軟巖隧道涌水加固處治研究

摘要：以某軟弱圍巖隧道為背景，從現場的涌水情況出發，對其主要的影響因素進行分析，并以此為基礎提出處治措施。從現場實測數據可以看出，施作處治工作之后隧道涌水得到有效控制。通過有限元分析軟件FLAC3D進行建模分析，模擬對比了幾種主要的影響因素對隧道涌水的影響狀況。

關鍵詞：隧道;涌水;加固處理;塌方

0" "引言

在軟巖地段有隧道穿越時常會引發涌水塌方等情況，尤其是在有斷層等地質條件較為復雜的路段，更容易出現涌水塌方等事故。而一旦有事故發生時，不僅會導致工程造價和施工工期有所提升，也會威脅到工人安全。當前關于隧道的涌水方面已有較多研究，但現有研究多與隧道塌方機制[1]以及事故處治有關[2]。劉乃飛等人采用有限元模擬的方式研究分析了富水隧道塌方的原因以及處治方法[3];徐海清等人對隧道圍巖的失穩問題進行分析[4]。本文基于具體項目，對其涌水塌方的原因并提出相應的處治措施。

1" "工程涌水狀況

1.1" "工程概況

某單洞雙向隧道有967m的長度。圍巖穩定性較差，東西走向有倒轉形態的褶皺存在，左右走向有40°斷裂帶。隧道地址縱斷面如圖1所示。

1.2" "涌水情況

當V級圍巖段施工后，掌子面出現大量的涌水，且局部拱頂出現約20mm沉降，已完成初期支護的部分有嚴重滲漏水。施工時出現約1h的降水，導致隧道右側拱腰處有突涌水現象出現。且該位置的初期支護面有涌水出現，預埋排水管排水受阻。因為水壓力較大，水流開始滿溢到周邊拱頂。現場使用壓注混凝土和雙漿液進行涌水處治。但從監控結果上看，該位置的拱頂仍有42mm左右的沉降，且拱腰出現朝向洞內的塑性鼓出以及較小水流。

隧道施工上臺階圍巖破碎較為嚴重，且伴隨有嚴重的滲漏水情況，因此通過加密拱架進行處治。由原先縱向的1m間距改成60cm，將變形預留值改成30cm。但因大暴雨影響，導致該位置出現較大滲水量，不斷有碎石掉落，且部分小范圍出現塌方。

隧道施工段圍巖等級為V級，自穩性能較差，地下水較為豐富，與破碎帶較為接近部位施工時容易出現各類型地質病害。

2" "涌水影響因素與處治措施

2.1" "影響因素

2.1.1" "軟弱圍巖體

從現場勘測結果上看，涌水塌方段的圍巖等級為V級，且與軟弱破碎帶較為接近。軟弱破碎帶約有55～75m寬度，且有較為發育的地下水。隧道塌方導致破碎帶被貫通，地下水流通更為嚴重。現場塌方巖體存在較為發育的節理裂縫，整體性較差，且在地下水的作用下軟化較為顯著。

當掌子面接近該區段時，一方面因施工時臨空面無法提供及時支護而導致隧道出現快速變形。另一方面因圍巖等級較低而造成應力重新分布，導致原有的應力狀態發生改變，出現局部應力集中情況，使已被弱化的圍巖進一步變形。

2.1.2" "地下水

因隧道施工時掌子面低于地下水位，導致原有的水平衡因施工而被破壞。順著巖體裂縫，地下水開始流向施工面，具體表現為隧道施工面涌水。對于圍巖而言，隧道涌水病害主要包括：隧道圍巖體因地下水滲漏而受到沖擊，增大了對圍巖的擾動。巖體因不斷流失可溶性礦物而表現為強度軟化，且地下水不斷帶走泥質巖等可溶物，增大了裂縫的寬度。其相互間有所聯通，使地下水的滲透作用進一步加劇，在不斷循環之下使圍巖失穩。

2.1.3" "降雨

大面積降雨是導致塌方的直接原因。在地表水滲透作用下，隧道地下水位和水壓逐漸增大，地下水流動導致圍巖抗剪強度逐漸降低，變形有所加劇。初期支護所承受的水壓隨著時間的推移不斷增加，導致初期支護在過大荷載作用下出現開裂涌水情況。

2.2" "處治對策

在原先以60cm縱向間距布置的I14型鋼拱架的后面，添加以50cm縱向間距布置的I18鋼拱架，進行雙層支護，以開挖臺車作為架設I14工字型鋼架的支撐工具。在鋼拱架上設置三層22cm直徑的連接鋼筋，并以環向間距0.5m的方式進行設置，相應布置6cm直徑鋼筋網，以45cm厚度進行混凝土的噴射。

在拱頂位置預埋輸送管和出氣管，并以C25混凝土進行填充。以環向注漿鋼管及鎖腳、直徑為42mm的鋼管、直徑22mm的鋼筋，按照0.9m環向間距和0.5m縱向間距的梅花形進行設置，以取代原有設計中的錨桿系統。

在坍塌段已完成初期支護位置，為控制開挖上臺階時所產生的變形和沉降，在該位置打入直徑為42mm、長度5m的鋼管，并在內部插入22mm直徑的鋼筋，以0.8m的環向間距和1m的縱向間距按照梅花形進行設置。使用S5C式復合襯砌，采用雙層超前小導管。

2.3" "處治效果

現場監測結果如圖2所示。由圖2所得數據可知，洞周圍巖在施工前期有較大變形，相對沉降量和收斂速率均較大。但隨著不斷推進的施工，拱頂沉降和收斂均有所減小。施工完成后累計變形小幅增長，變形速率在完成處治之后有所減小，但兩者在最后保持穩定，襯砌變形較小，且無掉落混凝土，證明所施作的處治取得有效成果。

3" "涌水塌方狀況分析

針對上述幾種主要的影響因素，通過有限元分析軟件FLAC3D進行建模分析不同工況下的隧道涌水塌方情況，模擬方案如表1所示。以該隧道的塌方區段進行模型建立。模型兩側和底部的擴散范圍為4倍洞徑，以85m作為模型埋深，以32m作為模型縱向長度。

3.1" "位移分析

隧道施工時拱頂出現沉降，拱底出現回彈，拱腳出現方向朝洞內的變形[5]。洞周變形在一個開挖步時有較大的增長速率，之后趨于收斂穩定。分析原因在于該位置的隧道施工時洞周圍巖表現為塑性狀態，塑性變形有所增長。

相比于原來的設計方案，拱頂沉降在圍巖等級為III、IV級時減小了約81%和50%，在不考慮滲流的作用時約降低44.5%，支護滯后時洞周最大變形值約有54%的增長，過大的開挖步時約有30%的增長。由此可知，支護滯后和過大的開挖步都是引起隧道塌方失穩的主要原因。

3.2" "塑性區分析

由原方案塑性區云圖可知，原方案中的塑性區以洞周為起點，不斷拓展到四周約7m的位置。方案4～6和原設計方案相比有著更大范圍的塑性區，方案5四周約有16m的塑性區。若從塑性區上分析，導致隧道塑性區不斷增加的主要因素包含有滯后的支護、過長的開挖步等。而對于塑性區而言，不及時進行支護也會導致其前后出現貫通，引起圍巖塌方。

3.3" "滲流特性分析

開挖施工時的涌水量如圖3所示。由圖3可知，隨著深度不斷增加，孔隙水壓也在不斷增加。洞周的孔隙水壓力在開挖隧道之后有所減小，掌子面周邊有孔隙水壓差出現。掌子面中不斷有地下水滲入，最終產生滲流場，圍巖孔隙水壓力在方案不同時分布基本一致。

除了方案1、2的涌水量有差異之外，其余方案變化情況類似，隧道施工時日涌水量最大值約為1000m3/d。圍巖等級對隧道涌水量有較大影響，原因在于軟弱圍巖中有較為發育的裂縫和地下水，且因軟巖不具備較好的完整性，導致隧道開挖過程中裂縫被貫通，加劇地下水的流動。

3.4" "受力特性分析

隧道拱頂及相應支護結構的受力見表2。拱頂豎向應力與開挖步成正比例關系。拱頂應力表現為先降低后上升，但上升幅度較小。拱頂各個監測點的應力在與掌子面約有兩個開挖步時開始減小，原因在于洞周圍巖受施工影響表現出塑性狀態，從而釋放出應力[6]。

在支護結構受力中，方案6相比于原先的方案錨桿拉力增長幅度較大，且遠比設計承載力要大。混凝土噴射時應力值變化較小，在壓應力最大值中，除了方案1和2之外其余方案均比設計值大。混凝土噴射時，拱腳和邊墻位置出現應力集中情況，說明在壓應力作用下，該部分初期支護受壓破壞的可能性較大。過大的開挖步會使支護受力增長較快，導致其出現破壞。

4" "結語

通過對軟巖隧道涌水加固處理的研究，得出以下結論：隧道出現涌水塌方的內在原因包括軟弱圍巖體、地下水、降水等因素。對于圍巖變形而言，支護時間點以及開挖步都會對其造成較大影響，不及時支護將導致洞周變形增幅過大。從圍巖穩定的角度上看，圍巖等級較低以及無滲流作用對其較為有利。

隧道施工對圍巖孔隙水壓力場造成擾動，導致其形成漏斗形結構。涌水量受圍巖等級的影響較大，地下水在圍巖裂縫發育條件下流動性更強。從現場實測數據上看，施作相關處治工作之后，隧道的各項變形都得到了有效控制。

參考文獻

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[3] 劉乃飛，李寧，李國鋒，等.庫尉輸水隧洞塌方機制分析及加固效果評價[J].巖石力學與工程學報，2015（12）：2531-2541.

[4] 徐海清，陳亮，王煒，等.軟巖隧道圍巖塌方的尖點突變預測分析[J].鐵道工程學報，2016（11）：97-101.

[5] 楊成忠，楊鵬，王威，等.軟巖隧道涌水塌方機制分析及加固處治[J].鐵道工程學報， 2018，（5）：70-75.

[6] 方良，劉同山，高巍.小斷面軟巖隧道突水涌泥綜合處治技術[J].河南城建學院學報， 2017，（6）：31-36+42.