高壓富水弱膠結礫巖隧道施工降水方案優化

孫曉科

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300133）

1 引言

近些年，在山嶺隧道的建設實踐中，第三系地層遇到的較多，以蘭渝線胡麻嶺隧道、桃樹坪隧道、牡綏線雙豐隧道等隧道為代表，主要是第三系砂泥巖半成巖，以細顆粒為主。針對這種地層的工程特點，目前設計施工中采取的措施【1，2】主要分超前降水、地層加固、分塊開挖和加強支護等幾大類，其中，降水是各種措施中的重要環節。而針對另一類半成巖的礫巖，其主要以礫石粗顆粒為骨架，細顆粒充填，膠結程度弱，夾泥或含砂，天然狀態下具有一定自穩能力，但在施工擾動和地下動水作用下極易失穩，其特點類似構造破碎帶，主要在煤礦建井中遇到較多。

李玉成、趙寶峰等【3，4】針對深厚富水承壓的第三系弱膠結礫巖地層建井和巷道施工開展了研究，提出了采用長距離定向鉆技術對頂板含水層進行探查和預疏放，井筒周圍打降水井降低周圍水頭高度，在疏干條件下施工井筒，在巷道突水防治、立井井筒水害防治方面取得了顯著效果。馬志富等【5】針對雙豐隧道長段落、大埋深、富水的第三系砂泥巖地層設計施工技術進行了探討，從空腔泄水、掌子面超前泄水、徑向泄水、平導泄水、基底降水井、平導向正洞拱頂施作泄水孔、地表降水等角度出發，提出了全方位立體泄水降壓方法及開挖輪廓內外差異化超前預加固工藝等措施。劉效成【6】等對隧道施工中地下水的降排水及堵水等多種處理方式進行了研究。張梅、趙西民等【7，8】結合舊堡隧道含泥化夾層、呈碎塊狀及角礫碎石狀松散結構的高壓富水斷層帶的特點，提出了“泄水降壓、注漿加固、管棚支護、兩端夾擊”的處治方案，并對超前鉆孔排水降壓在隧道富水斷層施工中的應用效果進行了總結，超前鉆孔排水泄壓可使前方承壓水得到提前釋放，水壓由0.6MPa 降至0.2MPa 以下，可保證掌子面安全，進行后續施工。

上述研究中關于降水措施，較多地集中在定性的方案制定研究上，對降水效果定量的分析較少。

某新建重載鐵路隧道洞身穿越一段長約3.7km 的第三系弱膠結地層，其中有約1.4km 為弱膠結礫巖，地層富水承壓，在高水壓和施工擾動下極易發生災害。本文針對該段第三系弱膠結礫巖地層，采用數值模擬的手段，對降水方案的效果進行定量分析，為施工降水方案的優化和隧道安全施工提供了數據支撐。

2 工程概況

某新建雙洞單線重載鐵路隧道長約18km，洞身穿越一段長約3.7km 的第三系弱膠結地層。該段地貌為溝谷及臺地，新老黃土覆蓋層最厚達120m，局部地方有第三系地層出露。隧道埋深為50~160m。

2.1 地層巖性

該段第三系地層巖性主要為膠結程度低的礫巖及半成巖的泥巖和砂質泥巖，其中，礫巖按膠結程度分中等膠結、弱膠結以及局部無膠結，膠結成分主要是泥質膠結，無水狀態或不擾動情況下一般可以自穩，遇水易軟化，巖芯呈散體狀，強度低，滲透系數為0.1～0.3m/d；泥巖均為半成巖，具有一定的遇水膨脹性，純粹的泥巖透水性較差，部分段落含砂和礫石稍多，為半成巖砂質泥巖，或砂質泥巖與礫巖互層，有一定滲透性，為弱~中等富水。

2.2 水文地質特征

該段屬第三系洪積扇水文亞區：山上基巖裂隙水向下徑流，由于受山前細顆粒的阻隔，在第三系洪積扇段落形成了富水承壓區。其中，礫巖是主要承壓含水層，接受山體基巖裂隙側向徑流補給。根據鉆孔水頭測量結果，在滲透性較大的段落，承壓水水頭高出隧道底板88～177m。根據鉆孔出水情況，可將含水層分為2 塊，下部礫巖地層是主要的含水層，地層強富水，上部砂泥巖地層含水量小，富水程度中等。采用地下水動力學方法，預測本段隧道正常涌水量約36 500m3/d，礫巖段最大單側單寬延米涌水量約27m3/d。

3 原設計方案

3.1 設計方案

針對該段富水高壓弱膠結地層設計采用了泄水洞超前降水輔助施工。在左右線中間位置設置泄水洞，泄水洞末端底標高較主隧道底板低2m，泄水洞斷面尺寸為4m×4.5m，在拱墻開設φ110mm 泄水孔，環向單側布置4 孔，縱向間距10m。泄水洞出口設置在溝谷下游，以平面交角45°下穿右線后沿左右線中部布置，總長4 319m，與正洞位置關系見圖1。

圖1 泄水洞縱斷面示意圖

3.2 存在問題

一方面，泄水洞尺寸較小，施工作業不便，且末端約2.3km地層中等~強富水，水頭較正洞更高，自身施工難度也大；另一方面，為達到降低正洞掌子面附近水壓，泄水孔中需插入10~20m 的泄水管，且數量較多，管節焊接包裹無紡布等工序煩瑣。同時，泄水洞自身長度達4.3km，實際僅是輔助了正洞1.4km 高壓富水段的施工，而增加工程投資約9 000 萬元，代價較高。

因此，有必要對泄水洞超前排水輔助施工的方案進行優化。

4 降水方案優化研究

隨著隧道的開挖，掌子面自身就是良好的排水通道，可對隧道掌子面附近水壓起到很好的泄壓作用，但究竟能起到多大的作用，與地層滲透性、開挖面支護等有關，需要定性分析。

4.1 掌子面自然排水效果分析

采用數值模擬手段，在有限元模型中建立整個區域的數值模型，通過對隧道的開挖以及初期支護等進行模擬，計算并分析開挖過程中掌子面附近水壓力的分布規律。

4.1.1 模型參數

根據前期研究結果，隧道開挖的影響范圍在2.5km 以內，故取對稱面左右各2.5km 為邊界；沿隧道方向取5km 長，涵蓋整個第三系段落；在豎直方向取到隧道下方約670m 處；上部黃土層由于貧水，滲透系數很小，不影響滲流場分布，因此為簡化計算量，模型中不考慮上部黃土層，按滲流邊界進行定義。

模型中隧道按真實尺寸和開挖過程進行模擬，隧道等效直徑約8m，2 條隧道的軸線間距為35m。考慮到計算范圍尺寸較大，計算量過大，因此按半對稱模型進行簡化。

模型的地層分區以勘察的地層分布為基礎，進行適當的簡化和延伸，地層物理力學參數如表1 所示。

表1 地層物理力學參數

4.1.2 邊界條件

模型的滲透邊界：（1）將模型下表面視為不透水邊界。（2）模型的對稱邊界根據對稱原理也視為不透水邊界。（3）黃土層與下面地層的交界面視為承壓水面，設為不透水邊界。（4）模型的左右邊界根據地質勘查報告設為固定水頭邊界。（5）模型垂直于隧道軸線的遠端邊界，假設不受隧道開挖的影響，也設為固定水頭邊界。

隧道內邊界：模型開挖后的內邊界模擬隧道初支，將其處理為第三類邊界，符合下式的定義。

式中，v 和P 為模型內邊界上的流速和水壓力；P0為初支內表面的水壓力；K0為初支的滲透系數；D 為初支的厚度；i 為水力梯度；γw為水的重度。

4.1.3 效果分析

隧道開挖后掌子面周邊水壓力橫縱向分布如圖2 所示，可以看出，開挖后橫向滲流場的分布形態呈現明顯的漏斗狀，掌子面附近水壓明顯下降，開挖臨空面的水壓力是0，掌子面附近水頭變化較快，1 倍洞徑以外，約有30m 水頭；縱向上，掌子面前方約1 倍洞徑處水頭約為30m，掌子面位置正上方，水頭分布形式為鼓形，最大值約15m，距離隧道頂部約1 倍洞徑。

從時間上看，隨著開挖過程不斷進行，掌子面附近的水位線先是快速降低，開挖區上方的負孔壓（水位線以上）區面積不斷增大，最后趨于穩定，但掌子面始終位于水位線以下，如圖3 所示。

4.2 降水方案優化思路

圖2 開挖后掌子面周邊水壓力分布圖及局部放大圖

圖3 滲流穩定時水位線分布圖

通過上述數值模擬結果可以看出，隨著隧道的開挖，掌子面自身排水就可將掌子面水頭從初始狀態的約180m 降至約30m，起到了極大的泄壓作用，大大增加了掌子面穩定性。但仍舊無法徹底疏干隧道周邊地層，掌子面始終位于水位線以下，施工過程中將不可避免需面臨帶水作業的風險。

另一方面，上述數值模擬中對地層進行了適當簡化，實際地層中除了礫巖外，還有砂質泥巖、泥巖，砂質泥巖和泥巖在動水作用和施工擾動下有軟化、泥化特性，因此，考慮在掌子面前方設置超前泄水孔，有針對性地進行超前引排，同時在掌子面下方設置集水坑，對掌子面涌水進行定點匯集，便于抽排。

此外，施工中還應采取加強支護、快速封閉、加大抽排水能力等技術措施，以保證施工安全。

4.3 現場實施情況

結合上述分析，現場施工中對原設計約4.3km 的泄水洞進行了變更，取消了末端約3.7km 的泄水洞，調整洞口段約613m 的縱坡形成平導條件，如圖4 所示，并按無軌運輸雙車道加大斷面，利用平導輔助施工，加快出口端正洞的貫通以利于富水段施工排水。同時，施工中根據掌子面實際出水位置，適時打設φ110mm 的超前泄水孔作為掌子面直接排水的補充，以增加施工安全。

現場施工中，僅利用掌子面自排水+根據出水位置適時打設的超前泄水孔，按帶水作業組織施工，下臺階出渣作業結束后，采用吸污車抽排隧底匯集的大量積水泥漿，之后人工清底，安裝下臺階及仰拱鋼架，支護結構快速封閉。

圖4 泄水洞優化為平導示意圖

4.4 效果評價

該隧道施工中，關于泄水洞輔助降水方案的優化變更，共節約了工程投資約6 123 萬元，經濟效益顯著。隧道于2018年底安全順利地通過了1.4km 的高壓富水弱膠結礫巖段落，目前已通車運營。

5 結語

通過在該隧道建設中的試驗研究，有以下幾點體會：

1）針對富含高承壓水的軟弱圍巖隧道，施工期間掌子面自然排水就可以大大降低掌子面周圍水壓，以本隧道為例，掌子面附近水壓可從約180m 降至約30m 水頭；

2）掌子面超前泄水孔能較好地起到排水泄壓的作用，進行超前引排，可作為對掌子面自然排水的一個補充，進一步降低掌子面水壓，確保掌子面穩定；

3）雖然掌子面排水及超前泄水孔可以有效降低掌子面周邊水壓，但仍舊無法疏干地層，需按帶水作業組織施工；

4）設計階段可采用數值模擬手段對降水效果進行模擬判斷，以支撐降水系統的參數化設計。