隧道穿越富水層施工技術與圍巖應力變化分析

摘要：文章以富水層地質構造為例，研究了隧道在穿越此類地質段時的主要施工技術，并通過現場數據采集與傳輸系統搭建，分析了富水層隧道圍巖應力變化情況，為同類型隧道施工提供參考。

關鍵詞：隧道;富水層;施工;研究

0 引言

隧道在施工過程中常穿越各類不良地質段，如富水層，這類地質構造為隧道施工帶來了一定的難度，而且在施工過程中也伴隨有各類風險因素，如突水涌泥、結構失穩、支護塌方等，嚴重時會影響到施工人員的生命安全。因此，研究隧道穿越富水層的施工技術和施工中各相關工程參數的變化，對于保證隧道工程的施工質量具有特殊意義。

1 隧道穿越富水層的主要施工技術

1.1 隧道穿越富水層施工風險

隧道在施工中穿越富水地質構造時，會破壞原有含水結構及滲流通路，可能使疏水通道與隧道開挖面相互連通，施工擾動甚至會引發隧道開挖區的突水涌泥等施工事故，情況嚴重時會造成地面塌方或地表沉降。富水層所在地質構造多為巖性變化帶，屬于隧道工程的富水層。地表突變處若為擠壓式斷層，則通常表現為上盤裂隙富水;地表突變處若為張拉式斷層，則通常情況下斷層帶即為蓄水構造。隧道施工穿越該段將可能引發集中突水涌泥，施工風險極高。特別是在強巖溶區域的隧道施工中，巖體深處可能存在大范圍的蓄水構造，當隧道開挖揭穿溶洞、溶腔或其他暗河時，會引起大量地下水噴涌，改變原有的地下水滲流路徑，使得隧道周邊范圍的地下水位下降，對當地生態環境和人們日常生活帶來嚴重影響[1]。

1.2 穿越富水層施工水處理原則

隧道淺埋段應使用洞內注漿模式進行封堵，以減少滲水壓對永久襯砌結構的影響。對于隧道常規地段而言，其裂隙水與地表水無明顯的直接聯系，排放時對周邊環境的影響較小，因此，可采取防排相結合的水處理原則。對于影響附近環境較大的地質構造水，應綜合判斷實際施工情況下的項目進度等情況，嚴格區分滲流水及噴出水，采取排放后處理和超前帷幕預處理等措施，并注漿加固圍巖以降滲承壓，初期支護時使用徑向方式[JP]進行注漿以隔斷水路。此外，應及時采取措施盡可能減少隧道內部的排水，確保隧道原有結構體的穩定性，為降低排水對周邊環境的影響，可使用帷幕注漿技術進行施工[2]。

1.3 帷幕注漿施工

針對隧道施工過程中因穿越富水層等不良地質構造而可能引發的突水涌泥等災害，當地下水壓力值超過3 MPa時，應對其正洞8 m范圍內注漿加固;當地下水壓力值在2～3 MPa時，應對其正洞5 m范圍內注漿加固，開挖輪廓外3 m范圍進行帷幕注漿施工;當地下水壓力值在1～2 MPa時，開挖輪廓外3 m范圍進行帷幕注漿施工。注漿施工設備選用可參考表1。

1.4 繞行超前平導施工

當穿越富水層斷面的隧道上坡區域為大導水結構，在施工過程中發生大量涌水情況時，在正洞內進行處理變得十分困難，此時應在隧道掘進方向來水側設置上坡平導，且平導的高度應高于正洞，并利用繞行超前平導進行泄水以減小壓力，對實現隧道工程快速貫通施工具有積極作用。超前導坑的施工方案可有效避免涌水突泥引發的隧道結構失穩情況，利用繞行超前平導能夠有效降低正洞水壓，同時也能為正洞徑向注漿留有足夠的施工空間，便于進行地質勘測以掌握前方地質情況。繞行超前平導利用橫通道方式與正線連通，擴大了正線工作面，提高了施工速度，形成正線疏排水系統，可區分洞內各部分作業以減少彼此干擾，有效降低施工事故的發生[3]。

1.5 排水錨噴支護

隧道施工在穿越富水區時存在的裂隙較多，隧道開挖過程產生大量涌水不可避免。當隧道拱頂以及邊墻發生較為嚴重的滲水時，初期支護施工難以進行或效果較差，例如使用鉆爆法開挖時將造成隧道巖體結構的振動，進一步加劇巖體裂隙甚至形成連通裂縫，使地層水滲入隧道，這些因素都將使初期支護無法成型，此時應使用速凝時間在3 min以內的水泥進行施工。根據實際疏導水流來適當降低水壓，可迎水進行噴混凝土減少滲水范圍，確保防水層的質量[4]。隧道錨噴支護參數如表2所示，隧道錨噴支護配合比如表3所示。

2 富水層隧道圍巖應力變化分析

2.1 圍巖數據采集硬件布置

2.1.1 鋼筋計埋設

依據結構力學原理，采集被測量物體的頻率作為模擬信號，鋼筋計可用來測量隧道拱架的結構應力，可通過對焊方式進行連接，置于初支混凝土中，混凝土凝固后進行測量。

2.1.2 壓力計布置

與鋼筋計的工作原理類似，壓力計通常用來測量隧道圍巖形變應力，預先在鋼筋加工區完成固定支架的制作，然后將制作好的支架運送到隧道內，用支架將壓力計固定在圍巖上，另一側固定到鋼拱架上，應保證可靠、牢固，使采集到的數據準確。

2.1.3 水位計布設

測量隧道巖體內部的地下水情況可為穿越富水層隧道施工提供相應的數據支持。在隧道圍巖內部固定水位計，通過水壓作用于水位計的敏感元件，實現地下水位的準確讀取[5，6]。

2.2 現場數據采集與傳輸系統搭建

在隧道施工現場的硬件采集裝置布置完成后，進行數據采集和傳輸系統的搭建，將鋼筋計、壓力計和水位計采集到的隧道施工數據通過數據接口、數據總線和數據集成裝置上傳到分析組件（上位機）中進行數據匯總、分析和顯示。數據接口與數據總線經過部署在隧道施工現場的遠程自動化采集箱進行中轉。施工數據采集與傳輸系統主要由采集裝置、傳輸單元和分析組件三部分構成：采集裝置涉及到鋼拱架應力、圍巖壓力和地下水位等的檢測部分等;傳輸單元包括數據總線、接口和集成等;分析組件有處理器、轉換器和顯示器等部件。隧道施工現場數據采集與傳輸系統架構如圖1所示。

2.3 富水層隧道圍巖應力變化分析

進行隧道富水層施工數據分析，能夠評估隧道圍巖結構等多方面施工參數，為工程下一階段的施工提供指導意見。隧道圍巖應力變化能夠反映隧道整體結構的穩定性以及工程施工質量，因此，選取施工中隧道圍巖應力作為試驗參數，通過對比圍巖應力計算值（理論值）和監測值（實際值），分析圍巖應力在施工過程中的變化情況，得出隧道富水層施工質量評估結果。試驗中選取某西南山區隧道的施工建設模型，模擬出施工現場隧道圍巖應力的計算值曲線，如圖2所示。

試驗中模擬了25 d工期的隧道施工圍巖應力（壓應力）變化，拱頂、拱腰以及拱腳處的圍巖應力在25 d試驗觀察中的變化趨勢基本相同，拱腰位置圍巖應力變化在15 d之后逐漸平穩，而拱頂和拱腳圍巖應力在繼續減弱，表明隧道圍巖形變幅度在減弱，即隧道圍巖結構在施工過程中逐漸穩定。施工現場隧道圍巖應力的監測值曲線如圖3所示。

由圖2、圖3對比可知，富水層隧道圍巖應力的計算值與監測值變化曲線基本一致，拱頂、拱腰與拱腳三個方向的圍巖應力監測值曲線在逐漸降低，說明在富水層隧道實際施工中進行的支護措施效果較好。另外，在圍巖應力監測曲線中可以看到，拱頂、拱腰與拱腳三個方向的受力變化情況大體相同，有別于圖2中的曲線走向，這種情況表明拱頂、拱腰和拱腳三個位置的施工進度具有同步性。

3 結語

本文分析了隧道穿越富水層施工技術，闡述了帷幕注漿、繞行超前平導和排水錨噴支護等施工技術理論和應用范圍，通過模擬試驗完成了富水層隧道施工現場數據采集與圍巖應力變化分析，為同類型隧道的施工方案設計提供了參考。

參考文獻：

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[3]周垂一，李 軍，嚴 鵬.錦屏二級水電站深埋隧洞施工難點解析[J].隧道建設，2013，33（6）：481-488.

[4]呂言新，張 猛，董之龍.富水巖溶隧道注漿堵水技術研究[J].中國礦山工程，2012，41（1）：60-63.

[5]王新潔.新茨溝隧道軟弱炭質片巖地段施工技術研究[J].山西建筑，2012，38（13）：183-186.

[6]趙福善.蘭渝鐵路兩水隧道高地應力軟巖大變形控制技術[J].隧道建設，2014，34（6）：546-553.

作者簡介：李國華（1980—），工程師，研究方向：高速公路建設工程。