斷層破碎帶隧道突水治理措施研究

摘要：

為研究不同治理方法對隧道變形及突水的影響，文章以某斷層帶隧道為背景，選用FLAC 3D軟件建立相應的三維模型，研究其穿越斷層帶時的突水治理方法，并對比分析了導水洞排水、注漿堵水以及排堵結合這3種方法對隧道變形和突水量的影響，最終確定了具體的排堵結合治理方案。結果表明：排堵結合對隧道變形進行了有效控制，隧道變形控制在規范許可值范圍內；注漿堵水相對導洞排水對隧道突水量具有明顯的控制效果，排堵結合的方式突水控制作用最好，建議采用排堵結合的治理措施；就這3種措施相比較而言，排堵結合的方式治理效果最佳，注漿堵水方法次之，導洞排水法起到了一定作用但不明顯。

關鍵詞：隧道突水；FLAC 3D；導洞；注漿

中圖分類號：U456.3+3 A 45 150 3

0 引言

我國修建隧道的數量目前位于世界第一［1］。很多隧道不可避免地需要穿越斷層帶，許多突水案例直接、間接地與斷層帶有關。隧道突水災害是常見的隧道災害之一，嚴重威脅隧道的施工和運營安全，極易造成人員傷亡和經濟損失，故對其采取合理的防治措施至關重要。對此，大量學者進行了研究。尹航［2］結合貴州某富水地區隧道的不良地質工程實例，分析隧道突水原因，通過設計泄水洞達到較好的隧道突水治理效果，滿足工程要求。張鵬［3］針對巖溶不良地質隧道采用增設排水洞和集水廊道的措施進行治理，有效解決了隧道水害問題。李久棟［4］結合實際軟巖隧道工程，通過FLAC 3D有限差分軟件，對雙殼注漿法在軟巖隧道中的加固效果進行探討，提出針對性的處理措施。陳勝博等［5］對穿越特殊地質帶、圍巖整體性較差的隧道進行突水治理，采用大管棚帷幕注漿+環向加固注漿的施工方法，取得了較好的效果。屈佳興［6］采用超前周邊注漿加固與襯砌加強支護相結合的隧道整治措施，對某深長隧道變形及突水進行綜合治理。以上學者的研究成果，多數采用排水或堵水單種治理方法，很少通過排堵結合的方式對隧道突水問題進行治理。本文以穿越斷層帶的隧道為例，基于FLAC 3D有限差分軟件，模擬對比導水洞排水、注漿堵水以及排堵結合3種治理措施對隧道變形及突水的治理效果。

1 突水防治方案

目前主流的隧道突水治理措施有排水和堵水兩種（見表1）。排水一般選用導洞方式進行，提前對隧道突水進行排水和降壓，避免隧道洞內產生突水災害。導水洞排水對隧道變形和突水量的控制需考慮導水洞的位置、洞徑、導水洞組合、施工方法等因素。堵水一般選用注漿的方式進行，該方法可有效減少突水數量值，但其施工難度會隨著注漿范圍的增大和最終效果的提高而不斷提高，因此，注漿堵水需要考慮合理的注漿深度M以及注漿圈相對滲透系數比N。綜合考慮各項因素，制定考慮排水和堵水的隧道突水防治方案如表1所示，其中開挖位置a、b、c、d分別代表隧道拱頂方向、遠離斷層帶的右邊墻處、拱底方向、靠近斷層帶左邊墻處。

2 數值仿真計算

2.1 建立模型

一般而言，隧道開挖會對其孔徑3～5倍的圍巖產生影響，故基于FLAC 3D有限差分軟件建立隧道導水洞排水、注漿堵水模型。根據實際工程情況，設置隧道等效孔徑為11.3 m，將其影響范圍設置為4倍的隧道等效孔徑。模型尺寸為101.7 m（長）×1 m（寬）×645.2 m（高），考慮隧道的軸線埋置深度為600 m。

假設各材料均質連續、各向同性，模型底部全約束，四周法向約束。設置模型頂部為自由邊界，四周及底部均為不透水邊界。設置隧道開挖后，其開挖面為無孔壓的透水邊界，水位面上孔隙水壓為0。模型主要部分剖面如圖1所示，其土體材料參數及注漿區參數如表2所示。

2.2 導水洞排水方案的影響

為探究導水洞與隧道相對距離d對隧道穩定性及洞內突水量大小的影響，考慮設定4.5 m、9 m、13.5 m、18 m這4種相對距離對隧道進行數值模擬。隧道相對收斂位移、塑性區等效厚度、突水量隨導水洞相對距離的變化如圖2所示。由圖2可以看出，隨著導水洞相對距離d的增大，隧道位移基本呈線性緩慢增大且遠超許可值3.0%，可知隧道圍巖自穩性極差，隧道斷裂突水風險大；塑性區等效厚度緩慢增大，當dgt;9 m后趨于平穩，塑性圈厚度為16.0 ～17.0 m；隧道突水量q呈直線增長趨勢，但突水量較大。故考慮設定導水洞相對距離d=9 m。

斷層破碎帶隧道突水治理措施研究/馬業鉅

為探究導水洞開挖位置對隧道穩定性及洞內突水量大小的影響，選擇隧道拱頂處a、右邊墻處b、拱底處c、左邊墻d進行單獨開挖和兩兩組合開挖模擬，其結果如圖3所示。由圖3可知，在隧道上述4個位置單獨開挖時，其相對位移、塑性區厚度以及隧道突水值相較于組合情況均更高；而兩兩組合的情況下，拱頂a與右邊墻b同時開挖時，隧道圍巖變形最小同時突水量最小，故該方法最為合適。

為探究導水洞洞徑l對隧道穩定性及洞內突水量大小的影響，考慮設定3.8 m、4.2 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m、6.0 m 這5種不同導水洞洞徑對隧道進行數值模擬。隧道相對收斂位移、塑性區等效厚度、突水量隨導水洞洞徑的變化如圖4所示。由圖4可以看出，隨著導水洞洞徑增大，隧道位移和塑性區等效厚度區域變化平緩，而突水量變化明顯，在l=4.5 m處存在最低突水量，對隧道突水控制最好，因此考慮導水洞洞徑l=4.5 m。

為探究導水洞開挖施工順序對隧道穩定性及洞內突水量大小的影響，考慮設定a→b、b→a、ab 這3種不同開挖施工順序對隧道進行數值模擬。隧道相對收斂位移、塑性區等效厚度、突水量隨導水洞開挖施工順序的變化如圖5所示。由圖5可知，拱頂與右邊墻導水洞同時開挖（ab）對隧道變形和突水控制最好，因此考慮采用ab開挖施工順序，即拱頂與右邊墻導水洞同時開挖。

由上述模擬結果可知，相對安全距離對隧道變形的影響最大，而開挖施工順序對隧道變形影響最小，導水洞孔徑的影響在兩者之間。綜合考慮各種情況后認為，可設置2個分別位于拱頂與右邊墻的導水洞，其相對安全距離為9 m、孔徑為4.5 m，同時進行施工。

2.3 注漿堵水方案的影響

注漿堵水對隧道變形及突水的影響主要考慮注漿深度M和注漿圈相對滲透系數比N。在固定注漿圈相對滲透系數比的條件下，探究注漿深度對隧道穩定性及突水的影響情況。隧道穩定性及突水等級與注漿深度關系如圖6所示，隨注漿深度的增加，圍巖的突水量無明顯變化，但其位移值和塑性區等效厚度會隨著注漿深度的增加而減小。當注漿深度值＞7 m時，其變化速率降低，逐漸趨于平穩，故認為7 m為最優注漿深度。

注漿深度為7 m時，注漿圈相對滲透系數比對隧道穩定性及突水等級的影響如圖7所示。隧道位移和塑性區等效厚度隨注漿圈相對滲透系數比的增加而呈緩慢增加的趨勢，圍巖突水量則顯著減小（呈指數性）。由此可知，增大注漿圈相對滲透系數比是關鍵，但是隨著注漿圈相對滲透系數比數值的增大，施工難度大幅上升，故建議設置注漿深度為7 m時的注漿圈相對滲透系數比為20，這樣既可滿足堵水要求，也不會過于增大施工難度。

2.4 排堵結合方案的影響

設置注漿深度為7 m時，注漿圈相對滲透系數比為20，其所得隧道位移結果略大于規范許可值3%。因此，考慮同時采用注漿堵水和導洞排水的方式進行，可以有效降低注漿圈外的水壓力，有利于減少隧道變形，使其能滿足規范要求，其結果如表3所示。注漿堵水與導水洞排水結合后，對隧道變形和突水量具有較好的控制效果。其中，隧道位移的控制效果最明顯，在規范許可值3%以內。由上述分析結果可知，分別在拱頂和右邊墻相距9 m處設置導水洞，設置其孔徑為4.5 m，同步施工；設置注漿深度為7 m，取注漿圈相對滲透系數比為20，此時隧道突水防治效果優良，其變形控制能滿足規范要求，且施工難度相對較低。

3 結語

為研究不同治理方法對隧道變形及突水的影響，本文以某斷層帶隧道為例，對比分析導洞排水、注漿堵水以及排堵結合這3種方法對隧道的治理作用，對隧道變形和突水狀況進行模擬，得到如下結論：

（1）采用導洞排水或注漿堵水的治理方式，隧道變形不滿足規范要求；而通過排堵結合，對隧道變形進行了有效控制，隧道變形控制在了規范許可值范圍內。

（2）3種治理措施下，隧道內突水量均得到控制，注漿堵水相對導洞排水對隧道突水量具有明顯的控制效果，排堵結合的方式對突水控制作用最好，建議采用排堵結合的治理措施。

（3）相較于不采取治理措施，導水洞排水、注漿堵水、排堵結合這3種措施對于控制隧道變形和突水均效果明顯；就這3種措施相互比較而言，排堵結合的方式治理效果最佳，注漿堵水方法次之，導洞排水法起到了一定作用但不明顯，故建議使用排堵結合法處理。

參考文獻

［1］嚴彬華，王萬平，劉瑞輝，等.風積沙地層隧道洞口邊坡穩定性分析［J］.公路，2022，67（5）：267-271.

［2］尹 航.隧道涌水處理方案研究［J］.北方交通，2022（7）：85-87，91.

［3］張 鵬.運營鐵路巖溶隧道突水災害原因分析與處治技術［J］.國防交通工程與技術，2022，20（6）：46-51.

［4］李久棟.軟巖隧道涌水加固處治研究［J］.工程機械與維修，2022（6）：126-128.

［5］陳勝博，杜澎濤，盧勤淳.地質斷裂帶區域隧道涌水原因分析及處置措施探討［J］.公路，2020，65（9）：323-327.

［6］屈佳興.隧道涌水綜合治理措施分析［J］.中國新技術新產品，2022（15）：146-148.

收稿日期：2023-01-20