突水突泥隧道段落圍巖壓力及整治措施

余大龍，舒東利，王磊

（中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

突水突泥隧道段落圍巖壓力及整治措施

余大龍，舒東利，王磊

（中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

深埋隧道在施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到突水突泥段落，具有突發(fā)性、軟弱性等特點(diǎn)，圍巖壓力對采取的加固措施、襯砌參數(shù)、預(yù)留清淤長度等有較大影響，但對其荷載大小的研究較少。通過資料調(diào)研分析確定了突水突泥段落圍巖參數(shù)范圍，并按跨度對我國不同時(shí)速單雙線斷面大小進(jìn)行劃分；通過普氏理論、太沙基理論以及謝家烋理論對突水突泥段落圍巖壓力進(jìn)行計(jì)算，確定了不同跨度隧道對應(yīng)的圍巖壓力，為隧道突水突泥整治提供參考，具有一定的指導(dǎo)意義。

隧道；突水突泥；圍巖壓力；清淤長度；跨度；整治措施

0 引言

近年來，我國鐵路隧道在修建過程中出現(xiàn)不少突水突泥災(zāi)害（簡稱突水突泥），特別是在巖溶發(fā)育山區(qū)，突泥長度甚至達(dá)幾百米。對于突水突泥荷載目前沒有相關(guān)規(guī)范規(guī)定，清淤長度、處理措施也僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)。突水突泥段落圍巖壓力以及預(yù)留清淤長度的確定成為目前亟需解決的難題，對我國隧道的安全施工有較大意義。

目前也有相關(guān)學(xué)者對突水突泥整治措施展開了相關(guān)研究。周軍偉[1]研究得出對白云隧道采取迂回導(dǎo)坑及注漿加固方法，通過突水突泥段效果良好；白明洲等[2]對長大隧道施工過程中突水突泥災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行了研究；張曉東[3]依托贛韶鐵路黃金隧道，根據(jù)工程類比、數(shù)值模擬及經(jīng)濟(jì)比選后，確定塌方冒頂段處理措施；楊昌宇[4]以廈深鐵路梁山隧道涌水突泥段為研究對象，采用數(shù)值模擬手段分析了塌方機(jī)制及治理措施；張民慶等[5]對蘭新二線大梁隧道突水突泥原因進(jìn)行分析，并采取有效處理方案；張通國[6]通過現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬等方法對嶺腳隧道突水突泥原因進(jìn)行分析，并提出了處理措施；張民慶等[7]通過對專業(yè)化管理、安全清淤與封堵、機(jī)械化配套、突水突泥治理方案設(shè)計(jì)與實(shí)施等方面進(jìn)行研究，形成不良地質(zhì)突水突泥安全、快速治理技術(shù)。

目前，有較多學(xué)者對突水突泥原因及處理措施進(jìn)行了分析[8-11]，大多是基于數(shù)值模擬與工程經(jīng)驗(yàn)，并未對不同跨度、不同斷面的隧道突水突泥圍巖壓力進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究[12]。研究成果對隧道結(jié)構(gòu)安全和突水突泥處理具有借鑒意義。

1 理論基礎(chǔ)

通過對5個(gè)突水突泥隧道段落資料調(diào)研分析，得出圍巖重度γ為18 kN/m3左右，粘聚力c為10～70 kPa，內(nèi)摩擦角φ為13°～20°。

1.1 普氏理論

普氏理論拱頂垂直壓力的計(jì)算公式為：

式中：q為垂直壓力，kPa；γ為圍巖重度，kN/m3；φ為圍巖內(nèi)摩擦角，（°）；f為堅(jiān)固系數(shù)，松散體及黏土f=tanφ；H為隧道開挖高度，m；B為隧道開挖跨度，m。

1.2 太沙基理論

太沙基理論垂直圍巖壓力計(jì)算公式為：式中：λ為側(cè)壓力系數(shù)，取值為1.0～1.5；h為隧道埋深，m；b為洞頂松動(dòng)寬度的一半，m；其他參數(shù)意義與式（1）相同。

1.3 謝家烋理論

TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》深埋隧道圍巖壓力計(jì)算公式如下：式中：ha為計(jì)算高度，m；ω為寬度影響系數(shù)；S為圍巖級別；i當(dāng)B＜5 m時(shí)，取0.2，當(dāng)B＞5 m時(shí)，取0.1；其他參數(shù)意義與式（1）相同。

2 突水突泥段落圍巖壓力

2.1 隧道斷面按跨度分類

根據(jù)跨度將隧道劃分為小跨度、中跨度、大跨度、特大跨度隧道（見表1）。

表1 隧道跨度分級標(biāo)準(zhǔn) m

根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)參考圖的有關(guān)跨度，將不同時(shí)速單雙線有砟隧道按跨度進(jìn)行劃分（見表2）。

表2 有砟隧道標(biāo)準(zhǔn)圖按跨度分類

2.2 垂直荷載

突水突泥段落參數(shù)最弱時(shí)（γ=18 kN/m3，c=10 kPa，φ=13°）荷載最大，參數(shù)最強(qiáng)時(shí)（γ=18 kN/m3，c=70 kPa，φ=20°）荷載最小，分析3種荷載計(jì)算理論與隧道跨度的關(guān)系。

2.2.1 普氏理論

按普氏理論計(jì)算不同跨度下突水突泥垂直荷載，其值隨跨度的增加大致呈線性增長（見圖1）。

圖1 普氏理論有砟隧道跨度與垂直荷載關(guān)系

由圖1可知，小跨度圍巖壓力為0.48～0.94 MPa；中跨度圍巖壓力為0.60～1.04 MPa；大跨度圍巖壓力為0.73～1.30 MPa；特大跨度圍巖壓力為0.79～1.34 MPa。

2.2.2 太沙基理論

圖2 太沙基理論有砟隧道跨度與垂直荷載關(guān)系

由圖2可知，小跨度圍巖壓力為0.28～0.78 MPa；中跨度圍巖壓力為0.41～0.99 MPa；大跨度圍巖壓力為0.53～1.20 MPa；特大跨度圍巖壓力為0.60～1.23 MPa。

2.2.3 謝家烋理論

按謝家烋理論計(jì)算不同跨度下突水突泥垂直荷載，其值隨跨度的增加大致呈線性增長（見圖3）。

圖3 謝家烋理論有砟隧道跨度與垂直荷載關(guān)系

由圖3可知，小跨度圍巖壓力為0.15～0.30 MPa；中跨度圍巖壓力為0.18～0.37 MPa；大跨度圍巖壓力為0.24～0.46 MPa；特大跨度圍巖壓力為0.24～0.50 MPa。

將3種理論垂直荷載按跨度整理分類，可得出不同跨度下突水突泥段落圍巖壓力的取值范圍（見圖4）。

由圖4可知，普氏理論與太沙基理論計(jì)算的最大突水突泥塌方荷載比較接近，普氏理論計(jì)算的最小突水突泥塌方荷載比太沙基理論計(jì)算值稍大，按鐵路規(guī)范謝家烋理論計(jì)算突水突泥塌方荷載值偏小。因此按較不利條件設(shè)計(jì)考慮，推薦采用普氏理論計(jì)算突水突泥段落圍巖壓力。不同跨度、不同時(shí)速下突水突泥段落圍巖壓力取值范圍見表3。

圖4 垂直荷載與跨度關(guān)系

表3 有砟隧道不同跨度突水突泥塌方垂直荷載取值范圍

3 預(yù)留清淤長度

如支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)參數(shù)較弱，隧道發(fā)生突水突泥后不進(jìn)行清淤，則難以恢復(fù)施工。但清淤又是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)極高的工作，稍有不慎，極易發(fā)生規(guī)模更大的突水突泥災(zāi)害，甚至?xí)霈F(xiàn)人員傷亡。因此，隧道發(fā)生突水突泥后，不應(yīng)貿(mào)然清淤，必須對清淤風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，計(jì)算合理的清淤長度，預(yù)留可靠的清淤安全距離。

The Establishment and Evolution of Post System in Yili Region in the late Qing Dynasty

清淤封堵及荷載示意見圖5。

圖5 清淤封堵及荷載示意圖

計(jì)算時(shí)可不考慮隧道側(cè)壓力系數(shù)，忽略涌泥的黏結(jié)力，只計(jì)算隧道對泥土的摩擦阻力。淤泥安全距離可參考以下計(jì)算公式。式中：F摩為隧道對淤泥的摩擦阻力，kN；F滑為淤泥的下滑力，kN；μ為隧道與淤泥之間的摩阻系數(shù)，取0.6～0.7；γ為淤泥重度，kN/m3；A隧為隧道斷面積，m2；L為預(yù)留清淤段長度，m；q為淤泥的垂直壓力，kPa；A潰為潰口斷面面積，m2。

現(xiàn)場實(shí)施清淤時(shí)，原則上采取臺(tái)階法，以盡量減小清淤斷面面積。清淤前應(yīng)制定安全清淤施工組織，過程中隨時(shí)觀察，及時(shí)進(jìn)行封堵。

由式（9）可知，清淤長度與潰口面積大小以及上方的淤泥荷載有很大關(guān)系，因此基于3大荷載計(jì)算理論分析有砟隧道合理的清淤長度。

一般突水突泥潰口面積較難確定，在此假設(shè)潰口面積為10 m2、20 m2、30 m2、40 m2、50 m2，分別計(jì)算各工況下預(yù)留清淤長度。

有砟隧道潰口面積50 m2計(jì)算清淤長度見圖6，有砟隧道不同潰口面積預(yù)留清淤長度見表4。

整理分析圖表數(shù)據(jù)可得最小預(yù)留清淤長度與潰口面積的關(guān)系（見圖7）。預(yù)留清淤長度與潰口面積呈線性關(guān)系，潰口面積越大，最小預(yù)留清淤長度越長。

基于圍巖壓力計(jì)算結(jié)果推薦采用普氏理論計(jì)算最小預(yù)留清淤長度，潰口面積與預(yù)留清淤長度呈線性關(guān)系，潰口面積可線性差值計(jì)算。

圖6 潰口面積50 m2計(jì)算清淤長度

4 整治措施

4.1 清淤封堵

根據(jù)計(jì)算預(yù)留清淤長度，對塌方碴體進(jìn)行清除，清除至預(yù)留長度之后，采用大塊混凝土構(gòu)件、洞內(nèi)碎石等做止?jié){墻。止?jié){墻做成臺(tái)階狀，下臺(tái)階用沙袋堆砌，上臺(tái)階施作混凝土止?jié){墻，上下臺(tái)階預(yù)留1個(gè)工作平臺(tái)。

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4.2 注漿加固、排水減壓

地下水是造成不良地質(zhì)突水突泥的根本原因之一。針對突水突泥不良地質(zhì)，應(yīng)采取“注漿加固、排水減壓”的處理原則，即首先采取注漿措施對軟弱圍巖進(jìn)行加固，然后在注漿加固范圍外實(shí)施鉆孔排水減壓，以達(dá)到低水壓條件下安全開挖。

4.3 超前支護(hù)

隧道超前支護(hù)及加固方式有很多，如超前管棚注漿加固、超前帷幕注漿加固、掌子面水平旋噴加固等，其中超前管棚注漿支護(hù)、超前帷幕注漿加固較為常用。3種常見的突水突泥超前支護(hù)措施對比見表5。

4.4 施工工法

圍巖的塑性變形與開挖斷面的形狀有關(guān)，在同等地層及地應(yīng)力的條件下，斷面開挖越接近圓形受力越有利。在解決實(shí)際隧道突水突泥塌方問題中，應(yīng)根據(jù)塌方情況、隧道斷面大小選取相應(yīng)的施工工法，涌水突泥段常用的施工工法有：三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、預(yù)留核心土環(huán)形開挖法等。

圖7 最小預(yù)留清淤長度與潰口面積的關(guān)系

表5 突水突泥超前支護(hù)措施對比

4.5 加強(qiáng)支護(hù)

初期支護(hù)采用混凝土、錨桿、鋼架組合支護(hù)系統(tǒng)，較原設(shè)計(jì)提高了厚度。二襯厚度也相應(yīng)提高，保證施工和運(yùn)營通過突水突泥段落的安全。

5 結(jié)論

結(jié)合資料調(diào)研、理論分析等手段，對突水突泥段落的圍巖壓力、預(yù)留清淤長度及整治措施進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過對不同隧道突水突泥參數(shù)的調(diào)研，得出淤泥重度γ=18 kN/m3左右，粘聚力c=10～70 kPa，摩擦角φ=13°～20°。

（2）基于突水突泥圍巖參數(shù)，并結(jié)合普氏理論、太沙基理論以及謝家烋理論，對突水突泥段落圍巖壓力進(jìn)行計(jì)算，得出不同時(shí)速、不同跨度下有砟隧道突水突泥圍巖壓力的取值范圍。

（3）基于突水突泥段落圍巖壓力的研究，根據(jù)隧道斷面的大小，給出了不同潰口面積下預(yù)留清淤長度建議值。

（4）基于突水突泥段落圍巖壓力的研究，從清淤封堵、注漿加固、超前支護(hù)、施工工法、加強(qiáng)支護(hù)等方面對突水突泥整治措施進(jìn)行了分析。

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責(zé)任編輯 李葳

Pressure on Surrounding Rocks of Water Bursting and Mud Gushing Tunnels and Countermeasures

YU Dalong，SHU Dongli，WANG Lei
（China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd，Chengdu Sichuan 610031，China）

During construction of deeply buried tunnels, water bursting and mud gushing section is a common issue, which happens abruptly and remains the weak link of the construction. It is clear that the pressures on surrounding rocks have major infuence on the reinforcement measures, lining parameters and reserved dredging length, etc., while research on the pressure itself is comparatively rare. Based on investigation and research, the paper determines the parameter range of surrounding rocks of water bursting and mud gushing sections and classifes the tunnels with diferent cross sections of single/double track with diferent operation speeds according to diferent spans; then, the paper calculates the pressure of surrounding rocks of water bursting and mud gushing sections with Protodyakonov's mountain rock pressure theory, Terzaghi consolidation theory and Xie Jiaxiao theory and determines pressures on surrounding rocks of tunnels with corresponding spans, providing references for construction of water bursting and mud gushing section.

tunnel；water bursting and mud gushing；pressure on surrounding rocks；dredging length；span；countermeasures

U457

：A

：1001-683X（2017）07-0075-06DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2017.07.075

2016-11-06

余大龍（1981—），男，高級工程師，碩士。E-mail：107641625@qq.com