隧道穿越富水層施工技術(shù)與圍巖應(yīng)力變化分析

摘要：文章以富水層地質(zhì)構(gòu)造為例，研究了隧道在穿越此類地質(zhì)段時的主要施工技術(shù)，并通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)搭建，分析了富水層隧道圍巖應(yīng)力變化情況，為同類型隧道施工提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道;富水層;施工;研究

0 引言

隧道在施工過程中常穿越各類不良地質(zhì)段，如富水層，這類地質(zhì)構(gòu)造為隧道施工帶來了一定的難度，而且在施工過程中也伴隨有各類風(fēng)險因素，如突水涌泥、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、支護(hù)塌方等，嚴(yán)重時會影響到施工人員的生命安全。因此，研究隧道穿越富水層的施工技術(shù)和施工中各相關(guān)工程參數(shù)的變化，對于保證隧道工程的施工質(zhì)量具有特殊意義。

1 隧道穿越富水層的主要施工技術(shù)

1.1 隧道穿越富水層施工風(fēng)險

隧道在施工中穿越富水地質(zhì)構(gòu)造時，會破壞原有含水結(jié)構(gòu)及滲流通路，可能使疏水通道與隧道開挖面相互連通，施工擾動甚至?xí)l(fā)隧道開挖區(qū)的突水涌泥等施工事故，情況嚴(yán)重時會造成地面塌方或地表沉降。富水層所在地質(zhì)構(gòu)造多為巖性變化帶，屬于隧道工程的富水層。地表突變處若為擠壓式斷層，則通常表現(xiàn)為上盤裂隙富水;地表突變處若為張拉式斷層，則通常情況下斷層帶即為蓄水構(gòu)造。隧道施工穿越該段將可能引發(fā)集中突水涌泥，施工風(fēng)險極高。特別是在強巖溶區(qū)域的隧道施工中，巖體深處可能存在大范圍的蓄水構(gòu)造，當(dāng)隧道開挖揭穿溶洞、溶腔或其他暗河時，會引起大量地下水噴涌，改變原有的地下水滲流路徑，使得隧道周邊范圍的地下水位下降，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和人們?nèi)粘Ｉ顜韲?yán)重影響[1]。

1.2 穿越富水層施工水處理原則

隧道淺埋段應(yīng)使用洞內(nèi)注漿模式進(jìn)行封堵，以減少滲水壓對永久襯砌結(jié)構(gòu)的影響。對于隧道常規(guī)地段而言，其裂隙水與地表水無明顯的直接聯(lián)系，排放時對周邊環(huán)境的影響較小，因此，可采取防排相結(jié)合的水處理原則。對于影響附近環(huán)境較大的地質(zhì)構(gòu)造水，應(yīng)綜合判斷實際施工情況下的項目進(jìn)度等情況，嚴(yán)格區(qū)分滲流水及噴出水，采取排放后處理和超前帷幕預(yù)處理等措施，并注漿加固圍巖以降滲承壓，初期支護(hù)時使用徑向方式[JP]進(jìn)行注漿以隔斷水路。此外，應(yīng)及時采取措施盡可能減少隧道內(nèi)部的排水，確保隧道原有結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性，為降低排水對周邊環(huán)境的影響，可使用帷幕注漿技術(shù)進(jìn)行施工[2]。

1.3 帷幕注漿施工

針對隧道施工過程中因穿越富水層等不良地質(zhì)構(gòu)造而可能引發(fā)的突水涌泥等災(zāi)害，當(dāng)?shù)叵滤畨毫χ党^3 MPa時，應(yīng)對其正洞8 m范圍內(nèi)注漿加固;當(dāng)?shù)叵滤畨毫χ翟?～3 MPa時，應(yīng)對其正洞5 m范圍內(nèi)注漿加固，開挖輪廓外3 m范圍進(jìn)行帷幕注漿施工;當(dāng)?shù)叵滤畨毫χ翟?～2 MPa時，開挖輪廓外3 m范圍進(jìn)行帷幕注漿施工。注漿施工設(shè)備選用可參考表1。

1.4 繞行超前平導(dǎo)施工

當(dāng)穿越富水層斷面的隧道上坡區(qū)域為大導(dǎo)水結(jié)構(gòu)，在施工過程中發(fā)生大量涌水情況時，在正洞內(nèi)進(jìn)行處理變得十分困難，此時應(yīng)在隧道掘進(jìn)方向來水側(cè)設(shè)置上坡平導(dǎo)，且平導(dǎo)的高度應(yīng)高于正洞，并利用繞行超前平導(dǎo)進(jìn)行泄水以減小壓力，對實現(xiàn)隧道工程快速貫通施工具有積極作用。超前導(dǎo)坑的施工方案可有效避免涌水突泥引發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況，利用繞行超前平導(dǎo)能夠有效降低正洞水壓，同時也能為正洞徑向注漿留有足夠的施工空間，便于進(jìn)行地質(zhì)勘測以掌握前方地質(zhì)情況。繞行超前平導(dǎo)利用橫通道方式與正線連通，擴(kuò)大了正線工作面，提高了施工速度，形成正線疏排水系統(tǒng)，可區(qū)分洞內(nèi)各部分作業(yè)以減少彼此干擾，有效降低施工事故的發(fā)生[3]。

1.5 排水錨噴支護(hù)

隧道施工在穿越富水區(qū)時存在的裂隙較多，隧道開挖過程產(chǎn)生大量涌水不可避免。當(dāng)隧道拱頂以及邊墻發(fā)生較為嚴(yán)重的滲水時，初期支護(hù)施工難以進(jìn)行或效果較差，例如使用鉆爆法開挖時將造成隧道巖體結(jié)構(gòu)的振動，進(jìn)一步加劇巖體裂隙甚至形成連通裂縫，使地層水滲入隧道，這些因素都將使初期支護(hù)無法成型，此時應(yīng)使用速凝時間在3 min以內(nèi)的水泥進(jìn)行施工。根據(jù)實際疏導(dǎo)水流來適當(dāng)降低水壓，可迎水進(jìn)行噴混凝土減少滲水范圍，確保防水層的質(zhì)量[4]。隧道錨噴支護(hù)參數(shù)如表2所示，隧道錨噴支護(hù)配合比如表3所示。

2 富水層隧道圍巖應(yīng)力變化分析

2.1 圍巖數(shù)據(jù)采集硬件布置

2.1.1 鋼筋計埋設(shè)

依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，采集被測量物體的頻率作為模擬信號，鋼筋計可用來測量隧道拱架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，可通過對焊方式進(jìn)行連接，置于初支混凝土中，混凝土凝固后進(jìn)行測量。

2.1.2 壓力計布置

與鋼筋計的工作原理類似，壓力計通常用來測量隧道圍巖形變應(yīng)力，預(yù)先在鋼筋加工區(qū)完成固定支架的制作，然后將制作好的支架運送到隧道內(nèi)，用支架將壓力計固定在圍巖上，另一側(cè)固定到鋼拱架上，應(yīng)保證可靠、牢固，使采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

2.1.3 水位計布設(shè)

測量隧道巖體內(nèi)部的地下水情況可為穿越富水層隧道施工提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。在隧道圍巖內(nèi)部固定水位計，通過水壓作用于水位計的敏感元件，實現(xiàn)地下水位的準(zhǔn)確讀取[5，6]。

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)搭建

在隧道施工現(xiàn)場的硬件采集裝置布置完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)的搭建，將鋼筋計、壓力計和水位計采集到的隧道施工數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)集成裝置上傳到分析組件（上位機）中進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、分析和顯示。數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)總線經(jīng)過部署在隧道施工現(xiàn)場的遠(yuǎn)程自動化采集箱進(jìn)行中轉(zhuǎn)。施工數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)主要由采集裝置、傳輸單元和分析組件三部分構(gòu)成：采集裝置涉及到鋼拱架應(yīng)力、圍巖壓力和地下水位等的檢測部分等;傳輸單元包括數(shù)據(jù)總線、接口和集成等;分析組件有處理器、轉(zhuǎn)換器和顯示器等部件。隧道施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.3 富水層隧道圍巖應(yīng)力變化分析

進(jìn)行隧道富水層施工數(shù)據(jù)分析，能夠評估隧道圍巖結(jié)構(gòu)等多方面施工參數(shù)，為工程下一階段的施工提供指導(dǎo)意見。隧道圍巖應(yīng)力變化能夠反映隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及工程施工質(zhì)量，因此，選取施工中隧道圍巖應(yīng)力作為試驗參數(shù)，通過對比圍巖應(yīng)力計算值（理論值）和監(jiān)測值（實際值），分析圍巖應(yīng)力在施工過程中的變化情況，得出隧道富水層施工質(zhì)量評估結(jié)果。試驗中選取某西南山區(qū)隧道的施工建設(shè)模型，模擬出施工現(xiàn)場隧道圍巖應(yīng)力的計算值曲線，如圖2所示。

試驗中模擬了25 d工期的隧道施工圍巖應(yīng)力（壓應(yīng)力）變化，拱頂、拱腰以及拱腳處的圍巖應(yīng)力在25 d試驗觀察中的變化趨勢基本相同，拱腰位置圍巖應(yīng)力變化在15 d之后逐漸平穩(wěn)，而拱頂和拱腳圍巖應(yīng)力在繼續(xù)減弱，表明隧道圍巖形變幅度在減弱，即隧道圍巖結(jié)構(gòu)在施工過程中逐漸穩(wěn)定。施工現(xiàn)場隧道圍巖應(yīng)力的監(jiān)測值曲線如圖3所示。

由圖2、圖3對比可知，富水層隧道圍巖應(yīng)力的計算值與監(jiān)測值變化曲線基本一致，拱頂、拱腰與拱腳三個方向的圍巖應(yīng)力監(jiān)測值曲線在逐漸降低，說明在富水層隧道實際施工中進(jìn)行的支護(hù)措施效果較好。另外，在圍巖應(yīng)力監(jiān)測曲線中可以看到，拱頂、拱腰與拱腳三個方向的受力變化情況大體相同，有別于圖2中的曲線走向，這種情況表明拱頂、拱腰和拱腳三個位置的施工進(jìn)度具有同步性。

3 結(jié)語

本文分析了隧道穿越富水層施工技術(shù)，闡述了帷幕注漿、繞行超前平導(dǎo)和排水錨噴支護(hù)等施工技術(shù)理論和應(yīng)用范圍，通過模擬試驗完成了富水層隧道施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與圍巖應(yīng)力變化分析，為同類型隧道的施工方案設(shè)計提供了參考。

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作者簡介：李國華（1980—），工程師，研究方向：高速公路建設(shè)工程。