公路隧道穿越紅層多條富水?dāng)鄬訋┕ぜ夹g(shù)研究

侯建偉 徐金峰 謝雄耀 鄧海明 錢正富

1. 云南交投集團(tuán)投資有限公司 云南 昆明 650228；

2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092；

3. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系 上海 200092；

4. 昭通市昭瀘高速公路投資開發(fā)有限公司 云南 昭通 657000

隨著我國西部開發(fā)的持續(xù)推進(jìn)，云南等地區(qū)的高速公路快速發(fā)展。作為紅層軟巖集中分布區(qū)的云南等西南地區(qū)，94%以上的面積為山區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，立體型垂直氣候明顯，降水集中。在地下水及工程活動綜合影響下，高速公路隧道建設(shè)期極易發(fā)生突水涌泥、坍塌等事故。

錢七虎[1]指出在隧道施工中突水突泥災(zāi)害對重大地下工程建設(shè)安全的挑戰(zhàn)相當(dāng)嚴(yán)峻；李術(shù)才等[2]針對隧道建設(shè)過程中的突水突泥問題進(jìn)行了致災(zāi)構(gòu)造分類、地質(zhì)判識、孕災(zāi)模式與典型案例分析，研究了不同類型致災(zāi)構(gòu)造的結(jié)構(gòu)特征、賦存規(guī)律和地質(zhì)判識方法；張慶艷等[3]通過自行研制可考慮質(zhì)量遷移及地應(yīng)力狀態(tài)的大型室內(nèi)突水突泥試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行富水?dāng)鄬悠扑閹淼劳凰荒酁?zāi)害演化機(jī)制研究，并建立了斷層破碎帶滲透演化特征概化模型；馬棟等[4]依托贛深高鐵龍南隧道F8斷層施工，通過地表抽水試驗(yàn)獲取斷層破碎帶巖土體的水文地質(zhì)參數(shù)，提出“地質(zhì)雷達(dá)＋TSP＋超前鉆孔”方法，并采用“分水降壓＋內(nèi)堵外固＋安全監(jiān)測”措施，取得了良好效果；錢正富等[5]通過現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，研究了穿越滇中紅層軟巖無中導(dǎo)洞連拱隧道的爆破施工控制技術(shù)；韓侃等[6]研究了TSP法對隧道前方的斷層、巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)、含水體、節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)等預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)判譯程度；國內(nèi)外眾多學(xué)者[7-10]對于隧道穿越紅層富水?dāng)鄬訋Х矫娴难芯浚瑥睦碚摗⒃囼?yàn)、數(shù)值模擬、施工技術(shù)等角度進(jìn)行了探討。

本文以云南楚姚高速公路中屯2號隧道為工程依托，通過TSP（地震波法）和GPR（地質(zhì)雷達(dá)）相結(jié)合的物探手段揭示隧道所處地質(zhì)環(huán)境，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場施工中出現(xiàn)的地下水涌出、斷層破碎帶等不良地質(zhì)問題，利用有限元軟件進(jìn)行工程模擬的結(jié)果，對后續(xù)隧道施工段的工程地質(zhì)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測分析進(jìn)行綜合評判，確定施工重難點(diǎn)。通過動態(tài)設(shè)計(jì)，對不良地質(zhì)段的施工技術(shù)方案進(jìn)行信息化反饋改良，最終確保中屯2號隧道安全地穿越了紅層多條富水?dāng)鄬訋А?/p>

1 工程背景

1.1 隧道工程概況

中屯2號隧道位于楚姚高速公路第二合同段2-1工區(qū)，為分離式3車道長隧道，全長2 535 m，最大埋深256 m。隧道為上坡，左右幅縱坡坡度均為2.3%。

根據(jù)地勘報(bào)告，場區(qū)地表有3條斷層F1、F2、F3，斷層位置與隧道走向關(guān)系如圖1所示，斷層破碎帶寬度分別為4、35、18 m，均為泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)差。隧道穿越巖層以粉砂質(zhì)泥巖、砂巖為主。

圖1 中屯2號隧道與斷層關(guān)系平面示意

1.2 富水?dāng)鄬訋Ы榻B

隧道區(qū)地表季節(jié)性沖溝發(fā)育，地下水含量豐富，以大氣降水為補(bǔ)給源。大氣降水大部分以坡面流形式向地勢低洼處匯集排出場區(qū)，少部分沿基巖節(jié)理裂隙面和斷層破碎帶滲入基巖中。單幅隧道涌水量約9 500 m3/d。場區(qū)地勢西北高、東南低，年平均降雨量為872 mm，無霜期238 d，日最大雨量為2016年10月1日的210.7 mm。工程區(qū)水系發(fā)育、山區(qū)溝谷縱橫、起伏較大，雨季水流量相對較大，沖刷較強(qiáng)，地表水匯集流入文龍河、中屯水庫，最終流入金沙江，屬金沙江水系。

1.3 現(xiàn)場施工重難點(diǎn)分析

截至2020年4月，中屯2號隧道進(jìn)口已施工段長度達(dá)到1 km左右，出口已施工長度達(dá)到600 m左右。隧道進(jìn)口開挖斷面圍巖為中風(fēng)化中厚層狀長石砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖，開挖面地下水呈滴水狀。隧道出口開挖至F3斷層破碎帶，左幅開挖后地下水呈滴水狀，右幅開挖后左側(cè)拱腰出現(xiàn)小股出水，隨后水量驟增，并將大量松散破碎巖體沖出掌子面，單日最大出水量超過5 000 m3，隧道為反坡施工，掌子面積水嚴(yán)重，現(xiàn)場斷層破碎帶處涌水嚴(yán)重。由于隧道出口開挖遇斷層破碎帶及涌突水的過水通道，隧道從2019年8月延緩開挖支護(hù)，現(xiàn)場采取局部注漿和圍巖灌注混凝土將過水通道水流引流，并在加強(qiáng)左拱腰圍巖的情況下施作了仰拱。

該隧道穿越4條水系，水流匯合于中屯水庫，因此需要對中屯2號隧道施工難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。首先，斷層破碎帶有大量突涌水，且斷層中有寬度約2 m的過水通道，現(xiàn)場施工會導(dǎo)致斷層過水通道沉積物隨水流涌出，淹沒隧道，造成重大安全事故。其次，隧道剩余未開挖段落即隧道中部地表水系發(fā)育，地下水賦存豐富，隧道開挖可能再次發(fā)生突水突泥情況。隨著隧道出口反坡施工的深入，現(xiàn)場排水更加困難，因此對剩余開挖段落進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘查，綜合物探地勘成果如圖2所示。

圖2 中屯2號隧道綜合物探地勘成果

經(jīng)物探地質(zhì)綜合分析，綜合物探圍巖級別統(tǒng)計(jì)如表1所示。可知隧道左幅K47＋875—K48＋689段含有較嚴(yán)重不良地質(zhì)段2處、嚴(yán)重不良地質(zhì)段3處；右幅K47＋950—K48＋884段含有較嚴(yán)重不良地質(zhì)段2處、嚴(yán)重不良地質(zhì)段3處。

表1 中屯2號隧道綜合物探圍巖級別統(tǒng)計(jì)

綜合以上不良地質(zhì)和綜合地勘分析，得到中屯2號隧道難點(diǎn)為圍巖富含地下水，水分布較廣，對隧道影響大。

2 數(shù)值模擬探究

結(jié)合中屯2號地質(zhì)特點(diǎn)以及地下水分布狀況和現(xiàn)場設(shè)計(jì)施工情況，提出符合軟弱富水圍巖的中隔壁（CD法）徑向注漿方案，首先通過數(shù)值模擬探討該方案的可行性，采用Midas有限元軟件對富水區(qū)段襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，并驗(yàn)證其安全性。

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)的開挖限界，設(shè)置數(shù)值計(jì)算模型大小為177 m×132 m，對左右邊界施加水平約束，對下邊界施加豎向約束，在模型頂部施加124 m埋深下的應(yīng)力邊界，根據(jù)中屯2號隧道的工程地質(zhì)勘察報(bào)告可知巖石重度約為25 kN/m3，則頂部應(yīng)力大小為3.1 MPa。數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 富水區(qū)段隧道數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算中，圍巖和注漿加固區(qū)域采用摩爾-庫侖模型，初期支護(hù)噴混凝土和鋼架，臨時(shí)支護(hù)噴混凝土和鋼架，二次襯砌均采用梁單元模擬。計(jì)算具體參數(shù)如表2所示，其中圍巖重度采用飽和容重。

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)指標(biāo)

隧道開挖采用CD法，每臺階開挖后施作徑向鋼花管和初期支護(hù)噴混凝土鋼架，開挖增設(shè)臨時(shí)豎撐，開挖、初期支護(hù)完成后施加二次襯砌。根據(jù)JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中對Ⅴ級圍巖時(shí)公路隧道的初襯和二襯圍巖荷載分擔(dān)比例，設(shè)定應(yīng)力釋放系數(shù)為初期支護(hù)承擔(dān)20%，二次襯砌承擔(dān)80%。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過模擬現(xiàn)場富水隧道區(qū)段開挖支護(hù)，得到初期支護(hù)、二次襯砌、圍巖的受力位移云圖。根據(jù)云圖，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和圍巖位移統(tǒng)計(jì)如表3～表5所示，其中施工步5指施作二次襯砌。

表3 初期支護(hù)噴混凝土最大受力和位置

表4 初期支護(hù)鋼架最大受力和位置

表5 支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖不同開挖步位移統(tǒng)計(jì)

據(jù)JTG D70-2—2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，C25噴混凝土彎曲抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度為13.5 MPa，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1.27 MPa；C30混凝土彎曲抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度為22 MPa，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度為2.01 MPa。鋼架屈服強(qiáng)度取235 MPa。從表4可以看出，隧道初期支護(hù)噴混凝土在施工步1到4之間破壞形式主要以受壓破壞為主，二次襯砌施作后，拱頂出現(xiàn)受拉破壞。隧道初期支護(hù)鋼架最大軸應(yīng)力出現(xiàn)在拆除臨時(shí)豎撐后，仰拱鋼架最大軸應(yīng)力206.5 MPa，小于鋼材屈服強(qiáng)度。施工過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖在開挖至第3、4步時(shí)，變形最大，為26.1 mm。初期支護(hù)整體處于安全狀態(tài)，滿足富水隧道承載力要求。

有限元分析結(jié)果顯示，二次襯砌最大彎矩216.5 kN·m，位于仰拱；最小彎矩－465.9 kN·m，位于拱腳；最大剪力－352.9 kN，位于拱腳；最大軸力1 246.6 kN，位于仰拱；最大軸應(yīng)力1.78 MPa，受壓，位于仰拱。滿足二次襯砌受力要求。經(jīng)過數(shù)值分析，可知軟弱富水圍巖的CD法徑向注漿方案下的隧道二次襯砌最終受力處于安全狀態(tài)，初期支護(hù)噴混凝土部分破壞嚴(yán)重，但是初期支護(hù)鋼架處于安全狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3 隧道穿越富水?dāng)鄬訋гO(shè)計(jì)施工優(yōu)化措施

根據(jù)中屯2號隧道詳勘成果、不良地質(zhì)綜合物探專項(xiàng)勘察結(jié)果、各掌子面隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論以及Midas數(shù)值模擬分析結(jié)果，并結(jié)合已施工完成段落和正在施工段落變更情況，將隧道未施工段落劃分為富水?dāng)鄬悠扑閹А⒏凰泿r段、斷層破碎帶、軟弱圍巖段共4種類型，針對不同類型圍巖段落分別進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，如表6所示。

表6 中屯2號隧道未施工段設(shè)計(jì)優(yōu)化統(tǒng)計(jì)

中屯2號隧道未施工段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用物探與鉆探相結(jié)合、長距離與短距離相結(jié)合。物探采用TSP進(jìn)行長距離預(yù)報(bào)、采用GPR進(jìn)行短距離預(yù)報(bào)。根據(jù)物探結(jié)論，掌子面前方存在斷層破碎帶，富水破碎帶等地質(zhì)災(zāi)害隱患時(shí)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，鉆孔長度30～50 m，鉆孔布設(shè)3～6個(gè)。

由于中屯2號隧道地處中屯水庫上游，位于水源二類保護(hù)區(qū)及三峰山自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，隧道大量排水有可能引起地下水流失，改變該地區(qū)的水環(huán)境，因此隧道防排水采取“以堵為主，限量排放”的對策，盡可能避免隧道建設(shè)對周邊水環(huán)境的影響。

根據(jù)現(xiàn)場開挖地下水情況，對墻背環(huán)向排水管進(jìn)行加密，將原設(shè)計(jì)方案10 m一道優(yōu)化為3～5 m一道。

注漿堵水后，若水量無減小趨勢，根據(jù)地下水涌水量進(jìn)行排水方案調(diào)整。對原設(shè)計(jì)隧道排水能力進(jìn)行復(fù)核，隧道左右幅縱坡均為2.3%，隧道兩側(cè)邊溝最大日排水量為84 526 m3/d，計(jì)算分析可知隧道邊溝排水能力能夠滿足。考慮隧道穿越斷層破碎帶地下水賦存情況的不確定性，當(dāng)邊溝最大排水量不能滿足隧道涌水量時(shí)，補(bǔ)充矩形中心排水溝備用方案，排水溝尺寸暫按60 cm×60 cm（最大日排水量為124 096 m3/d）設(shè)計(jì)。若遇地下水極大的情況，則根據(jù)實(shí)際地下水涌水量對中心排水溝尺寸進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

鑒于隧道前方圍巖破碎、地下水豐富、地質(zhì)條件復(fù)雜等情況，隧道施工過程中易發(fā)生塌方、突水、變形等災(zāi)害，為保證隧道安全，施工時(shí)保證開挖短進(jìn)尺、弱爆破，少擾動、及時(shí)成環(huán)。同時(shí)考慮現(xiàn)場施工各工法轉(zhuǎn)換及施工便捷，補(bǔ)充CD法用于富水?dāng)鄬悠扑閹А?/p>

此外，富水?dāng)鄬悠扑閹Ф稳舭丛O(shè)計(jì)超前支護(hù)施工，隧道成拱困難。故為確保隧道施工安全，對原設(shè)計(jì)超前支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，補(bǔ)充自進(jìn)式中管棚和超前小導(dǎo)管組合的雙層超前支護(hù)，如圖4所示。最終，上述的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)施工措施在隧道施工現(xiàn)場均取得了良好的效果，保證了隧道的安全順利掘進(jìn)與順利貫通。

圖4 中屯2號隧雙層超前支護(hù)設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

1）采用綜合地質(zhì)勘探結(jié)合施工現(xiàn)場涌突水情況，確定中屯2號隧道地下水分布情況，同時(shí)給出富水區(qū)域超前預(yù)報(bào)方案，分析得出反坡排水、涌水量大等難點(diǎn)，以及由此引發(fā)的一系列施工風(fēng)險(xiǎn)。

2）結(jié)合中屯2號地質(zhì)特點(diǎn)以及地下水分布狀況，提出符合軟弱富水圍巖的CD法徑向注漿方案，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，該方案安全可行。

3）中屯2號隧道在斷層破碎帶涌突水情況下，加強(qiáng)了地質(zhì)勘查，擴(kuò)大了地質(zhì)勘探范圍，綜合調(diào)整地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)、超前加固技術(shù)、防排水技術(shù)以及富水圍巖施工技術(shù)，形成一套完整的高速公路隧道穿越富水?dāng)鄬拥炔涣嫉刭|(zhì)地段時(shí)的信息化動態(tài)反饋機(jī)制，可為類似穿越富水?dāng)鄬悠扑閹^(qū)域隧道工程提供參考。