王偉
(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063;2.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038)
高壓富水?dāng)鄬觾?nèi)巖體破碎,自穩(wěn)能力差,高壓水作用下易發(fā)生塌方失穩(wěn),處理不當(dāng)可能引發(fā)突涌水災(zāi)害,影響隧道施工安全,甚至破壞區(qū)域水文環(huán)境。
鷲峰山一號(hào)隧道全長(zhǎng)16 646.16 m,是衢寧鐵路全線重點(diǎn)控制工程,設(shè)計(jì)速度160 km∕h,隧道內(nèi)設(shè)置單面上坡,隧道最大埋深約790 m,設(shè)置2座斜井組織施工。隧道穿越斷層13條,富水性好,環(huán)境保護(hù)要求高,施工存在涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。本文通過對(duì)其高壓富水?dāng)鄬犹卣髟敿?xì)分析和研究,提出相應(yīng)的工程處治對(duì)策,為隧道安全快速通過高壓富水?dāng)鄬犹峁┘夹g(shù)支撐。
鷲峰山一號(hào)隧道F7 和F8 斷層于燕山晚期第四次侵入細(xì)粒花崗巖中,與線路交角約43°,隧道埋深約500 m,斷層產(chǎn)狀300°∠82°,視傾角79.0°,物探EH?4揭示電阻率呈低阻凹陷特征,深孔鉆探揭示斷層內(nèi)見斷層泥,少量角礫巖化、硅化及褐鐵礦化,巖石風(fēng)化較強(qiáng)烈,巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,F(xiàn)7 和F8 斷層及影響帶分別長(zhǎng)約120 m,圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí),深孔抽水試驗(yàn)表明斷層段滲透系數(shù)為0.70 m∕d,透水性能相當(dāng)于粉土,斷層與地表老虎岔水庫(kù)存在一定的水力聯(lián)系,富水性較好,為強(qiáng)富水段落,預(yù)測(cè)斷層段涌水量約2萬m3∕d。斷層與隧道關(guān)系見圖1。
圖1 斷層段隧道縱剖面示意
斷層段采用TSP彈性波法、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆探及孔內(nèi)成像、地下水連通性試驗(yàn)等綜合預(yù)報(bào)方法。根據(jù)超前鉆孔情況,斷層段內(nèi)圍巖為細(xì)?;◢弾r,淺肉紅色,個(gè)別段落發(fā)育輝綠巖巖脈,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較完整~較破碎,地下水較發(fā)育,超前探孔單孔實(shí)測(cè)水量約30 m3∕h、水壓達(dá)4.3 MPa。
為判斷斷層與地表老虎岔水庫(kù)(庫(kù)容2 000 萬m3,是當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬘盟矗┑乃β?lián)系情況,于2017年8月18日和10月15日分別進(jìn)行了同位素測(cè)試取樣及檢測(cè),發(fā)現(xiàn)地表水庫(kù)水與洞內(nèi)鉆孔涌水短時(shí)間內(nèi)無直接相關(guān)性,但隨著斷層內(nèi)介質(zhì)的逐漸流失,滲透系數(shù)逐漸增大,斷層與地表水的聯(lián)系將逐步加強(qiáng),可能誘發(fā)突涌水。
根據(jù)深孔鉆探和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料,F(xiàn)7 和F8斷層段埋深約500 m,實(shí)測(cè)水壓達(dá)4.3 MPa,表明斷層與地表老虎岔水庫(kù)存在一定的水力聯(lián)系,但斷層帶內(nèi)巖體滲透性較差,滲透系數(shù)較小,相當(dāng)于粉土。鉆孔揭示斷層段涌水量不大,但實(shí)測(cè)水壓力高,達(dá)4.3 MPa。斷層對(duì)隧道的影響主要是高水壓條件下施工安全和運(yùn)營(yíng)期隧道結(jié)構(gòu)安全問題,隧道注漿方案和襯砌結(jié)構(gòu)水壓力計(jì)算是本工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)[3-4]。
根據(jù)隧道高壓富水?dāng)鄬犹卣?,綜合考慮施工安全、工期、經(jīng)濟(jì)等因素,F(xiàn)7 和F8 斷層采取“超前注漿加固、襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、分區(qū)防水、安全監(jiān)測(cè)、綜合治理”的原則進(jìn)行處理。
鷲峰山一號(hào)隧道F7和F8斷層頂部為老虎岔水庫(kù),水庫(kù)為地方飲水水源,隧道大量排水將會(huì)對(duì)地表水環(huán)境造成較大影響,不符合目前可持續(xù)發(fā)展對(duì)環(huán)境的要求,應(yīng)遵循“以堵為主,限量排放”的設(shè)計(jì)原則,結(jié)合高壓富水?dāng)鄬佣喂こ趟牡刭|(zhì)情況,該段隧道限量排放的控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為不大于3.0 m3∕(m·d)。隧道襯砌背后設(shè)置“半包”防排水系統(tǒng),及時(shí)將滲入隧道內(nèi)的地下水通過縱環(huán)向排水管引排至隧道兩側(cè)水溝,如圖2所示。
圖2 “半包”防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.1 加固范圍
加固范圍按滲流場(chǎng)理論解析公式進(jìn)行計(jì)算確定[5-6],計(jì)算模型見圖3,理論解析式見式(1)和式(2)。
圖3 注漿帷幕體穩(wěn)定性檢算模型
式中:σr為徑向應(yīng)力;σt為切向應(yīng)力;P為水土荷載。
根據(jù)隧道開挖斷面大小,隧道半徑可等效為4.5 m,水荷載取4.3 MPa,結(jié)合鷲峰山一號(hào)隧道斷層段工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和開挖斷面尺寸,斷層段注漿加固圈厚度與加固圈內(nèi)最大應(yīng)力的關(guān)系如圖4所示。
圖4 注漿加固圈厚度與加固圈內(nèi)最大應(yīng)力的關(guān)系
由圖4 可知,當(dāng)注漿半徑大于9.5 m 后,增加注漿加固圈厚度,帷幕體內(nèi)最大壓應(yīng)力的減小幅度很??;同時(shí),根據(jù)勘探取芯及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),斷層段內(nèi)巖體抗壓強(qiáng)度不小于10.0 MPa,綜合分析斷層段注漿加固圈半徑取9.5 m較為合適,即注漿加固圈厚度確定為5.0 m。
2.2.2 注漿方案
斷層段出水量不大,但靜水水壓力較高。為防止局部裂隙或破碎帶在高壓水作用下發(fā)生介質(zhì)流失進(jìn)而誘發(fā)較大涌水,斷層段采取超前5 m 周邊預(yù)注漿加固方案,控制地下水排放,注漿段每循環(huán)長(zhǎng)30 m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)注漿設(shè)備實(shí)際情況和臺(tái)階法施工現(xiàn)狀,注漿開口僅布置在上半斷面,注漿設(shè)計(jì)見圖5,注漿參數(shù)見表1。
圖5 超前5 m周邊預(yù)注漿設(shè)計(jì)(單位:cm)
表1 超前5 m周邊預(yù)注漿參數(shù)
2.3.1 外水壓力確定
圖6 隧道結(jié)構(gòu)體系滲流模型
高壓富水隧道襯砌結(jié)構(gòu)外水壓力可按圖6滲流場(chǎng)模型和式(3)—式(5)計(jì)算確定[7]。式中:Q1為襯砌結(jié)構(gòu)體系排放量;P1為襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力;P3為圍巖外緣水頭,P3=ρ g H,其中ρ為水的密度,g為重力加速度。
根據(jù)鷲峰山一號(hào)隧道高壓富水?dāng)鄬庸こ趟牡刭|(zhì)條件,該段圍巖滲透系數(shù)K3約為8× 10-6m∕s。假定襯砌滲透系數(shù)K1分別為1×10-9,1×10-8,5×10-8,1×10-7,5×10-7,1×10-6m∕s;K3∕K2分別為1,10,50,100;根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算出襯砌排水量與襯砌外水壓力折減系數(shù)關(guān)系,見圖7(計(jì)算時(shí)r1=4.5 m,r2=5.0 m,r3=10 m)。
圖7 襯砌外水壓與隧道排水量的關(guān)系
由圖7 可知,鷲峰山一號(hào)隧道斷層段“以堵為主,限量排放”的限量標(biāo)準(zhǔn)為3.0 m3∕(m·d),且當(dāng)K3∕K2=50時(shí)(注漿加固體后滲透系數(shù)是加固前的2%),折減系數(shù)將小于0.10,因此,取0.1 計(jì)算襯砌外水壓力P1=0.10 × 430 × 104=0.43 MPa。
2.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)確定與檢算
根據(jù)以上確定的襯砌外水壓力大小,通過模擬計(jì)算結(jié)合工程類比,確定了鷲峰山一號(hào)隧道高壓富水?dāng)鄬佣尾捎眉訌?qiáng)型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),見圖8。
圖8 隧道加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)(單位:cm)
為防止F7 和F8 斷層段地下水縱向竄流,確保相鄰段隧道結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全,采取分區(qū)防水設(shè)計(jì),在F7和F8 斷層兩側(cè)設(shè)置2 處阻水榫,尺寸為1.0 m×1.0 m(寬×高),阻水榫位置取消縱、環(huán)向排水管和防水板,兩側(cè)形成相對(duì)獨(dú)立的防排水系統(tǒng),見圖9。
圖9 隧道分區(qū)防水設(shè)計(jì)(單位:cm)
為掌握隧道施工完成后襯砌結(jié)構(gòu)承受的外水壓力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài),驗(yàn)證襯砌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全性,總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn),完善設(shè)計(jì)理論,對(duì)鷲峰山一號(hào)隧道高壓富水?dāng)鄬右r砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè),共布置3 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(DK295+060,DK295+085 和DK295+110),監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水壓力監(jiān)測(cè)和二次襯砌內(nèi)力監(jiān)測(cè),見圖10。
現(xiàn)場(chǎng)采用無線監(jiān)測(cè)技術(shù),從2018 年5 月2 日開始監(jiān)測(cè),經(jīng)過近2 年連續(xù)不斷地?cái)?shù)據(jù)收集,二次襯砌混凝土內(nèi)最大壓應(yīng)力為2.58 MPa,最大拉應(yīng)力為1.33 MPa,襯砌外最大水壓力為0.12 MPa。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,二次襯砌結(jié)構(gòu)承受的外水壓力較小,混凝土內(nèi)力也較小,隧道結(jié)構(gòu)處于安全可控狀態(tài)。
圖10 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置
通過分析鷲峰山一號(hào)隧道高壓富水?dāng)鄬庸こ趟牡刭|(zhì)特征,結(jié)合理論分析計(jì)算,采取“超前注漿加固、襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、分區(qū)防水、安全監(jiān)測(cè)、綜合治理”的原則,成功解決了4.3 MPa 高壓富水?dāng)鄬拥陌踩┕ず徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題,實(shí)現(xiàn)了安全、快速施工,為衢寧鐵路Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道的順利貫通提供了保障。
1)超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是處理復(fù)雜地質(zhì)問題的基礎(chǔ),通過開展綜合地質(zhì)探測(cè)和分析,特別是利用孔內(nèi)成像技術(shù),能充分掌握高壓富水?dāng)鄬佣喂こ趟牡刭|(zhì)情況,為斷層處理方案提供可靠依據(jù)。
2)高水壓是影響斷層段隧道施工安全和結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全的主要因素,通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,采取超前注漿能有效控制地下水的排放,降低施工階段和運(yùn)營(yíng)階段隧道結(jié)構(gòu)外水壓力,因此,現(xiàn)場(chǎng)施工過程中必須嚴(yán)格管控注漿過程,確保注漿達(dá)到設(shè)計(jì)效果。
3)在“堵排結(jié)合”原則和注漿加固情況下,隧道結(jié)構(gòu)承受的外水壓力可以大幅度折減,具體應(yīng)根據(jù)斷層工程水文地質(zhì)特征和注漿加固效果綜合確定。隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮一定的水壓力作用,采用鋼筋混凝土加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌。
4)在高壓富水?dāng)鄬觾蓚?cè)設(shè)置阻水榫,實(shí)現(xiàn)分區(qū)防水,能有效防止地下水縱向竄流,確保斷層臨近段落隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全。