小凈距淺埋公路隧道施工涌水風險及處置效果分析

王海波,李海濤,辛文青,薄冠中,李 偉,張永興

(1. 水能資源利用關鍵技術湖南省省重點實驗室, 湖南 長沙 410014;2. 南京林業(yè)大學土木工程學院, 江蘇 南京 210037;3. 江蘇省交通工程建設局, 江蘇 南京 210004;4. 中交一公局第二工程有限公司, 江蘇 蘇州 2150011;5. 新疆交通運輸綜合行政執(zhí)法局質量監(jiān)督執(zhí)法支隊, 新疆 烏魯木齊 830000)

隨著我國經濟的高速發(fā)展,對道路工程的交通運輸能力需求也在不斷提升,為滿足不斷增長的交通量通行要求,超寬多車道已經成為高速公路設計首選.我國是個多山的國家,路線設計往往會受到地形地貌的限制,因此淺埋小凈距隧道工程逐漸增多.公路隧道選址往往會遇到復雜的工程地質情況,施工過程中常常存在一系列潛在風險,其中尤以隧道施工開挖面突涌水導致的掌子面失穩(wěn)最為典型[1-4],不僅會造成巨大的經濟損失、工期延長,而且還可能引起塌方、掩埋等安全事故,造成不良的社會影響.因此,如何針對施工涌水風險采取合理的施工控制工藝和防涌水對策尤為重要[5-10].

隧道施工涌水的原因較復雜,總體上可以概括為地質因素和人為因素兩大類.李術才等[11]通過對221例突水突泥災害案例的統(tǒng)計分析,提出4種典型的隧道突水突泥類型,即直接揭露型、漸進破壞型、滲透失穩(wěn)型和間歇破壞型;陳劍等[12]對富水斷層破碎帶突水涌砂原因及力學形成過程進行分析,發(fā)現富水斷層破碎帶穩(wěn)定性差、未進行有效加固,在開挖卸荷和爆破擾動雙重作用下,巖體防突水層厚度超過臨界狀態(tài),進而導致掌子面發(fā)生突水涌砂.以上研究成果分析了隧道開挖涌水機理,并通過大量實例總結了隧道涌水的各種原因.許振浩等[13-14]基于動態(tài)風險評估和控制機制,綜合賦權專家評分法的初步、二次評估與動態(tài)評估模型相結合,利用層次分析法研究巖溶類隧道施工涌水風險控制方法;顧義磊等[15]介紹了通渝隧道K21+780涌水突泥段的加固、封堵和排水系列措施的方案實施細節(jié),并通過圍巖變化量測驗證治理方案的合理性;李學東等[16]對龍?zhí)短亻L公路隧道突水涌泥坍塌治理措施進行分析,重點就坍塌段和未坍塌危險段的加固分別進行了探討.

目前對隧道的涌水研究主要集中在溶洞、軟弱圍巖、暗河連通等的突水突泥預測與病害處置,而針對地下水滲流對掌子面穩(wěn)定性影響的研究不多.由于地下水分布和補給條件復雜,且易受到氣候等因素的影響,考慮降雨入滲條件時很多研究較少考慮地下水滲流場對掌子面的影響,因此有必要針對小凈距隧道的地下水滲流場對掌子面穩(wěn)定性影響進行分析.

1 工程背景及地質概況

宜興至長興高速公路梅子嶺隧道位于宜興市張渚鎮(zhèn)大賢嶺林場,滿足淺埋短隧道設計條件且按小凈距隧道形式進行布置.隧道左右洞的凈間距約為19.0～22.1 m,最大埋深達到50 m.先行洞隧道右線樁號為K10+155～K10+476,全長321 m,隧道左線樁號為ZK10+151～ZK10+514,全長363 m,左右線隧道的進出口均采用削竹式洞門.隧道按車速120 km/h的雙向6車道高速公路標準設計,設計荷載為公路Ⅰ級.

梅子嶺隧道地處亞熱帶季風氣候區(qū),降水豐沛且全年都有雨,據統(tǒng)計,該地區(qū)年平均雨日為136.6 d,年平均降水量達到1 207.7 mm,雨期主要集中在6—9月份,占年降水量的48.5%.該地區(qū)的降水量大于蒸發(fā)量,春夏雨水集中,地面水、地下水含量豐富.對本工程而言,大氣降水是隧道地下水的主要補給來源.圖1為梅子嶺隧道進口端現場平面位置及工況圖.隧道位于構造剝蝕低山丘陵區(qū),地表覆蓋層主要為粉質黏土夾碎石,下部為強～中風化長石石英砂巖,巖體介于破碎～較破碎狀態(tài),節(jié)理裂隙發(fā)育呈碎塊狀及塊狀,圍巖穩(wěn)定性差,基巖裂隙水發(fā)育.

(a) 隧道平面位置布置

為充分揭示隧道掌子面圍巖的風化情況,使用美國GSSI公司生產的SIR-20型地質雷達主機并運用100 MHz天線3次探測(見圖2)巖體的破碎程度以及泥石的混合狀態(tài),探測區(qū)域為隧道的洞口端開挖起始處、隧道中部以及未開挖區(qū)域,每次探測進深為30 m.地質雷達測線布置如圖2(c)所示,各斷面布置由左及右4條測線.

(a) SIR-20地質雷達

以右洞左側壁K10+177.5～K10+207.5位置為例,由圖3探測地質雷達波的波形可見：①號線全段均有反射,15～25 m段局部位置反射強烈;②號線6、8、11、14、16、19 m中部位置波形波動強烈;③號線右側局部位置反射強烈;④號線6～21 m段部分位置反射強烈.①號線較②號線反射強烈,④號線較③號線反射強烈，雷達掃描同相軸清晰、連續(xù).

①號線

經分析判斷,當前掌子面為強風化長石石英砂巖,石夾土混合結構.結合現場實際情況判定：梅子嶺隧道進洞口局部范圍圍巖為Ⅴ級,入洞50 m后基本為Ⅳ級圍巖.據信號推斷掌子面前方左側壁15～25 m范圍巖體較破碎,且上部中間位置存在石土塊.整體圍巖破碎,存在泥夾石,節(jié)理裂隙發(fā)育明顯.未開挖區(qū)域0～3 m范圍主要為殘坡積碎石土,3 m之后將進入巖體,存在節(jié)理裂隙發(fā)育,伴隨碎石及泥夾石結構.可見整體圍巖完整性較差,圍巖自穩(wěn)能力差.在開挖過程中,若初期支護不及時,開挖后易出現掌子面及拱部局部失穩(wěn)坍塌等安全問題.

2 有限元數值模擬分析

2.1 模型的建立

基于現場實際工程地形變化及高程控制條件,選取隧道進口段一定進深范圍作為建模研究對象.圖4為所建三維實體模型,尺寸為長×寬×高=150 m×150 m×100 m,雙線隧洞左右線間距約為20 m,洞寬15 m,洞高約10 m,洞口采用削竹形洞口,模擬掘進深度約100 m,隧道最大埋深約50 m,地下水分布面大致與地表面平行,埋深大約為7 m,進出洞口段采用雙側壁導坑法開挖,其余采用三臺階法施工.

圖4 模型網格圖(單位:m)

為了簡化分析問題,按工程地質勘察鉆孔資料揭示巖層厚度信息,以均化分層建模方式設定的巖體坐標點起伏控制圍巖分布情況.模型中假設土體為理想彈塑性體,襯砌、錨桿等結構均采用彈性體,地下水的流動屬于恒定流且滿足達西定律,圍巖為均質、各項同性材料,且各個方向的滲透系數相同.具體參數見表1和表2.

表1 圍巖地層部分物理力學參數

表2 結構構件參數

2.2 模擬工況及合理性驗證

模型模擬工況為入洞50 m范圍Ⅴ級圍巖采用雙側壁導坑法施工,后采用三臺階法開挖施工,模擬大暴雨雨強為150 mm/d.模型襯砌為不透水界面板單元.在此主要對三臺階法進行分析,其施工流程為：先施作上臺階周邊超前支護,待圍巖穩(wěn)定后開挖上臺階,并且施作上臺階的周邊襯砌;在滯后上臺階10 m處開挖中臺階,并且施作中臺階周邊襯砌;在中臺階4 m處開挖下臺階,并且施作下臺階周邊襯砌,計算變形云圖見圖5.

圖5 臺階法開挖變形計算云圖

圖6為最大地表沉降計算結果與實測結果對比.由圖6可見,斷面一和斷面三的計算值和實測值均比較接近；從變化趨勢看,地表沉降均隨著時間增加即掘進進尺增加而不斷增大,拱頂沉降發(fā)展

(a) 斷面一

與時間呈線性發(fā)展規(guī)律.由于實際施工過程襯砌施工具有一定的滯后性,且拱頂沉降值受上方圍巖壓力及滲流作用影響,監(jiān)測值雖較計算值稍大但吻合度較好.

圖7為隧道開挖引起的拱頂沉降計算結果與實際監(jiān)測對比.模擬拱頂沉降最大值約為20 mm,實測最大值約為18 mm.從兩者的對比情況可以看出,隨著開挖進深的推移，拱頂沉降有波動但兩者的變化趨勢接近,說明所建立模型合理、可靠.

圖7 拱頂沉降對比

2.3 掌子面涌水病害

圖8為梅子嶺隧道先行洞右洞施工過程中洞頂埋深達到32 m時適逢降雨期間的掘削臨空面滲漏水調查情況.由于適逢雨季集中降雨階段,上覆山坡積水沿節(jié)理面發(fā)育裂隙入滲,隧道開挖施工導致圍巖松動,在隧道掌子面正軸線傾斜向125°方向局部暴露出突涌水,從凌晨3∶00開始至次日20∶00停止,出涌水量總計約205 m3/d.分析認為該突水情況主要受地層巖性、巖層產狀組合、構造以及地形地貌等因素影響,考慮節(jié)理裂隙發(fā)育影響和補、徑、排、入滲條件的制約,本案例屬于典型的裂隙破碎帶降雨入滲突水致災構造類型.從機制上分析,這主要是由于強風化裂隙發(fā)育發(fā)展形成了廣泛的裂隙網絡,在隧道開挖后節(jié)理面剪切滑移形成局部的塑性區(qū),隨著地表降雨量的增大,沿裂隙面入滲匯聚到達隧道開挖臨空面時產生突涌水.

(a) 臨空面滲漏水

圖9為隧道施工進深為30 m時模型滲流場分布云圖.由圖9可見:掌子面涌水主要集中在先行洞右洞上臺階臨空面,中臺階臨空面次之,下臺階涌水量最?。粡臐B流影響范圍來看,掌子面后滲流區(qū)會隨著掘進深度的增加而增加,并且滲流會向上臺階臨空面以及中臺階臨空面聚集.結合掌子面的變形云圖(圖10)進行分析,上臺階處為涌水最大流量點,對應上臺階處的掌子面變形也最大.顯見,掌子面的穩(wěn)定性與地下水的滲流有著密切聯(lián)系,實際施工過程中需注意上、中臺階部位掌子面穩(wěn)定性.

圖9 掌子面涌水分布云圖

圖10 不同掘進深度下隧道掌子面變形云圖

3 涌水處置措施效果分析

針對涌水最不利情況及變形分析,采用有限元數值分析方法對防排水措施效果進行評價,主要對泄水孔排水、掌子面注漿、加大截水天溝寬度這三種工況進行處置措施效果分析.

3.1 泄水孔排水

雖然涌水不利位置集中在上臺階處,但是考慮施工便宜性,一般選擇在兩側位置打泄水孔,這可能破壞原初襯與二襯間的阻隔防水卷材等的密封性.數值分析時采用在下臺階處打設泄水孔的方案進行排水效果分析.模型中相鄰泄水孔之間的間距設定為2 m,泄水孔的直徑為0.1 m,分別在下臺階涌水部位設置一排、兩排和三排泄水孔,每排泄水孔共有五個.

(a) 無泄水孔

圖11為開挖掌子面設置不同泄水孔后涌水分布云圖.未設泄水孔時,隧道涌水主要集中在上臺階拱頂、上臺階掌子面中部、中臺階中間等部位;設置一排泄水孔時,涌水主要集中于上臺階、中臺階中部以及邊角部位,拱頂及拱頂下方涌水量較大,在打設相應泄水孔之后,水流經泄水孔與排水溝排出隧道外,降低了隧道涌水風險;設置兩排泄水孔時,最大涌水區(qū)域依然集中在上臺階掌子面以及中臺階面中部;設置三排泄水孔后,隧道掌子面與襯砌交接臨空面的涌水幾乎消失,僅剩下上臺階處拱頂以及中臺階中間部位會出現涌水.如圖12和圖13所示,設置泄水孔對掌子面涌水風險的治理效果明顯,設三排泄水孔之后,隧道掌子面涌水幾乎不構成危險,掌子面最大水平位移控制有效.依此規(guī)律,在設置更多泄水孔的情況下隧道掌子面的涌水穩(wěn)定控制可以得到不斷加強.

圖12 不同泄水條件下掌子面日均涌水量變化

圖13 不同泄水條件下掌子面最大水平位移變化

3.2 掌子面注漿

梅子嶺隧道掌子面日均涌水量較大時,可以通過掌子面注漿,即在掌子面后方形成注漿區(qū)帷幕進行防涌水處置.為了模擬分析注漿帷幕的治理效果,設定注漿區(qū)半徑為3.0、3.5、4.0 m的工況,觀察掌子面的涌水情況(見圖14).為了防止注漿過程中漿液流出,保證掌子面能承受注漿壓力,在對掌子面進行處理過程中,一般可將注漿墻厚度取1 m.此外,注漿孔的布置需要根據工程地質以及水文狀況,并且結合現場灌漿試驗來確定,模擬假設注漿施工的漿液可以均勻擴散到圍巖之中.

從圖14和表3中可知,對掌子面進行超前帷幕注漿后,上臺階掌子面涌水量明顯減少,最大涌水位出現在中臺階面,此時由于注漿區(qū)厚度較小,上臺階掌子面涌水相對較大,需要進一步加厚注漿區(qū)來減小掌子面的涌水量.當加厚注漿區(qū)半徑至3.5 m時,上臺階掌子面涌水量以及涌水面積進一步減小,掌子面最大變形出現在上臺階掌子面,最大涌水區(qū)域依然在中臺階面上,涌水范圍幾乎沒有變化,但是涌水量有所減小,減小幅度不大,注漿帷幕墻的止水效果僅對其所加固掌子面有較好效果,對其他部位掌子面無加固止水效果.當注漿區(qū)半徑達到4 m時,掌子面穩(wěn)定性進一步提高,中臺階面的涌水范圍幾乎不變,但涌水量有所減小.

(a) 半徑為3.0 m

表3 掌子面注漿對隧道涌水影響

3.3 截水天溝

梅子嶺隧道涌水很大程度上會受到降水地表徑流的影響,實際工程中,在隧洞頂端設置截水天溝,通過加大截水天溝的寬度來減小地表徑流引發(fā)的隧洞大規(guī)模涌水的潛在威脅.圖15為模擬隧洞在截水天溝寬度分別為0.2、0.4、0.6、1.0 m時掌子面的涌水情況.圖16為截水天溝寬度對掌子面日均涌水量的影響,很明顯,隨著截水天溝寬度的增加,隧道涌水量明顯減少.

(a) 0.2 m

圖16 截水天溝寬度對涌水影響

4 結論

本文以梅子嶺小凈距淺埋隧道為工程背景,對降雨入滲隧道施工掌子面引起涌水風險及防水措施效果進行分析評價.得出結論：

1) 據地質雷達掃描預報得出梅子嶺隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育較豐富,所在線路隧洞入口局部范圍圍巖體風化破碎且伴隨泥夾石結構,完整性不高且自穩(wěn)能力差,總體處于Ⅴ到Ⅳ級水平;

2) 打設泄水孔的措施對掌子面涌水風險的治理效果比較明顯,在設置三排泄水孔之后,隧道掌子面涌水明顯可控,穩(wěn)定性增強;

3) 超前帷幕注漿止水效果顯著,注漿區(qū)半徑稍有增加,隧道掌子面日均涌水量有明顯降低,隨著注漿區(qū)厚度的增加,掌子面的最大變形顯著減小;

4) 截水天溝可在原有止水措施基礎上進一步輔助降低隧道日均涌水量,且設置越寬效果越好;

5) 梅子嶺隧道滲流涌水最不利點位于上臺階臨空面,對應的掌子面變形最大,在施工過程中應注意監(jiān)測控制.