鄰近水庫富水斷層破碎帶隧道注漿圈參數研究

趙旭偉

中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070

隨著鐵路網密度的提升，隧道穿越富水斷層破碎帶在所難免。高壓富水區裂隙巖體涌水將嚴重影響隧道的開挖和支護，工法選擇或地下水處置方法不當，將對周邊環境及隧道結構安全造成影響［1-3］。

目前在富水斷層破碎帶修建隧道主要設計理念還是“以堵為主，限量排放”，采取各種措施保證隧道結構安全同時減小隧道施工及后期運營對生態環境的影響［4-5］。注漿加固是隧道穿越富水斷層破碎帶主要措施之一，可有效降低圍巖滲透性，減緩和阻隔巖體內部地下水流失，增強圍巖的穩定性［6-9］。

針對隧道穿越富水斷層破碎帶滲流場的特性、高水壓滲流場變化規律、圍巖變形特征等研究［10-14］較多，針對鄰近水庫區域隧道穿越斷層破碎帶等特定風險工況的研究相對較少。本文以皖南一鄰近水庫區域鐵路隧道穿越斷層破碎帶為工程背景，研究注漿圈不同厚度、滲透系數下隧道周邊地下水滲流規律，用以指導設計，從源頭規避風險。

1 工程概況

該隧道與水庫的位置關系見圖1。該隧道埋深約75 m，鄰近水庫最近平面距離約105 m，隧道洞身發育一產狀N49°E∕50°N的平移正斷層，斷層破碎帶與隧道相交約45°。隧道洞身圍巖以弱～強風化片麻巖為主，巖體破碎。

圖1 隧道與水庫的空間位置關系

水庫常年蓄水，富水斷層破碎帶同時切割水庫及隧道洞身，斷層破碎帶將成為儲水及滲水通道，嚴重影響隧道施工安全，需采取全斷面超前預注漿措施。

2 數值模擬

2.1 模型的建立及參數的選取

采用MIDAS NX 軟件中的滲流單元模擬滲流效應，采用2D 平面單元模擬圍巖，采用彈性單元模擬初期支護。為了減小模型邊界效應，模型左右兩側各取5 倍隧洞洞徑，頂部為自由面。水位高度取至地面，模型頂面外水壓力為0，模型頂面、側面為透水邊界，底面為不透水邊界。模型長寬均為200 m，隧道埋深75 m。

將隧道內輪廓線總水頭設置為0，模擬未采取措施下開挖隧道。通過改變洞周圍巖參數，模擬不同厚度和滲透系數的注漿圈。

結合地勘資料及TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》確定計算參數，見表1。

表1 計算參數

2.2 結果與分析

2.2.1 地下水壓力分布

隧道未開挖、開挖未支護兩種工況下地下水壓力分布見圖2。可知：隧道未開挖時地下水壓力處于靜水壓狀態，其分布僅與埋深有關；隧道開挖未支護，滲流達到穩定狀態后地下水壓力呈漏斗狀分布，地下水朝隧道中心急速流動，地下水的大量流失會導致水庫水位下降。

圖2 地下水壓力分布（單位：kPa）

2.2.2 注漿圈參數對地下水壓力的影響

定義注漿圈相對滲透系數為圍巖滲透系數與注漿圈滲透系數之比。相對滲透系數越大，抗滲性能越好。不同注漿圈厚度、相對滲透系數下隧道拱頂上方20 m（地面以下55 m）處地下水壓力分布見圖3。可以看出：①隧道未開挖時地下水壓力為靜水壓力，呈直線分布，開挖未支護時地下水壓力曲線呈漏斗狀；②隨著注漿圈厚度h或相對滲透系數n的增加，地下水壓力曲線逐漸向靜水壓力線靠攏，表明隧道開挖引起的地下水流失逐漸減輕。

圖3 不同注漿圈厚度、相對滲透系數下地下水壓力分布

2.2.3 注漿圈參數對隧道涌水量的影響

埋深75 m 時不同相對滲透系統下隧道涌水量隨注漿圈厚度變化曲線見圖4。可知：不同相對滲透系統下隧道涌水量均隨注漿圈厚度增加而減小。注漿圈厚度在1～5 m時隧道涌水量減小速率較快，注漿圈厚度在5～8 m隧道涌水量減小速率變緩，當注漿圈厚度超過8 m時繼續增加注漿厚度對止水效果的提升不明顯。實際施工時可結合圍巖及地下水情況在5～8 m取值。當外部環境敏感時，建議取大值。

圖4 不同相對滲透系數下隧道涌水量隨注漿圈厚度變化曲線

本工程圍巖滲透系數為8×10-6m∕s。通過改變注漿圈相對滲透系數來模擬分析相對滲透系數對洞周滲流場的影響。不同注漿圈厚度下隧道涌水量隨相對滲透系數變化曲線見圖5。可知：不同注漿圈厚度下提高注漿圈相對滲透系數均可以有效減小隧道涌水量，但是相對滲透系數超過40時繼續增加對止水效果的提升不明顯。對于本工程，相對滲透系數宜控制在30～40，即注漿圈滲透系數宜在2.00×10-7～2.67×10-7m∕s取值。

圖5 不同注漿圈厚度下隧道涌水量隨相對滲透系數變化曲線

2.2.4 隧道埋深對隧道涌水量的影響

不同注漿圈參數下隧道涌水量隨埋深變化曲線見圖6。可知，注漿圈厚度、相對滲透系數一定時，隧道埋深與洞周涌水量近似成線性關系。說明以上所分析的注漿圈厚度、相對滲透系數對涌水量的影響規律在不同埋深下均具有參考價值，即不同埋深下注漿圈厚度、相對滲透系數均存在一個經濟合理范圍。

圖6 不同注漿圈參數下隧道涌水量隨埋深變化曲線

3 工程應用

該鐵路隧道鄰近水庫，外部環境較敏感，實際施工中注漿圈厚度取8 m，相對滲透系數取40，注漿材料采用純水泥漿液，水灰比1∶1。

施工過程中采用流速測量儀進行監測，隧道穿越斷層破碎帶段涌水量為1.42 m3∕（d·m），數值模擬結果為1.10 m3∕（d·m）。實測涌水量略大，分析其原因為：①爆破施工對圍巖的擾動破壞了圍巖的完整性，進而提高了滲透性；②由于地下水的流動性，導致部分區域注漿圈滲透系數略大于設計值。

4 結論

1）在未開挖狀態下地下水壓力處于靜水壓狀態，滲流場僅與埋深有關。隧道開挖未支護狀態下洞周地下水壓力分布呈漏斗狀，地下水朝隧道中心急速流動。

2）相對滲透系數一定時隧道涌水量隨注漿圈厚度增加而減小，當注漿圈厚度超過8 m 時繼續增加注漿厚度對止水效果的提升不明顯。注漿圈厚度宜控制5 ～ 8 m。隧道鄰近水庫，外部環境較敏感，隧道實際施工中注漿圈厚度取8 m。

3）提高相對滲透系數可有效減小隧道涌水量，但相對滲透系數超過40 時繼續增加對止水效果的提升不明顯。相對滲透系數宜控制在30 ～ 40。本工程最終相對滲透系數取40，即注漿圈滲透系數為2.00 ×10-7m∕s。

4）注漿圈厚度及相對滲透系數一定時，隧道埋深與洞周涌水量近似成線性關系。本文得出的注漿圈厚度、相對滲透系數對涌水量的影響規律在任何埋深下均具有參考價值，即不同隧道埋深下注漿圈的厚度、相對滲透系數均存在一個經濟合理范圍。