鄰近水庫(kù)富水?dāng)鄬悠扑閹淼雷{圈參數(shù)研究

趙旭偉

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070

隨著鐵路網(wǎng)密度的提升，隧道穿越富水?dāng)鄬悠扑閹г谒y免。高壓富水區(qū)裂隙巖體涌水將嚴(yán)重影響隧道的開挖和支護(hù)，工法選擇或地下水處置方法不當(dāng)，將對(duì)周邊環(huán)境及隧道結(jié)構(gòu)安全造成影響［1-3］。

目前在富水?dāng)鄬悠扑閹藿ㄋ淼乐饕O(shè)計(jì)理念還是“以堵為主，限量排放”，采取各種措施保證隧道結(jié)構(gòu)安全同時(shí)減小隧道施工及后期運(yùn)營(yíng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響［4-5］。注漿加固是隧道穿越富水?dāng)鄬悠扑閹е饕胧┲?，可有效降低圍巖滲透性，減緩和阻隔巖體內(nèi)部地下水流失，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性［6-9］。

針對(duì)隧道穿越富水?dāng)鄬悠扑閹B流場(chǎng)的特性、高水壓滲流場(chǎng)變化規(guī)律、圍巖變形特征等研究［10-14］較多，針對(duì)鄰近水庫(kù)區(qū)域隧道穿越斷層破碎帶等特定風(fēng)險(xiǎn)工況的研究相對(duì)較少。本文以皖南一鄰近水庫(kù)區(qū)域鐵路隧道穿越斷層破碎帶為工程背景，研究注漿圈不同厚度、滲透系數(shù)下隧道周邊地下水滲流規(guī)律，用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)，從源頭規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

該隧道與水庫(kù)的位置關(guān)系見圖1。該隧道埋深約75 m，鄰近水庫(kù)最近平面距離約105 m，隧道洞身發(fā)育一產(chǎn)狀N49°E∕50°N的平移正斷層，斷層破碎帶與隧道相交約45°。隧道洞身圍巖以弱～強(qiáng)風(fēng)化片麻巖為主，巖體破碎。

圖1 隧道與水庫(kù)的空間位置關(guān)系

水庫(kù)常年蓄水，富水?dāng)鄬悠扑閹瑫r(shí)切割水庫(kù)及隧道洞身，斷層破碎帶將成為儲(chǔ)水及滲水通道，嚴(yán)重影響隧道施工安全，需采取全斷面超前預(yù)注漿措施。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立及參數(shù)的選取

采用MIDAS NX 軟件中的滲流單元模擬滲流效應(yīng)，采用2D 平面單元模擬圍巖，采用彈性單元模擬初期支護(hù)。為了減小模型邊界效應(yīng)，模型左右兩側(cè)各取5 倍隧洞洞徑，頂部為自由面。水位高度取至地面，模型頂面外水壓力為0，模型頂面、側(cè)面為透水邊界，底面為不透水邊界。模型長(zhǎng)寬均為200 m，隧道埋深75 m。

將隧道內(nèi)輪廓線總水頭設(shè)置為0，模擬未采取措施下開挖隧道。通過改變洞周圍巖參數(shù)，模擬不同厚度和滲透系數(shù)的注漿圈。

結(jié)合地勘資料及TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》確定計(jì)算參數(shù)，見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 地下水壓力分布

隧道未開挖、開挖未支護(hù)兩種工況下地下水壓力分布見圖2。可知：隧道未開挖時(shí)地下水壓力處于靜水壓狀態(tài)，其分布僅與埋深有關(guān)；隧道開挖未支護(hù)，滲流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后地下水壓力呈漏斗狀分布，地下水朝隧道中心急速流動(dòng)，地下水的大量流失會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)水位下降。

圖2 地下水壓力分布（單位：kPa）

2.2.2 注漿圈參數(shù)對(duì)地下水壓力的影響

定義注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)為圍巖滲透系數(shù)與注漿圈滲透系數(shù)之比。相對(duì)滲透系數(shù)越大，抗?jié)B性能越好。不同注漿圈厚度、相對(duì)滲透系數(shù)下隧道拱頂上方20 m（地面以下55 m）處地下水壓力分布見圖3。可以看出：①隧道未開挖時(shí)地下水壓力為靜水壓力，呈直線分布，開挖未支護(hù)時(shí)地下水壓力曲線呈漏斗狀；②隨著注漿圈厚度h或相對(duì)滲透系數(shù)n的增加，地下水壓力曲線逐漸向靜水壓力線靠攏，表明隧道開挖引起的地下水流失逐漸減輕。

圖3 不同注漿圈厚度、相對(duì)滲透系數(shù)下地下水壓力分布

2.2.3 注漿圈參數(shù)對(duì)隧道涌水量的影響

埋深75 m 時(shí)不同相對(duì)滲透系統(tǒng)下隧道涌水量隨注漿圈厚度變化曲線見圖4。可知：不同相對(duì)滲透系統(tǒng)下隧道涌水量均隨注漿圈厚度增加而減小。注漿圈厚度在1～5 m時(shí)隧道涌水量減小速率較快，注漿圈厚度在5～8 m隧道涌水量減小速率變緩，當(dāng)注漿圈厚度超過8 m時(shí)繼續(xù)增加注漿厚度對(duì)止水效果的提升不明顯。實(shí)際施工時(shí)可結(jié)合圍巖及地下水情況在5～8 m取值。當(dāng)外部環(huán)境敏感時(shí)，建議取大值。

圖4 不同相對(duì)滲透系數(shù)下隧道涌水量隨注漿圈厚度變化曲線

本工程圍巖滲透系數(shù)為8×10-6m∕s。通過改變注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)來模擬分析相對(duì)滲透系數(shù)對(duì)洞周滲流場(chǎng)的影響。不同注漿圈厚度下隧道涌水量隨相對(duì)滲透系數(shù)變化曲線見圖5?？芍翰煌{圈厚度下提高注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)均可以有效減小隧道涌水量，但是相對(duì)滲透系數(shù)超過40時(shí)繼續(xù)增加對(duì)止水效果的提升不明顯。對(duì)于本工程，相對(duì)滲透系數(shù)宜控制在30～40，即注漿圈滲透系數(shù)宜在2.00×10-7～2.67×10-7m∕s取值。

圖5 不同注漿圈厚度下隧道涌水量隨相對(duì)滲透系數(shù)變化曲線

2.2.4 隧道埋深對(duì)隧道涌水量的影響

不同注漿圈參數(shù)下隧道涌水量隨埋深變化曲線見圖6?？芍?，注漿圈厚度、相對(duì)滲透系數(shù)一定時(shí)，隧道埋深與洞周涌水量近似成線性關(guān)系。說明以上所分析的注漿圈厚度、相對(duì)滲透系數(shù)對(duì)涌水量的影響規(guī)律在不同埋深下均具有參考價(jià)值，即不同埋深下注漿圈厚度、相對(duì)滲透系數(shù)均存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理范圍。

圖6 不同注漿圈參數(shù)下隧道涌水量隨埋深變化曲線

3 工程應(yīng)用

該鐵路隧道鄰近水庫(kù)，外部環(huán)境較敏感，實(shí)際施工中注漿圈厚度取8 m，相對(duì)滲透系數(shù)取40，注漿材料采用純水泥漿液，水灰比1∶1。

施工過程中采用流速測(cè)量?jī)x進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隧道穿越斷層破碎帶段涌水量為1.42 m3∕（d·m），數(shù)值模擬結(jié)果為1.10 m3∕（d·m）。實(shí)測(cè)涌水量略大，分析其原因?yàn)椋孩俦剖┕?duì)圍巖的擾動(dòng)破壞了圍巖的完整性，進(jìn)而提高了滲透性；②由于地下水的流動(dòng)性，導(dǎo)致部分區(qū)域注漿圈滲透系數(shù)略大于設(shè)計(jì)值。

4 結(jié)論

1）在未開挖狀態(tài)下地下水壓力處于靜水壓狀態(tài)，滲流場(chǎng)僅與埋深有關(guān)。隧道開挖未支護(hù)狀態(tài)下洞周地下水壓力分布呈漏斗狀，地下水朝隧道中心急速流動(dòng)。

2）相對(duì)滲透系數(shù)一定時(shí)隧道涌水量隨注漿圈厚度增加而減小，當(dāng)注漿圈厚度超過8 m 時(shí)繼續(xù)增加注漿厚度對(duì)止水效果的提升不明顯。注漿圈厚度宜控制5 ～ 8 m。隧道鄰近水庫(kù)，外部環(huán)境較敏感，隧道實(shí)際施工中注漿圈厚度取8 m。

3）提高相對(duì)滲透系數(shù)可有效減小隧道涌水量，但相對(duì)滲透系數(shù)超過40 時(shí)繼續(xù)增加對(duì)止水效果的提升不明顯。相對(duì)滲透系數(shù)宜控制在30 ～ 40。本工程最終相對(duì)滲透系數(shù)取40，即注漿圈滲透系數(shù)為2.00 ×10-7m∕s。

4）注漿圈厚度及相對(duì)滲透系數(shù)一定時(shí)，隧道埋深與洞周涌水量近似成線性關(guān)系。本文得出的注漿圈厚度、相對(duì)滲透系數(shù)對(duì)涌水量的影響規(guī)律在任何埋深下均具有參考價(jià)值，即不同隧道埋深下注漿圈的厚度、相對(duì)滲透系數(shù)均存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理范圍。