唐超 傅鶴林

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51578550）

作者簡(jiǎn)介：

唐 超（1975—），研究生，高級(jí)工程師，主要從事隧道施工技術(shù)管理工作;

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

基于流固耦合和三維數(shù)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(guī)律，預(yù)測(cè)了滲水量。結(jié)果表明：隧道開挖后，因擾動(dòng)而產(chǎn)生超靜孔隙水壓力和地應(yīng)力耦合，使拱腰部位出現(xiàn)的應(yīng)力集中最為顯著，其次是拱頂部位。針對(duì)該段出現(xiàn)的病害，采用帷幕注漿與超前預(yù)支護(hù)相結(jié)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(shù)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(nèi)外學(xué)者以各種力學(xué)假設(shè)為基礎(chǔ)，就斷層破碎帶富水隧道水壓力分布以及滲水量預(yù)測(cè)難題開展了一些研究，但成果在應(yīng)用過程中有一定的局限性。如丁浩[1]等開展模型試驗(yàn)，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(shù)之間的相互關(guān)系。譚忠盛[2]以宜萬鐵路巖溶隧道為依托，基于模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，揭示了不同防排水方式情況下隧道襯砌水壓力分布規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)通過注漿等方法，并不能夠顯著減小襯砌背后水壓力的結(jié)論。凡在隧道周邊滲流場(chǎng)范圍之內(nèi)存在出水點(diǎn)，計(jì)算水壓力時(shí)可進(jìn)行折減。張民慶[3]、高新強(qiáng)[4]、王秀英[5]、傅鶴林[6]等在研究基礎(chǔ)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(guān)系及分布規(guī)律，并提出了基于水文地質(zhì)概念模型的經(jīng)驗(yàn)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(yù)測(cè)滲水量，研究滲水量與塌方之間的關(guān)系，據(jù)此提出塌方病害處治合理方案，這是隧道治水的發(fā)展方向之一。

1 計(jì)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(zhǎng)隧道，位于新化縣吉慶鎮(zhèn)與油溪鄉(xiāng)交界處。隧道采用機(jī)械通風(fēng)，LED燈照明，并在洞內(nèi)有完善的消防和監(jiān)控設(shè)施。

隧道采用雙向四車道，凈高5 m，抗?jié)B等級(jí)≥P6，設(shè)計(jì)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(cè)向?qū)挾龋?3.75 m×2（行車道）+1.00 m（右側(cè)向?qū)挾龋?1.00 m（右檢修道）。

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

隧道區(qū)發(fā)育2條區(qū)域性斷裂層，帶內(nèi)發(fā)育康棱巖和斷層泥，為相對(duì)隔水層。隧道內(nèi)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?yàn)橹?，整體流向北東向。隧道區(qū)地下水一部分由大氣降水補(bǔ)給，一部分由斷層的西南段遠(yuǎn)端補(bǔ)給。大氣降水轉(zhuǎn)為地下水后，部分通過下降泉排泄，部分順斷層向北東向補(bǔ)給。根據(jù)調(diào)查，隧道區(qū)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(duì)施工的影響，并為隧道安全運(yùn)營土工技術(shù)支持，本文擬基于流固耦合和數(shù)值模擬，研究斷層破碎帶富水隧道中水壓力的分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)滲水量，進(jìn)而提出塌方處治方案。

1.2 模型構(gòu)建

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

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 涌水量分析

采用留核心土的上下臺(tái)階法開挖，開挖過程中的涌水量計(jì)算結(jié)果為：當(dāng)計(jì)算時(shí)步達(dá)到12 000步后，計(jì)算結(jié)果趨于收斂。此時(shí)的最終涌水量為Q=3.02 m3/h。事后在地面打地質(zhì)鉆確定地下水位，高度約為70 m，與預(yù)設(shè)的水位接近，說明預(yù)測(cè)的水量結(jié)果可以為工程所采用。

2.2 水壓力特征分析

在計(jì)算的基礎(chǔ)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(fā)現(xiàn)，孔隙水壓力受水位高度影響，與其高度成正比，與滲透系數(shù)關(guān)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(huì)出現(xiàn)消散，隨著滲流的進(jìn)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(hào)后，拱頂左側(cè)突然出現(xiàn)大范圍掉塊，剛安裝的鋼拱架及臺(tái)車被砸壞，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)人員果斷指揮，幸未造成人員傷亡。事件發(fā)生后，進(jìn)行研究，確定了拱頂塌方處治方案。

3.1 應(yīng)急處理措施

采取掌子面回填洞渣反壓→形成核心土，穩(wěn)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(yù)留混凝土管→緊貼掌子面穩(wěn)定空腔底部安裝鋼拱架→泵送混凝土到空腔內(nèi)→在已完成初支外擴(kuò)3～5 m范圍，鉆孔注水泥漿進(jìn)行加固→一個(gè)循環(huán)完成后，開始下一循環(huán)開挖和支護(hù)。

3.2 加固軟弱地質(zhì)層的方案

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍，按以下方案實(shí)施：

（1）聯(lián)合方案：即長(zhǎng)管棚+超前小導(dǎo)管，將小導(dǎo)管尾端固定在鋼拱架上，見圖7。

（2）采用1環(huán)長(zhǎng)管棚+3環(huán)超前小導(dǎo)管的方案。根據(jù)情況，確定采用2環(huán)長(zhǎng)管棚+6環(huán)超前小導(dǎo)管。

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

（4）超前小導(dǎo)管注漿采用雙液注漿。注漿參數(shù)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(shù)采用2.4。注漿壓力初步定為0.5～1.0 MPa，然后在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中確定合適的壓力參數(shù)。

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(yōu)值。根據(jù)諸多隧道注漿的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合吉慶隧道的特點(diǎn)，以控制流量Q=4.4 m3/m·d為標(biāo)準(zhǔn)，在注漿后的滲流量接近控制滲流量時(shí)，可以將該滲流量下的注漿圈認(rèn)定為最小注漿加固圈。

分別計(jì)算出沒有注漿、注漿圈厚度為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m時(shí)，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(dāng)圍巖注漿圈厚度達(dá)到4 m時(shí)，滲水量Q接近4.4 m3/m·d，可以認(rèn)為V級(jí)圍巖中最小注漿圈的厚度取4 m，如超過4 m將造成浪費(fèi)。

由圖8～13和表2還可以發(fā)現(xiàn)：

（1）隧道開挖前，以滲流為主，地下水以穩(wěn)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(xiàn)集中現(xiàn)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(tài)，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(tái)階法施工而不采用傳統(tǒng)的上下臺(tái)階法是合適的。施工過程中，應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)。

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

（3）在采取上述措施后，還應(yīng)對(duì)圍巖注漿加固，利用鋼拱架進(jìn)行初支。

3.4 施工監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)是確保隧道穿越塌方段和涌水段的主要現(xiàn)場(chǎng)工作之一。在施工過程中，對(duì)周邊收斂、拱頂下沉及壓力測(cè)量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)（結(jié)果見圖9～11），掌握了圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)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(jù)。

通過30 d的測(cè)量，具體結(jié)果如后頁表3所示。

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

4 結(jié)語

（1）隧道開挖前，地下水以穩(wěn)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(xiàn)的區(qū)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(yīng)采用留核心土的上下臺(tái)階法施工，而不宜采用傳統(tǒng)的上下臺(tái)階法，并應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)。

（3）對(duì)吉慶隧道涌水塌方段進(jìn)行處治設(shè)計(jì)，在施工過程中，通過對(duì)周邊收斂、拱頂下沉及壓力的測(cè)量，保障了隧道施工安全。

[1]丁 浩，蔣樹屏，陳林杰.公路隧道外水壓力的相似模型試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2008，25（10）：99-104.

[2]譚忠盛，李 健，薛 斌，等.巖溶隧道襯砌水壓力分布規(guī)律研究[J].中國工程科學(xué)，2009，11（12）：87-92.

[3]張民慶，黃鴻健，苗德海，等.巖溶隧道水壓力的研究與確定[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2008（5）：53-58.

[4]高新強(qiáng).高水壓山嶺隧道襯砌水壓力分布規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（5）：1 080.

[5]王秀英，王夢(mèng)恕，張 彌.山嶺隧道堵水限排襯砌外水壓力研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2005（1）：125-127.

[6]傅鶴林，隧道安全施工技術(shù)手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2011.

[7]楊惠林.祁家大山隧道病害原因分析及加固方案[J].公路，2004（8）：187-191.

[8]傅鶴林.大跨隧道施工力學(xué)行為及襯砌裂縫產(chǎn)生機(jī)理[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[9]康 鏡.充填型溶洞對(duì)地鐵隧道地基極限承載力影響研究[J].湖南交通科技，2017（3）：161-167.