富水隧道突水處置及結(jié)構(gòu)受力特性研究

黃大成， 駱　偉

(1.湖南省武靖高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 武岡　422400；　2.湖南尚上公路橋梁建設(shè)有限公司， 湖南 長沙　410000)

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富水隧道突水處置及結(jié)構(gòu)受力特性研究

黃大成1， 駱偉2

(1.湖南省武靖高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 武岡422400；2.湖南尚上公路橋梁建設(shè)有限公司， 湖南 長沙410000)

依托武靖高速洞頭山隧道工程，對工程中富水巖溶帶引發(fā)的突水涌砂問題進(jìn)行分析，提出采用洞內(nèi)管棚結(jié)合徑向注漿處置方案；通過流固耦合數(shù)值分析，對富水條件下襯砌結(jié)構(gòu)受力特性和安全性進(jìn)行研究。結(jié)果表明采用該方案能保證該地質(zhì)條件下施工順利進(jìn)行，并可保證在運(yùn)營時襯砌結(jié)構(gòu)較高安全性，研究可為類似工程提供參考。

富水隧道； 突水涌砂； 處置方案； 流固耦合； 安全系數(shù)

0　引言

高壓富水隧道，由于隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及巖溶發(fā)育等地質(zhì)條件，施工時較大的地下水壓力，容易造成大規(guī)模的突水涌泥等風(fēng)險[1、2]。若突水情況處理不徹底，施工時存在巨大的安全隱患，且將導(dǎo)致襯砌上較高水壓力的產(chǎn)生，進(jìn)而造成隧道滲漏水等病害的產(chǎn)生。

采用何種合適的方案來應(yīng)對隧道開挖時突水涌泥狀況，并保證后期隧道運(yùn)營時襯砌高水壓力作用下結(jié)構(gòu)受力安全性，是隧道設(shè)計及施工中的一個重要內(nèi)容。相關(guān)學(xué)者針對這一問題進(jìn)行一定研究，并根據(jù)不同的工程情況提出適應(yīng)性處置方案[3-5]。同時，如何保障富水條件下襯砌結(jié)構(gòu)安全性，防止后期運(yùn)營時由于襯砌上高水壓力導(dǎo)致的襯砌結(jié)構(gòu)損壞，是值得研究的重要內(nèi)容[6]。本文針對洞頭山隧道富水巖溶段突水涌砂原因進(jìn)行分析，提出“洞內(nèi)管棚+徑向注漿”的方案，并對該富水地質(zhì)條件下襯砌結(jié)構(gòu)受力特性和安全性進(jìn)行分析。采用該方案施工效果良好，數(shù)值分析結(jié)果顯示襯砌結(jié)構(gòu)具有較高安全性，研究結(jié)果可為后期類似工程應(yīng)對突水風(fēng)險提供相關(guān)經(jīng)驗。

1　工程概況

洞頭山隧道位于邵陽市城步縣，為雙向四車道分離式隧道，擬建隧道呈曲線形展布，隧道總體軸線方向約309°。隧道右線起訖樁號YK37+285～YK38+600，隧道全長1 315 m，最大埋深位于YK37+720處，最大埋深約243 m。隧址區(qū)屬低山地貌，地形起伏較大。隧址區(qū)地面高程為550～1 200 m，山體自然坡度20°～40°。隧道洞身段設(shè)計高程為450～455 m。隧道開挖為進(jìn)出口雙向開挖[7]。

1.1工程地質(zhì)條件(見圖1)

洞頭山隧址區(qū)覆蓋層主要為碎石、粉質(zhì)黏土，分布范圍廣，厚度較小，部分地段基巖出露，出露地層巖性為砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖夾灰?guī)r。隧道穿越地層主要為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖及中風(fēng)化砂質(zhì)板巖，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較堅硬，巖體較破碎。隧址區(qū)巖體總體呈單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造較簡單，區(qū)域地質(zhì)較穩(wěn)定，隧址區(qū)未見不良地質(zhì)現(xiàn)象及特殊性巖土發(fā)育。

圖1　洞頭山隧道地質(zhì)縱斷面圖Figure 1　Vertical sectional profile of dongtoushan tunnel

1.2水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)地表水不發(fā)育，除在線路右側(cè)500 m處存在一水塘外，隧道附近無其它集中地表水體分布。

隧址區(qū)地下水類型主要為松散覆蓋層孔隙水、基巖裂隙水兩大基本類型。隧址區(qū)淺部強(qiáng)風(fēng)化板巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，節(jié)理裂隙連通性較好，賦水條件較好，主要靠大氣降水及周邊基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給，在地形低洼部位以滲流形式排出地表。

2　現(xiàn)場涌水問題及分析

2.1前期施工情況

洞頭山隧道右洞YK37+830～875施工過程中，洞內(nèi)地下水由一般發(fā)育逐漸變?yōu)檩^發(fā)育。隧道開挖時掌子面基巖裂隙水較大，在掌子面形成滲流。YK37+875～915段施工過程中掌子面地下水發(fā)育，地下水為雨淋狀。同時，初期支護(hù)施工完畢后，初支表面有濕漬，局部有小股水流從鎖腳錨桿等鉆孔位置處涌出(見圖2)。

圖2　掌子面突水前隧道施工情況示意圖(單位： m)Figure 2　　　　Schematic diagram of tunnel construction before water inflow on tunnel face(units： m)

2.2YK37+915突水情況(見圖3、圖4)

2015年12月12日，洞頭山隧道右線掌子面施工至YK37+915，施工工法為上下臺階法。上臺階掌子面地下水極發(fā)育，掌子面處地下水呈激射狀噴出，水量較大，嚴(yán)重影響施工正常運(yùn)行。

現(xiàn)場對掌子面兩側(cè)打設(shè)就φ130 mm泄水孔對前方裂隙水進(jìn)行預(yù)先排放，并同時探明前方地質(zhì)情況。泄水孔位于掌子面上方左右側(cè)開挖線以下1.0 m處，受水壓影響左側(cè)泄水孔深度為6 m，右側(cè)泄水孔深度4 m?，F(xiàn)場涌水量實(shí)測表明YK37+915掌子面前期涌水量約為25 000～30 000 m3/d，經(jīng)過泄水孔一周排放后，掌子面涌水量未明顯減小。排水過程中從泄水孔內(nèi)排放出粒徑約50 mm砂質(zhì)板巖角礫夾泥，部分角礫較為光圓。在補(bǔ)充3個泄水孔后，掌子面突水歷時近4個月后，涌水量由前期近30 000 m3/d，趨減至1 400 m3/d。

圖3　現(xiàn)場掌子面突水圖Figure 3　Picture of water inflow on tunnel face

圖4　掌子面涌水量實(shí)測時程曲線圖Figure 4　Time-step curves of water inflow on tunnel face

3　隧道涌水原因及應(yīng)對措施研究

3.1突水原因分析

洞頭山隧道YK37+915開挖時發(fā)生突水涌砂，初期涌水量極大，達(dá)到30 000 m3/d，涌水持續(xù)時間長，給施工帶來巨大風(fēng)險和損失。根據(jù)勘查報告，并結(jié)合圍巖探測結(jié)果分析，涌水存在以下3個原因：

① 現(xiàn)場勘查結(jié)果表明，隧址區(qū)為雪峰山脈的延伸，全～強(qiáng)風(fēng)化板巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，為裂隙水賦水層，補(bǔ)給面積廣。隧址區(qū)11～12月份長時間集中降雨，大氣降水補(bǔ)給充足，增加山體地下水補(bǔ)給。

② 掌子面水平勘探孔結(jié)果表明YK37+920～945段為灰?guī)r巖溶強(qiáng)烈發(fā)育段，巖溶水豐富。推測板巖內(nèi)夾灰?guī)r夾層，形成了巖溶裂隙水含水層，造成涌水量較大。

③ 隧道突水處圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，存在導(dǎo)水構(gòu)造，構(gòu)造破碎帶為賦水層，貫穿上部風(fēng)化巖體，與上部基巖裂隙水存在水力聯(lián)系，地下水體沿層面流入隧道。

3.2涌水處治方案

為避免造成更大的經(jīng)濟(jì)損失并保障施工人員的人身安全，在發(fā)生突水涌砂情況后，隧道立即停止施工。經(jīng)各方勘查研究后采取處置方案為：

① 掌子面突水處理。

掌子面兩側(cè)打設(shè)泄水孔對前方裂隙水進(jìn)行預(yù)先排放，同時探明前方地質(zhì)情況。后續(xù)在掌子面下部增加泄水孔3個，孔徑φ130 mm，加大掌子面泄水能力。歷時約4個月后，掌子面涌水量趨減至1 400 m3/d。

② YK37+830～915段初支已完成段。

對該段隧道進(jìn)行全環(huán)徑向注漿加固，并進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。注漿參數(shù)為：注漿管采用L=4.5 mφ42小導(dǎo)管，漿液為水泥-水玻璃漿液，注漿壓力0.5～2 MPa。YK37+845～915段襯砌結(jié)構(gòu)調(diào)整為Ⅴ級抗水壓復(fù)合式襯砌，二次襯砌由原設(shè)計素混凝土結(jié)構(gòu)改為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。YK37+845～915段仰拱加深50 cm，以增加仰拱矢跨比(見圖5)。

圖5　Ⅴ級抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)示意圖(單位： cm)Figure 5　　　　Schematic diagram of anti-hydraulic pressure lining structure of level V(units： cm)

③ YK37+915～YK37+945段揭露巖溶段。

在確定掌子面具備施工開挖條件后，在28 m洞內(nèi)管棚超前預(yù)支護(hù)下繼續(xù)對掌子面進(jìn)行開挖，進(jìn)一步揭露巖溶形態(tài)。對YK37+906.4～YK37+915.6段進(jìn)行擴(kuò)挖換拱來形成洞內(nèi)管棚施工空間，擴(kuò)挖前檢查富水段YK37+845～YK37+915段徑向注漿情況，并對管棚擴(kuò)挖段進(jìn)行注漿加固。完成擴(kuò)挖后進(jìn)行洞內(nèi)套拱及洞內(nèi)管棚施工，洞內(nèi)套拱施作里程為YK37+913.6～915.6。由于管棚穿越巖溶區(qū)域，管棚注漿施工應(yīng)嚴(yán)格控制。開挖段襯砌結(jié)構(gòu)按Ⅴ級抗水壓襯砌進(jìn)行支護(hù)(見圖6)。

圖6　洞內(nèi)管棚施作示意圖(單位： cm)Figure 6　　　　Schematic diagram of pipe shed construction in tunnel(units： cm)

④ 富水段隧道防排水設(shè)計。

對于富水段隧道防排水設(shè)置，防水主要是通過將YK37+830以后未施作的二襯混凝土抗?jié)B等級提高至P8，同時在施工縫、沉降縫背后增設(shè)背貼式橡膠止水帶。排水主要是通過在拱腳部位增加3 m泄水孔，孔徑φ5 cm，采用打孔波紋管直接連接至中央水溝；環(huán)向排水管、中心溝橫向?qū)芗用?，間距調(diào)整為2.5 m；根據(jù)隧道最大涌水量，將洞頭山隧道中央水溝調(diào)整為梯形排水溝加蓋板(見圖5)，代替原設(shè)計的φ400 mm排水管，隧道最大排水量由原設(shè)計為1.88萬m3/d調(diào)整為15.1萬m3/d。通過調(diào)整隧道防排水布置，同時結(jié)合徑向注漿降低圍巖滲透性，來保證在富水條件下隧道后期運(yùn)營時襯砌不至產(chǎn)生較大外水壓力。

4　結(jié)構(gòu)受力流固耦合分析

根據(jù)流固耦合原理，在隧道施工過程中，圍巖原有應(yīng)力狀態(tài)及地下水狀態(tài)受擾動，導(dǎo)致應(yīng)力場改變，由此產(chǎn)生的體應(yīng)變會引發(fā)孔壓的變化，孔壓的變化反過來改變應(yīng)力場。對于洞頭山隧道施工中發(fā)生的突水情況，為防止在高水壓作用下，襯砌結(jié)構(gòu)有可能受到高水壓力作用而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)損壞，有必要進(jìn)行流固耦合分析，對襯砌結(jié)構(gòu)受力特性及安全性進(jìn)行研究，以此保障后期運(yùn)營時結(jié)構(gòu)安全。

4.1模型建立

根據(jù)工程情況，選取典型斷面YK37+920(埋深約110 m)，運(yùn)用Flac3D計算軟件進(jìn)行流固耦合計算分析，對高壓富水情況下隧道結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行研究。模型建立如下：橫向從兩側(cè)取3倍洞徑，共計100 m；豎向取約6倍洞高，共計70 m。根據(jù)現(xiàn)場情況及鉆孔資料，計算中取地下水位線在隧頂以上60 m。力學(xué)邊界：模型左右側(cè)橫向水平約束，底部豎向約束，頂部施加上部巖體自重應(yīng)力及地下水靜水壓力。流體邊界：模型左右側(cè)及頂部孔壓固定；底部不透水邊界。模型始終保持全飽和(見圖7，圖8)。

模擬計算中，圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)、管棚及注漿加固區(qū)采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。管棚及注漿加固區(qū)參數(shù)根據(jù)前人經(jīng)驗進(jìn)行等效[8]。圍巖及注漿加固區(qū)選用摩爾庫侖模型，襯砌和管棚單元按照彈性材料考慮。重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域(隧道周邊)計算網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

圖7　計算模型示意圖Figure 7　Schematic diagram of the analysis model

圖8　計算網(wǎng)格劃分Figure 8　Mesh generation of the analysis model

4.2參數(shù)選取(見表1)

模擬計算采用彈塑性地層與結(jié)構(gòu)共同作用模式，計算相關(guān)初始巖土參數(shù)、支護(hù)參數(shù)、力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力參數(shù)均參照現(xiàn)有的地質(zhì)資料和相關(guān)規(guī)范[9]。計算中考慮排水管道匯水和邊墻腳排水孔限量排水對于襯砌水壓力的影響。對于排水管道的滲透系數(shù)設(shè)置，根據(jù)流量等效原則確定模型中滲透系數(shù)的取值[10]。

表1 主要圍巖及結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)Table1 Mechanicalparametersofsurroundingrockandstructure材料重度/(kN·m-3)彈性模量/MPa泊松比粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)孔隙率滲透系數(shù)圍巖202.5e30.30.45300.21×10-4加固區(qū)223.25e30.250.6350.13×10-5管棚2510e30.2——0.13×10-5排水孔2535e30.2——0.57.85×10-3初支2320e30.2——0.11×10-3二襯2535e30.2——0.11×10-10

4.3計算結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，得到隧道襯砌在高壓富水地質(zhì)情況下，襯砌結(jié)構(gòu)受外水壓力及結(jié)構(gòu)受力情況(見圖9)。

① 襯砌水壓力分布。

如圖10所示，隧道襯砌及排水系統(tǒng)施作后，地層孔壓形成一個降水漏斗區(qū)。作用在襯砌上水壓力在排水孔處達(dá)到最小值，越往拱頂和仰拱中心，襯砌水壓力越大，拱頂處襯砌水壓力最大，為318 kPa，仰拱中心處襯砌水壓為201 kPa。在排水孔限量排水和注漿圈降低圍巖滲透性的作用下，作用在襯砌上水壓力明顯折減。

圖9　襯砌水壓力分布圖(單位： kPa)Figure 9　　　　Distribution map of pore pressure on lining　　　(unit： kPa)

圖10　隧道開挖后地下水壓力場Figure 10　Nephogram of pore pressure after tunnel excavtion

② 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力(見圖11)。

計算結(jié)果表明，襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，襯砌各截面均受壓應(yīng)力。其中最小主應(yīng)力位于邊墻外側(cè)，最大值為-7.9 MPa，小于混凝土抗拉強(qiáng)度。最大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力。全環(huán)襯砌未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

(a) 最小主應(yīng)力 (b) 最大主應(yīng)力

③ 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力(見圖12)。

圖12　襯砌內(nèi)力分布圖Figure 12　Distribution map of lining force

計算結(jié)果顯示二襯軸力為壓力，最大值位于邊墻處，最大值為2 310 kN；二襯彎矩除在邊墻外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受拉外，其他均為外側(cè)受壓，內(nèi)側(cè)受拉，其中仰拱中心處彎矩值最大，最大值46.7 kN·m。

④ 襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析。

對于襯砌安全性的評價，本文主要根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[9]中的破損階段法來對襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進(jìn)行計算。根據(jù)數(shù)值計算提取出襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力來計算各點(diǎn)安全系數(shù)，并與規(guī)范中規(guī)定的最小安全系數(shù)進(jìn)行比較。根據(jù)流固耦合分析結(jié)果，計算得到襯砌各節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)如表2所示。結(jié)果表明，經(jīng)過調(diào)整后的襯砌結(jié)構(gòu)，即使在高水壓力情況下，襯砌結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)抗拉壓和抗拉安全系數(shù)位于拱腳處，分別為7.3和7.2，襯砌各節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)均滿足規(guī)范中要求。

表2 襯砌各節(jié)點(diǎn)安全系數(shù)Table2 Safetyfactorofnodesonlining節(jié)點(diǎn)位置抗壓安全系數(shù)抗拉安全系數(shù)拱頂21.2921.17拱腰22.0621.51拱腳7.307.20邊墻角11.179.60仰拱中央47.6434.26

5　現(xiàn)象應(yīng)用效果分析

5.1施工過程

在檢查富水段YK37+845～915段徑向注漿情況后，洞頭山隧道右線YK37+915于2016年4月重新施工。在對管棚擴(kuò)挖段注漿加固，并跟進(jìn)YK37+845～895二次襯砌后，對YK37+908.5～915段擴(kuò)挖換拱，并進(jìn)行洞內(nèi)套拱及管棚施工。在洞內(nèi)管棚的超前預(yù)支護(hù)下，對隧道進(jìn)行重新開挖。洞內(nèi)開挖采用上下階跳槽開挖，循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5 m，開挖后及時跟進(jìn)徑向注漿并施作初支。后續(xù)施工未發(fā)生突水情況，施工順利進(jìn)行。

5.2監(jiān)測結(jié)果

截止2016年6月10日，掌子面開挖至YK37+950，現(xiàn)場順利通過巖溶發(fā)育區(qū)。為保障施工安全順利進(jìn)行，施工過程中對隧道拱頂沉降、洞內(nèi)收斂變形進(jìn)行緊密監(jiān)測，以及時掌握圍巖變形及結(jié)構(gòu)變形情況。拱頂沉降測點(diǎn)埋設(shè)在拱頂，水平收斂測點(diǎn)位于上下臺階處，其中YK37+930斷面拱頂沉降及水平收斂曲線如圖13所示。

根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測結(jié)果，上臺階開挖后，拱頂產(chǎn)

圖13　YK37+930斷面拱頂沉降及水平收斂曲線圖Figure 13　　　　Curves of vault sedimentation and horizontal convergence of YK37+930

生一定沉降，隨著下臺階的開挖，沉降值變化很小，總體穩(wěn)定在-5～-7 mm之間，這是由于套拱及管棚剛度較大，且徑向注漿加固了巖體，減小了拱頂沉降變形。隧道開挖后上臺階水平收斂值最終穩(wěn)定在約-8 mm，下臺階水平收斂值最終穩(wěn)定在約-4 mm。

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隧道重新開挖后，襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖變形均較小，滿足規(guī)范要求。在洞內(nèi)管棚超前支護(hù)及徑向注漿加固作用下，隧道開挖過程中洞內(nèi)變形可控，現(xiàn)場施工取得了良好的效果。

6　結(jié)論

① 針對洞頭山隧道掌子面突水涌砂情況，對掌子面產(chǎn)生突水涌砂原因進(jìn)行分析，針對探測出的富水巖溶段，提出洞內(nèi)管棚結(jié)合徑向注漿的施工方案。

② 數(shù)值分析結(jié)果表明，富水地層下采用該方案襯砌結(jié)構(gòu)及防排水措施，襯砌結(jié)構(gòu)安全性較好，表明該方案能有效保證隧道運(yùn)營安全性和耐久性。

③ 現(xiàn)象施工順利進(jìn)行，監(jiān)測結(jié)果及施工反饋表明，隧道開挖后圍巖變形小，同時初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，說明該方案能有效保證富水隧道巖溶段隧道施工。相關(guān)工程應(yīng)用可為類似隧道穿越富水巖溶段提供經(jīng)驗參考。

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Study on the Treatment of Water Inflow and Structure Mechanical Characteristics of Tunnel Under Enriched Water Condition

HUANG Dacheng1， LUO Wei2

(1.Hunan Wujing Expressway Construction and Development Co.， Ltd， Wugang， Hunan 422400， China；2.Hunan Shangshan Road and Bridge Construction Co.Ltd， Changsha， Hunan 410000， China)

Based on the construction of Dongtoushan tunnel of Wujing expressway engineering，the reason of water and sand inflow caused by karst under enriched water condition is analysed，and disposal project is proposed which use pipe-roof in tunnel and radial grouting.According to the fluid-mechanical interaction，structure mechanical characteristics and security of tunnel are analysed by means of numerical analysis .The results indicates the project can guarantee the success of tunnel construction and the safty of tunnel operation.Research can provide reference for similar projects.

enriched water tunnel； water and sand inflow； disposal project； fluid-mechanical interaction； safety factor

2016 — 05 — 20

黃大成(1980 — )，男，湖南湘陰人，工程師，主要從事公路橋梁隧道施工與管理工作。

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