隧道富水断层段全断面注浆时的缓冲层厚度研究
隧道穿越富水断层破碎带时，常采用全断面注浆，注浆层与围岩支护结构密贴。全断面注浆后，围岩中水位上升，导致支护结构直接承受高水压作用，尽管设计提高支护结构强度及其参数，但过大的压力仍会压裂支护结构（初支+二衬），引发渗水和突涌水问题，给隧道安全运营留下隐患［1-3］。
由于RANSAC算法稳定性较高，且能够剔除错误样本点，故将该算法应用到空间圆弧拟合的点云筛选及优化中。
2.3.4 综合评分（OD） OD＝（Y1/Y1max）×20%+（Y2/Y2max）×20%+（Y3/Y3max）×60%[9]。
国内外学者对全断面帷幕注浆参数的优化研究较多，对设置缓冲层结构的注浆加固研究较少，同时现有缓冲层的实施均需增大开挖断面，这显然不适于富水断层破碎带处。随着注浆技术的发展，吴顺川等［22］探讨了袖阀管注浆工艺，可根据地层的实际情况调整注浆段长度及注浆压力，达到控制注浆区域的目的；傅鹤林等［23］发明了1种围岩外圈注浆加固方法，为注浆区域优化的实施提供了可能。
本文基于水力学理论和弹塑性理论，构建含缓冲层的注浆计算模型，计算支护结构及注浆圈外缘承担的渗水压力及隧道洞身涌水量，研究支护结构、注浆圈及围岩的位移与应力表达式，并通过数值模拟对构建模型的合理性进行验证；基于某在建隧道案例，分析缓冲层厚度对隧道支护结构外缘所受径向应力及隧道洞身涌水量的影响，确定其厚度，以期为隧道富水断层段全断面注浆时的缓冲层设置提供理论参考。
1 含缓冲层时渗水压力与隧道洞身涌水量
考虑实际情况，做如下基本假定：①支护结构、注浆圈与地层均为各向同性的均匀多孔介质；②渗流符合达西定律；③水流为稳定流且流体不可压缩；④隧洞埋深远大于洞径。
同时，考虑富水断层破碎带处的隧道断面一般为带仰拱的曲墙式，较接近圆形，假定隧道断面为圆形，且忽略重力场作用。此时的误差一般在可接受范围［24］。
基于上述假定，结合水力学理论，构建含缓冲层的注浆计算模型如图1 所示。图中：r0 为支护结构内径，m；r1 为支护结构外径，m；r2 为缓冲层外径，m；rg 为注浆圈外径，m；R 为远场半径，m。
10月24日，莱芜市森林防火工作会议召开。会议强调，各级各有关部门要始终绷紧安全这根弦，严格落实工作责任，坚持预防为主、防灭结合，加强预警监测，合理布防力量，扎实做好防火巡护、火源管理、设施建设、隐患排查、应急救援等工作，加强值班值守，配齐防火物资，强化应急演练，确保火情调度及时、火灾处置得力，坚决守住安全底线，努力为经济社会发展提供坚实的生态保障。会议要求，各级各部门单位要充分认识森林防火工作的极端重要性，切实做好防范工作、基础工作和应急工作，加强宣传教育工作，要加强组织领导、强化责任落实、部门协作和检查考核，坚决打赢森林防火工作攻坚战。
渗流达到稳定时，由竖井推导的结论对隧道完全适用，结合图1，以无限含水层中的竖井为例进行理论分析。根据水力学理论［25］，渗流微分方程及渗水压力表达式为
图1 含缓冲层的注浆计算模型
式中：Pr'和Pr分别为距孔洞中心距离为r'和r处的渗水压力，Pa；h 为以隧洞中心水平面为基准面的水头高度，m；Q为洞身涌水量，m3 ⋅(m ⋅s) -1；k为介质渗透系数，m ⋅s-1；γw 为地下水重度，N ⋅m-3。
考虑到环向与纵向排水盲管的作用，将支护结构内表面渗水压力视为0，将式（1）与式（2）依次应用于图1 的支护结构、缓冲层、注浆圈和围岩，解得洞身涌水量Q 与渗水压力pw 的表达式分别为
据式（4）与式（5），解得弹性区位移与应力的表达式分别为
其中，
式中：ks，kg 和kR 分别为衬砌、注浆圈和围岩的渗透系数，m ⋅s-1（下角标s，g 和R 分别表示衬砌、注浆圈和围岩，后同）；p 为远场稳定渗水压力，Pa；A为中间变量。
由式（4）可知：围岩、注浆圈、缓冲层与支护结构均为阻水结构，在渗流过程中起控制涌水的目的，差异仅在于其控制能力不同；当围岩渗透系数增大，则注浆圈、缓冲层与支护结构将承受更大的渗水压力，此时须增大注浆圈厚度或降低注浆圈渗透系数；设置的缓冲层可与注浆圈一并考虑，其整体厚度为（rg-r1），渗透系数介于缓冲层与真实注浆圈之间，取值受缓冲层厚度的影响。
实现灌区现代化建设，需要采用现代化的手段。在灌区建设中应采用信息化技术，可以更加精准地监测水位情况、快速传递重要信息。遇到突发事件时，可以第一时间进行处理，实现对灌区内降水进行自动调节，很大程度上减少了灌区工程事故的发生，起到防洪抗旱的作用。在灌区建设中采用信息化技术，可以实现数据资源共享，加速灌区现代化建设。
2 含缓冲层时的隧洞位移与应力
2.1 理论模型构建及计算理论基础
考虑到环境的复杂性及实际工况，在前文假设的基础上，进一步假设：①远场侧压力系数为1；②围岩、注浆圈及衬砌均为弹塑体介质，破坏服从摩尔-库仑屈服准则；③根据文献［26—27］，当隧洞内渗水压力为0或远小于远场地应力时，屈服区第一主应力为径向应力；④考虑到工程造价，将弹塑性区交界面限定于注浆圈内。
设无穷远处初始地应力为σ0，塑性区半径为rp，则力学简化计算模型如图2 所示。图中：p1 为支护结构外缘所受径向力，Pa；pg为注浆圈外缘所受径向力，Pa；p2 为注浆圈内缘所受径向力，Pa；pp为弹塑性区交界面处的径向应力，Pa；规定拉应力为正，压应力为负。
二是加强秩序维护，依法推进网络信息空间治理。“没有规矩不成方圆”。互联网的技术特点决定了其信息海量性、主体多元性和治理的复杂性。因此，从最大限度优化我国网络政治环境的角度出发，首先，要建立以国家为主导，以各网络运营商和网站服务商为重点，全体网民参与的三位一体网上政治类信息监控网络。其次，要立足于有效监控、源头控制，积极研发和完善国家级的不良政治信息“防火墙”，有效屏蔽攻击党和政府、危害社会和谐、民族团结等政治信息，限制不良政治文化的传播。第三，要根据网络发展需要，及时修改和制定网上信息发布和审查监督等相关法律规范，并加大网络法规的宣传和执行力度，为公民有效利用网络创造良好环境。
图2 力学简化计算模型
据弹性力学理论，并考虑渗水压力作用，弹性区平衡微分方程为［28］
式中：σr，σθ 分别为计算区域内某点的径向和环向有效应力，Pa；α为渗水压力作用面积系数。
据假定条件，考虑渗水压力作用时，摩尔-库仑屈服准则为［29］
式中：τ和σ分别为剪应力、正应力，Pa；c为计算区黏聚力，Pa；φ为计算区内摩擦角，（°）。
根据基本假定，对塑性区环向应力σθp 和径向应力σrp，存在σθp ＜σrp ＜0，解得屈服区径向应力与切向应力的关系式［14］为
联立式（4）—式（7），可计算得到含缓冲层的注浆计算模型的弹塑性区应力解。
2.2 位移与应力计算
1）弹性区解答
弹性区包含围岩区域与部分注浆区域2 个部分，应力边界条件为
对边界条件无穷远处，可用有限半径代替无限值，取有限半径为βr0［30］，其中β 为实常数，由试算法确定。
针对全断面注浆时未设置缓冲层的隧道富水断层段，潘以恒等［4］、王秀英等［5］和李铮等［6］推导了支护结构外水压力及涌水量计算式；杨赛舟等［7］、高新强等［8］、ZHANG 等［9］、袁敬强等［10］和NAM 等［11］探讨了隧道突水灾害机制、灾变特征及协同治理技术，分析了注浆堵水机制；张成平等［12］、郭鸿雁等［13］、胡力绳等［14］及李立新等［15］研究了隧道涌水对注浆厚度及渗透系数的敏感性，优化了注浆参数；王德明等［16］分析了注浆效果的影响因素，初步实现了注浆效果评价从定性、经验性向科学化和半定量化的转变。针对设置了缓冲层的隧道富水断层段，雷江等［17］通过在管片与围压间设置缓冲结构，吸收部分围岩形变压力，大大改善了衬砌管片的受力状态；吴顺川等［18］发现在初衬与二衬中增加缓冲层是富水膨胀性围岩隧道的有效支护形式和潜在灾害防治措施；田云等［19］通过分析圆形隧道围岩变形的力学特性，提出了缓冲层让压支护设计方法，并基于缓冲层吸收围岩流变变形的观点，确定了缓冲层材料的厚度；陈卫忠等［20］通过室内试验，验证了泡沫混凝土作为深埋软岩隧道支护中缓冲层材料的可行性；Nehdi等［21］研究了水灰比、泡沫含量和砂掺量对多孔灌浆材料力学性能的影响，证明低密度无砂多孔灌浆料在三轴应力状态下具有优越的塑性性能，可用于调节隧道衬砌、管道和其他埋地基础设施周围的过度变形问题。
式中：u 为位移；下角标rock 和grout 分别表示围岩和注浆圈，后同；E为弹性模量；μ为泊松比。
此时，还需进一步确定上述计算式中的塑性区半径rp。
2）塑性区解答
塑性区包括支护结构、缓冲层及部分注浆加固圈3个部分，其边界条件为
将式（4）与式（7）代入式（5），解得塑性区位移与应力的表达式分别为
从旅游学角度来欣赏，地标石、景观石是旅游目的地的重要观光对象，也是了解人文知识与风土人情的重要文化旅游节点；园林石与厅堂石，是旅游过程中获取观赏石资源的重要途径，可为相关经营、或收藏活动留下有益的市场信息；至于书斋石、把玩石、首饰石和情怀石，由于体积小，便与携带，则可成为游客重要的购物对象，或留给自己观赏、把玩；或赠与亲戚、朋友作为纪念，物简意深，何乐不为？
式中：下角标support和buffer分别表示支护结构和缓冲层，后同。
进而得到关于塑性区半径rp的计算式为
利用围岩变形连续假定，在注浆圈外缘沿径向位移相等，即
联立式（10）、式（13）、式（18）与式（19），利用试算法可解得rp，进而可求解得到支护结构、缓冲层、注浆圈及围岩等处的结构应力。
第四步成效和影响分析：根据上述的产出，分析这些产出本身或者这些产出投入使用后，引起的短期、中期、长期变化及带来的效益。将上述效益按照经济效益、生态效益、社会效益、可持续影响效益、服务对象满意度5个方面进行归类、细化，参考以往年度历史数据、行业标准数据等进行指标值的明确及量化，确定具体的效益指标内容和指标值。
3 数值模拟
3.1 模型及边界条件
为验证含缓冲层的注浆计算模型构建的合理性，采用FLAC 三维快速拉格朗日差分软件，分别建立无缓冲层和有缓冲层2 种情况下的三维数值计算模型。
如今的梁璐，并不讳言自己对物质的需求，在他看来，生意经念好了也是修行，他不想做一个碌碌无为的还俗者，因为这会减低他人生故事的说服力。
丛生竹。秆高6～8 m，直径3～5 cm；节间长25～35 cm。从秆基部第2、3节开始分枝，每节多枝簇生，其中3枚主枝粗长。秆和枝节间均为黄色，并具宽窄不等的绿色纵条纹。箨鞘早落，革质，新鲜时绿色并具数条黄色纵条纹；箨耳极不相等，大的一枚强烈波状皱褶；箨舌高1～3 mm，边缘齿裂或条裂，被短流苏状毛；箨片直立，不对称三角形，基部稍收窄并外延与箨耳相连。叶片长10～25 cm、宽1.2～2.5 cm，绿色，部分叶片具宽窄不等的黄白色纵条纹[1,6]。各部位特征见图1。
考虑施工过程中的空间尺寸效应，按照理论估算与模型试算结果，取隧道埋深为50 m，模型尺寸为x×y×z=100 m×50 m×100 m，其中x 轴为水平面内与隧道轴向垂直的方向，y 轴为隧道轴线方向，z 轴为竖直方向。围岩、缓冲层、注浆圈及支护结构均采用实体单元模拟；模型四周为透水边界，底部不透水。计算模型四周边界采用法向约束，下表面采用固定端约束，顶部施加均布力，以弥补地应力的不足。2种情况下的模型如图3所示。
图3 三维数值计算模型
3.2 参数选取
采用等代圆法将非圆形隧道转化为圆形隧道，并取隧道断面外接圆半径为等代圆半径，表达式［24］为
式中：R0 为原隧道做等代圆处理后的半径，m；b为原隧道的断面跨度，m；l 为原隧道的断面高度，m。
高职院校学生思维活跃，不喜欢呆板的教学方式，所以教师要采取灵活的教学手段，如在教学过程中制作直观性较强的PPT进行演示。同时，会展英语教师也要注意自身专业知识和语言知识的不断积累，提高专业水平，积累会展实践经验才能传授给学生更专业的技能。
等代圆半径R0取6.2 m。综合考虑初期支护与二次衬砌为800 mm，注浆圈厚度为8 m，设置缓冲层厚度与支护结构外缘比值为0.14，围岩、注浆圈及支护结构材料参数见表1，其中支护结构渗透系数综合考虑了环向与纵向排水管作用。取远场稳定渗水压力半径为200 m，远场地应力为10 MPa，地下水渗水压力为1.5 MPa，α 取1.0。通过试算法确定计算半径为50倍洞径。
表1 材料参数
类别缓冲层/围岩注浆圈支护结构弹性模量/GPa 1.3 3.0 27.0泊松比0.42 0.30 0.15黏聚力/MPa 0.2 0.4 3.5内摩擦角/(°)29 35 45渗透系数/(m·s-1)5.2×10-7 1.5×10-8 1.5×10-9
模拟计算时，按平衡自重与构造应力、位移清零、隧道开挖与支护的顺序进行。计算平衡后，分别提取无缓冲层和有缓冲层2 种情况下计算模型下支护结构外缘处（包括顶部、底部、左边墙和右边墙，并求各处平均值）的径向应力和透过支护结构的涌水量，计算并对比增设缓冲层后的模拟值与理论值结果见表2。
表2 增设缓冲层后隧道支护结构外缘径向应力与隧道洞身涌水量的模拟值与理论值
隧道支护结构外缘径向应力降低量/%不同位置处的模拟值拱顶62.7拱底59.9左边墙61.2右边墙61.2平均值61.3理论值55.4隧道洞身涌水量增加量/%模拟值7.9理论值6.5
由表2 可知：增设缓冲层后，隧道支护结构外缘径向应力在不同位置处的模拟值与理论值的最大误差位于隧道拱顶，为7.3%；隧道洞身涌水量模拟值与理论值较为接近，理论值仅比模拟值小1.4%，一定程度上验证了构建含缓冲层的注浆计算模型的合理性。略有差异的原因是推导采用等代圆近似替代非圆形隧道，以及计算式忽略了围岩自重所致。
4 算例分析
4.1 工程背景
某隧道左线长6 336 m，右线6 337 m，地面标高245—1 060 m，隧道底设计标高239—344 m，最大埋深约739 m，处于区域性大断裂莲花山断裂带、鸡心山断裂及北西向断裂、桐子洋复向斜影响区域，此处断裂构造极其发育，有26 条断层存在。同时隧道紧邻飞泉电站、飞泉水库、三度水库及下穿黄棉湖水库，部分断层与大型水体相连，突涌水风险极高。
档案关联分析的评判没有统一的标准，因此为了判断档案关联分析模型的准确性，将模型关联结果和人工分析进行对比。具体地，从实验样本中随机挑选出一卷档案，然后人工对150份档案筛选选出关联的样本，对比该档案在档案关联分析模型中的关联结果和人工挑选的结果，样本与人工筛选结果越接近则关联模型越有效。为了验证视图权重对模型分析结果的影响，我们先以单视图进行分析，分析只通过某一视图内特征进行关联分析时，档案关联模型的查准率，实验结果如图6所示。
修建过程中，隧道2 个标段均发生较大涌水。其中出口标段为逆坡排水，掌子面涌水情况如图4所示，洞口设置多台抽水泵将其排出，记录日涌水量如图5 所示，106 d 内的日平均流量为9 592 m3，最大日流量近20 000 m3。进口标段为顺坡排水，钻进约1 279 m 时，拱顶偏右约1 m 位置的钻孔有压力水喷出，射程约12 m，继续推进6 m时，掌子面约2/3 区域较富水，此时掌子面停止开挖，进行超前探水作业。掌子面外侧拱脚以上约2 m 处超前钻探在钻入约16 m 时，出现较大压力水喷出，掌子面出水量增加，钻入约17 m 时，高压水将潜孔钻顶翻，施工人员全部撤离，经现场估算出水量约1 400 m3·h-1，该标段双洞日涌水量最高达100 000 m3，如图6所示。
图4 出口标段隧道涌水
图5 出口标段涌水量曲线
图6 进口标段隧道涌水情况
4.2 缓冲层厚度确定
假定未设置缓冲层时注浆圈厚度为8.0 m，并以此作为参照组。设缓冲层厚度与隧道支护结构外径r1 的比值为γ，当γ 分别取0，0.01，0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.12，0.14，0.20 和0.30 时（γ 取0 表示未设置缓冲层），缓冲层及注浆圈外径取值见表3。为定量分析缓冲层厚度设置对各结构受力及涌水的影响，假定参照组及设置不同缓冲层厚度时的单位长度注浆体积均不变。
与填埋技术有所区别，餐厨垃圾焚烧处理技术在国内虽然有应用先例，但是不少地区不肯采用，国家也不提倡对垃圾焚烧处理。其主要优缺点如下：优点是焚烧处理量大，减容性好，热量用来发电可以实现垃圾的能源化。缺点是对垃圾低位热值有一定的要求；餐厨垃圾水份含量高会增加焚烧助燃剂的大量消耗，大幅度增加政府财政投入，处理成本高昂，不少经济欠发达地区根本财政承受不起。
本试验将粗骨料分为两个级配(5 mm～20 mm和20 mm～30 mm)，等比例混合。混凝土配合比严格按照规范《水工混凝土试验规程》[12](SL 352—2006)设计，配合比见表1。
表3 不同γ值下缓冲层及注浆圈的外径取值
参数r2 rg不同γ值下的结构外径/m 0 7.00 15.00 0.01 7.07 15.03 0.02 7.14 15.07 0.04 7.28 15.13 0.06 7.42 15.20 0.08 7.56 15.27 0.10 7.70 15.34 0.12 7.84 15.41 0.14 7.98 15.48 0.20 8.40 15.70 0.30 9.10 16.09
根据表3，得到隧道支护结构外缘所受径向应力及隧道洞身涌水量随缓冲层厚度的关系曲线如图7所示。
由图7 可知：隧道支护结构外缘径向应力随γ的增加而线性减小，如当γ 取0.10 和0.30 时，有缓冲层的隧道支护结构外缘径向应力比无缓冲层时分别降低39.63%和118.88%，表明设置缓冲层后，缓冲层将吸收部分能量，降低荷载直接对隧道结构的破坏作用，进而达到确保隧道结构安全的目的；渗流稳定时隧道洞身涌水量随γ的增加而线性增大，无缓冲层时的涌水量为0.59 m3·（m·d）-1，当γ 取0.10 和0.30 时，有缓冲层的涌水量比无缓冲层时分别增加4.70%和14.10%，表明设置缓冲层会加剧隧道涌水；支护结构外缘径向应力对缓冲层的敏感性较涌水量更为强烈，缓冲层厚度须在统筹这2 个因素的基础上计算确定，同时为保证运营期结构安全，还须进一步加强防水板设施，适当缩短环向盲管与横向排水管间距，以便加强运营期隧道的防排水体系。
图7 缓冲层厚度对隧道支护结构外缘所受径向应力及隧道洞身涌水量的影响
综合考虑结构受力、隧道防排水及施工设备等因素，推荐案例隧道的γ取0.14，此时隧道洞身涌水量为0.63 m3·（m·d）-1，有缓冲层的隧道支护结构外缘径向应力比无缓冲层时降低55.45%，涌水量增加6.58%。
5 结 论
（1）基于水力学理论和弹塑性理论，构建含缓冲层的注浆计算模型，计算得到其支护结构和注浆圈外缘承担的渗水压力及隧道洞身涌水量的表达式，以及此时隧洞的注浆计算模型的位移与应力表达式。
（2）通过数值模拟，验证了含缓冲层的注浆计算模型的合理性；增设缓冲层后，支护结构外缘径向应力理论值与模拟值最大误差位于隧道拱顶，最大为7.3%；增设缓冲层后的涌水量模拟值与理论值较为接近，理论值仅比模拟值小1.4%。
（3）增设缓冲层后，隧道支护结构外缘所受径向应力降低的同时隧道洞身涌水量增加，支护结构外缘受力对缓冲层的敏感性较涌水量更为强烈。当缓冲层厚度与隧道支护结构外径比值为0.10 和0.30 时，有缓冲层的隧道支护结构外缘径向应力比无缓冲层时分别降低39.63%和118.88%，涌水量分别增加4.70%和14.10%，此时须增强防水板并适当加密环向排水盲管。
（4）缓冲层厚度的确定须综合考虑结构受力、涌水量、施工设备等因素，穿越富水断层破碎带的某在建隧道缓冲层厚度与支护结构外径比值宜采用0.14，与无缓冲层时相比，此时支护结构受力降低55.45%，涌水量增加6.58%。
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