衢寧鐵路鷲峰山一號(hào)隧道高壓富水?dāng)鄬犹幹渭夹g(shù)

王偉

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；2.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038）

高壓富水?dāng)鄬觾?nèi)巖體破碎，自穩(wěn)能力差，高壓水作用下易發(fā)生塌方失穩(wěn)，處理不當(dāng)可能引發(fā)突涌水災(zāi)害，影響隧道施工安全，甚至破壞區(qū)域水文環(huán)境。

鷲峰山一號(hào)隧道全長(zhǎng)16 646.16 m，是衢寧鐵路全線重點(diǎn)控制工程，設(shè)計(jì)速度160 km∕h，隧道內(nèi)設(shè)置單面上坡，隧道最大埋深約790 m，設(shè)置2座斜井組織施工。隧道穿越斷層13條，富水性好，環(huán)境保護(hù)要求高，施工存在涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)［1-2］。本文通過對(duì)其高壓富水?dāng)鄬犹卣髟敿?xì)分析和研究，提出相應(yīng)的工程處治對(duì)策，為隧道安全快速通過高壓富水?dāng)鄬犹峁┘夹g(shù)支撐。

1 高壓富水?dāng)鄬犹匦苑治?/h2>

1.1 地質(zhì)勘察情況

鷲峰山一號(hào)隧道F7 和F8 斷層于燕山晚期第四次侵入細(xì)粒花崗巖中，與線路交角約43°，隧道埋深約500 m，斷層產(chǎn)狀300°∠82°，視傾角79.0°，物探EH?4揭示電阻率呈低阻凹陷特征，深孔鉆探揭示斷層內(nèi)見斷層泥，少量角礫巖化、硅化及褐鐵礦化，巖石風(fēng)化較強(qiáng)烈，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，F(xiàn)7 和F8 斷層及影響帶分別長(zhǎng)約120 m，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，深孔抽水試驗(yàn)表明斷層段滲透系數(shù)為0.70 m∕d，透水性能相當(dāng)于粉土，斷層與地表老虎岔水庫(kù)存在一定的水力聯(lián)系，富水性較好，為強(qiáng)富水段落，預(yù)測(cè)斷層段涌水量約2萬(wàn)m3∕d。斷層與隧道關(guān)系見圖1。

圖1 斷層段隧道縱剖面示意

1.2 超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)情況

斷層段采用TSP彈性波法、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆探及孔內(nèi)成像、地下水連通性試驗(yàn)等綜合預(yù)報(bào)方法。根據(jù)超前鉆孔情況，斷層段內(nèi)圍巖為細(xì)粒花崗巖，淺肉紅色，個(gè)別段落發(fā)育輝綠巖巖脈，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整～較破碎，地下水較發(fā)育，超前探孔單孔實(shí)測(cè)水量約30 m3∕h、水壓達(dá)4.3 MPa。

為判斷斷層與地表老虎岔水庫(kù)（庫(kù)容2 000 萬(wàn)m3，是當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬘盟矗┑乃β?lián)系情況，于2017年8月18日和10月15日分別進(jìn)行了同位素測(cè)試取樣及檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)地表水庫(kù)水與洞內(nèi)鉆孔涌水短時(shí)間內(nèi)無(wú)直接相關(guān)性，但隨著斷層內(nèi)介質(zhì)的逐漸流失，滲透系數(shù)逐漸增大，斷層與地表水的聯(lián)系將逐步加強(qiáng)，可能誘發(fā)突涌水。

1.3 斷層特性分析

根據(jù)深孔鉆探和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，F(xiàn)7 和F8斷層段埋深約500 m，實(shí)測(cè)水壓達(dá)4.3 MPa，表明斷層與地表老虎岔水庫(kù)存在一定的水力聯(lián)系，但斷層帶內(nèi)巖體滲透性較差，滲透系數(shù)較小，相當(dāng)于粉土。鉆孔揭示斷層段涌水量不大，但實(shí)測(cè)水壓力高，達(dá)4.3 MPa。斷層對(duì)隧道的影響主要是高水壓條件下施工安全和運(yùn)營(yíng)期隧道結(jié)構(gòu)安全問題，隧道注漿方案和襯砌結(jié)構(gòu)水壓力計(jì)算是本工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)［3-4］。

2 高壓富水?dāng)鄬庸こ虒?duì)策

根據(jù)隧道高壓富水?dāng)鄬犹卣鳎C合考慮施工安全、工期、經(jīng)濟(jì)等因素，F(xiàn)7 和F8 斷層采取“超前注漿加固、襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、分區(qū)防水、安全監(jiān)測(cè)、綜合治理”的原則進(jìn)行處理。

2.1 防排水原則

鷲峰山一號(hào)隧道F7和F8斷層頂部為老虎岔水庫(kù)，水庫(kù)為地方飲水水源，隧道大量排水將會(huì)對(duì)地表水環(huán)境造成較大影響，不符合目前可持續(xù)發(fā)展對(duì)環(huán)境的要求，應(yīng)遵循“以堵為主，限量排放”的設(shè)計(jì)原則，結(jié)合高壓富水?dāng)鄬佣喂こ趟牡刭|(zhì)情況，該段隧道限量排放的控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為不大于3.0 m3∕（m·d）。隧道襯砌背后設(shè)置“半包”防排水系統(tǒng)，及時(shí)將滲入隧道內(nèi)的地下水通過縱環(huán)向排水管引排至隧道兩側(cè)水溝，如圖2所示。

圖2 “半包”防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2 注漿加固設(shè)計(jì)

2.2.1 加固范圍

加固范圍按滲流場(chǎng)理論解析公式進(jìn)行計(jì)算確定［5-6］，計(jì)算模型見圖3，理論解析式見式（1）和式（2）。

圖3 注漿帷幕體穩(wěn)定性檢算模型

式中：σr為徑向應(yīng)力；σt為切向應(yīng)力；P為水土荷載。

根據(jù)隧道開挖斷面大小，隧道半徑可等效為4.5 m，水荷載取4.3 MPa，結(jié)合鷲峰山一號(hào)隧道斷層段工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和開挖斷面尺寸，斷層段注漿加固圈厚度與加固圈內(nèi)最大應(yīng)力的關(guān)系如圖4所示。

圖4 注漿加固圈厚度與加固圈內(nèi)最大應(yīng)力的關(guān)系

由圖4 可知，當(dāng)注漿半徑大于9.5 m 后，增加注漿加固圈厚度，帷幕體內(nèi)最大壓應(yīng)力的減小幅度很小；同時(shí)，根據(jù)勘探取芯及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，斷層段內(nèi)巖體抗壓強(qiáng)度不小于10.0 MPa，綜合分析斷層段注漿加固圈半徑取9.5 m較為合適，即注漿加固圈厚度確定為5.0 m。

2.2.2 注漿方案

斷層段出水量不大，但靜水水壓力較高。為防止局部裂隙或破碎帶在高壓水作用下發(fā)生介質(zhì)流失進(jìn)而誘發(fā)較大涌水，斷層段采取超前5 m 周邊預(yù)注漿加固方案，控制地下水排放，注漿段每循環(huán)長(zhǎng)30 m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)注漿設(shè)備實(shí)際情況和臺(tái)階法施工現(xiàn)狀，注漿開口僅布置在上半斷面，注漿設(shè)計(jì)見圖5，注漿參數(shù)見表1。

圖5 超前5 m周邊預(yù)注漿設(shè)計(jì)（單位：cm）

表1 超前5 m周邊預(yù)注漿參數(shù)

2.3 襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

2.3.1 外水壓力確定

圖6 隧道結(jié)構(gòu)體系滲流模型

高壓富水隧道襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力可按圖6滲流場(chǎng)模型和式（3）—式（5）計(jì)算確定［7］。式中：Q1為襯砌結(jié)構(gòu)體系排放量；P1為襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力；P3為圍巖外緣水頭，P3=ρ g H，其中ρ為水的密度，g為重力加速度。

根據(jù)鷲峰山一號(hào)隧道高壓富水?dāng)鄬庸こ趟牡刭|(zhì)條件，該段圍巖滲透系數(shù)K3約為8× 10-6m∕s。假定襯砌滲透系數(shù)K1分別為1×10-9，1×10－8，5×10－8，1×10－7，5×10－7，1×10－6m∕s；K3∕K2分別為1，10，50，100；根據(jù)式（3）和式（4）計(jì)算出襯砌排水量與襯砌外水壓力折減系數(shù)關(guān)系，見圖7（計(jì)算時(shí)r1=4.5 m，r2＝5.0 m，r3＝10 m）。

圖7 襯砌外水壓與隧道排水量的關(guān)系

由圖7 可知，鷲峰山一號(hào)隧道斷層段“以堵為主，限量排放”的限量標(biāo)準(zhǔn)為3.0 m3∕（m·d），且當(dāng)K3∕K2=50時(shí)（注漿加固體后滲透系數(shù)是加固前的2%），折減系數(shù)將小于0.10，因此，取0.1 計(jì)算襯砌外水壓力P1=0.10 × 430 × 104＝0.43 MPa。

2.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)確定與檢算

根據(jù)以上確定的襯砌外水壓力大小，通過模擬計(jì)算結(jié)合工程類比，確定了鷲峰山一號(hào)隧道高壓富水?dāng)鄬佣尾捎眉訌?qiáng)型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，見圖8。

圖8 隧道加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)（單位：cm）

2.4 分區(qū)防水設(shè)計(jì)

為防止F7 和F8 斷層段地下水縱向竄流，確保相鄰段隧道結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全，采取分區(qū)防水設(shè)計(jì)，在F7和F8 斷層兩側(cè)設(shè)置2 處阻水榫，尺寸為1.0 m×1.0 m（寬×高），阻水榫位置取消縱、環(huán)向排水管和防水板，兩側(cè)形成相對(duì)獨(dú)立的防排水系統(tǒng)，見圖9。

圖9 隧道分區(qū)防水設(shè)計(jì)（單位：cm）

2.5 結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)

為掌握隧道施工完成后襯砌結(jié)構(gòu)承受的外水壓力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)，驗(yàn)證襯砌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全性，總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，完善設(shè)計(jì)理論，對(duì)鷲峰山一號(hào)隧道高壓富水?dāng)鄬右r砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，共布置3 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（DK295+060，DK295+085 和DK295+110），監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水壓力監(jiān)測(cè)和二次襯砌內(nèi)力監(jiān)測(cè)，見圖10。

現(xiàn)場(chǎng)采用無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)，從2018 年5 月2 日開始監(jiān)測(cè)，經(jīng)過近2 年連續(xù)不斷地?cái)?shù)據(jù)收集，二次襯砌混凝土內(nèi)最大壓應(yīng)力為2.58 MPa，最大拉應(yīng)力為1.33 MPa，襯砌外最大水壓力為0.12 MPa。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，二次襯砌結(jié)構(gòu)承受的外水壓力較小，混凝土內(nèi)力也較小，隧道結(jié)構(gòu)處于安全可控狀態(tài)。

圖10 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

3 結(jié)論

通過分析鷲峰山一號(hào)隧道高壓富水?dāng)鄬庸こ趟牡刭|(zhì)特征，結(jié)合理論分析計(jì)算，采取“超前注漿加固、襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、分區(qū)防水、安全監(jiān)測(cè)、綜合治理”的原則，成功解決了4.3 MPa 高壓富水?dāng)鄬拥陌踩┕ず徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，實(shí)現(xiàn)了安全、快速施工，為衢寧鐵路Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道的順利貫通提供了保障。

1）超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是處理復(fù)雜地質(zhì)問題的基礎(chǔ)，通過開展綜合地質(zhì)探測(cè)和分析，特別是利用孔內(nèi)成像技術(shù)，能充分掌握高壓富水?dāng)鄬佣喂こ趟牡刭|(zhì)情況，為斷層處理方案提供可靠依據(jù)。

2）高水壓是影響斷層段隧道施工安全和結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全的主要因素，通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，采取超前注漿能有效控制地下水的排放，降低施工階段和運(yùn)營(yíng)階段隧道結(jié)構(gòu)外水壓力，因此，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中必須嚴(yán)格管控注漿過程，確保注漿達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

3）在“堵排結(jié)合”原則和注漿加固情況下，隧道結(jié)構(gòu)承受的外水壓力可以大幅度折減，具體應(yīng)根據(jù)斷層工程水文地質(zhì)特征和注漿加固效果綜合確定。隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮一定的水壓力作用，采用鋼筋混凝土加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌。

4）在高壓富水?dāng)鄬觾蓚?cè)設(shè)置阻水榫，實(shí)現(xiàn)分區(qū)防水，能有效防止地下水縱向竄流，確保斷層臨近段落隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全。