巖鷹鞍隧道逆沖強涌水斷層高位泄水施工技術研究

吳應明 任少強

（中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

懷邵衡鐵路巖鷹鞍隧道位于湖南省邵陽市洞口縣境內，地處環境條件極其惡劣，需要穿越雪峰山區。該隧道全長5 302 m，為雙線鐵路隧道，全線需要穿越7個大的斷層帶，斷層帶的具體位置如圖1所示。

2016年1月4日，巖鷹鞍隧道掌子面推進至DK87+998。經過連續不斷地涌水監測，隧道的靜水壓力超過0.6 MPa；涌砂時斷時續，含砂量時大時小。現場涌水實際情況如圖2所示［1-3］。

圖1 巖鷹鞍隧道斷層平面

圖2 現場涌水實況

經過現場實地勘察，確定 F4斷層是高角度逆沖富水富砂斷層，其中的破碎帶主要是強風化和疏松的砂和碎石的混雜結構，同時富含地下水。經過進一步分析發現主要是由于構造壓力和風化槽谷綜合作用導致，在高水壓的情況下作業極易形成大量涌水、涌砂等不良地質災害情況。通過專家進一步驗證分析，認為采用“泄水分壓、迂回繞行”的方法最適用于巖鷹鞍隧道的實際情況，為此研究人員通過數值分析的方法對分水降壓的效果進行了驗證。

2 工程水文地質情況

2.1 地表實況勘查

F4斷層的影響范圍較大，其地表植被茂盛，地勢由高到低，坡度極大，并且在巖鷹鞍隧道的斷層間存在一水溝與線路呈50°交叉。日常水深為0.3～0.6 m，自從水流干涸之后地下存在大量的空隙。巖鷹鞍隧道地表實際情況見圖3。

圖3 地表水文實況

2.2 洞內流量和降雨量觀測結果分析

在調查期間通過每天對流量和降雨量不斷地分析和監測，經過大量的數據整理和分析得到如圖4～圖5所示的巖鷹鞍隧道涌水量、降雨量與時間的關系曲線以及涌水量、水壓與時間關系曲線。

從觀測數據和以往經驗可知［4-5］，F4斷層的涌水量大約4 245 m3／d，較為穩定。涌水量和當地的降雨量關系并不密切，甚至在沒有降雨的情況下隧道的涌水量卻達到了最大值［6-7］。

4月20日至4月26日連續降雨，直到5月2日才出現最大涌水量，從而可以發現F4斷層帶的滲透性一般，不會發生大規模的涌水，但是由于隧道的埋深較大，存在著很大的水頭壓力。

圖4 DK87+998涌水量、降雨量-時間關系曲線

圖5 DK87+998涌水量、水壓-時間關系曲線

2.3 地下水類型以及補給徑流排泄

（1）地下水類型

根據巖鷹鞍地區基巖裂隙的成因和性質，地下水主要可以分為節理裂隙水以及構造裂隙水兩種類型。

節理裂隙水主要分布在強風化以及弱風化地層中。由于區域內的地質構造極其強烈，山體地形起伏也較大，裂隙的發育程度變化極大，水位變化明顯，隨著巖層的走向，水位埋深逐漸變淺。在局部山區地段山腰主要是裸露的巖石，很多的裂隙水以下降泉形式大量溢出地層表面。這樣的地下水會對靠近隧道中線的地段有很大影響。

根據以往經驗可以發現構造裂隙水主要分布于地質斷裂帶。這個區域地質構造特別強烈，斷層主要是由北向東發育。徑流條件和斷裂帶的地質產狀與規模相關。

（2）地下水補、徑、排特征

地下水主要以裂隙水為主要來源，受到大氣降雨的大量補給，地表徑流大量向地下滲流，由巖層的裂隙向下滲水，從而大量補給地下水。

區域內構造運動極強烈，斷裂帶巖體的裂隙發育復雜，從而造成地表水和地下水相互補充，地表水徑流相對比較迅捷，降水能夠沿地表快速進行排泄從而滲入地下，但水量很有限；降水沿山體兩個方向以下降泉和散水的方式進入地下，因此滲入地下的水量有限。

3 巖鷹鞍F4斷層涌水隧道模型與參數設計

為了更好地比較巖鷹鞍隧道在穿越F4斷層排水與不排水對隧道圍巖的穩定性影響程度，尤其是驗證上述關于分水降壓方案的實際可行性研究，通過數值計算軟件對排水和不排水兩種方案進行模擬，采用數值模擬的方式模擬隧道降水的過程，從而觀察隧道的圍巖應力變化，評估修建排水隧洞是否能夠提高安全系數。為能真正模擬隧道排水洞開挖過程，先對正洞掌子面的水壓進行測量，從而保證排水洞的水壓計算準確。排水之前掌子面水壓為0.6 MPa，排水后掌子面水壓為0.07 MPa。

3.1 計算模型

選取DK87+998至DK88+028段進行三維數值模擬計算［8-10］。為了減少邊界效應的影響，參考現在已有的研究成果，隧道模型邊界設置為隧道洞徑的2～3倍，同時右部的隧道也需留有富余，這樣才能消除隧道的邊界效應。故模型的右邊界取正洞半徑的5倍，既正洞到右邊界的距離為50 m，正洞拱頂到模型頂部邊界距離為30 m。為模擬隧道埋深（303 m），在模型表面施加重力荷載29.3 MPa來等效山體埋深。整個模型高度70 m、縱向長度30 m、橫向寬度 98 m，如圖 6所示［11-12］。

圖6 隧道三維計算模型

3.2 參數選取

F4斷層破碎帶主要分為全風化石英砂及弱風化石英砂的碎石巖，為砂石混合狀態。受F4斷層帶影響，斷層的上下盤巖體極其破碎并且含水量較大。各參數設置見表1～表4。

表1 隧道圍巖力學參數

表2 隧道初次襯砌結構物理力學參數

表3 砂漿錨桿物理參數

表4 流體參數設置

3.3 邊界條件及支護模型

模型邊界四周采用法向約束，鉛垂方向的頂部采用自由面，模型的底部采用固定約束。隧道的支護模型如圖7所示。

4 計算結果及分析

4.1 無排水支洞直接開挖正洞

根據巖鷹鞍隧道實際工程地質情況，對沒有修建排水支洞和迂回導洞的情況進行分析，提取相關結果，相關部位位移及受力云圖見圖8～圖13。

圖7 隧道支護模型

圖8 開挖正洞豎向位移云圖

圖9 開挖正洞水平位移云圖

圖11 開挖正洞剪切應力云圖

圖12 襯砌豎向位移云圖

4.2 有排水支洞開挖正洞

根據實際工程地質情況，對修建排水支洞和迂回導洞的情況進行數值模擬分析計算，設置其掌子面水壓為0.07 MPa，提取其豎向位移云圖、水平位移云圖、剪應力、豎向應力以及襯砌的受力云圖如圖14～圖19所示。

圖13 襯砌水平位移云圖

圖14 有排水支洞開挖正洞豎向位移云圖

圖15 有排水支洞開挖正洞水平位移云圖

圖16 有排水支洞開挖正洞豎向應力云圖

圖17 有排水支洞開挖正洞剪切應力云圖

圖18 有排水支洞開挖正洞襯砌豎向位移云圖

圖19 有排水支洞開挖正洞襯砌水平位移云圖

4.3 計算結果分析

根據上述FLAC3D數值計算結果可知:

（1）在不施作排水支洞和迂回導洞的情況下對正洞進行開挖，拱頂的豎向位移最大達到了1.33 m，其豎向位移遠遠超過了正洞在開挖時的最大允許值；在開挖排水支洞以及迂回導洞之后正洞拱頂的豎向位移沉降僅為0.102 m，在沉降允許范圍之內。

（2）只對正洞進行開挖時，由于隧道埋深太大，從而導致正洞圍巖的豎向應力高度集中，對拱頂造成的壓力較大，同時對拱腰區域的壓力又較小，極易造成拱頂因壓力過大隧道拱頂坍塌。如果先對排水支洞和迂回導洞進行開挖之后再進行隧道正洞開挖，就可以明顯地減小拱頂應力集中的現象。但是由于隧道的拱頂壓力減小也會造成圍巖對拱頂上部的溶洞空腔部分進行擠壓，可以通過注漿的方式解決。

（3）隧道正洞開挖之后，圍巖的剪應力將會產生一定的變化，圍巖周圍整體應力變化情況呈現出四葉草的形狀。通過兩種方法對比可以發現，在開挖了排水支洞和迂回導洞之后再進行正洞開挖明顯緩解了隧道拱頂、拱腰、拱腳應力集中的現象。

（4）通過兩種方法提取的正洞襯砌豎向位移云圖以及水平位移云圖對比，能夠清晰地發現先開挖排水支洞和迂回導洞之后再進行正洞開挖能夠減小襯砌的豎向位移和水平位移。

綜上所述，先對迂回導洞和排水支洞進行開挖，將會有利于隧道圍巖的穩定性，能夠有效地保證施工安全。

5 排水支洞及迂回導坑設計

（1）F4斷層段長度長、富水且含砂量大。為了進一步探明F4斷層具體地質情況，在隧道正洞左側增設一迂回導洞。

（2）為了實現F4斷層上盤地下水的分水降壓目的，保證超前小導管和注漿效果，提高施工質量，在正洞和迂回導洞之間設置高位排水洞。高位排水洞和迂回導洞間的水平間距為18.6 m。

（3）根據施工工期和施工安全要求，經過專家討論分析決定將高位排水洞和迂回導洞同時進行施工，同時實現對正洞開挖的超前地質預報。

（4）迂回導洞進入斷層帶，根據超前地質預報情況進行注漿加固。注漿完成之后需要對注漿效果進行檢驗，達到要求之后才能繼續開挖。

（5）當迂回導洞和排水支洞穿越地質斷層帶時，需要根據超前地質預報反饋信息對設計參數進行適當調整。

6 結論

（1）在涌水涌砂的地質條件下進行隧道施工一直都是工程界的一大難題，同時也是對保障施工安全的一個巨大挑戰。需要對分水降壓和迂回導洞的方案進行深入研究，采取更加有效的方法和措施來保障施工安全。

（2）基于懷邵衡鐵路巖鷹鞍隧道段的地質條件極其復雜，可以借鑒以往隧道大涌水和涌砂施工經驗并結合數值計算分析進行驗證，以此檢驗所制定的隧道施工方案的可行性。

（3）本文僅對巖鷹鞍隧道復雜的地質條件進行針對性研究，但對于西南山區復雜的地質條件可能不具有普遍適用性，需要進一步深入研究。