富水粉细砂地层引水隧洞注浆加固方案研究_李君华.pdf

2023 年第 2 期水利技术监督工程实践DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.061富水粉细砂地层引水隧洞注浆加固方案研究李君华(江西省水利水电开发有限公司，江西 南昌 330000)摘要:针对富水粉细砂地层引水隧洞开挖过程中易出现掌子面垮塌、初始支护结构开裂和拱顶大面积塌腔问题，提出采用超前帷幕注浆加固方式取代原有的超前小导管注浆支护方式，并利用数值模拟方式对 2 种注浆加固措施的效果进行对比分析。结果表明:在上覆水位 60m 的最不利工况下，采取小导管注浆时可将孔隙水压力、拱顶沉降、仰拱隆起、水平收敛变形、掌子面挤出变形和塑性区体积分别降低 2.5%、11.2%、3.2%、3.6%、3.5%和17.2%，而采取全断面超前帷幕注浆时，可分别降低2.85%、70.5%、73.7%、85.9%、93.3%和81.9%。在超前帷幕注浆加固方式下，围岩稳定性得到有效提升。关键词:富水粉细砂地层;引水隧洞;小导管注浆;超前帷幕注浆;数值模拟中图分类号:TV554;TV543.5文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0246-04收稿日期:2022-10-17作者简介:李君华(1971 年)，男，工程师。E-mail:1工程背景某引水式水电站引水隧洞全长 16.82km，海拔1350 1500m，最大高差 150m，埋深 150 200m，跨度 13.5m，高度 12.8m，属于大断面引水隧洞。隧洞区年平均降雨量为 1415.1mm，年平均温度18.3，自上而下可划分为上覆土(碎石、角砾)、基岩(泥岩、炭质泥岩、砾岩和砂岩)、粉细砂层(节理裂隙发育，富含地下水)。引水隧洞大部分位于粉细砂层中，粉细砂遇水自稳性差，支护结构变形收敛大，洞身埋深较大，地表加固难度很大。经现场地质勘察，得到粉细砂土体的平均含水率为9.8%，平均干密度为 1.673g/cm3，稍密，平均比重为 2.59，孔隙比为 0.548，孔隙率为 35.5%，平均黏聚力为 8.1kPa，平均内摩擦角为 36.4，不均匀系数为 50.3，曲率系数为 16.8，属于级配不良土。当引水隧洞开挖至 DK12+785 处时，由于受到大埋深、高水压的作用，掌子面出现了掌子面垮塌，初始支护结构开裂和拱顶大面积塌腔等问题1-3，如图 1 所示。原设计超前小导管注浆超前支护型式可能无法满足富水粉细砂层的超前支护，故提出超前帷幕注浆加固型式对该洞段进行超前支护4-6，并进行了相应的计算论证。图 1隧洞掌子面现场情况2引水隧洞开挖模型构建2.1有限元模型利用 FLAC3D 构建隧洞开挖模型，整个模型的左右宽度距离隧道侧面的距离为 45m，地面与隧道底部的距离为 45m，纵向长度为 40m，在模型上部施加均布面荷载，在模型底部施加位移和速度约束，在模型左右两侧施加水平位移和速度约束。该段隧道采用三台阶法开挖施工，每开挖 1m 为一个循环，注浆范围取开挖轮廓线以外 5m，纵向加固深度为30m，引水隧洞初期支护为 C25 喷射混凝土，锚杆长度和直径分别为3.5 和25mm，横向和纵向间距分别为1.2 和 1m;注浆材料的水灰比为 0.8，注浆压力为1.5MPa 7-8。有限元模型如图2 所示。642工程实践水利技术监督2023 年第 2 期图 2有限元模型2.2计算参数选取在模型计算过程中将所有材料视为各向同性均质的材料，采用摩尔 库伦本构模型进行计算，锚杆采用锚索单元，初期支护和二次衬砌采用实体单元。各地层和材料的参数取值情况见表 1。表 1围岩和支护参数取值类别弹性模量 E/GPa泊松比 黏聚力C/MPa内摩擦角/()密度/(kg m3)渗透系数K/(cm s1)泥岩0.190.325182000粉细砂0.070.350.0373118378.76 103初期支护3.40.223001 106小导管注浆加固区0.80.310.123522005 104帷幕注浆加固区0.80.310.123522005 1042.3工况设计根据地质勘察结果，地下水位位于引水隧洞拱顶 21 58m 处，因此，本次计算共考虑地下水位分别具隧道顶面的距离为 20、30、40、50、60m 共计5 种工况(拱顶上覆水位)，与此同时在每种工况下分别对不采取超前加固、采取小导管超前加固和采取全断面超前帷幕注浆 3 种加固措施的围岩稳定性进行分析。为方便分析，将不采取加固措施试验组编号为 N1 N5，将采取小导管超前加固措施试验组编号为 X1 X5，将采取全断面超前帷幕注浆试验组编号为 W1 W5。模拟工况和编号见表 2。3模拟计算结果3.1对渗流场的影响选择模型(Y=20)处的截面作为监测断面，对不同措施和上覆水位下隧洞围岩的孔隙水压力随隧洞纵向里程的变化规律如图 3 所示。表 2模拟工况和编号超前加固方式拱顶上覆水位/m2030405060不采取N1N2N3N4N5超前小导管X1X2X3X4X5全断面帷幕W1W2W3W4W5由图 3 可知:随着隧洞纵向里程的增加，不采取超前加固措施和采取小导管加固措施的孔隙水压力呈逐渐增大的变化特征，并在隧洞纵向里程 35m后，基本达到稳定状态，当采取全断面帷幕注浆超前加固方式时，孔隙水压力随着隧洞纵向里程增大呈先增大后减小最后逐步稳定的变化过程，当隧洞纵向里程为 24 26m 时，孔隙水压力最大;相同隧洞纵向里程下，上覆水位越高，孔隙水压力越大;隧洞开挖完成后，当不采取超前加固措施时，20、30、40、50、60m 上覆水位下的孔隙水压力分别为 385、457、532、612、682kPa，采取小导管超前加固时分别为 350、450、500、580、665kPa，相比不采取超前加固分别降低 9.1%、1.5%、6%、5.2%、2.5%，采取全断面帷幕注浆超前加固时分别为 263、363、463、563、663kPa，相比不采取超前加 固 分 别 降 低 31.7%、20.6%、13%、8%、2.8%，由此可见采取小导管超前加固方式对于围岩孔隙水压力的影响较小，而采取全断面帷幕注浆超前加固方式对于围岩孔隙水压力的影响较大，但随着上覆水位的抬升，影响程度在逐渐减小。3.2对围岩位移变形的影响不同超前加固方式隧洞围岩变形规律如图 4所示。由图4 可知，随着上覆水位的抬升，围岩的拱顶沉降、仰拱隆起和水平收敛变形呈逐渐增大的变化特征;采取小导管超前加固方式时，对于拱顶沉降板变形具有一定的抑制作用，当在 20、30、40、7422023 年第 2 期水利技术监督工程实践图 3孔隙水压力变化规律50、60m 上覆水位工况下，拱顶沉降分别降低14.3%、9.7%、17.5%、11.1%和 11.2%，对于仰拱隆起变形和水平收敛变形的影响不大;当采取全断面帷幕注浆加固时，对于围岩拱顶沉降、仰拱隆起和水平收敛变形均有明显的抑制作用，拱顶沉降相比不采取超前加固时分别降低 58.9%、58.2%、64.5%、67.1%和 70.5%，仰拱隆起相比不采取超前加固时降低 56.2%、57.9%、64.4%、68.5%和73.7%，水平收敛变形相比不采取超前加固时降低82.6%、84%、84.2%、85%和 85.9%，即使在上覆水位60m 情况下，围岩的拱顶沉降、仰拱隆起和水平收敛变形分别仅为89.1、62.5、47.1mm。图 4围岩位移变形变化规律3.3对掌子面挤出变形的影响不同超前加固方式下隧洞掌子面最大挤出变形随上覆水位变化规律如图 5 所示。由图 5 可知，随着上覆水位增加，掌子面最大挤出变形呈逐渐增大的变化趋势，采取注浆小导管方式与不采取超前加固方式时的掌子面最大挤出变形相差不大，表明小导管超前注浆加固方式对于隧洞掌子面挤出的变形影响不大，这是因为 2 种方式对掌子面均缺少超前加固措施，因而掌子面的变形相差不大，而且最大挤出变形均发生在下台阶位置;当采取全断面帷幕超前注浆加固时，相同上覆水位时，掌子面最大挤出变形有较大幅度降低，最842工程实践水利技术监督2023 年第 2 期图 5掌子面挤出变形变化规律大挤出变形发生在中台阶，且掌子面最大挤出变形受上覆水位变化的影响很小，以上覆水位 60m 为例，采取全断面帷幕注浆时，掌子面最大挤出变形相比不采取超前加固情况减小 93.3%，相比采取小导管注浆加固时减小 93.1%。3.4对塑性区体积变化的影响塑性区体积大小反映了围岩从弹性向塑性转变的占比，塑性区体积越大，围岩稳定性越差，相应的承载力也会降低，不同措施下围岩塑性区体积随上覆水位的变化规律如图 6 所示。图 6塑性区体积变化规律由图 6 可知，相同上覆水位下，围岩塑性区体积关系为:不采取超前加固 注浆小导管 超前帷幕灌浆，随着上覆水位增加，塑性区体积也逐渐增大;当在20、30、40、50、60m 上覆水位下时，塑性区体 积 分 别 为 10400、11200、12500、13900、15800m3，当采取小导管注浆加固时，塑性区体积分别为 8500、9350、10100、11500、13000m3，相比不采取超前加固措施时，分别减小 18.3%、16.5%、19.2%、17.3%、17.7%，当采取超轻帷幕注 浆 加 固 时，塑 性 区 体 积 分 别 为 1956.2、2013.6、2200、2500、2863.2m3，相比不采取超前加固措施时，分别减小 81.2%、82%、82.4%、82%和 81.9%，采取超前帷幕注浆对于围岩稳定性的控制效果是十分显著的。4结论(1)随着隧洞纵向里程增加，不采取超前加固和采取小导管注浆超前加固措施的孔隙水压力逐渐增大，并最终趋于稳定;采取超前帷幕注浆加固措施的孔隙水压力先增大后减小，同时也会趋于一个稳定值。(2)上覆水位越高，孔隙水压力、围岩位移变形、掌子面挤出量以及塑性区体积量越大。(3)采取小导管注浆加固时，对于孔隙水压力、围岩仰拱隆起、水平收敛变形和掌子面挤出变形的抑制效果较差，对于围岩顶拱沉降和塑性区体积有一定的降低效果。(4)采取全断面超前帷幕注浆加固时，对于孔隙水压力、围岩位移变形、掌子面挤出量和塑性区体积量均有明显的降低效果，能够确保围岩的稳定与安全。参考文献 1陆兴 富水粉细砂隧道围岩加固技术研究 J 河北建筑工程学院学报，2021，39(2):60-64 2解雄越 粉细砂地层隧洞初期支护沉降变形侵限处理J 山西水利科技，2021(2):22-24，29 3齐凯 深埋高压引水隧洞类围岩洞段围岩稳定性分析与支护建议 J 水利规划与设计，2020，02:132-135，141 4张健 引水隧洞富水洞段全断面超前帷幕注浆圈厚度优化研究 J 中国水能及电气化，2021(11):35-38 5胡新贵 富水粉细砂地层中护壁泥浆材料配比的优化J 科学技术与工程，2021，21(29):12758-12764 6周永军，王星，巨萌，等 隧道涌水治理全断面双浆液帷幕注浆堵水技术J 云南水力发电，2021，37(4):58-62 7付宝宁 水利工程 PA 改良注浆材料工程性能研究J 水利技术监督，2021(9):189-191 8张园园 引水隧洞涌水粉细砂层洞段施工方案比选J 水科学与工程技术，2018(3):66-69 9熊萍，包喆，黄震宇 鄂北地区水资源配置工程穿公路段浅埋隧洞开挖与支护施工技术要点 J 水利水电快报，2020(11)10张乾，赵德才，杨路通 岩溶地区特长圆形小断面引水隧洞施工关键技术研究 J 水利水电快报，2019(6)11张明聚，张斌，黄明琦，等 厦门翔安隧道穿越风化深槽施工效应及技术措施 J 北京工业大学学报，2008(2)12安刘生 隧道洞口施工地表预加固技术及应用J 北京工业大学学报，2007(3)13袁延国，张春洪，章进 糯扎渡水电站导流隧洞穿断层洞段的开挖支护 J 水利水电快报，2007(1)14刘招伟，张顶立，张民庆 圆梁山隧道毛坝向斜高水压富水区注浆施工技术J 岩石力学与工程学报，2005(10)15周顺华，张先锋，佘才高，等 南京地铁软流塑地层浅埋暗挖