楊云，黃健陵，萬炳宏，蔡茜

承壓型構(gòu)造裂隙涌水隧道治理研究

楊云1,2，黃健陵1，萬炳宏3，蔡茜1

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 中鐵二十五局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510600；3. 中鐵二十五局集團(tuán) 第一工程有限公司，廣東 廣州 510405)

隧道涌水是隧道施工過程中常見的長期困擾隧道建設(shè)者的地質(zhì)災(zāi)害之一，不僅對隧道施工造成極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)營后也存在極大的安全隱患。結(jié)合重慶萬開周家壩?浦里快速通道鐵峰山隧道施工中遇到的集中突出涌水問題，通過多種超前地質(zhì)探測手段相結(jié)合分析涌水類型和判釋涌水?dāng)嗝媲胺降墓こ痰刭|(zhì)和水文地質(zhì)條件，針對性的采取措施，運(yùn)用Midas-GTS NX有限元軟件進(jìn)行建模分析，對涌水段和兩端延伸段原設(shè)計(jì)襯砌支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對防排水措施進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，保證了隧道的施工安全和隧道結(jié)構(gòu)安全。

裂隙承壓水；涌水處治；帷幕注漿；抗水壓襯砌

我國西南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，在群山環(huán)繞地區(qū)修建基礎(chǔ)交通設(shè)施時(shí)不可避免需要修建隧道。隧道線位往往穿越多個不同的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)單元，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，在修建隧道過程中，面臨最大的問題是水文地質(zhì)問題[1?2]，稍有不慎就可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害而造成重大工程事故以及巨大經(jīng)濟(jì)損失[3]。大量工程事故案例證明，在建隧道穿越斷層破碎帶、地質(zhì)構(gòu)造帶等區(qū)域時(shí)，常造成隧道突泥、涌水、塌方等工程事故，其中隧道涌水災(zāi)害發(fā)生數(shù)量最多且預(yù)防難度最大[4]。本文依托重慶萬開周家壩?浦里快速通道鐵峰山隧道工程，在隧道施工過程中遇到集中突出涌水問題后，從開挖揭示的地質(zhì)條件、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)特點(diǎn)、涌水補(bǔ)給源類型和洞內(nèi)多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測等相結(jié)合對隧道涌水特性進(jìn)行綜合分析，針對性采取防排水措施，運(yùn)用Midas-GTS NX有限元軟件進(jìn)行模擬分析，對原設(shè)計(jì)支護(hù)和防排水參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、加強(qiáng)，保證了隧道施工和結(jié)構(gòu)安全，對類似地質(zhì)環(huán)境下隧道工程的設(shè)計(jì)和施工具有一定指導(dǎo)意義。

1 概況

萬開周家壩?浦里快速通道工程位于重慶萬州天城至開縣長沙鎮(zhèn)之間的鐵峰山一帶，隧道道路等級為城市快速路，雙向4車道，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h。

鐵峰山隧道正洞左線隧道起訖里程K0+457～K9+685m，長9 228 m；右線隧道起訖里程YK0+ 480～YK9+695 m，長9 215 m，左、右線正洞相距約30～35 m，為分離式雙向雙洞公路隧道，隧道設(shè)1號，2號斜井均線路右側(cè)，隧道建成后兼做通風(fēng)道，隧道最大埋深約為858.5 m。

隧道穿越的鐵峰山脈呈近北東向展布，屬構(gòu)造剝蝕脊?fàn)畹椭猩降孛?，隧道穿越鐵峰山背斜中段，與背斜軸向近于正交，背斜核部地層巖性主要為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)薄?中厚層狀泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖，兩翼地層巖性主要為三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)砂巖夾少量頁巖和侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組(J1z)、自流井組(J1zl)的砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生顯著剪切錯動滑移現(xiàn)象，切面光滑，兩側(cè)揉皺明顯，層間結(jié)合程度差，擠壓錯動接觸帶內(nèi)物質(zhì)碎屑夾泥，巖體呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)水性好；地下水主要基巖裂隙水，賦存于不同地質(zhì)構(gòu)造間和巖層間的接觸帶內(nèi)，受區(qū)域地下水運(yùn)移和地表水下滲補(bǔ)給，區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，呈梳狀發(fā)育，主溝常年流水。

隧址區(qū)大埡口和中寶煤礦采空區(qū)位于隧道洞頂230 m以上，對隧道圍巖穩(wěn)定性無影響；劉家溝煤礦現(xiàn)開采上界標(biāo)高675 m，現(xiàn)開采下界標(biāo)高200 m，已采區(qū)目前尚未進(jìn)入隧道分布范圍，隧道洞周50 m范圍已設(shè)為禁采區(qū)。

隧道采用鉆爆法施工，1號斜井掘進(jìn)至左線正洞大里程K4+396時(shí)揭穿了地下水滲流通道，發(fā)生了大面積股狀水涌出，涌水量達(dá)893 m3/h，水壓較大。

2 涌水特性分析

1) 地質(zhì)構(gòu)造分析：開挖揭示K4+396斷面圍巖為須家河組，并向巴東組(背斜核部)過渡，涌水位置為2組地層過渡帶，巖性從砂巖過渡到泥巖，巖層傾角由緩過渡到近直立，靠近軸部局部倒轉(zhuǎn)[5]，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，多為碎裂狀碎屑巖結(jié)構(gòu)；砂巖為主要含水層，泥巖為相對隔水層，含水層與隔水層互層形成良好的儲水帶；同時(shí)，不同地質(zhì)巖性過渡帶和巖層層面間多為導(dǎo)水性較好的碎裂狀碎屑巖，為區(qū)域地下水運(yùn)移和地表水持續(xù)下滲補(bǔ)，并向隧道內(nèi)排泄創(chuàng)造了良好的條件；較陡的巖層傾角提高地下水排泄的水力梯度[6]。

2) 隧道涌水補(bǔ)給分析：隧道發(fā)生涌水后，隨即對附近煤礦采空區(qū)和地表流水溝谷設(shè)置水文監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。中寶煤礦采空區(qū)有大量積水且滲水嚴(yán)重，其位置與隧道軸線平面關(guān)系較近，且涌水?dāng)嗝鍷4+396處于采空區(qū)正下方，監(jiān)測期內(nèi)采空區(qū)內(nèi)水位有明顯下降；涌水?dāng)嗝嫔戏降乇聿酃鹊貛СＤ炅魉疀_溝，在監(jiān)測期內(nèi)環(huán)比同期水量有所下降。水文監(jiān)測結(jié)果表明隧道洞內(nèi)涌水與煤礦采空區(qū)積水、地表溝水等之間存在一定的水力關(guān)系[7]。

3) 洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)：采用TGP、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)以及超前探孔等多種預(yù)測手段[8?9]對掌子面前方工程和水文地質(zhì)情況進(jìn)行綜合探測：

①TGP探測推斷前方圍巖為中風(fēng)化砂巖夾少量頁巖、煤層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體完整性一般，探測數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 TGP探測數(shù)據(jù)

②紅外探測顯示紅外輻射場強(qiáng)差值部分值大于允許安全值10，且曲線前端波動較大，判斷前方存在紅外異常，存在大面積儲水帶，紅外探測數(shù)據(jù)見圖2所示。

圖2 紅外探測數(shù)據(jù)

③地質(zhì)雷達(dá)探測前方有強(qiáng)反射界面，推測可能存在構(gòu)造突變，圍巖裂隙發(fā)育，存在大面積富水，地質(zhì)雷達(dá)探測數(shù)據(jù)見圖3所示。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測數(shù)據(jù)

④超前地質(zhì)探孔(Φ76 mm)，鉆進(jìn)速度正常，無空洞，偶有卡鉆現(xiàn)象，探孔顯示涌水量和涌水壓力均較大(見圖4所示)，最大涌水量達(dá)1 428 m3/h，且受隧址區(qū)降雨量大小影響較為明顯。

圖4 超前地質(zhì)探孔

通過上述綜合分析，隧道涌水是因隧道開挖揭穿地下水儲水帶，改變了地下水原始滲流場、滲流路徑和排泄通道，同時(shí)，區(qū)域地下水(含采空區(qū)積水)通過破碎碎屑巖體和層間接觸帶等有利滲流通道向涌水點(diǎn)不斷運(yùn)移和地表水持續(xù)下滲補(bǔ)給，形成以隧道開挖臨空面為中心的漏斗狀集中突出涌水，屬于典型的承壓型構(gòu)造裂隙涌水。

3 涌水治理施工技術(shù)

3.1 帷幕注漿

因隧道涌水突然釋放了區(qū)域地下水，并以隧道開挖面為排泄口的漏斗集中排泄，帶走巖體結(jié)構(gòu)面間的充填物質(zhì)，破壞洞周巖體的完整性、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，易造成隧道開挖后洞周巖體的失穩(wěn)破壞并沿結(jié)構(gòu)面向洞內(nèi)擠出、滑移等導(dǎo)致施工安全事故，同時(shí)因該作業(yè)面為反坡排水施工，涌水完全依賴抽排水設(shè)備抽排至洞外沉淀池，也存在極大的用電安全隱患。因此，在涌水段落實(shí)施超前帷幕注漿，一是加固前方已受涌水破壞的破碎巖體和充填結(jié)構(gòu)面，提高洞周巖體的整體強(qiáng)度(即，值)和穩(wěn)定性[10]，在前方形成的一個全封閉的水泥結(jié)石復(fù)合結(jié)構(gòu)，為后續(xù)隧道開挖、支護(hù)構(gòu)建安全施工通道；二是封堵地下水滲流通道，限量排放，減少地下水向洞內(nèi)無度排泄和改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境[11?12]。

超前帷幕注漿止?jié){墻設(shè)置在上臺階，以上臺階為中心的不對稱放射狀布置，注漿范圍為隧道開挖輪廓線外5 m，A-A橫斷圖布置圖見圖5，縱斷面布置圖見圖6所示。

圖5 超前帷幕注漿A-A孔橫斷面布置圖

圖6 超前帷幕注漿孔縱斷面布置圖

止?jié){墻厚度2 m，C30模筑混凝土，止?jié){墻上開孔間距65 cm和120 cm，孔徑110 mm，終孔孔徑不小于90 mm，終孔間距＜300 cm；每循環(huán)注漿長度30 m，開挖25 m，保留5 m作為止?jié){巖盤。注漿材料采用普通硅酸鹽水泥+水玻璃雙液漿液，水灰比1:0.6～1:1.1，水玻璃波美度30～40 Be，雙液體積比為0.7～1:1.4，注漿壓力控制在2.5～3.5 MPa。

注漿采用注漿量、流量和注漿壓力等相結(jié)合作為注漿結(jié)束控制標(biāo)準(zhǔn)。注漿采用前進(jìn)式注漿，順序?yàn)橄葍?nèi)圈后外圈，同一圈間隔施工，以減少注漿盲區(qū)，保證注漿質(zhì)量[13]。

3.2 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

考慮到隧道涌水特性，洞周水體對隧道襯砌結(jié)構(gòu)勢必產(chǎn)生較大的瞬間壓力，同時(shí)考慮到運(yùn)營期隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及耐久性，在原設(shè)計(jì)襯砌支護(hù)參數(shù)(見表1所示)基礎(chǔ)上采用GTS NX有限元軟件進(jìn)行建模分析，優(yōu)化襯砌支護(hù)參數(shù)，確保襯砌結(jié)構(gòu)在季節(jié)性瞬間高承壓水作用下安全穩(wěn)定[14]。

表1 原設(shè)計(jì)襯砌支護(hù)參數(shù)

3.2.1 有限元計(jì)算模型

該隧道為深埋型特長隧道，埋深858.5 m。計(jì)算模型簡圖見圖7所示，模型分析范圍選擇隧道周圍30 m區(qū)域，模型尺寸為橫向80 m，縱向30 m，豎向70 m。

地層為三維實(shí)體單元，自上而下依次為砂巖(厚0～9.8 m)、頁巖(厚12.8～15 m)、泥質(zhì)灰?guī)r(厚22～30 m)、泥巖(厚16～33 m)；噴射混凝土為二維板單元，錨桿為一維植入式桁架單元。

圖7 計(jì)算模型簡圖

3.2.2 模型參數(shù)選取

在數(shù)值模擬過程中各地層材料按Mohr- Coulomb本構(gòu)模型模擬其變形受力特征，噴射混凝土面層和錨桿等支護(hù)按彈性本構(gòu)模型模擬。

研究表明膨脹力與注漿壓力變化趨勢一致，注漿單元上施加的膨脹力是一種虛擬力，僅用來模擬注漿效果，與真正的注漿壓力不同[15]。洞周地層的物理力學(xué)參數(shù)(見表2所示)按照實(shí)際注漿后的情況選用，考慮帷幕注漿后對頁巖夾層和結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)加固作用。注漿單元彈性模量取隧道所在地層彈性模量的3倍，然后通過施加虛擬膨脹力讓單元產(chǎn)生體積膨脹來模擬注漿效應(yīng)，帷幕注漿區(qū)外側(cè)的圍巖則不考慮注漿影響，隧道支護(hù)材料參數(shù)見表3所示。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

表3 隧道支護(hù)材料參數(shù)

3.2.3 水壓力取值

參照《水工隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]，采用折減系數(shù)法計(jì)算外水壓力：e=ewe，e為外水壓力折減系數(shù)，w為水的重度，e為地下水位線至隧洞中心的作用水頭。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，涌水段區(qū)域地下水位線至隧洞中心的作用水頭e為325～350 m，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)特點(diǎn)、開挖揭示地質(zhì)情況、涌水特性和涌水后補(bǔ)充調(diào)查資料等折減系數(shù)e按0.8考慮，則涌水段作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力值e為2.6～2.8 MPa，取外水壓力2.8 MPa進(jìn)行計(jì)算 分析。

3.2.4 施工過程模擬

考慮到基于荷載?結(jié)構(gòu)模型的荷載分擔(dān)比法存在初支、二襯荷載分擔(dān)比無法估算的問題，故本次計(jì)算分析采用地層?結(jié)構(gòu)模型模擬隧道施工過程，主要施工分析步包括了初始地應(yīng)力平衡、分步開挖及支護(hù)、二次襯砌施作等。模擬過程中，初期支護(hù)與圍巖、二次襯砌與初期支護(hù)保持變形協(xié)調(diào)。

3.2.5 原設(shè)計(jì)襯砌支護(hù)參數(shù)計(jì)算分析

按原設(shè)計(jì)襯砌支護(hù)參數(shù)建模計(jì)算分析得出的襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位位移圖(見圖8所示)與二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(見圖9所示)。

圖8 原設(shè)計(jì)襯砌支護(hù)參數(shù)下襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位位移

圖9 原設(shè)計(jì)襯砌支護(hù)參數(shù)下二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖8位移圖可知，拱頂部位位移為?7.45 cm；左、右側(cè)拱腰部位移為?4.73 cm，?4.00 cm；左、右側(cè)拱腳部位位移為?1.67 cm，?2.16 cm，隧底部位位移為8.08 cm。除襯砌結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位位移過大外，由圖9應(yīng)力云圖可知，二次襯砌結(jié)構(gòu)也多處出現(xiàn)受拉區(qū)，易造成其開裂，尤其是在瞬時(shí)高承壓水作用下，襯砌結(jié)構(gòu)將發(fā)生局部破壞，需對原設(shè)計(jì)襯砌支護(hù)參數(shù)作進(jìn)一步優(yōu)化。

根據(jù)計(jì)算分析和涌水段的實(shí)際情況，對原設(shè)計(jì)襯砌支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整，調(diào)整后的襯砌支護(hù)參數(shù)見表4所示。

表4 調(diào)整后的襯砌支護(hù)參數(shù)

3.2.6 調(diào)整襯砌支護(hù)參數(shù)后計(jì)算分析

按調(diào)整后的襯砌支護(hù)參數(shù)建模計(jì)算分析得出的襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位位移圖(見圖10所示)與二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(見圖11所示)。

圖10 襯砌支護(hù)參數(shù)調(diào)整后襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位位移圖

由圖10位移圖可知，拱頂部位位移為 ?4.72 cm；左側(cè)和右側(cè)拱腰部位的位移為?2.60 cm，?2.79 cm；左、右側(cè)拱腳部位位移為?0.87 cm，?1.10 cm，隧底部位位移為4.27 cm。

由圖11應(yīng)力云圖可知，襯砌支護(hù)參數(shù)調(diào)整后二次襯砌結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域均處于受壓狀態(tài)，不存在局部應(yīng)力集中，僅小部分區(qū)域出現(xiàn)受拉區(qū)，最大拉應(yīng)力值僅為1.85 MPa，不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拉裂破壞等。

圖11 襯砌支護(hù)參數(shù)調(diào)整后二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

襯砌支護(hù)參數(shù)調(diào)整前、后計(jì)算分析結(jié)果對比，調(diào)整后，襯砌結(jié)構(gòu)的位移和二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力均得到極大的改善。同時(shí)，為確保運(yùn)營期隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體安全，穿越涌水段兩端各15 m長作為加強(qiáng)襯砌延伸段，延伸段襯砌施工參數(shù)同涌水段。

4 防排水補(bǔ)強(qiáng)措施

4.1 防水補(bǔ)強(qiáng)措施

隧址區(qū)復(fù)雜工程地質(zhì)條件為區(qū)域地下水往洞身段運(yùn)移和持續(xù)滲流創(chuàng)造了良好的條件，加之區(qū)域雨季降水量大。實(shí)施帷幕注漿后雖對洞周一定范圍內(nèi)的地下水滲流通道起到了暫時(shí)封堵作用，但因洞周地下水狀態(tài)受到外部環(huán)境變化而呈現(xiàn)動態(tài)變化，為進(jìn)一步加強(qiáng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全，在初期支護(hù)完成后，對涌水段及兩端加強(qiáng)延伸段拱墻增設(shè)徑向Φ42注漿鋼花管進(jìn)行補(bǔ)注漿，注漿范圍為隧道開挖輪廓線外4 m，間距120 cm×120 cm(環(huán)×縱)，梅花形布置，注漿材料采用普通硅酸鹽水泥+水玻璃雙液漿液，注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa，采用孔底返漿法，以提高注漿均勻性，降低洞周巖體的滲透系數(shù)，整體提高支護(hù)體系的防水質(zhì)量[17]。

4.2 排水補(bǔ)強(qiáng)措施

隧道修建破壞了隧址區(qū)地下水的原始賦存和滲流環(huán)境，建成運(yùn)營后排水系統(tǒng)是否能有效工作將直接影響地下水對二次襯砌結(jié)構(gòu)的作用，若以不期望的路徑進(jìn)入隧道將影響行車安全[18]，則將原設(shè)計(jì)縱向20 m設(shè)置一道的環(huán)向Φ100透水盲管調(diào)整為縱向10 m設(shè)置一道，環(huán)向盲管與縱向盲管、排水溝互連互通，形成暢通的立體排水系統(tǒng)。

5 結(jié)論

1) 治巖先治水，首先應(yīng)從隧道所處的區(qū)域工程地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)特點(diǎn)、開挖揭示的圍巖條件、涌水類型以及多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段相結(jié)合等對涌水原因、地下水運(yùn)移通道和補(bǔ)給源等因素進(jìn)行多維度綜合分析、識別，再采取針對性的堵水措施，才能有效地改造隧道賦存的復(fù)雜地質(zhì)條件，突出集中涌水段應(yīng)以堵為主、限量排放，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全。

2) 隧道結(jié)構(gòu)長期處于一個變化的工作環(huán)境中，應(yīng)根據(jù)涌水特性和隧址區(qū)水文特點(diǎn)，優(yōu)化襯砌支護(hù)參數(shù)和補(bǔ)強(qiáng)防排水措施，且其安全性和防排水系統(tǒng)的防排水能力應(yīng)有一定富余，以應(yīng)對季節(jié)性的瞬發(fā)較大水壓，以保證施工期和運(yùn)營期隧道結(jié)構(gòu)的安全。

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The treatment of pressure bearing structural fissure water gushing tunnel

YANG Yun1, 2, HUANG Jianling1, WAN Binghong3, CAI Xi1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. China Railway 25th Bureau Group Co., Ltd., Guangzhou 510600, China; 3. The 1st Engineering Co., Ltd., of China Railway 25th Bureau Group, Guangzhou 510405, China)

Tunnel water gushing is one of the common geological disasters that have troubled tunnel builders for a long time in the process of tunnel construction. It not only causes great safety risks to the tunnel construction, but also has great potential safety hazard in service. Based on the problems of concentrated outburst water inrush encountered during the construction of Tiefengshan Tunnel of Wankai Zhoujiaba-Puli Express Passage in Chongqing, this article analyzed the types of inrush water and the engineering geological and hydrogeological conditions in front of the inrush section by combining various advanced geological detection methods, took specific measures and applied Midas-GTS.NX finite element software to carry out modelling and analysis, optimized the original design lining support parameters of water inrush section and both end extensions, and reinforced the waterproof and drainage measures to ensure the construction safety of the tunnel and the safety of the tunnel structure.

fractured confined water; water gushing treatment; curtain grouting; lining against water pressure

U45

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3135 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200316

2020?04?17

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB1201204)：復(fù)雜環(huán)境下軌道交通土建基礎(chǔ)設(shè)施防災(zāi)及能力保持技術(shù)

黃健陵(1965?)，男，湖南醴陵人，研究員，從事地質(zhì)災(zāi)害防治、工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理等研究；E?mail：hjl1201@mail.csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)