富水高壓隧道通過斷層破碎帶高位排水技術研究

何 磊， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

隧道穿越高水壓斷層破碎帶的地層中，如果不采取相關措施去提前降低斷層破碎帶中的水壓力或者盲目地自由排水，在隧道逼近斷層破碎帶過程中，會因為掌子面前方巖土體的強度降低導致失穩發生突泥涌水等災害。盲目地采用自由排水，會將巖體裂隙間的填充質帶走，造成圍巖松弛，自穩能力嚴重下降。因此在確定的排水方案中，應保證巖體裂隙中細小的填充物質不發生流失。本文采用高位排水工法保證，提出合理排水導管的布置數量及位置，保障隧道施工穿越斷層破碎帶的安全。

1 高位排水掌子面穩定性控制技術

1.1 高位排水最優方案探討

本文提出高位排水工法，在掌子面未達到防突體極限厚度之前，從掌子面周邊呈輻射狀向斷層破碎帶施作小口徑附有過濾系統的排水導管，可以有效地減少裂隙間填充物質的流失，也可以很好的減輕注漿圈受到排水工法的擾動。因此，對高位排水工法合理的設置進行研究，保證隧道的順利通過斷層。圖1為高位排水工法的概念圖。

圖1 高位排水工法

可使用液壓鑿巖機或鉆機施作排水鉆孔。一般來說，鉆孔長度小于30m，宜采用液壓鑿巖機，鉆孔大于30m時，宜采用鉆機。高位排水的核心是防止裂隙間的填充物質流失，因此要在鉆孔內設置過濾系統，如過濾網。

隧道順利穿越斷層破碎帶后，根據斷層水的屬性，對排水管采取不同的措施。當斷層破碎帶的水不斷有活水補給，不宜封堵排水管，可將排水管連通到環向排水盲管排出隧道。如果斷層破碎帶的水沒有水源補給，在隧道順利通過后，可封堵排水管。

1.2 模型假定及物理力學參數

高位排水工法是采用較細的排水管出水，其排水的能力需要進一步的研究，確保高位排水方案的可靠性。本節采用有限差分數值模擬軟件Flac3D，對該工法的卸壓能力以及合理的設置方案進行分析研究，從而對隧道穿越斷層破碎帶時的應對措施有指導作用。

具體的物理力學參數見表1，圍巖及支護的滲透系數見圖2、表2。

圖2 滲透系數設置

類別彈性模量E/GPa泊松比μ粘接力c/MPa內摩擦角φ/°密度ρ/(kg·m-3)孔隙率nⅣ級圍巖3.00.320.6050.022000.3Ⅳ級圍巖10.00.270.6060.024000.25斷層破碎帶0.10.420.0521.016000.45初期襯砌3.30.30——22000.2

表2 滲透系數

本文選用3m注漿圈加固方案，在此基礎上實施高位排水工法,建立模型如圖3所示。模型尺寸范圍：-50m≤x≤50m，0≤y≤60m，-28m≤z≤70m，Z方向的零點位置為隧道中心。

排水管縱向投影長度12m，實際長度12.42m，從掌子面開始，沿隧道縱向并呈一定夾角達到注漿圈外側；分布范圍為拱頂120 °內，共9孔，角度間隔15 °；鉆孔與隧道軸線夾角為15 °；排水孔出水口中點位于隧道二襯施作范圍內，排水孔入水口中點與隧道外緣垂直距離為3.5m。從上述參數可以看出，進水口離隧道外緣為3.5m，已超出注漿圈的范圍，排水導管的卸壓范圍超出了注漿范圍。

(a)有限差分模型整體

(b)排水導管布置(以7根為例)圖3 模型示意

1.3 導水管對前方開挖區水分布規律影響分析

根據現場實際情況及施工經驗，一般采用3～9根排水鉆孔進行高位排水。為研究不同鉆孔數量的排水效果，注漿圈為3m，先正常開挖至距離斷層破碎帶前4m處，停止開挖后施作不同數量的排水管鉆孔進行高位排水(表3)。

為直觀研究分析，繪圖如圖4、圖5所示。

進行分析：

(1)掌子面開挖至斷層破碎帶前4m時，由于開挖對斷層破碎帶有一定的影響，拱頂維持在425.8kPa，拱腰為453.9kPa，拱腳為507.2kPa，墻腳為536.7kPa，仰拱為503.4kPa。

(2)圖中可以看出，每一根排水管附近都會產生一片低水壓區域，當排水導管不小于5根時，能在斷層破碎帶形成一個較為均勻的降水效果，導管數量越多，卸壓能力越大，形成的降水區域越大；在3根導管的工況下，排水導管之間存在高水壓區，不符合“均勻降水”的理念，易在高水壓聚集區發生涌突水。

表3 各工況卸壓系數 kPa

圖4 卸壓系數走勢

圖5 工況卸壓系數柱狀

(3)以3根排水導管為例分析，其降水區域主要在拱頂、拱腰附近；拱頂水壓由初始的425.8kPa降低到231.8kPa，卸壓系數為0.54；拱腰水壓由初始的453.9kPa降低到264.8kPa，卸壓系數為0.58；拱腳水壓由初始的507.2kPa降低到288.3kPa，卸壓系數為0.57；墻腳水壓由初始的536.7kPa降低到379.6kPa，卸壓系數為0.71；仰拱水壓由初始的503.4kPa降低到392.1kPa，卸壓系數為0.78；拱頂、拱腰處的卸壓效果最好，墻腳、仰拱處的卸壓效果低于其它部位，不隨排水導管數量變化影響。

(4)對拱頂、拱腰、拱腳、墻角、仰拱部分在不同工況下的孔隙水壓力分析:

①排水導管數量為3、5、7、9時拱頂卸壓系數分別為0.54、0.41、0.28、0.26，5根排水導管卸壓能力相比3根提升13 %，降至174.6kPa，7根相比5根提升13 %，降至120.5kPa，9根相比7根只有提升2 %降至109.8kPa。

②3、5、7、9根排水導管時拱腰卸壓系數分別為0.58、0.4、0.33、0.24，5根排水導管卸壓能力相比3根提升18 %，降至181.6kPa，7根相比5根提升7 %，降至151.2kPa，9根相比7根只有提升9 %，降至110.9kPa。

③3、5、7、9根排水導管時拱腳卸壓系數分別為0.57、0.55、0.5、0.43，5根排水導管卸壓能力相比3根提升2 %，降至280.5kPa，7根相比5根提升5 %，降至252.1kPa，9根相比7根提升7 %，降至219.8kPa。

④3、5、7、9根排水導管時墻腳卸壓系數分別為0.71、0.68、0.65、0.61，5根排水導管卸壓能力相比3根提升3 %，降至379.6kPa，7根相比5根提升3 %，降至349.3kPa，9根相比7根只有提升4 %，降至325.7kPa。

⑤3、5、7、9根排水導管時仰拱卸壓系數分別為0.78、0.71、0.64、0.61，5根排水導管卸壓能力相比3根提升7 %，降至358.9kPa，7根相比5根提升7 %，降至151.2kPa，9根相比7根提升3 %，降至306.4kPa。

2 結束語

本文為保障隧道穿越富水高壓斷層破碎帶安全穩定，運用Flac3D建立斷層破碎帶三維有限差分模型模擬實際情況，結論如下：

對于拱頂，排水導管根由3根增加至5根、7根時，卸壓能力有較大的提升，增加到9根時，卸壓收益較少，最佳排水管數量為7根；對于拱腰，最佳排水管數量為9根；對于拱腳，最佳排水導管數量為9根；對于墻腳，最佳排水管數量為9根；對于仰拱，最佳排水導管數量為7根。

如果是軟弱圍巖，拱腰、拱腳受爆破施工擾動較大，處易發生失穩，建議采用9根排水導管；如果拱腰、拱腳圍巖條件較好，建議采用7根排水導管。