富水粉細砂巖地層隧道排堵水措施的適應(yīng)性

彎曉林 蘭慶男 張志強

1.中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧 遼陽 111000；2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031

堵水限排是富水粉細砂巖地層隧道施工中常用處理措施［1-2］。相關(guān)學者對富水粉細砂地層隧道設(shè)計、施工問題已經(jīng)研究得比較深入。李國良等［3］針對蘭渝鐵路、寧夏王洼鐵路隧道建設(shè)中富水粉細砂巖突水突泥問題，提出以重降水、密導(dǎo)管、強支護、輔注漿、快挖快支快封閉為主的治理措施。朱寶［4］針對胡麻嶺隧道富水粉細砂巖掌子面失穩(wěn)問題，綜合比選各種施工方法，實踐驗證了分部開挖法控制初期支護變形、涌突水效果較好。張建奇［5］采取輕型真空井點降水與管井降水相結(jié)合的降水措施，避免程兒山隧道富水粉細砂巖因地下水而造成巖體結(jié)構(gòu)破壞、圍巖軟化變形等工程災(zāi)害。鄭青［6］提出以超細水泥-水玻璃材料代替普通水泥-水玻璃材料，解決富水粉細砂地層中暗挖隧道注漿止水效果差的問題，并確定了該地層中的漿液配合比、注漿參數(shù)、注漿孔布置方法等。李小豐［7］推導(dǎo)了馬蹄形隧道滲流場解析解，并針對太達村隧道粉細砂巖地層遇水涌砂問題，分析不同超前加固、降水方法的優(yōu)缺點，提出以全斷面降水、超前帷幕注漿加固為主的治理措施。畢煥軍［8］針對胡麻嶺隧道粉細砂巖地層涌水涌沙現(xiàn)象，通過建立該區(qū)域水文地質(zhì)數(shù)值模型，得到隧道流速及涌水量，用以指導(dǎo)施工。李世才等［9］針對桃樹坪隧道富水粉細砂巖地層施工中存在的掌子面溜塌、初期支護侵限等問題，提出高壓旋噴注漿預(yù)加固技術(shù)。王麗慶、朱正國等［10-11］針對大西客運專線上白隧道施工中掌子面漏砂、涌砂問題，利用高壓噴射的漿液改良粉細砂地層的黏聚力，解決了該地層無法形成預(yù)期開挖輪廓的施工難題。周立新［12］通過理論推導(dǎo)液橋平衡方程，開展粉細砂地層滲透系數(shù)試驗、滲透注漿試驗，探究了非飽和粉細砂地層持水特性和注漿機理。

本文以云南玉磨鐵路安定隧道為工程依托，通過建立富水粉細砂巖地層隧道4種排堵水措施下三維數(shù)值模型，研究圍巖滲流場特征、隧道及周邊水壓力分布規(guī)律，通過比較襯砌結(jié)構(gòu)水壓力和排水量，探究不同排堵水措施對高水壓環(huán)境的適應(yīng)性。

1 工程概況

安定隧道位于玉磨鐵路寧洱站—普洱站區(qū)間，為單洞雙線隧道，全長5 815 m，最大埋深約180 m，最小埋深僅12 m，洞身有2處淺埋段，襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計（單位：mm）

根據(jù)地勘資料，隧址穿越區(qū)（DK133+756—DK133+985 段）為粉細砂巖地層。該地層長時間遇水浸潤后，在施工擾動下弱膠結(jié)的粉細砂巖變得松散，圍巖穩(wěn)定性迅速變差。

2 粉細砂巖地層工程性質(zhì)

粉細砂巖廣泛分布在第三系地層中，其形成過程及力學機制較為復(fù)雜，不同地區(qū)物理力學性質(zhì)、水文地質(zhì)特性差別較大［13-14］。因此，從安定隧道現(xiàn)場取樣，開展?jié)B透試驗、顆粒級配試驗，并結(jié)合既有文獻總結(jié)分析粉細砂巖地層工程特性，為隧道設(shè)計、施工及后期運營維護提供依據(jù)。

2.1 粉細砂巖顆粒級配試驗

粉細砂巖顆粒級配曲線見圖2。粉細砂巖不均勻系數(shù)平均值為5.23，曲率系數(shù)平均值為1.87，可判定該隧道粉細砂巖級配良好。該地層主要靠粉細砂顆粒間摩擦力維持其自身穩(wěn)定。在外界多次施工擾動和地下水作用下顆粒間摩擦力降低，易發(fā)生變形從而導(dǎo)致剪切滑移破壞、掌子面失穩(wěn)。

圖2 粉細砂巖顆粒級配曲線

2.2 粉細砂巖滲透試驗

工程現(xiàn)場粉細砂巖初始含水率為9.8%，通過改變粉細砂巖密度制備不同孔隙率試樣，開展?jié)B透試驗。對實測數(shù)據(jù)進行擬合，得到粉細砂巖滲透系數(shù)、孔隙率與密度的關(guān)系曲線，見圖3?？芍汗こ态F(xiàn)場粉細砂巖密度為1 813 kg/m3，對應(yīng)的滲透系數(shù)為6.76 ×10-3cm/s、孔隙率為0.37，屬于中等透水性，其滲透系數(shù)遠大于黃土、黏土等。這表明富水環(huán)境下粉細砂巖地層透水性較強，隨著掌子面開挖存在涌水涌砂風險。因此，隧道施工期及后期運營應(yīng)采取排堵水措施，著重加強地下水處理。

圖3 粉細砂巖滲透系數(shù)、孔隙率與密度的關(guān)系曲線

3 粉細砂巖地層隧道排堵措施分析

3.1 計算模型及參數(shù)

安定隧道粉細砂巖為Ⅴ級圍巖，地下水位至隧道拱頂100 m。綜合考慮隧道埋深、地下水位以及邊界效應(yīng)，數(shù)值模型（圖4）尺寸為100 m（長）×30 m（寬）×150 m（高）。

圖4 數(shù)值計算模型

假設(shè)圍巖、注漿加固圈為理想彈塑性材料，服從摩爾-庫倫強度準則；初期支護、二次襯砌為彈性材料。防水板可有效阻止地下水滲入二次襯砌，認為二次襯砌材料滲透系數(shù)為0，故將二次襯砌設(shè)為不透水材料；圍巖、支護材料物理力學參數(shù)參考室內(nèi)試驗結(jié)果及規(guī)范取值，見表1。

表1 材料物理力學參數(shù)

3.2 邊界條件及計算工況

模型側(cè)面、底面均設(shè)置法向約束。模型底面、側(cè)面設(shè)置為不透水邊界，同時假定地下水位以下圍巖始終處于飽和狀態(tài)。

采用注漿堵水、環(huán)向盲管排水措施，探究不同排堵水措施對高水壓環(huán)境的適應(yīng)性。計算工況設(shè)置見表2。

表2 計算工況設(shè)置

3.3 計算結(jié)果與分析

3.3.1 圍巖滲流場分布特征

工況1 和工況2 圍巖水壓力等值線見圖5?？芍孩賰煞N工況隧道附近圍巖水壓力等值線均呈漏斗狀分布，由于二次襯砌邊界設(shè)置為不透水，隧道周邊地下水只能通過環(huán)向、縱向盲管排出，其排水泄壓能力有限，故遠場圍巖滲流場分布特征與未開挖狀態(tài)相差不大；②工況1 僅在隧道排水盲管附近形成局部水壓力等值線密集分布圈，而工況2在隧道注漿加固圈、排水盲管附近形成水壓力等值線密集分布圈。同時等值線分布密集處水壓力變化較大，表明排水、堵水效果好。因此，工況2 相比工況1 起到更好地降低隧道周邊圍巖水壓力的作用。

圖5 工況1和工況2圍巖水壓力等值線（單位：Pa）

3.3.2 隧道及周邊水壓力分布規(guī)律

由于遠場圍巖滲流場分布特征與未開挖狀態(tài)相差不大，因此僅探討隧道拱頂、仰拱處由初期支護內(nèi)表面徑向向外延伸6 m范圍的水壓力分布規(guī)律。工況1、工況3 僅采取排水措施，監(jiān)測段分為初期支護段（0 ～0.27 m）和圍巖段（0.27～6.00 m）；工況2、工況4采取排堵水措施，監(jiān)測段分為初期支護段（0～0.27 m）、注漿加固段（0.27～2.27 m）、圍巖段（2.27～6.00 m），如圖6所示。

圖6 計算模型監(jiān)測點及監(jiān)測范圍

隧道拱頂及周邊圍巖水壓力變化見圖7。由圖7（a）可知，工況1、工況3 水壓力變化主要分為兩個階段：①平緩段，發(fā)生在初期支護內(nèi)，此時水壓力幾乎不變；②穩(wěn)定變化段，發(fā)生在圍巖內(nèi)，隨著距初期支護內(nèi)表面距離增大，水壓力基本上呈線性變化。

圖7 隧道拱頂及周邊圍巖水壓力變化

由圖7（b）可知，工況2、工況4 受初期支護、圍巖、注漿加固圈滲透系數(shù)影響，水壓力變化可分為三個階段：①平緩段，發(fā)生在初期支護內(nèi)，由于初期支護滲透系數(shù)較小，水壓力幾乎不變；②急劇變化段，發(fā)生在注漿加固圈內(nèi)，此時排堵水結(jié)合有效改善了粉細砂巖的滲透性導(dǎo)致水壓力變化較大；③穩(wěn)定變化段，發(fā)生在圍巖內(nèi)，水壓力基本上呈線性變化。

對比圖7（a）和圖7（b）可知：從工況1到工況3環(huán)向盲管間距由5 m 增至10 m，0 ～ 4.85 m 水壓力有所增大；從工況2 到工況4 注漿圈厚度不變，環(huán)向盲管間距由5 m 增至10 m，0 ～ 1.62 m 水壓力也有所增大?？梢?，排堵水結(jié)合時環(huán)向盲管的影響范圍有所減小。

隧道仰拱及周邊圍巖水壓力變化見圖8?？芍汗r1 和工況3 曲線基本上重合，工況2 和工況4 曲線基本上重合，這是仰拱部位未設(shè)置任何排水措施所致，無論環(huán)向盲管間距5 m 還是10 m 均不會對仰拱部位水壓力分布規(guī)律造成影響，注漿加固才是影響仰拱處水壓力分布規(guī)律變化的主要原因。類似工程中在注漿加固的同時，應(yīng)加強隧道仰拱防排水設(shè)計，防止仰拱水壓力過大從而影響其長期服役性能。

圖8 隧道仰拱及周邊圍巖水壓力變化

3.3.3 襯砌結(jié)構(gòu)水壓力、排水量比較

對于水頭高度大于60 m 的深埋隧道，采用全封閉襯砌是不合理的，必須設(shè)置排水措施，以緩解襯砌水壓力［15］。因此，以水頭高度60 m對應(yīng)的水壓力0.6 MPa作為限值，評價4 種隧道排堵水措施對高水壓環(huán)境的適應(yīng)性。

不同排堵水措施下襯砌結(jié)構(gòu)各部位水壓力見表3?？芍孩俟r1、工況3 可以將水壓力平均值控制在限值之內(nèi)，但拱頂、拱肩、拱腰、仰拱水壓力超過限值，造成局部應(yīng)力集中，對結(jié)構(gòu)造成不利影響；②工況2、工況4 可將平均水壓力控制在限值以內(nèi)，但工況4（環(huán)向盲管間距10 m）排水泄壓能力相對薄弱，拱肩、拱腰水壓力超過限值；③4 種工況中工況2 平均水壓力、局部水壓力均可控制在限值以內(nèi)，即注漿加固圈厚2 m、環(huán)向盲管間距5 m的排堵水結(jié)合措施對高水壓的控制效果較好。

表3 不同排堵水措施下襯砌結(jié)構(gòu)各部位水壓力 MPa

工況1—工況4 襯砌結(jié)構(gòu)排水量分別為40.03、10.53、29.69、8.21 m3/（d·m）?？梢钥闯觯孩俟r1、工況3 排水量較大，工況2、工況4 可將排水量降低到10 m3/（d·m）左右；②從工況1 到工況3 環(huán)向盲管間距由5 m 增至10 m，排水量降低10.34 m3/（d·m），而從工況2 到工況4 排水量僅相差2.32 m3/（d·m），表明注漿改良周邊圍巖滲透性后，再改變環(huán)向盲管間距對于排水量影響不大。③從工況4到工況2在注漿加固的同時適當減小環(huán)向盲管間距，可將襯砌結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點承受水壓力控制在限值以內(nèi)，同時可將排水量控制在10 m3/（d·m）左右，兼顧結(jié)構(gòu)長期安全穩(wěn)定和保護地下水環(huán)境的目標。

4 結(jié)論與建議

1）粉細砂巖地層成巖性、水穩(wěn)性差。在富水環(huán)境和施工擾動下，其易松散呈砂狀，穩(wěn)定性迅速變差，隨時存在涌水、涌砂的風險，應(yīng)加強對地下水的處理。

2）僅排水工況（工況1、工況3）隧道及周邊圍巖6 m 范圍內(nèi)水壓力變化主要分為平緩段和穩(wěn)定變化段兩個階段。排堵水結(jié)合工況（工況2、工況4）隧道及周邊圍巖6 m 范圍內(nèi)水壓力變化分為平緩段、急劇變化段和穩(wěn)定變化段三個階段。

3）工況1、工況3 排水量較大，且局部水壓力超過限值；工況4（注漿加固圈厚2 m+環(huán)向盲管間距10 m）雖然排水量較小，但局部水壓力仍超過限值。

4）工況2（注漿加固圈厚2 m+環(huán)向盲管間距5 m）襯砌結(jié)構(gòu)水壓力控制在限值以內(nèi)、排水量控制在10 m3/（d·m）左右，有效降低了對地下水環(huán)境的影響，同時有利于襯砌結(jié)構(gòu)的長期安全穩(wěn)定。故該排堵水結(jié)合措施對高水壓的控制效果較好。