富水巖溶隧道圍巖軟化效應分析及整治措施研究*

田 嬌 楊 洪 茍德明 歐陽淋旭 歐雪峰 張學民 曾曉輝

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550001；2.長沙理工大學土木工程學院 長沙 410114； 3.中南大學土木工程學院 長沙 410075)

在我國西部地區修建的隧道往往需穿越富水巖溶構造區域，其巖溶地貌分布廣泛、圍巖風化程度各異，水力構造系統復雜。受地下水物理及化學作用，隧道常常發生拱頂掉塊、掌子面塌陷、支護變形等施工災害[1]。為保障安全高效施工，擴寬隧道工程全壽命期[2]，研究富水巖溶隧道圍巖遇水變形特性及災害控制措施具有重要意義。

專家學者們針對地下水軟化效應開展了大量研究工作。楊善成等[3]采用數值計算及監測手段研究了凝灰巖遇水軟化對隧道支護與襯砌內力影響特征，指出隧道防水是治理地下水軟化效應的重點。李立瑞等[4]指出注漿加固技術是治理深埋富水隧道圍巖遇水軟弱的有效途徑。微觀特性方面，張晉東等[5]從微觀角度探究黃土地層隧道圍巖遇水軟化內部構造損壞機理。黃智剛等[6]以泥質板巖微觀結構遇水軟化演變規律為基礎，建立非線性動力學軟化模型，為“水-巖”軟化理論研究提供參考。現有成果揭示了圍巖遇水軟化后的宏、微觀演化特性及規律，但針對富水巖溶隧道施工圍巖遇水軟化作用及災害控制措施研究較少[7-8]。

為進一步研究深部隧道工程大變形特征及防治措施，以貴州省某富水巖溶隧道為工程依托，針對該隧道圍巖經巖溶地下水軟化后所產生的系列工程問題，采用室內試驗方法對隧道圍巖進行力學軟化性質分析，探討圍巖軟化前后的構造變化，進而提出相應的整治手段。

1 工程概況

該隧道采用雙向四車道高速公路標準建設，隧道全長5.5 km，最大埋深約537 m。左幅隧道起訖樁號為ZK6+760-ZK12+265，長5 505 m，最大埋深534 m。右幅隧道起訖樁號為YK6+755-YK12+180，長5 425 m，最大埋深537 m。

隧道采用復合式襯砌，初期支護布設直徑6.5 mm雙層鋼筋網、I20b型鋼拱架，噴射28 cm厚的C20噴射混凝土。隨后安裝350 g/m2無紡土工布以及防水板，布設HRB400的雙層鋼筋網，澆筑55 cm厚C30鋼筋混凝土作為二次襯砌，隧道斷面圖見圖1。

圖1 隧道斷面圖(單位：cm)

1.1 工程地質條件

隧址區位于貴州高原東北部的武陵山山脈向大婁山山脈過度的斜坡地帶，隧道主要穿越志留系中上統韓家店群(S2-3hn)泥質灰巖、泥質粉砂巖，下統湄潭組(O1m)泥巖夾泥質灰巖、鈣質泥巖、泥灰巖地層。隧道中部以近似正交穿越石朝向斜核部，隧道洞身軟、硬巖交替，圍巖受不同風化程度影響，巖體破碎，呈碎、裂狀結構，受地下水溶蝕與沖刷作用，遇水易軟化崩解。

1.2 水文條件

隧址區氣候屬亞熱帶濕潤季風氣候區，屬長江流域烏江水系影響區域。降雨量受季風影響，在時空間上呈極不均勻分布，尤其夏季為強降雨季，占全年降雨量的50%以上。區域匯水面積達29.6 km2，巖溶富水軟弱區廣泛發育，地下水易沿基巖節理、裂隙面下滲至隧道，進而侵蝕軟化隧道圍巖。

1.3 存在問題

隧址區裸露巖溶和淺埋巖溶占隧址區總面積的70%，可溶巖約占隧道總長的35%，其中有1 050 m穿越石朝向斜匯水區。隧道周邊存在裂隙帶、巖溶強烈發育地段和高壓蓄水地帶，圍巖常年受到高壓地下水的浸泡、溶蝕軟化作用，整體呈灰褐狀，隧道掌子面極不穩定，施工時多發生拱頂掉塊、掌子面塌落等災害，施工處理極為困難，隧道圍巖情況及災害圖見圖2。

圖2 隧道圍巖及大變形災害

2 隧道圍巖力學性質研究

2.1 室內試驗方案

本次試驗所制備的巖石樣本取至隧道ZK9+896-ZK9+968向斜富水區段圍巖，埋深259～384 m。經現場切割、打磨等工序加工成直徑×高度為50 mm×100 mm巖樣用作單軸壓縮試驗，同時加工同等數量下的直徑×高度為50 mm×25 mm巖樣用作巴西劈裂試驗，具體信息見表1。

表1 標準巖樣制備

將巖樣各分為3組，每組各3個。第一組不做任何處理，記為天然狀態組。第二組進行飽和處理，利用自然浸水法使土體達到完全飽和狀態。第三組作完全烘干處理。隨后采用30 kN電液伺服巖石力學試驗機進行巴西劈裂、單軸壓縮試驗，以200 N/s加載速度控制。

2.2 實驗結果及分析

2.2.1單軸壓縮力學特征分析

3種含水狀態下巖樣單軸抗壓試驗結果見表2。

表2 單軸壓縮力學指標

試驗結果表明，由于巖石在垂直橫截面的方向上受到荷載作用，巖石軸向受到壓縮、橫向發生擴張，巖體出現近似平行于軸線的主裂隙，巖石試樣整體失去承載能力。取每組測試數據均值作為本次實驗最終力學參數指標。巖石在不同含水狀態下(干燥、天然、飽和)的彈性模量、峰值應力存在顯著差異且隨著飽水程度不斷提高，圍巖的極限抗壓強度呈逐漸降低趨勢。干燥狀態下巖石的極限抗壓強度為135.64 MPa，巖石飽水后的極限抗壓強度僅為83.57 MPa，在巖體由天然狀態步入飽水狀態時，強度衰減率曲線出現拐點，衰減率大幅增長，飽水后的巖體較飽水前相比強度降低了38%，彈性模量衰減速率高達27%，軟化系數為0.62，為親水性軟巖，圍巖彈性模量及衰減規律圖見圖3。

圖3 圍巖彈性模量及衰減規律

由圖3可見，當巖溶隧道穿越富水區域時富水軟巖隧道圍巖親水性強，圍巖巖溶裂隙節理強烈發育，在地下水的“水-巖”效應下，圍巖具有顯著的遇水軟化特征，加劇了地下水對隧道支護的變形與破壞，嚴重影響隧道結構安全穩定。

2.2.2巴西劈裂力學特征分析

巖石抗拉強度是評價其力學性質的指標之一，也是體現隧道拉應力破壞的重要參數。通過間接劈裂試驗得到3種含水狀態下試樣極限抗拉強度，結果見表3。

表3 巴西劈裂力學指標

由表3可見，富水巖溶區域圍巖抗拉強度普遍較低，天然狀態下抗拉強度為8.00～9.10 MPa，平均值為9.00 MPa；飽水狀態下抗拉強度為4.41～4.63 MPa，平均值為4.5 MPa，抗拉強度軟化系數為0.45。

圍巖抗拉強度及衰減規律曲線圖見圖4。

圖4 圍巖抗拉強度及衰減規律曲線

從圖4中巖樣破壞形態圖可以看出，巖樣沿直徑方向產生貫通裂隙直至破壞，裂紋沿著受力方向穿過圓盤中心。

由圖4還可見，其測試值結果部分離散，證實巖石對地下水產生的力學響應顯著，且巖石強度衰減速度與含水狀態關系復雜，當巖石從干燥狀態轉至自然狀態下，其抗拉強度降低值僅為0.9 MPa，而當巖樣由天然狀態轉變為飽水狀態，極限抗拉強度降低4.5 MPa，削弱幅度達50%。綜上所述，富水巖溶區域圍巖受軟弱結構體控制，其抗拉強度較差，遇水后巖體結構變得松散，當隧道受到施工擾動后，巖體易沿層理、裂隙、夾層產生大范圍滑移與變形，進而在宏觀上表現為隧道富水區施工中多發拱頂掉塊、滑坡等大變形破壞。

3 病害整治方案及實施效果

巖溶隧道富水圍巖遇水強度弱化效應明顯，不僅嚴重影響施工支護的安全穩定性，還對隧道后續運營安全及經濟效益構成潛在威脅。根據以上圍巖遇水軟化機理分析結合室內試驗結果，采用“超前預注漿+徑向注漿”的聯合支護手段[8]，對圍巖進行注漿，形成軸向、徑向防滲加固圈，從而提高圍巖的承載能力，同時增強圍巖的抗滲流能力，防止圍巖進一步軟化。

3.1 超前周邊預注漿

超前軸向注漿按開挖方向以隧道為中心呈傘狀布置，現場注漿范圍為隧道開挖輪廓線外5 m，注漿管直徑90 mm，長度13～25 m不等。每一循環設置4環注漿孔，注漿長度為30 m，開挖25 m，預留5 m止漿巖盤。

注漿孔注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為0.8∶1～1∶1，水玻璃模數2.6～2.8，注漿壓力為0.5～1.5 MPa，鉆進過程中遇涌水或因巖層破碎造成卡鉆時，停止鉆進，進行注漿、掃孔后再行鉆進，超前注漿縱斷圖見圖5。

圖5 超前預注漿縱斷圖(單位：cm)

3.2 徑向防滲注漿工藝

采用徑向注漿的方式對掌子面全斷面進行全孔一次鉆進注漿加固，孔口環向間距為150 cm，縱向間距250 cm交錯布置，孔口管采用直徑42 mm，壁厚4 mm的鋼花管，管長1 m。注漿壓力0.5～1.0 MPa，水泥漿液水灰比為1∶1，徑向防滲注漿示意圖見圖6。

圖6 徑向防滲注漿示意圖(單位：cm)

3.3 實施效果驗證

富水巖溶隧道采用“超前軸向預注漿+徑向防滲固結注漿”的全斷面帷幕注漿堵水加固工藝，后緊跟初支與二襯等處治措施，通過現場觀察與開挖驗證，隧道表面干燥無水滲透，區段內圍巖中可見大塊水泥結石，注漿效果圖見圖7。

圖7 注漿效果

由圖7可見，注漿手段使得漿液與破碎圍巖固結成一整體，提高了圍巖整體承載能力，并共同抵御巖溶水滲流作用，防止圍巖進一步軟化。這說明該整治方案能夠有效保障隧道穿越富水巖溶區域的施工安全，以及隧道后續運營安全。

4 結語

富水巖溶隧道地質結構軟弱多變、地下水構造系統復雜、圍巖穩定性差、支護困難，常常遭遇大變形等地質不良災害，嚴重威脅隧道施工與運營安全。通過開展不同含水狀態下巖石的室內軟化試驗，研究富水巖溶隧道圍巖在地下水作用下力學軟化特性，得到主要結論如下。

1)富水巖溶隧道工程中復雜多變的巖溶地質及水文構造系統是影響隧道安全高效施工的環境因素。地下水軟化效應是導致富水巖溶隧道圍巖強度不斷衰減，穩定性大幅降低，進而誘發隧道產生大變形災害的主要原因。

2)隨著巖石的含水程度不斷提高，巖石的抗拉與抗壓力學強度都呈現干燥狀態>天然狀態>飽和狀態的分布規律，且隨著飽水度越高，其衰減速率呈折線性增長，在巖石由天然狀態轉變為飽水狀態時，其力學性質衰減趨勢更顯著，極限抗壓強度衰減幅度高達24%，抗拉強度衰減高達50%。巖溶隧道穿越富水區時應探明掌子面前方圍巖富水情況，盡量減輕對圍巖的施工擾動，以確保作業安全。

3)采用“超前預注漿+徑向防滲注漿”的圍巖全帷幕加固技術，在掌子面前方形成軸向與徑向的正交型防滲固結網絡。經現場驗證，該措施能有效封堵地下水與圍巖裂隙，極大程度地降低了水的軟化影響，提高圍巖的承載及抗滲能力，實現了富水軟巖隧道安全高效作業。