩变形来判断。在数值计算中，选取模型中间断面(Y=20 m)为监测断面，其拱顶沉降、仰拱隆起和水平收敛的最终监测结果如表4所示。

由表4可知，相较于超前小导管注浆加固，全断面帷幕注浆能够有效控制隧道结构变形，这是因为全断面帷幕注浆的加固范围和注浆圈厚度相较于小导管注浆加固更大，有效提高隧道围岩强度。

表4 不同工况下隧道位移计算结果

2.3.2 开挖面挤出变形特性

基于开挖面的挤出变形的形态及量值，可以掌握超前核心土的围岩稳定状态。不同地下水位的最大开挖面挤出变形值如图3所示。

图3 隧道开挖面挤出变形曲线

从图3可以看到，开挖面挤出变形主要发生在台阶的中部区域。在仰拱部位挤出变形相对较小，这是由于仰拱的相对高度比较小，挤出变形的发生和扩展受到了限制。当拱顶上覆水位在60 m的时，超前帷幕注浆开挖面的最大挤出变形比超前小导管注浆加固条件下的最大挤出变形降低了93.1%，其变形量达到了8.98 mm，可见超前帷幕注浆可以更好地控制开挖面变形，达到安全施工的目的。

2.3.3 塑性区体积变化特性

采用拱顶上覆水位60 m为最不利研究水位时，超前小导管注浆和超前帷幕注浆条件下，围岩的塑性区纵向分布云图在下上台阶开挖到监测断面(Y=20 m)时如图4所示。

图4 隧道开挖至监测面围岩塑性区分布情况

由图4可知，在超前小导管加固条件下，开挖面已经完全进入塑性区，前方围岩塑性区分布广泛，剪切破坏的面积大。拱顶附近和开挖面前方围岩出现塑性区贯通情况，表明围岩出现了失稳；而采用全断面注浆时，洞周及掌子面围岩塑性区范围很小，表明围岩整体处于稳定状态。说明在粉细砂地层中，超前帷幕注浆能有效提高隧道围岩的整体稳定性。

3 结论

基于室内试验，研究了粉细砂土样的物理力学性质；结合数值模拟手段，对富水环境下粉细砂地层隧道施工中的全断面注浆效果进行了研究，主要结论：

(1)采用室内试验方法，确定了依托工程粉细砂土样的含水率为9.80%，密度为1.837 kg·m-3，相对密度为2.590，压缩模量为18.4 MPa。通过三轴试验确定粉细砂土样的粘聚力为3.69 kPa，内摩擦角为31.4°，并确定不同孔隙率粉细砂渗透系数。

(2)拱顶上覆水位60 m时，全断面注浆相较于小导管注浆加固情况，拱顶沉降降低了67.9%；开挖面挤出变形降低了93.1%；塑性区体积从13 172.3 m3降低至帷幕注浆的2 863.16 m3，降幅达到78.3%。全断面注浆有效地控制了隧道洞周围岩的变形，能保证隧道施工的安全。