吉慶隧道斷層破碎帶水壓力分布及塌方涌水處治研究

唐超 傅鶴林

基金項目：國家自然科學基金（51578550）

作者簡介：

唐 超（1975—），研究生，高級工程師，主要從事隧道施工技術管理工作;

傅鶴林（1965—），教授，博士研究生導師，主要從事隧道及巖土工程教學與科研工作。

基于流固耦合和三維數值模擬，文章研究了吉慶隧道斷層破碎帶富水隧道中水壓力的分布規律，預測了滲水量。結果表明：隧道開挖后，因擾動而產生超靜孔隙水壓力和地應力耦合，使拱腰部位出現的應力集中最為顯著，其次是拱頂部位。針對該段出現的病害，采用帷幕注漿與超前預支護相結合的處治方法，處理了塌方和涌水病害，可為類似工程提供技術參考。

斷層破碎帶;富水隧道;水壓力;帷幕注漿;塌方體處治

U456.3+2A250844

0 引言

國內外學者以各種力學假設為基礎，就斷層破碎帶富水隧道水壓力分布以及滲水量預測難題開展了一些研究，但成果在應用過程中有一定的局限性。如丁浩[1]等開展模型試驗，獲得了隧道水頭高度、外水壓力與隧道排放量、圍巖滲透系數之間的相互關系。譚忠盛[2]以宜萬鐵路巖溶隧道為依托，基于模型試驗及現場測試，揭示了不同防排水方式情況下隧道襯砌水壓力分布規律，研究發現通過注漿等方法，并不能夠顯著減小襯砌背后水壓力的結論。凡在隧道周邊滲流場范圍之內存在出水點，計算水壓力時可進行折減。張民慶[3]、高新強[4]、王秀英[5]、傅鶴林[6]等在研究基礎上提出了以“堵水限排”為理念，揭示了襯砌外水壓力與排水量的關系及分布規律，并提出了基于水文地質概念模型的經驗解析法。但是水壓力的存在是引起塌方的主要原因之一，因而有必要預測滲水量，研究滲水量與塌方之間的關系，據此提出塌方病害處治合理方案，這是隧道治水的發展方向之一。

1 計算模型建立

1.1 工程概況

吉慶隧道是龍瑯高速公路上的一條分離式長隧道，位于新化縣吉慶鎮與油溪鄉交界處。隧道采用機械通風，LED燈照明，并在洞內有完善的消防和監控設施。

隧道采用雙向四車道，凈高5 m，抗滲等級≥P6，設計速度為100 km/h，隧道建筑限界：凈寬11.00 m=0.75 m（左檢修道）+0.75 m（左側向寬度）+3.75 m×2（行車道）+1.00 m（右側向寬度）+1.00 m（右檢修道）。

隧道區位于老王沖倒轉背斜的西北翼。隧道主要巖性為泥盆系上統和石炭系下統的泥質灰巖、混灰巖夾灰巖、頁巖及砂巖，出口段約200 m屬石炭系黃龍組白云質灰巖，巖層倒轉，層面與軸線呈大角度相交，大部分傾向大里程，其中發育2條區域性斷裂帶，帶內巖體破碎，發育康棱巖和斷層泥，為相對隔水層。層理及節理裂隙發育，但多為泥質充填，富水性及連通性差，因此隧道區屬于中低山地貌基巖裂隱水和裂隙巖溶水一般發育區。

隧道區發育2條區域性斷裂層，帶內發育康棱巖和斷層泥，為相對隔水層。隧道內地下水沿軸線的徑流通道被阻斷，因此隧道地下水徑流方向以垂直隧道軸線斷裂走向為主，整體流向北東向。隧道區地下水一部分由大氣降水補給，一部分由斷層的西南段遠端補給。大氣降水轉為地下水后，部分通過下降泉排泄，部分順斷層向北東向補給。根據調查，隧道區有多條串珠狀泉眼出露于斷層外帶，雨季流量為30～200 t/d。為了分析該段隧道的地下水對施工的影響，并為隧道安全運營土工技術支持，本文擬基于流固耦合和數值模擬，研究斷層破碎帶富水隧道中水壓力的分布規律，在此基礎上預測滲水量，進而提出塌方處治方案。

1.2 模型構建

選取如圖1所示的隧道斷面建立數值模擬模型，模型范圍為寬60 m×高60 m×長30 m。預設地下水位高度為70m，圍巖的初始滲透系數取7×10-6 m2/（Pa·s），隧道開挖方法為留核心土的上下臺階法。數值模擬流固耦合，計算模型見圖2，物理力學參數見表1。

2 計算結果分析

2.1 涌水量分析

采用留核心土的上下臺階法開挖，開挖過程中的涌水量計算結果為：當計算時步達到12 000步后，計算結果趨于收斂。此時的最終涌水量為Q=3.02 m3/h。事后在地面打地質鉆確定地下水位，高度約為70 m，與預設的水位接近，說明預測的水量結果可以為工程所采用。

2.2 水壓力特征分析

在計算的基礎上，畫出隧道開挖前和開挖后的涌水量矢量及孔隙水壓力分布圖，見圖3～5。

從圖3～5中可以發現，孔隙水壓力受水位高度影響，與其高度成正比，與滲透系數關系不大。隧道開挖前、后的孔壓分布見圖6。

從圖6看出，圍巖中的水壓受隧道影響。隧道開挖后，形成匯水自由面，圍巖中短期形成的超靜孔隙水壓力會出現消散，隨著滲流的進行孔隙水壓力在逐漸減小。

3 處治方案

某隧道開挖到某樁號后，拱頂左側突然出現大范圍掉塊，剛安裝的鋼拱架及臺車被砸壞，經過現場人員果斷指揮，幸未造成人員傷亡。事件發生后，進行研究，確定了拱頂塌方處治方案。

3.1 應急處理措施

采取掌子面回填洞渣反壓→形成核心土，穩定塌方空腔→往空腔表面噴射厚10～15 cm混凝土封閉巖面裂隙水→封閉空腔底部，預留混凝土管→緊貼掌子面穩定空腔底部安裝鋼拱架→泵送混凝土到空腔內→在已完成初支外擴3～5 m范圍，鉆孔注水泥漿進行加固→一個循環完成后，開始下一循環開挖和支護。

3.2 加固軟弱地質層的方案

根據超前地質預報范圍，按以下方案實施：

（1）聯合方案：即長管棚+超前小導管，將小導管尾端固定在鋼拱架上，見圖7。

（2）采用1環長管棚+3環超前小導管的方案。根據情況，確定采用2環長管棚+6環超前小導管。

（3）采用小導管方案，即采用42 mm、壁厚3.5 mm熱軋無縫鋼管，要求小導管逐根施工。

（4）超前小導管注漿采用雙液注漿。注漿參數為：水泥漿水灰比為1∶1;水泥漿與水玻璃體積比為1∶1;水玻璃濃度為35波美度;模數采用2.4。注漿壓力初步定為0.5～1.0 MPa，然后在現場試驗中確定合適的壓力參數。

3.3 最小加固圈注漿的確定

圍巖注漿是較好的加固方式，圍巖注漿加固圈存在著最優值。根據諸多隧道注漿的經驗，結合吉慶隧道的特點，以控制流量Q=4.4 m3/m·d為標準，在注漿后的滲流量接近控制滲流量時，可以將該滲流量下的注漿圈認定為最小注漿加固圈。

分別計算出沒有注漿、注漿圈厚度為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m時，隧道開挖后的滲流量，并畫出滲流矢量圖，如圖8及表2所示。

從表2可知，當圍巖注漿圈厚度達到4 m時，滲水量Q接近4.4 m3/m·d，可以認為V級圍巖中最小注漿圈的厚度取4 m，如超過4 m將造成浪費。

由圖8～13和表2還可以發現：

（1）隧道開挖前，以滲流為主，地下水以穩流形式通過。隧道開挖后，地下水的水壓力通過隧道開挖面得到釋放，水壓力分布改變顯著，圍巖水壓力出現集中現象，以拱腰部位最為突出，其次為拱頂部位。這主要是隧道開挖后，拱頂圍巖呈受拉狀態，圍巖裂隙被拉開，形成地下水的直接通道。因此，在穿越斷層破碎帶的施工過程中，采用留核心土的上下臺階法施工而不采用傳統的上下臺階法是合適的。施工過程中，應及時跟進支護。

（2）注漿堵水是處理地下水的有效方法。根據水壓力分布，對拱腰部位以上采用小導管注漿。小導管直徑為42 mm，環向間距為40 cm，縱向間距為1×1 m，注漿壓力應超過水壓力的1.0～1.5 MPa。

（3）在采取上述措施后，還應對圍巖注漿加固，利用鋼拱架進行初支。

3.4 施工監控量測

監控量測是確保隧道穿越塌方段和涌水段的主要現場工作之一。在施工過程中，對周邊收斂、拱頂下沉及壓力測量等進行監測（結果見圖9～11），掌握了圍巖和支護結構的力學動態及穩定程度，保障了隧道施工安全，為二次襯砌的施作提供了信息依據。

通過30 d的測量，具體結果如后頁表3所示。

由表3可知，6#點拱頂壓力及拉力達24.3 MPa，并在安裝鋼支撐后壓力就轉移到鋼支撐上，后期變化不大，說明鋼支撐等初期支護與圍巖共同抵擋地下壓力。

4 結語

（1）隧道開挖前，地下水以穩流形式通過。隧道開挖后，地下水的水壓力通過隧道開挖面得到釋放，水壓力分布改變顯著，水壓力集中出現的區域以拱腰最為突出，其次為拱頂部位。

（2）在穿越斷層破碎帶的施工過程中，應采用留核心土的上下臺階法施工，而不宜采用傳統的上下臺階法，并應及時跟進支護。

（3）對吉慶隧道涌水塌方段進行處治設計，在施工過程中，通過對周邊收斂、拱頂下沉及壓力的測量，保障了隧道施工安全。

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