隧道穿越富水斷層多場耦合特征分析及施工控制技術

徐 鋒

(中鐵十二局集團第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

隨著我國路網規模的不斷擴大，修建隧道將面臨越來越復雜的水文地質情況，突涌水也將成為一種十分普遍的水文地質災害。隧道涌水現象的發生不僅會造成隧址區地下水位下降，甚至會造成人員傷亡。

國內諸多專家學者針對隧道穿越富水斷層的施工案例進行了研究。高新強[1]以圓梁山隧道為工程依托開展模型試驗，研究初始滲流場以及隧道開挖中的滲流場情況；李術才、張慶松[2-4]等人通過自制新型流固耦合模型試驗裝置，探究了海底隧道施工過程圍巖位移場、滲流場等變化規律；潘以恒[5]采用ABAQUS軟件展開施工過程對隧道滲流場的演變影響，分別研究了隧道滲流量、地下水位、孔隙水壓力和地下水流速隨著隧道施工過程的變化規律；彭學軍等[6]依托巴東隧道，對泥巖地質提出了超前帷幕注漿方案，并通過鉆孔成像、現場測量等方法對帷幕注漿效果進行了評價；郝勇[7]基于風化花崗巖斷層帶物理力學性質研究，采用FLAC3D研究了不同因素對隧道孔隙水壓力、滲流場、應力應變的影響。張丙強等[8]考慮到土中的滲流存在不符合達西定律的情況，分別推導了淺埋單孔和雙孔隧道非達西滲流場解析解。郭玉峰等[9]基于質量守恒定律和達西定律，推導水下雙向平行隧道穩態滲流場解析解，并通過數值計算對解析推導解進行對比驗證。傅鶴林等[10]建立斷層帶襯砌隧道滲流模型，基于保角映射推導了隧道涌水量計算公式。李林毅等[11]基于鏡像法和滲流力學原理，對深埋式中心水溝排水隧道滲流場及涌水量的解析解進行推導。Barton[12]、Walsh[13]等人通過探究單裂隙面的滲流規律分析裂隙巖體中滲流與應力的定量關系，得到滲流與應力的耦合規律；楊會軍等[14]將裂隙巖體作為等效連續介質，分析隧道發生滲涌水情況下地下水位、地下水降深、流向等滲流特征。

通過調研可以發現當前對于富水斷層隧道的數值模擬研究中，建立斷層帶模型時較少考慮斷層帶到正常圍巖的過渡帶，即斷層破碎帶，對帷幕注漿的施工模擬大多基于平面模型進行分析。本文以鴻圖特長隧道為依托，分析隧道在穿越富水斷層時多場耦合特征并在此基礎之上改進施工控制技術。

2 工程背景

2.1 隧道概況

大(埔)豐(順)(五)華高速公路是廣東省擬規劃高速公路網中的加密聯絡線。其中鴻圖特長隧道全長約6 336 m，是一座雙洞單線四車道隧道，位于廣東省梅州市五華縣。根據地質勘察資料，Ⅱ、Ⅲ級圍巖約占92%(反坡段約占96.4%)，地質條件極其復雜、裂隙發育、災害眾多。

隧道左線在掘進過程中發生多處滑塌，其中，掘進至ZK94+351，線路右側拱腳到拱頂，揭露一寬度近3 m的斷層破碎帶，見圖1，破碎帶為黑色中風化二次侵入巖脈，完整性差，節理裂隙極發育。沿黑色破碎帶兩側有多處向外噴水，出渣過程中出現垮塌，塌腔寬度3 m，深度最大3 m，高度6 m。

圖1 隧道左線ZK94+351處滑塌

2.2 斷層狀況與涌水成因

隧址區地層主要為燕山期花崗巖及侏羅系安山玢巖，易形成具有良好的儲水性和滲透性的斷層裂隙。斷層在地表出露處多形成沖溝或溪流，具有良好的匯水特性。

經調查，八鄉山水庫庫區及附近區域主要發育有F5-2、F2-7、F2-8等斷裂帶。其中張扭斷層F2-6推測未深入庫區，F0-4黃棉湖水庫斷裂則近東西向橫切庫區，逆斷層F5-2及平移斷層F2-7位于庫區尾部近南北向分布。

在漫長的地質歷史當中，一方面地表沖溝或溪流內匯聚的地表水不斷沿斷層直接滲入巖層深部；另一方面，斷層帶兩側的巖體裂隙不斷地接受大氣降水并滲流至斷層帶中，最終形成了富水斷層構造，見圖2。

圖2 富水斷層涌水致災構造示意

隧道開挖時改變了地下水滲流場，引起斷層帶導水性的劇烈變化，使斷層成為隧道與地表水及水庫間的導水通道，造成地表水大量涌入隧道。而從力學行為方面分析，斷層內巖體破碎、構造應力累積小，隧道開挖后受自重應力及地下水的沖刷作用下，根據普氏平衡拱理論，易形成塌落拱結構，松散塌落體在隧道開挖擾動后發生坍塌。

3 隧道穿越斷層帶多場耦合特征研究

3.1 計算模型及監測點布置

3.1.1 模型建立

數值模擬采用有限差分軟件，隧道半徑約6 m，分離隧道中心間距約為48 m，將隧道開挖輪廓外8 m范圍設置為注漿圈；假定斷層寬度為20 m，并假設斷層兩側斷層破碎帶寬度均為40 m，建立計算模型三維尺寸為240 m×200 m×400 m，如圖3所示。

圖3 隧道穿越斷層帶三維計算模型

巖土體及注漿圈采用Mohr-Coulomb本構模型，襯砌采用彈性本構模型，開挖后地下水流動服從Darcy定律，地下水滲流為穩定狀態下的單向飽和流；隧道開挖后形成臨空面，洞壁及掌子面孔隙水壓力為零；模型邊界的孔隙水壓力在施工前后均保持不變。各類參數列于表1。

表1 計算參數

3.1.2 監測點布置

為分析隧道開挖后洞周滲流情況，沿隧道拱頂、兩側拱腳、仰拱分別布置監測點，各點沿監測點布置線A～F布置。為分析隧道施工過程沿隧道開挖方向滲流情況，在隧道洞壁及距離隧道洞壁0.6 m(支護外輪廓)、3.5 m(支護與注漿圈范圍內)、8.6 m(注漿圈外輪廓)、18 m(注漿圈范圍以外)各點分別沿縱向監測線1～5每隔10 m布置監測點，監測點布置見圖4。

圖4 監測點布置示意

3.2 穿越斷層帶滲流場特征

3.2.1 無支護條件下分析

分別監測隧道越過斷層帶孔隙水壓力場的洞周各點沿隧道開挖方向的孔隙水壓力，沿布置線F上各監測點沿開挖方向的孔隙水壓力規律見圖5。

圖5 無支護時布置線F上各監測點孔隙水壓力

分析監測數據可知，采取超前帷幕注漿措施后，隧道從110 m掘進至240 m，洞周地下水損失更小，孔隙水壓力也相對更大。

3.2.2 支護條件下分析

沿布置線F上各監測點沿開挖方向的孔隙水壓力規律如圖6。

圖6 有支護時布置線F上各監測點孔隙水壓力

由監測數據可看出，有支護條件下，采取超前帷幕注漿措施后，隧道孔隙水壓力變化趨勢與之前相近。將開挖面各點孔隙水壓力最小值列于表2。

表2 隧道開挖面各點孔隙水壓力最小值

由表2可知:隧道采取注漿措施后，地下水的損失大幅度減小，隧道開挖后洞周附近孔隙水壓力幾乎無大幅減小。因此，超前帷幕注漿能夠有效地控制隧道開挖的涌水量。

3.3 穿越斷層帶位移場特征

3.3.1 無支護條件下分析

豎直方向上，沿布置線E和H上各監測點的豎直方向位移規律以拱頂和仰拱的收斂值為評價指標。

通過對比分析，隧道開挖后無支護情況下拱頂、仰拱收斂值為36.13 mm，在采取超前帷幕注漿措施后，隧道掘進至斷層破碎帶產生的變形減小，拱頂、仰拱收斂值為22.65 mm，而進入斷層帶后，拱頂、仰拱收斂值為25.63 mm。因此，超前帷幕注漿措施能夠加固圍巖，使隧道開挖后更穩定。

3.3.2 支護條件下分析

隧道變形規律與無支護情況下隧道開挖的規律相同，以拱頂和仰拱的收斂值為評價指標隧道開挖后有支護情況下拱頂、仰拱收斂值為13.84 mm，在采取超前帷幕注漿措施后，隧道掘進至斷層破碎帶，拱頂、仰拱收斂值為8.63 mm，而進入斷層帶后，拱頂、仰拱收斂值為9.79 mm。

將隧道支護上各點位移值最大值列于表3。

表3 隧道平面支護各點位移值最大值

3.4 基于多因素隧道開挖滲流力學分析

3.4.1 計算參數選定

為研究不同斷層情況、圍巖滲透性、斷層帶滲透性、注漿效果、支護滲透特性的條件下，改變數值模擬中斷層傾角、土層滲透系數、斷層帶滲透系數、注漿圈滲透系數、支護滲透系數等參數，探究不同條件對隧道施工滲流-力學場的影響，采用正交試驗方法，5因子選取4種值進行數值模擬綜合分析。

3.4.2 計算結果極差分析

隧道在斷層帶范圍內掘進時，作用在支護上的孔隙水壓力以及拱頂和仰拱的變形最大，為方便分析，取洞周孔隙水壓力平均值和隧道拱頂、仰拱的收斂量為評價指標。

根據正交試驗方法對計算結果進行極差分析，以得到各因素影響下孔隙水壓力均值的變化，極差分析見表4。

表4 各影響因子對孔隙水壓力均值變化的極差分析

由表4可知，斷層傾角越大，孔隙水壓力越小，圍巖滲透系數對孔隙水壓力值影響較小；破碎帶滲透系數越大，流體的滲流速度越大，地下水更快地向隧道開挖后形成的低壓區匯聚，因此，作用在支護上的水壓力越大；注漿圈滲透系數越大，表示注漿效果越差，因此使得作用在支護上的水壓力越大；支護的滲透系數越大，表示支護的排水能力越好，因此能減小作用在支護上的水壓力。

4 富水斷層隧道涌水治理技術

4.1 超前帷幕注漿技術

開展注漿漿液材料改良試驗研究，達到減小注漿圈的滲透系數的目的，改進超前帷幕注漿技術。

采用控制變量方法進行試驗，探究HPC外加劑摻量分別為15%、18%、20%時注漿漿體性能，以不摻加外加劑水泥漿體為對比試驗。記錄不同外加劑摻量和水灰比漿液的凝結時間，并測定漿體結石率。

4.2 現場效果

鴻圖特長隧道左、右線涌水采用如圖7的注漿孔孔位，隧道開挖后在揭露的圍巖中能夠看到注漿漿體凝結并封堵圍巖裂隙，在隧道順利越過富水段后，洞身幾乎無滲水現象。實現了安全生產。

圖7 鉆孔布置

現場結果表明，摻入一定量HPC外加劑后，漿液的結石率大幅度增加，但當摻量超過18%時結石率有所降低。外加劑隨著摻量的增長，凝結時間逐漸減少，外加劑摻量由0增加到5%時，漿液初凝時間迅速減小，摻量超過5%后，漿液的初凝時間減小緩慢。根據試驗結果，建議超前帷幕注漿液漿中HPC外加劑摻量為18%左右，以保證注漿堵水效果。

5 結論

(1)當隧道開挖進入斷層帶后，采取超前帷幕注漿措施，不僅能夠有效地控制圍巖的變形，而且使得地下水的損失大幅度減少，隧道開挖形成的低孔隙水壓力區域也減小。

(2)通過多因素的正交試驗得出隧道穿越富水斷層對孔隙水壓力的影響程度從大到小依次為支護滲透系數、注漿圈滲透系數、破碎帶滲透系數、圍巖滲透系數、斷層傾角。而對拱頂、仰拱收斂值的影響從大到小依次為斷層傾角、圍巖滲透系數、支護滲透系數、注漿圈滲透系數、破碎帶滲透系數。

(3)超前帷幕注漿液漿中HPC外加劑摻量為18%左右，在少量滲水或局部突水的巖面上都具有較高的噴射性能，混凝土回彈量少，噴射過程中無掉塊現象，極大地提高了噴射混凝土的效率。