盾構隧道下穿水庫引起的導水裂隙帶發育規律研究

彭斌， 張琳， 周永波， 鄭雯，3， 鄺利軍， 譚芝文， 李平

（1.中國建筑五局華南公司，廣州 510304；2.青島理工大學，山東 青島 266033；3.山東華宇工學院，山東 德州 253034；4.中建隧道建設有限公司，重慶 401320）

0 引言

近年來，為解決城市地面交通擁堵，緩解城市單一地面交通捉襟見肘的現象，我國大力開發城市地下軌道交通工程，地鐵隧道的數量隨之增多，隧道施工不可避免地會近距離下穿水庫、引水隧道等水利工程建筑物。受隧道開挖的影響，周圍巖土體產生擾動，使巖土體其間出現大量裂隙，這些裂隙聯通形成導水裂隙帶，而導水裂隙帶的發育范圍及程度直接決定著在水體下隧道安全施工的可能性及合理性，因此進行盾構隧道下穿水庫引起的導水裂隙帶發育規律的研究至關重要［1］。目前導水裂隙帶大多在煤炭開采研究中被提及，指煤炭采空區上部覆巖層的冒落帶與裂隙帶高度之和，在相關研究中，研究學者多以煤炭開采過程中導水裂隙帶的發育規律作為主要研究內容，并采用公式法、物探法和現場實測等方法確定上覆導水裂隙帶高度［2］。錢鳴高等［3］針對覆巖導水裂隙帶的發育高度問題做了大量的理論研究和實踐檢測，并經統計分析得到了覆巖導水裂隙帶高度預測的經驗公式；馮學文等［4］利用FLAC3D軟件建立數值計算模型，分析工作面采場覆巖應力分布及破壞特征，得出導水裂隙帶發育高度隨工作面推進距離的增加而快速增加，在工作面一次見方后，導水裂隙帶發育高度趨于平緩，基本保持在一個穩定值。然而在進行隧道施工下穿水庫、引水隧道這種特殊工程的研究時，研究學者多以周圍巖土體的滲透性為主體進行研究。周冠南等［5］通過采用數值模擬的方法對各種滲透系數條件以及隧道開挖與地下水滲流影響下的隧道穩定性進行了研究，研究結果表明，隨著隧道的開挖，水庫水發生滲流并造成圍巖塑性區快速發育，在隧道拱頂位置處產生的塑性區范圍最大；陳建剛［6］以實際工程為例，借助Midas有限元分析軟件，機型山嶺隧道下穿水庫時滲流耦合效應對隧道結構的變形及受力的影響研究，并根據研究結果確定了山嶺隧道下穿水庫的合理凈距，得到了水庫水位變化對隧道結構內力的影響及相互關系，總結出工程設計的經驗方法。

綜上所述，目前對于導水裂隙帶的研究在煤炭開采工程中進行的較多，在隧道建設工程中主要以隧道周圍巖土體的滲透性為主體進行相關研究，關于隧道下穿水庫、引水隧道等特殊工程引起的導水裂隙帶發育規律的相關研究較少，故文中結合深圳地鐵13號線留仙洞站-白芒站區間實際工程，提出一種導水裂隙帶發育高度的預測計算方法，對盾構隧道下穿水庫引起的導水裂隙帶發育規律進行研究。

1 導水裂隙帶的形成機理

1.1 隧道開挖引起的導水裂隙帶高度分析

盾構隧道掘進會對周圍圍巖體產生擾動，擾動作用導致圍巖應力重新分布并向地表傳遞，而應力從隧道拱頂向上覆巖層中傳遞時將使上覆巖體產生變形和破壞，同時，考慮到盾構隧道開挖后管片背后注漿難以充滿的問題，開挖造成的臨空面使隧道上覆巖體受重力作用產生下沉變形，且隨著向上傳遞，在隧道頂部至地表巖層中會依次出現巖體斷裂區（I）、裂隙發展區（II）、連續沉降區（III），其中隧道頂部的巖體斷裂區、裂隙發展區由于具有導水性，將二者合稱為隧道開挖引起的導水裂隙帶，如圖1所示。

圖1 隧道掘進引起的導水裂隙帶分布

1.2 覆巖巖性對導水裂隙帶高度的影響分析

由于隧道覆巖的巖性存在差異，巖體特性的不同使隧道覆巖受到隧道施工的擾動作用后引發的覆巖破壞形式不同，進而造成不同巖性的覆巖在擾動作用下產生導水裂隙帶的發育高度有一定的差異，不同覆巖巖性特征及破壞規律變化情況如表1所示。

表1 隧道覆巖巖性特征及破壞規律

通過分析隧道覆巖的巖性特征及隧道掘進引起的覆巖破壞規律可知，當隧道頂部為堅硬型覆巖時，因堅硬型巖層斷裂產生的裂縫不容易閉合，隧道掘進引起的導水裂隙帶發育高度較大；當隧道頂部為中硬型與軟弱型覆巖時，因軟弱巖層斷裂產生的裂縫隨時間推移會慢慢閉合，隧道掘進引起的導水裂隙帶發育高度較小；當為極軟弱型覆巖時，相較于其他類型覆巖，斷裂產生的裂縫隨時間推移容易慢慢閉合，隧道掘進引起的導水裂隙帶發育高度最小。故隧道頂部覆巖越堅硬，隧道掘進引起的導水裂隙帶發育高度越大，覆巖越軟弱，隧道掘進引起的導水裂隙帶高度越小。

1.3 覆巖巖性對導水裂隙帶寬度的影響分析

巖層的斷裂與否直接影響著導水裂隙帶的發育，而巖層的斷裂是其變形的結果，對于某一層巖層來講，其彎曲下沉導致該巖層產生受拉區，其拉應力超過巖土體受拉極限時便產生斷裂，因巖層的中性層面拉伸量與裂隙帶的分布密度以及裂隙的張開程度存在一定的關系，所以選取巖層中性層的拉伸量作為導水裂隙帶裂隙發育程度的衡量參數。隧道開挖形成臨空面，隧道上覆巖層受重力作用彎曲下沉形成下沉盆地，因盆地中部地帶的彎曲下沉量很大，會發展為近水平形式，而盆地兩側的巖體處于拉伸狀態，所以巖層的拉伸變形量主要在盆地兩側，且產生的導水裂隙帶寬度較大，如圖2所示。

圖2 巖層拉伸變形

1.4 隧道開挖直徑對導水裂隙帶高度的影響分析

隧道開挖直徑的大小影響著導水裂隙帶的發育高度。隧道開挖直徑越大，即開挖造成的臨空面越大，由于管片背后注漿以及漿液凝固均需要一定的時間且注漿難以完全充滿建筑空隙，上覆地層在重力作用下發生的下沉量較大，進而使隧道頂部產生的巖體斷裂區（I）增大；同時，大直徑隧道盾構施工會對周圍巖土體產生較大的擾動，隧道上覆地層巖土體受隧道施工擾動產生的變形增大，隧道頂部至地表巖層中依次出現的巖體斷裂區（I）、裂隙發展區（II）、連續沉降區（III）也均會增大，進而使導水裂隙帶的高度有所增加。

2 導水裂隙帶高度計算工程實例

以深圳市地鐵13號線留～白區間工程為例，采用提出的導水裂隙帶發育高度的計算方法對隧道施工引起的導水裂隙帶高度進行計算。區間隧道直徑為6m，在YDK12+875～YDK12+882段下穿西麗水庫、鐵崗水庫引水隧道，與隧道最小豎向凈距約23.64m。通過實際地質勘察，該區間段內盾構隧道穿越地層從上至下依次為素填土、硬塑礫質黏性土、全風化黑云母花崗巖、強風化黑云母花崗巖、中風化黑云母花崗巖，文中主要關注于對上方水庫的影響，故只對隧道上覆巖層的特性進行歸納總結，如表2所示。

表2 區間段內隧道覆巖的巖性特征

2.1 巖層充分擾動邊界角的確定

結合實際工程隧道埋深與劉赟［7］的研究將3種巖層按4m為一個單元巖層從隧道拱頂向上進行均等劃分，即：中風化巖分為4層，標號為1～4；強風化巖為1層，標記為5；全風化巖為1層，標記為6。然后使用式（1）計算各巖層中間層的層位高度h，最終得到各劃分巖層厚度及巖層中間層層位高度，如表3所示。

表3 各巖層厚度及中間層距隧道拱頂距離 m

依據表2與表3可知，巖層1～4層為堅硬型中風化巖，基于P系數法［8，9］確定覆巖性質綜合評價系數P=0.15，然后根據隧道開挖擾動邊界角δ0正切值與覆巖巖性P值的關系得到tanδ0=1.5，即cotδ0=0.667；巖層5和6均為中硬型巖，則P=0.5，tanδ0=2，cotδ0=0.5。然后根據各巖層的中間層層位高度以及隧道半徑，采用式（2）計算得到隧道開挖充分擾動邊界角ψ0的正切值tanψ0，進而得到巖層充分擾動邊界角的余切值cotψ0，如表4所示。

表4 巖層充分擾動邊界角余切值

式中，h為巖層中間層距隧道拱頂的距離，即為巖層中間層的層位高度；D為隧道橫斷面上地層損失（由于隧道開挖和管片背后注漿未充滿產生的臨空面）的高度。

2.2 導水裂隙帶發育高度的確定

首先采用式（3）計算各巖層中間層的最大下沉量w0，因下沉系數q與覆巖巖性以及巖層中間層至隧道拱頂的距離有關，依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》［10］，考慮實際工程區間段巖層的巖性及厚度，近似取下沉系數為0.5。然后基于已經得到的隧道開挖擾動邊界角余切值、巖層充分擾動邊界角余切值及各巖層中間層最大下沉量w0，采用式（4）、式（5）、式（6）即可求得各個巖層的層向拉伸率ε［11］，計算得到的各巖層中間層層向拉伸率如表5所示。

表5 各巖層中間層層向拉伸率 %

式中，D為隧道橫斷面上地層損失（由于隧道開挖和管片背后注漿未充滿產生的臨空面）的高度；q為巖層下沉系數。

式中，l0為巖層中間層彎曲變形前的長度；l1為巖層中間層彎曲變形后的曲線段弧長。

根據表5可以看出，巖層中間層層向拉伸率的大小與巖層中間層層位高度有密切聯系。隧道上覆巖層受隧道施工擾動作用，距離隧道拱頂最近的中風化巖1的層向拉伸率最大，距離隧道拱頂最遠的全風化巖6的層向拉伸率最小，即隨著中間層層位高度的增加，巖層中間層的層向拉伸率逐漸減小。產生這種現象的原因：隧道施工對上覆巖層的擾動作用在由隧道拱頂向地表傳遞過程中會逐漸減小，使上覆巖層中間層的層位高度越小，巖層中間層受擾動作用產生的彎曲變形越大，巖層中間層的層向拉伸率也越大。

最后，利用Origin軟件擬合基于實際工程求得的各巖層中間層層向拉伸率與巖層中間層層位高度的關系曲線，擬合得到的關系曲線圖如圖3所示。因隨著中間層位高度的增加，上覆巖層受隧道施工的影響越來越小，巖層中間層的層向拉伸率會逐漸減小，巖層有一定的隔水能力，不會形成滲流通道，故可以選擇關系曲線由快速變化段進入平緩變化段的轉折點所對應的巖層中間層層位高度作為導水裂隙帶的發育高度。

圖3 關系曲線擬合圖

根據圖3擬合得到的關系曲線可以看出，隨著巖層中間層層位高度的增加，巖層中間層的層向拉伸率逐漸變小，當巖層中間層層位高度為22m時，擬合曲線開始變得更為平滑，巖層中間層層向拉伸率進入平緩變化段，即巖層中間層依然有拉伸，但拉伸率數值很小，故認定工程區間段的導水裂隙帶的發育高度為22m左右。由于實際工程中引水隧道與隧道最小豎向凈距約23.64m，大于導水裂隙帶的發育高度，故該區段盾構施工引起的導水裂隙帶發育高度不會波及上覆水體底部，對引水隧道的結構安全和盾構施工進度影響較小。

3 結語

文中以深圳地鐵13號線留仙洞站-白芒站區間工程為例，采用理論分析的方法對盾構隧道施工下穿水庫引起的導水裂隙帶發育規律進行研究，并得出以下結論：

（1） 隧道掘進引起的導水裂隙帶發育規律可參考煤層在擾動條件下導水裂隙帶的發育規律繼續研究，隧道開挖形成臨空面并對上部巖層產生擾動，使隧道頂部至地表巖層中依次出現巖體斷裂區、裂隙發展區、連續沉降區，其中隧道頂部的巖體斷裂區、裂隙發展區由于具有導水性，將二者合稱為隧道開挖引起的導水裂隙帶。

（2） 隧道上覆巖巖性對導水裂隙帶的高度與寬度均有影響，覆巖越堅硬，導水裂隙帶發育高度越大，覆巖越軟弱，導水裂隙帶高度越小；隧道開挖形成臨空面，上方巖層受重力作用彎曲下沉形成下沉盆地，主要在下沉盆地兩側產生拉伸變形，即導水裂隙帶的寬度在下沉盆地兩側位置處較大；隧道開挖直徑的大小也影響著導水裂隙帶的發育高度。

（3） 結合工程實例對隧道下穿水庫引起的導水裂隙帶高度進行預測計算，通過對擬合的各巖層中間層層向拉伸率與巖層中間層層位高度的關系曲線進行分析，得到工程區間段的導水裂隙帶發育高度為22m左右，由于引水隧道與隧道最小豎向凈距大于導水裂隙帶發育高度，故盾構隧道下穿水庫、引水隧道引起的導水裂隙帶高度不會波及上覆水體底部，對引水隧道結構安全和盾構施工進度影響較小。