秦嶺隧洞富水節(jié)理密集帶處置方案研究及實踐

摘要：地下工程中，常規(guī)外水壓力的應(yīng)對措施已經(jīng)具有大量的工程實殘和理論研究，但特殊區(qū)段的研究較少。結(jié)合引漢濟渭秦嶺隧洞越嶺段的工程實踐，針對大埋深、圍巖相對較好、富水、空腔發(fā)育的節(jié)理密集帶的特殊段落，研究外水壓處理方案。通過數(shù)值計算、現(xiàn)場實施條件、實施效果等分析論證，提出推薦方案。密集帶外側(cè)采用土工布填塞并注化學(xué)漿液速凝形成外模，內(nèi)側(cè)刻槽擴挖澆筑鋼筋混凝土形成內(nèi)模后，灌注雙液漿，達(dá)到堵水抗水壓的效果。經(jīng)現(xiàn)場組織實施，效果較好。

關(guān)鍵詞：秦嶺隧洞;富水;節(jié)理密集帶;處理

中圖分類號：TV672⁺.1 文獻標(biāo)志碼：A

突涌水是地下工程建設(shè)與運營過程中的主要地質(zhì)災(zāi)害，具有突發(fā)性高、致災(zāi)能力強、災(zāi)后處置困難等顯著特點[1]。公路、鐵路等山嶺交通隧道通常設(shè)有完善的防排水系統(tǒng)，地下水頭難以聚集，一般襯砌結(jié)構(gòu)不考慮地下水壓。水工隧洞多采用固結(jié)灌漿并設(shè)置排水孔的形式應(yīng)對外水壓力。固結(jié)灌漿在二襯完成及回填灌漿完成后實施，一般灌漿壓力控制在0.3～2.0MPa[2]。但高壓、富水、斷層破碎帶的水工隧洞若在二襯完成后實施，則破碎段空腔較大，外邊界非常寬廣，漿液擴散范圍未知，漿液用量非常大。另外，注漿壓力很難控制，由于埋深大、水頭高、空腔投影到二襯的面積大，因此注漿壓力稍高將直接影響二襯安全;地下水穩(wěn)定水量較大，注漿完成后，水壓將急劇上升。因此，該段采用常規(guī)的固結(jié)灌漿并設(shè)排水孔的方式不適宜，對此有必要進行研究分析。

1 工程概況

引漢濟渭秦嶺隧洞長達(dá)98.3km、最大埋深2012m，埋深1000m以上的段落長達(dá)30km，工程規(guī)模及難度世界矚目[3]。秦嶺隧洞區(qū)地下水以潛水為主，但其含水介質(zhì)的各向異性，使地下水的補給、徑流、排泄條件十分復(fù)雜[4]。

2016年5月11日，秦嶺隧洞7號支洞上游掌子面開挖至樁號K68+851，該處埋深約1020m，出露巖性為花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，測得3組主要節(jié)理，巖體大部分完整性較好，局部完整性較差，拱部局部有掉塊現(xiàn)象。右邊墻發(fā)育一組節(jié)理密集帶，一直向左延伸至頂部，產(chǎn)狀大致為N32°E/68°S，寬度0.3～0.5m，拱腳地下水發(fā)育，股狀涌水（沿節(jié)理密集帶涌出），拱部線狀流水，底板股狀涌水，初期涌水量約2.5萬m³/d。雖初期水量較大，洞身被淹，但衰減較快，23 d后便恢復(fù)掘進。2016年6月6日，掌子面開挖至K68+841，節(jié)理密集帶延伸至掌子面中部偏左，測得產(chǎn)狀大致為N38°E/76°S，寬度0.3～1.0m，密集帶局部呈空腔狀，涌水僅剩底板處存在，其他部位涌水衰減完畢，底板涌水仍有壓力，涌水處有一較大空腔，深度大于1.5m，具體尺寸無法測得。2d后，掌子面開挖至K68+834，揭露巖性主要為花崗巖，測得3組主要節(jié)理。觀測節(jié)理密集帶，自K68+851右側(cè)邊墻延伸至K68+835段左側(cè)邊墻，產(chǎn)狀大致為N30°～45°E/65°～80°S，寬度0.3～1.8m，密集帶走向與洞軸線夾角約45°，洞周顯現(xiàn)明顯，密集帶的洞周平面示意見圖1，密集帶內(nèi)巖體較破碎，局部呈空腔狀，地下水自密集帶底部呈股狀涌出，涌水有較弱壓力。涌水量穩(wěn)定，水量約1200m³/d。

因該段節(jié)理密集帶現(xiàn)場顯露明顯，故水量衰減較快，但穩(wěn)定涌水量一直持續(xù)穩(wěn)定?？紤]實施二次襯砌后，該段水量將在襯砌背后迅速積聚，可能破壞結(jié)構(gòu)。另外，若實施二次襯砌，襯砌將掩蓋洞周節(jié)理帶的出露及發(fā)育情況，不利于后期處理。因此，關(guān)于該段的處理一直以觀察水量變化、水力連通、補給、衰減等為主。到2017年7月，經(jīng)長達(dá)1。的觀察，該段水量仍持續(xù)、穩(wěn)定為1200m³/d。

2 處理方案研究

2.1 方案擬定

開挖完成后經(jīng)對該段地下水情況長達(dá)1a的觀察，認(rèn)為：①地下水補給充分，初期（20d）急劇衰減后，水量持續(xù)、穩(wěn)定;②地下水補給及連通性較好;③地下水與地表水未發(fā)現(xiàn)有補給及連通性。方案擬定中主要考慮以下因素：①圍巖整體條件較好，該段均為花崗巖，除密集帶外，整體相對較完整，巖石強度高;②整個節(jié)理密集帶自身相互之間具有連通性;③節(jié)理密集帶具有不均勻性，表現(xiàn)為連通不均勻（依據(jù)密集帶不同部位開挖出露后，水量的相互影響及變化規(guī)律）和發(fā)育不均勻（環(huán)繞洞身破碎程度不一、寬度不一，部分部位可見寬0.2～0.3m裂縫，深不見底）;④地下水封堵后，水位將很快上升;⑤運營期免維護和少維護;⑥實施難易、效果、費用等;⑦實施方案對環(huán)境的影響。

根據(jù)以上基本情況，處理方案按兩大類考慮：第一類，對節(jié)理密集帶注漿封堵，形成加固圈后，再施做二次襯砌，并施做排水孔。但由于密集帶空腔邊界寬廣且不明，因此需研究新的注漿工藝及方法。第二類，考慮節(jié)理密集帶空腔邊界不明，注漿量無法控制，且效果較難控制，擬對該段擴挖3-5 m后回填混凝土形成抗壓圈，同時考慮抗壓圈具有改善抗?jié)B性和一定的堵水作用。

2.2 計算分析

針對該段的具體情況，分別對馬蹄形和圓形按800m水頭和600m水頭進行計算。

計算參數(shù)：Ⅱ級圍巖（彈性抗力系數(shù)k=1000MPa/m），襯砌混凝土強度等級采用C35，荷載包括全周水壓力、自重、彈性抗力。

（1）按圓形斷面向外擴挖3m，水頭按800m考慮，水壓8MPa，二維計算內(nèi)力見圖2、圖3。

對襯砌控制點安全系數(shù)及裂縫寬度進行分析，典型部位的軸力、彎矩及要求的襯砌厚度、配筋、安全系數(shù)等見表1。經(jīng)裂縫驗算，e₀≤0.55h₀（e₀為軸向力對截面重心的偏心距，h₀為截面有效高度），滿足要求。

（2）按圓形斷面向外擴挖3m，水頭按600m考慮，水壓6MPa，二維計算內(nèi)力見圖4、圖5。

對襯砌控制點安全系數(shù)及裂縫寬度進行分析，典型部位的軸力、彎矩及要求的襯砌厚度、配筋、安全系數(shù)等見表2。裂縫驗算結(jié)果滿足要求。

（3）按原馬蹄形斷面向外擴挖3m，水頭按800m考慮，水壓8MPa，二維計算內(nèi)力見圖6、圖7。

對襯砌控制點安全系數(shù)及裂縫寬度進行分析，典型部位的軸力、彎矩及要求的襯砌厚度、配筋、安全系數(shù)等見表3。裂縫驗算結(jié)果滿足要求。

以上計算表明：采用圓形斷面，水頭800m時，抗壓圈厚度約為3.8m;水頭600m時，抗壓圈厚度約為3.0m。采用馬蹄形斷面，水頭800m時，抗壓圈厚度約為4.5m。

通過計算分析，將外水壓力作為面力考慮作用于襯砌表面時，雖然模型簡單，結(jié)論明確，但與工程實際情況有一定出入，且現(xiàn)場很難組織實施，工程投資過大。

對于作用在襯砌上的外水壓力，國內(nèi)外學(xué)者主要基于滲流理論，采用解析法或數(shù)值法推求[5-9]。對于與二次襯砌或加固圈表面垂直的地下裂隙，外水壓力的作用面積與裂隙寬度相關(guān)。由于縫寬有限，該值一般較小，因此筆者認(rèn)為圍巖較好時外水壓力對固結(jié)圈的作用需折減。

2.3 方案比較

（1）方案Ⅰ，注漿堵水加固方案。對節(jié)理密集帶進行注漿堵水并加固圍巖?，F(xiàn)有節(jié)理密集帶空腔顯露，但邊界不明，考慮化學(xué)漿液凝固速度快，對外圈采用化學(xué)漿液速凝后形成外模，內(nèi)側(cè)采用混凝土封堵可滿足強度及耐久性要求。

具體實施方法：①拱墻灌漿，沿密集帶走向擴挖200cm×30cm（寬×深）的空間施做止?jié){帶，并清理裂隙至5.5m深度，人工將編織袋或土工布填塞至被清理裂隙底端，壓緊、搗實。環(huán)向每1m預(yù)埋一根（D75mm灌漿管，徑向深4.5m，并埋設(shè)回漿管。止?jié){帶部位設(shè)間距1m×1m、長3m的錨桿，錨桿端頭焊接Φ20mm螺紋鋼，并設(shè)間距20cm×20cm的Φ8mm鋼筋網(wǎng)與端頭螺紋鋼焊接，沿拱墻裂隙立模澆筑C30混凝土形成止?jié){墻。②底板灌漿，沿裂隙清理底板，找到出水點，沿隧洞縱向開挖一道100cm×100cm（寬×深）的排水溝，水溝端頭設(shè)12.5m³的水倉，水溝長度根據(jù)出水點的斷面位置確定。沿裂隙擴挖底板200cm×100cm（寬×深），預(yù)埋水管引水并澆筑混凝土，封閉除預(yù)留出水口的其余水流通道，并標(biāo)記出水口。在出水口兩邊以45°傾角向出水口鉆孔，注入油溶性聚氨酯封閉出水通道，封閉出水口。

以上堵水措施完成并觀察效果后，確定施做加強二次襯砌。其優(yōu)點為：①不破壞現(xiàn)有圍巖，基于現(xiàn)狀，堵水加固;②對其他工序干擾相對較小。其缺點為：①地質(zhì)條件復(fù)雜，注漿漿液擴散不可控，質(zhì)量較難控制;②節(jié)理裂隙不規(guī)則，清理節(jié)理困難;③若節(jié)理扭曲，部分段落土工布及麻袋填塞和注漿管安插難以實施;④流水已致節(jié)理密集帶部分位置形成了不規(guī)則空腔，注漿量不可控;⑤處理實施有一定風(fēng)險。

（2）方案Ⅱ，擴挖回填方案?？紤]注漿加固有一定的實施風(fēng)險，且由于節(jié)理密集帶結(jié)構(gòu)面不規(guī)則，實施難度較大，因此效果難以檢測和控制，考慮擴挖回填方案。向開挖輪廓外擴挖4.5m，分部擴挖、回填，形成堵水及加固圈，并對施工縫灌注微膨脹水泥漿，完成后施做二次襯砌。

方案實施：考慮一次性擴挖斷面過大，整個加固圈采用分步擴挖回填。首先擴挖、回填兩側(cè)邊墻，完成后進行拱部擴挖回填。底板擴挖次序根據(jù)出水點位置確定。施工工序見圖8，其中序號1～5為擴挖順序、序號①～⑤為回填順序。

方案Ⅱ的優(yōu)點為：①機理明確，質(zhì)量容易控制，堵水及加固效果好;②該方案實施中不受節(jié)理密集帶發(fā)育情況的影響;③該方案實施中不受節(jié)理空腔規(guī)模、大小的影響。其缺點為：①工程量略大，實施組織略困難;②開挖后，底板需在注漿堵水后施做，因節(jié)理密集帶的連通性而導(dǎo)致實施困難;③處理過程中需暫?，F(xiàn)有二次襯砌施工，將對總工期產(chǎn)生影響。

綜上，該段為Ⅱ類圍巖，圍巖總體條件很好。雖然從理論上講，方案Ⅰ效果不好控制和檢測，但是考慮密集帶發(fā)育明確，通過加強工程措施可大大改善滲透條件，根據(jù)注漿后地下水的滲透情況來分析評價注漿效果。根據(jù)注漿情況，必要時局部補充注漿，可達(dá)到滿意效果。而方案Ⅱ雖然機理明確，全過程質(zhì)量、風(fēng)險可控，但是挖除堅硬巖石后再回填，大部分范圍的混凝土質(zhì)量劣于原狀圍巖的。另外，該方案尚需注漿措施配合，總體實施工序多、難度大。經(jīng)現(xiàn)場實際勘察、研究討論，擬采用方案Ⅰ組織實施。

3 實施及效果

節(jié)理密集帶的實際發(fā)育段落樁號為K68+851-K68+835，確定處理段落樁號為K68+856-K68+829，該段的二次襯砌待注漿堵水完成、現(xiàn)場分析評價后確定。將該段節(jié)理密集帶2m寬范圍劃分為Ⅰ區(qū)，其余范圍劃分為Ⅱ區(qū)，見圖9。Ⅰ區(qū)表面鑿除后設(shè)止?jié){帶，外側(cè)采用化學(xué)灌漿及土工布等形成外模，內(nèi)側(cè)采用1：1水泥水玻璃雙液漿，見圖10，Ⅱ區(qū)注漿采用1：1水泥水玻璃雙液漿。先完成Ⅱ區(qū)灌漿，后完成Ⅰ區(qū)灌漿，Ⅰ、Ⅱ區(qū)灌漿均應(yīng)采用拱頂一邊墻一底板的順序進行。Ⅰ區(qū)注漿管間距1.0m×1.0m，梅花形布設(shè)，垂直于密集帶表面;Ⅱ區(qū)間距0.93m×0.93m，梅花形布設(shè)，垂直于巖壁;底板集中出水點2.0m×2.0m范圍注漿管間距0.5m×0.5m，梅花形布設(shè)。

現(xiàn)場注漿完成后，經(jīng)過約50d的觀察，該段堵水效果良好，現(xiàn)場拱墻、底板無明顯出水點，僅右側(cè)邊墻局部有一處滲滴水點，隧洞內(nèi)壁無開裂、破損等情況。根據(jù)現(xiàn)場情況，對二次襯砌進行了必要的加強。

4 結(jié)語

（1）地下工程的外水壓力問題是一個長期困擾施工的技術(shù)難題，鑒于地下工程的多樣性、復(fù)雜性、多因素影響等特點，試圖解析分析非常困難，建設(shè)中應(yīng)結(jié)合工程的具體特點，進行分析研究。

（2）目前，《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》中采用折減系數(shù)法確定外水荷載。但對于深埋、地下水位較高的隧洞，現(xiàn)場用折減系數(shù)法確定襯砌外水壓力荷載很難操作，且對襯砌結(jié)構(gòu)影響非常大。前期勘察設(shè)計階段僅能通過技術(shù)手段對隧洞的富水情況進行分區(qū)，但現(xiàn)場同一分區(qū)內(nèi)的表現(xiàn)差異較大。例如利用現(xiàn)有勘察手段無法在勘察設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)文中所述節(jié)理密集帶，針對節(jié)理密集帶的處理，建議根據(jù)節(jié)理密集帶的發(fā)育情況、圍巖情況和富水情況等確定應(yīng)對措施。

（3）對于山嶺隧洞的高水壓、富水節(jié)理密集帶問題，建議現(xiàn)場以堵為主，對于完整性較好、節(jié)理明確的段落，可嘗試根據(jù)節(jié)理的發(fā)育組數(shù)、寬度結(jié)合等效水頭分析外水荷載。

（4）通過本次方案的實施，對于較好圍巖的富水節(jié)理密集帶處理，現(xiàn)有的堵水措施技術(shù)形成固結(jié)圈是可行的，且堵水效果良好。

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