隧道穿越富水?dāng)鄬佣鄨鲴詈咸卣鞣治黾笆┕た刂萍夹g(shù)

徐 鋒

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

隨著我國路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，修建隧道將面臨越來越復(fù)雜的水文地質(zhì)情況，突涌水也將成為一種十分普遍的水文地質(zhì)災(zāi)害。隧道涌水現(xiàn)象的發(fā)生不僅會(huì)造成隧址區(qū)地下水位下降，甚至?xí)斐扇藛T傷亡。

國內(nèi)諸多專家學(xué)者針對(duì)隧道穿越富水?dāng)鄬拥氖┕ぐ咐M(jìn)行了研究。高新強(qiáng)[1]以圓梁山隧道為工程依托開展模型試驗(yàn)，研究初始滲流場以及隧道開挖中的滲流場情況；李術(shù)才、張慶松[2-4]等人通過自制新型流固耦合模型試驗(yàn)裝置，探究了海底隧道施工過程圍巖位移場、滲流場等變化規(guī)律；潘以恒[5]采用ABAQUS軟件展開施工過程對(duì)隧道滲流場的演變影響，分別研究了隧道滲流量、地下水位、孔隙水壓力和地下水流速隨著隧道施工過程的變化規(guī)律；彭學(xué)軍等[6]依托巴東隧道，對(duì)泥巖地質(zhì)提出了超前帷幕注漿方案，并通過鉆孔成像、現(xiàn)場測量等方法對(duì)帷幕注漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)；郝勇[7]基于風(fēng)化花崗巖斷層帶物理力學(xué)性質(zhì)研究，采用FLAC3D研究了不同因素對(duì)隧道孔隙水壓力、滲流場、應(yīng)力應(yīng)變的影響。張丙強(qiáng)等[8]考慮到土中的滲流存在不符合達(dá)西定律的情況，分別推導(dǎo)了淺埋單孔和雙孔隧道非達(dá)西滲流場解析解。郭玉峰等[9]基于質(zhì)量守恒定律和達(dá)西定律，推導(dǎo)水下雙向平行隧道穩(wěn)態(tài)滲流場解析解，并通過數(shù)值計(jì)算對(duì)解析推導(dǎo)解進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。傅鶴林等[10]建立斷層帶襯砌隧道滲流模型，基于保角映射推導(dǎo)了隧道涌水量計(jì)算公式。李林毅等[11]基于鏡像法和滲流力學(xué)原理，對(duì)深埋式中心水溝排水隧道滲流場及涌水量的解析解進(jìn)行推導(dǎo)。Barton[12]、Walsh[13]等人通過探究單裂隙面的滲流規(guī)律分析裂隙巖體中滲流與應(yīng)力的定量關(guān)系，得到滲流與應(yīng)力的耦合規(guī)律；楊會(huì)軍等[14]將裂隙巖體作為等效連續(xù)介質(zhì)，分析隧道發(fā)生滲涌水情況下地下水位、地下水降深、流向等滲流特征。

通過調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前對(duì)于富水?dāng)鄬铀淼赖臄?shù)值模擬研究中，建立斷層帶模型時(shí)較少考慮斷層帶到正常圍巖的過渡帶，即斷層破碎帶，對(duì)帷幕注漿的施工模擬大多基于平面模型進(jìn)行分析。本文以鴻圖特長隧道為依托，分析隧道在穿越富水?dāng)鄬訒r(shí)多場耦合特征并在此基礎(chǔ)之上改進(jìn)施工控制技術(shù)。

2 工程背景

2.1 隧道概況

大(埔)豐(順)(五)華高速公路是廣東省擬規(guī)劃高速公路網(wǎng)中的加密聯(lián)絡(luò)線。其中鴻圖特長隧道全長約6 336 m，是一座雙洞單線四車道隧道，位于廣東省梅州市五華縣。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖約占92%(反坡段約占96.4%)，地質(zhì)條件極其復(fù)雜、裂隙發(fā)育、災(zāi)害眾多。

隧道左線在掘進(jìn)過程中發(fā)生多處滑塌，其中，掘進(jìn)至ZK94+351，線路右側(cè)拱腳到拱頂，揭露一寬度近3 m的斷層破碎帶，見圖1，破碎帶為黑色中風(fēng)化二次侵入巖脈，完整性差，節(jié)理裂隙極發(fā)育。沿黑色破碎帶兩側(cè)有多處向外噴水，出渣過程中出現(xiàn)垮塌，塌腔寬度3 m，深度最大3 m，高度6 m。

圖1 隧道左線ZK94+351處滑塌

2.2 斷層狀況與涌水成因

隧址區(qū)地層主要為燕山期花崗巖及侏羅系安山玢巖，易形成具有良好的儲(chǔ)水性和滲透性的斷層裂隙。斷層在地表出露處多形成沖溝或溪流，具有良好的匯水特性。

經(jīng)調(diào)查，八鄉(xiāng)山水庫庫區(qū)及附近區(qū)域主要發(fā)育有F5-2、F2-7、F2-8等斷裂帶。其中張扭斷層F2-6推測未深入庫區(qū)，F(xiàn)0-4黃棉湖水庫斷裂則近東西向橫切庫區(qū)，逆斷層F5-2及平移斷層F2-7位于庫區(qū)尾部近南北向分布。

在漫長的地質(zhì)歷史當(dāng)中，一方面地表沖溝或溪流內(nèi)匯聚的地表水不斷沿?cái)鄬又苯訚B入巖層深部；另一方面，斷層帶兩側(cè)的巖體裂隙不斷地接受大氣降水并滲流至斷層帶中，最終形成了富水?dāng)鄬訕?gòu)造，見圖2。

圖2 富水?dāng)鄬佑克聻?zāi)構(gòu)造示意

隧道開挖時(shí)改變了地下水滲流場，引起斷層帶導(dǎo)水性的劇烈變化，使斷層成為隧道與地表水及水庫間的導(dǎo)水通道，造成地表水大量涌入隧道。而從力學(xué)行為方面分析，斷層內(nèi)巖體破碎、構(gòu)造應(yīng)力累積小，隧道開挖后受自重應(yīng)力及地下水的沖刷作用下，根據(jù)普氏平衡拱理論，易形成塌落拱結(jié)構(gòu)，松散塌落體在隧道開挖擾動(dòng)后發(fā)生坍塌。

3 隧道穿越斷層帶多場耦合特征研究

3.1 計(jì)算模型及監(jiān)測點(diǎn)布置

3.1.1 模型建立

數(shù)值模擬采用有限差分軟件，隧道半徑約6 m，分離隧道中心間距約為48 m，將隧道開挖輪廓外8 m范圍設(shè)置為注漿圈；假定斷層寬度為20 m，并假設(shè)斷層兩側(cè)斷層破碎帶寬度均為40 m，建立計(jì)算模型三維尺寸為240 m×200 m×400 m，如圖3所示。

圖3 隧道穿越斷層帶三維計(jì)算模型

巖土體及注漿圈采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，襯砌采用彈性本構(gòu)模型，開挖后地下水流動(dòng)服從Darcy定律，地下水滲流為穩(wěn)定狀態(tài)下的單向飽和流；隧道開挖后形成臨空面，洞壁及掌子面孔隙水壓力為零；模型邊界的孔隙水壓力在施工前后均保持不變。各類參數(shù)列于表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

3.1.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

為分析隧道開挖后洞周滲流情況，沿隧道拱頂、兩側(cè)拱腳、仰拱分別布置監(jiān)測點(diǎn)，各點(diǎn)沿監(jiān)測點(diǎn)布置線A～F布置。為分析隧道施工過程沿隧道開挖方向滲流情況，在隧道洞壁及距離隧道洞壁0.6 m(支護(hù)外輪廓)、3.5 m(支護(hù)與注漿圈范圍內(nèi))、8.6 m(注漿圈外輪廓)、18 m(注漿圈范圍以外)各點(diǎn)分別沿縱向監(jiān)測線1～5每隔10 m布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)布置見圖4。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置示意

3.2 穿越斷層帶滲流場特征

3.2.1 無支護(hù)條件下分析

分別監(jiān)測隧道越過斷層帶孔隙水壓力場的洞周各點(diǎn)沿隧道開挖方向的孔隙水壓力，沿布置線F上各監(jiān)測點(diǎn)沿開挖方向的孔隙水壓力規(guī)律見圖5。

圖5 無支護(hù)時(shí)布置線F上各監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力

分析監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，采取超前帷幕注漿措施后，隧道從110 m掘進(jìn)至240 m，洞周地下水損失更小，孔隙水壓力也相對(duì)更大。

3.2.2 支護(hù)條件下分析

沿布置線F上各監(jiān)測點(diǎn)沿開挖方向的孔隙水壓力規(guī)律如圖6。

圖6 有支護(hù)時(shí)布置線F上各監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可看出，有支護(hù)條件下，采取超前帷幕注漿措施后，隧道孔隙水壓力變化趨勢與之前相近。將開挖面各點(diǎn)孔隙水壓力最小值列于表2。

表2 隧道開挖面各點(diǎn)孔隙水壓力最小值

由表2可知:隧道采取注漿措施后，地下水的損失大幅度減小，隧道開挖后洞周附近孔隙水壓力幾乎無大幅減小。因此，超前帷幕注漿能夠有效地控制隧道開挖的涌水量。

3.3 穿越斷層帶位移場特征

3.3.1 無支護(hù)條件下分析

豎直方向上，沿布置線E和H上各監(jiān)測點(diǎn)的豎直方向位移規(guī)律以拱頂和仰拱的收斂值為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

通過對(duì)比分析，隧道開挖后無支護(hù)情況下拱頂、仰拱收斂值為36.13 mm，在采取超前帷幕注漿措施后，隧道掘進(jìn)至斷層破碎帶產(chǎn)生的變形減小，拱頂、仰拱收斂值為22.65 mm，而進(jìn)入斷層帶后，拱頂、仰拱收斂值為25.63 mm。因此，超前帷幕注漿措施能夠加固圍巖，使隧道開挖后更穩(wěn)定。

3.3.2 支護(hù)條件下分析

隧道變形規(guī)律與無支護(hù)情況下隧道開挖的規(guī)律相同，以拱頂和仰拱的收斂值為評(píng)價(jià)指標(biāo)隧道開挖后有支護(hù)情況下拱頂、仰拱收斂值為13.84 mm，在采取超前帷幕注漿措施后，隧道掘進(jìn)至斷層破碎帶，拱頂、仰拱收斂值為8.63 mm，而進(jìn)入斷層帶后，拱頂、仰拱收斂值為9.79 mm。

將隧道支護(hù)上各點(diǎn)位移值最大值列于表3。

表3 隧道平面支護(hù)各點(diǎn)位移值最大值

3.4 基于多因素隧道開挖滲流力學(xué)分析

3.4.1 計(jì)算參數(shù)選定

為研究不同斷層情況、圍巖滲透性、斷層帶滲透性、注漿效果、支護(hù)滲透特性的條件下，改變數(shù)值模擬中斷層傾角、土層滲透系數(shù)、斷層帶滲透系數(shù)、注漿圈滲透系數(shù)、支護(hù)滲透系數(shù)等參數(shù)，探究不同條件對(duì)隧道施工滲流-力學(xué)場的影響，采用正交試驗(yàn)方法，5因子選取4種值進(jìn)行數(shù)值模擬綜合分析。

3.4.2 計(jì)算結(jié)果極差分析

隧道在斷層帶范圍內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，作用在支護(hù)上的孔隙水壓力以及拱頂和仰拱的變形最大，為方便分析，取洞周孔隙水壓力平均值和隧道拱頂、仰拱的收斂量為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)正交試驗(yàn)方法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行極差分析，以得到各因素影響下孔隙水壓力均值的變化，極差分析見表4。

表4 各影響因子對(duì)孔隙水壓力均值變化的極差分析

由表4可知，斷層傾角越大，孔隙水壓力越小，圍巖滲透系數(shù)對(duì)孔隙水壓力值影響較小；破碎帶滲透系數(shù)越大，流體的滲流速度越大，地下水更快地向隧道開挖后形成的低壓區(qū)匯聚，因此，作用在支護(hù)上的水壓力越大；注漿圈滲透系數(shù)越大，表示注漿效果越差，因此使得作用在支護(hù)上的水壓力越大；支護(hù)的滲透系數(shù)越大，表示支護(hù)的排水能力越好，因此能減小作用在支護(hù)上的水壓力。

4 富水?dāng)鄬铀淼烙克卫砑夹g(shù)

4.1 超前帷幕注漿技術(shù)

開展注漿漿液材料改良試驗(yàn)研究，達(dá)到減小注漿圈的滲透系數(shù)的目的，改進(jìn)超前帷幕注漿技術(shù)。

采用控制變量方法進(jìn)行試驗(yàn)，探究HPC外加劑摻量分別為15%、18%、20%時(shí)注漿漿體性能，以不摻加外加劑水泥漿體為對(duì)比試驗(yàn)。記錄不同外加劑摻量和水灰比漿液的凝結(jié)時(shí)間，并測定漿體結(jié)石率。

4.2 現(xiàn)場效果

鴻圖特長隧道左、右線涌水采用如圖7的注漿孔孔位，隧道開挖后在揭露的圍巖中能夠看到注漿漿體凝結(jié)并封堵圍巖裂隙，在隧道順利越過富水段后，洞身幾乎無滲水現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

圖7 鉆孔布置

現(xiàn)場結(jié)果表明，摻入一定量HPC外加劑后，漿液的結(jié)石率大幅度增加，但當(dāng)摻量超過18%時(shí)結(jié)石率有所降低。外加劑隨著摻量的增長，凝結(jié)時(shí)間逐漸減少，外加劑摻量由0增加到5%時(shí)，漿液初凝時(shí)間迅速減小，摻量超過5%后，漿液的初凝時(shí)間減小緩慢。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議超前帷幕注漿液漿中HPC外加劑摻量為18%左右，以保證注漿堵水效果。

5 結(jié)論

(1)當(dāng)隧道開挖進(jìn)入斷層帶后，采取超前帷幕注漿措施，不僅能夠有效地控制圍巖的變形，而且使得地下水的損失大幅度減少，隧道開挖形成的低孔隙水壓力區(qū)域也減小。

(2)通過多因素的正交試驗(yàn)得出隧道穿越富水?dāng)鄬訉?duì)孔隙水壓力的影響程度從大到小依次為支護(hù)滲透系數(shù)、注漿圈滲透系數(shù)、破碎帶滲透系數(shù)、圍巖滲透系數(shù)、斷層傾角。而對(duì)拱頂、仰拱收斂值的影響從大到小依次為斷層傾角、圍巖滲透系數(shù)、支護(hù)滲透系數(shù)、注漿圈滲透系數(shù)、破碎帶滲透系數(shù)。

(3)超前帷幕注漿液漿中HPC外加劑摻量為18%左右，在少量滲水或局部突水的巖面上都具有較高的噴射性能，混凝土回彈量少，噴射過程中無掉塊現(xiàn)象，極大地提高了噴射混凝土的效率。