巖鷹鞍隧道逆沖強(qiáng)涌水?dāng)鄬痈呶恍顾┕ぜ夹g(shù)研究

吳應(yīng)明 任少?gòu)?qiáng)

（中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

懷邵衡鐵路巖鷹鞍隧道位于湖南省邵陽(yáng)市洞口縣境內(nèi)，地處環(huán)境條件極其惡劣，需要穿越雪峰山區(qū)。該隧道全長(zhǎng)5 302 m，為雙線鐵路隧道，全線需要穿越7個(gè)大的斷層帶，斷層帶的具體位置如圖1所示。

2016年1月4日，巖鷹鞍隧道掌子面推進(jìn)至DK87+998。經(jīng)過連續(xù)不斷地涌水監(jiān)測(cè)，隧道的靜水壓力超過0.6 MPa；涌砂時(shí)斷時(shí)續(xù)，含砂量時(shí)大時(shí)小?，F(xiàn)場(chǎng)涌水實(shí)際情況如圖2所示［1-3］。

圖1 巖鷹鞍隧道斷層平面

圖2 現(xiàn)場(chǎng)涌水實(shí)況

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察，確定 F4斷層是高角度逆沖富水富砂斷層，其中的破碎帶主要是強(qiáng)風(fēng)化和疏松的砂和碎石的混雜結(jié)構(gòu)，同時(shí)富含地下水。經(jīng)過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)主要是由于構(gòu)造壓力和風(fēng)化槽谷綜合作用導(dǎo)致，在高水壓的情況下作業(yè)極易形成大量涌水、涌砂等不良地質(zhì)災(zāi)害情況。通過專家進(jìn)一步驗(yàn)證分析，認(rèn)為采用“泄水分壓、迂回繞行”的方法最適用于巖鷹鞍隧道的實(shí)際情況，為此研究人員通過數(shù)值分析的方法對(duì)分水降壓的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 工程水文地質(zhì)情況

2.1 地表實(shí)況勘查

F4斷層的影響范圍較大，其地表植被茂盛，地勢(shì)由高到低，坡度極大，并且在巖鷹鞍隧道的斷層間存在一水溝與線路呈50°交叉。日常水深為0.3～0.6 m，自從水流干涸之后地下存在大量的空隙。巖鷹鞍隧道地表實(shí)際情況見圖3。

圖3 地表水文實(shí)況

2.2 洞內(nèi)流量和降雨量觀測(cè)結(jié)果分析

在調(diào)查期間通過每天對(duì)流量和降雨量不斷地分析和監(jiān)測(cè)，經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)整理和分析得到如圖4～圖5所示的巖鷹鞍隧道涌水量、降雨量與時(shí)間的關(guān)系曲線以及涌水量、水壓與時(shí)間關(guān)系曲線。

從觀測(cè)數(shù)據(jù)和以往經(jīng)驗(yàn)可知［4-5］，F(xiàn)4斷層的涌水量大約4 245 m3／d，較為穩(wěn)定。涌水量和當(dāng)?shù)氐慕涤炅筷P(guān)系并不密切，甚至在沒有降雨的情況下隧道的涌水量卻達(dá)到了最大值［6-7］。

4月20日至4月26日連續(xù)降雨，直到5月2日才出現(xiàn)最大涌水量，從而可以發(fā)現(xiàn)F4斷層帶的滲透性一般，不會(huì)發(fā)生大規(guī)模的涌水，但是由于隧道的埋深較大，存在著很大的水頭壓力。

圖4 DK87+998涌水量、降雨量-時(shí)間關(guān)系曲線

圖5 DK87+998涌水量、水壓-時(shí)間關(guān)系曲線

2.3 地下水類型以及補(bǔ)給徑流排泄

（1）地下水類型

根據(jù)巖鷹鞍地區(qū)基巖裂隙的成因和性質(zhì)，地下水主要可以分為節(jié)理裂隙水以及構(gòu)造裂隙水兩種類型。

節(jié)理裂隙水主要分布在強(qiáng)風(fēng)化以及弱風(fēng)化地層中。由于區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造極其強(qiáng)烈，山體地形起伏也較大，裂隙的發(fā)育程度變化極大，水位變化明顯，隨著巖層的走向，水位埋深逐漸變淺。在局部山區(qū)地段山腰主要是裸露的巖石，很多的裂隙水以下降泉形式大量溢出地層表面。這樣的地下水會(huì)對(duì)靠近隧道中線的地段有很大影響。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)構(gòu)造裂隙水主要分布于地質(zhì)斷裂帶。這個(gè)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特別強(qiáng)烈，斷層主要是由北向東發(fā)育。徑流條件和斷裂帶的地質(zhì)產(chǎn)狀與規(guī)模相關(guān)。

（2）地下水補(bǔ)、徑、排特征

地下水主要以裂隙水為主要來源，受到大氣降雨的大量補(bǔ)給，地表徑流大量向地下滲流，由巖層的裂隙向下滲水，從而大量補(bǔ)給地下水。

區(qū)域內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)極強(qiáng)烈，斷裂帶巖體的裂隙發(fā)育復(fù)雜，從而造成地表水和地下水相互補(bǔ)充，地表水徑流相對(duì)比較迅捷，降水能夠沿地表快速進(jìn)行排泄從而滲入地下，但水量很有限；降水沿山體兩個(gè)方向以下降泉和散水的方式進(jìn)入地下，因此滲入地下的水量有限。

3 巖鷹鞍F4斷層涌水隧道模型與參數(shù)設(shè)計(jì)

為了更好地比較巖鷹鞍隧道在穿越F4斷層排水與不排水對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性影響程度，尤其是驗(yàn)證上述關(guān)于分水降壓方案的實(shí)際可行性研究，通過數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)排水和不排水兩種方案進(jìn)行模擬，采用數(shù)值模擬的方式模擬隧道降水的過程，從而觀察隧道的圍巖應(yīng)力變化，評(píng)估修建排水隧洞是否能夠提高安全系數(shù)。為能真正模擬隧道排水洞開挖過程，先對(duì)正洞掌子面的水壓進(jìn)行測(cè)量，從而保證排水洞的水壓計(jì)算準(zhǔn)確。排水之前掌子面水壓為0.6 MPa，排水后掌子面水壓為0.07 MPa。

3.1 計(jì)算模型

選取DK87+998至DK88+028段進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算［8-10］。為了減少邊界效應(yīng)的影響，參考現(xiàn)在已有的研究成果，隧道模型邊界設(shè)置為隧道洞徑的2～3倍，同時(shí)右部的隧道也需留有富余，這樣才能消除隧道的邊界效應(yīng)。故模型的右邊界取正洞半徑的5倍，既正洞到右邊界的距離為50 m，正洞拱頂?shù)侥Ｐ晚敳窟吔缇嚯x為30 m。為模擬隧道埋深（303 m），在模型表面施加重力荷載29.3 MPa來等效山體埋深。整個(gè)模型高度70 m、縱向長(zhǎng)度30 m、橫向?qū)挾?98 m，如圖 6所示［11-12］。

圖6 隧道三維計(jì)算模型

3.2 參數(shù)選取

F4斷層破碎帶主要分為全風(fēng)化石英砂及弱風(fēng)化石英砂的碎石巖，為砂石混合狀態(tài)。受F4斷層帶影響，斷層的上下盤巖體極其破碎并且含水量較大。各參數(shù)設(shè)置見表1～表4。

表1 隧道圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 隧道初次襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

表3 砂漿錨桿物理參數(shù)

表4 流體參數(shù)設(shè)置

3.3 邊界條件及支護(hù)模型

模型邊界四周采用法向約束，鉛垂方向的頂部采用自由面，模型的底部采用固定約束。隧道的支護(hù)模型如圖7所示。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 無排水支洞直接開挖正洞

根據(jù)巖鷹鞍隧道實(shí)際工程地質(zhì)情況，對(duì)沒有修建排水支洞和迂回導(dǎo)洞的情況進(jìn)行分析，提取相關(guān)結(jié)果，相關(guān)部位位移及受力云圖見圖8～圖13。

圖7 隧道支護(hù)模型

圖8 開挖正洞豎向位移云圖

圖9 開挖正洞水平位移云圖

圖11 開挖正洞剪切應(yīng)力云圖

圖12 襯砌豎向位移云圖

4.2 有排水支洞開挖正洞

根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)情況，對(duì)修建排水支洞和迂回導(dǎo)洞的情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析計(jì)算，設(shè)置其掌子面水壓為0.07 MPa，提取其豎向位移云圖、水平位移云圖、剪應(yīng)力、豎向應(yīng)力以及襯砌的受力云圖如圖14～圖19所示。

圖13 襯砌水平位移云圖

圖14 有排水支洞開挖正洞豎向位移云圖

圖15 有排水支洞開挖正洞水平位移云圖

圖16 有排水支洞開挖正洞豎向應(yīng)力云圖

圖17 有排水支洞開挖正洞剪切應(yīng)力云圖

圖18 有排水支洞開挖正洞襯砌豎向位移云圖

圖19 有排水支洞開挖正洞襯砌水平位移云圖

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述FLAC3D數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知:

（1）在不施作排水支洞和迂回導(dǎo)洞的情況下對(duì)正洞進(jìn)行開挖，拱頂?shù)呢Q向位移最大達(dá)到了1.33 m，其豎向位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了正洞在開挖時(shí)的最大允許值；在開挖排水支洞以及迂回導(dǎo)洞之后正洞拱頂?shù)呢Q向位移沉降僅為0.102 m，在沉降允許范圍之內(nèi)。

（2）只對(duì)正洞進(jìn)行開挖時(shí)，由于隧道埋深太大，從而導(dǎo)致正洞圍巖的豎向應(yīng)力高度集中，對(duì)拱頂造成的壓力較大，同時(shí)對(duì)拱腰區(qū)域的壓力又較小，極易造成拱頂因壓力過大隧道拱頂坍塌。如果先對(duì)排水支洞和迂回導(dǎo)洞進(jìn)行開挖之后再進(jìn)行隧道正洞開挖，就可以明顯地減小拱頂應(yīng)力集中的現(xiàn)象。但是由于隧道的拱頂壓力減小也會(huì)造成圍巖對(duì)拱頂上部的溶洞空腔部分進(jìn)行擠壓，可以通過注漿的方式解決。

（3）隧道正洞開挖之后，圍巖的剪應(yīng)力將會(huì)產(chǎn)生一定的變化，圍巖周圍整體應(yīng)力變化情況呈現(xiàn)出四葉草的形狀。通過兩種方法對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在開挖了排水支洞和迂回導(dǎo)洞之后再進(jìn)行正洞開挖明顯緩解了隧道拱頂、拱腰、拱腳應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

（4）通過兩種方法提取的正洞襯砌豎向位移云圖以及水平位移云圖對(duì)比，能夠清晰地發(fā)現(xiàn)先開挖排水支洞和迂回導(dǎo)洞之后再進(jìn)行正洞開挖能夠減小襯砌的豎向位移和水平位移。

綜上所述，先對(duì)迂回導(dǎo)洞和排水支洞進(jìn)行開挖，將會(huì)有利于隧道圍巖的穩(wěn)定性，能夠有效地保證施工安全。

5 排水支洞及迂回導(dǎo)坑設(shè)計(jì)

（1）F4斷層段長(zhǎng)度長(zhǎng)、富水且含砂量大。為了進(jìn)一步探明F4斷層具體地質(zhì)情況，在隧道正洞左側(cè)增設(shè)一迂回導(dǎo)洞。

（2）為了實(shí)現(xiàn)F4斷層上盤地下水的分水降壓目的，保證超前小導(dǎo)管和注漿效果，提高施工質(zhì)量，在正洞和迂回導(dǎo)洞之間設(shè)置高位排水洞。高位排水洞和迂回導(dǎo)洞間的水平間距為18.6 m。

（3）根據(jù)施工工期和施工安全要求，經(jīng)過專家討論分析決定將高位排水洞和迂回導(dǎo)洞同時(shí)進(jìn)行施工，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)正洞開挖的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

（4）迂回導(dǎo)洞進(jìn)入斷層帶，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況進(jìn)行注漿加固。注漿完成之后需要對(duì)注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)，達(dá)到要求之后才能繼續(xù)開挖。

（5）當(dāng)迂回導(dǎo)洞和排水支洞穿越地質(zhì)斷層帶時(shí)，需要根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)反饋信息對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

6 結(jié)論

（1）在涌水涌砂的地質(zhì)條件下進(jìn)行隧道施工一直都是工程界的一大難題，同時(shí)也是對(duì)保障施工安全的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。需要對(duì)分水降壓和迂回導(dǎo)洞的方案進(jìn)行深入研究，采取更加有效的方法和措施來保障施工安全。

（2）基于懷邵衡鐵路巖鷹鞍隧道段的地質(zhì)條件極其復(fù)雜，可以借鑒以往隧道大涌水和涌砂施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值計(jì)算分析進(jìn)行驗(yàn)證，以此檢驗(yàn)所制定的隧道施工方案的可行性。

（3）本文僅對(duì)巖鷹鞍隧道復(fù)雜的地質(zhì)條件進(jìn)行針對(duì)性研究，但對(duì)于西南山區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件可能不具有普遍適用性，需要進(jìn)一步深入研究。