地鐵隧道穿越斷裂帶防水堵漏技術研究★

王 克 成

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司,新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著我國地鐵隧道建造數量的不斷增加，所面對的地質條件也變得愈加復雜，在隧道勘察施工過程中，不可避免的遇到斷裂帶等不良地質條件。斷裂帶多為富水的松散巖體，水在巖體裂隙滲流的過程中，對圍巖進行弱化，導致隧道突水突泥等災害時有發(fā)生，若得不到及時的治理，可能導致隧道塌方，造成嚴重的人身及財產損失。

斷裂帶是廣泛發(fā)育的地質構造，其巖體松散破碎，裂隙豐富，且多數富水性良好[1]。故容易發(fā)生突水突泥等災害，這就需要在隧道開挖之前，做好隧道突水突泥的預測工作和隧道開挖過程中的防水堵漏。目前國內外的一些學者已經在相關領域進行了許多研究，并獲得了不同的結果，這些研究結果為研究隧道穿越斷裂帶突水涌水提供了參考。翁賢杰[1]分析了斷層的地質結構特征，巖性特征和水文特征，闡述了穿越斷層時隧道突水突泥災害發(fā)生時的地質特征，使用了COMSOL Multiphysic數值計算軟件，模擬了隧道施工過程中穿越斷裂帶的位移場、應力場、滲流場的變化規(guī)律。張思旸[2]依托二郎山隧道工程，根據實際工程情況選取三種不同材料進行模型試驗，模擬不同材料下隧道穿越斷裂帶時的突水涌水，總結出三種不同材料下隧道穿越斷裂帶過程中涌水時滲流場的變化規(guī)律并進行比較分析。張偉喜[3]通過研究烏魯木齊地鐵1號線穿越活動斷層，闡述淺埋暗挖法的結構設防方案、結構力計算模型以及斷層處的結構防水等技術措施。張建賓[4]通過分析膠州灣隧道穿越海底斷層破碎帶，闡述防止隧道突水突泥的具體施工措施。王德明[5]研究了隧道穿越斷層破碎帶過程中斷層破碎帶受到開挖擾動作用下突水、突泥災害演化的過程，建立了三維地質模型試驗系統(tǒng)，試驗結果有效地揭示了無支護條件下穿越斷層破碎帶隧道的不同物理特征參數對時效性的影響規(guī)律。

綜上所述，本文以烏魯木齊地鐵2號線南梁坡至農業(yè)大學站段為研究對象，對隧道構造水文進行分析，根據實際工程情況，以水文地質單元做劃分分析隧道涌水特征，最后用數值模擬作為驗證，研究結果對烏魯木齊2號線隧道的安全施工具有重要的指導價值。

1 工程概況

南梁坡站—農業(yè)大學站區(qū)間自南梁坡起，沿南昌南路鋪設，并向西轉至南昌路下的農業(yè)大學站。區(qū)間全長876.356 m，采用礦山法(長269.568 m)+盾構施工(長591.687 m)。線路坡度呈V字坡，正線線間距約11.1 m～14.4 m。區(qū)間隧道埋深約9 m～12 m，隧道結構基本位于粉土、中風化泥巖、中風化礫巖中，拱部地層主要為粉土、強風化礫巖、泥巖、砂巖，地下水位埋深3.2 m～7.5 m。從豎井內向南梁坡方向開挖，此暗挖段為斷層設防段，采用擴大斷面暗挖，使用臺階法施工，其中暗挖區(qū)段下穿西山活動斷裂帶的南支，斷裂帶寬52 m。

2 烏市地鐵2號線南農區(qū)間斷裂帶構造及其涌水特征

2.1 斷裂帶構造特征

隧道穿越西山斷裂帶南支(F4-2)，如圖1所示。南支(F4-2)位于西山公路以北100余米，向東延伸至雅瑪里克山(妖魔山)北麓，匯接于雅瑪里克斷裂，長約5 km，平面上西山斷裂東段南北支構成人字形。走向N45°～70°E，傾向N，傾角44°～83°，具逆性質。線路在南梁坡站—農業(yè)大學站區(qū)間YCK15+352～YCK15+404大角度通過該斷層南支，斷層帶寬度約52 m。

隧道穿越斷裂帶可以分為四部分，即穿越前為構造一區(qū)，右斷層到中間斷層為構造二區(qū)，中間斷層到左斷層為構造三區(qū)，穿越后為構造四區(qū)，如圖2所示。

地層巖性。

1)第四系人工填土。

①-1雜填土：灰褐色，主要是角礫、圓礫和粉土，其中還含有碎磚渣、石灰渣、廢棄物等，巖芯以散狀居多，略濕，稍密～中密。分布于地表，不均勻，層厚1.0 m～3.6 m。

2)第四系全新統(tǒng)。

②-4粉土：淺黃色，土質較均一，巖芯呈塊狀及10 cm～30 cm的柱狀，含2 mm～20 mm的角礫約15%，稍密～密實，稍濕～濕?；敬嬖谟陔s填土之下，層厚不均勻，普遍為0.5 m～17 m。

3)上第三系。

根據現場勘探以及區(qū)域地質資料，本隧道基巖主要由上第三系泥巖及礫巖組成，巖層產狀近水平。

⑧-1-3中風化泥巖：灰黃色～青灰色，泥質結構，局部夾粉細砂結構，泥質膠結，層狀構造，成巖差，巖芯呈密實的土狀，以5.00 cm～30.00 cm的短柱狀為主。

⑧-3-2強風化礫巖：灰黃色、雜灰白色為主，細礫結構，鈣質膠結，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈5.00 cm～20 cm的柱狀及餅狀，成巖作用較好，錘擊較易碎開。

⑧-3-3中等風化礫巖：雜灰色，細礫結構，礫石成分主要為灰?guī)r、砂巖，鈣質膠結，厚層狀構造，少量節(jié)理裂隙，有石英巖脈充填。

4)侏羅系。

⑤-1-1全風化泥巖：灰黃色，泥質結構，局部夾粉細砂結構，泥質膠結，層狀構造，巖芯散狀或碎塊狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，成巖作用較差，錘擊易碎。

⑤-2-2強風化砂巖：灰黃色，粉細粒結構，層狀構造，泥質膠結，巖芯呈5 cm～10 cm不等的柱狀及餅狀，成巖作用較好，錘擊易碎塊，節(jié)理裂隙發(fā)育。

⑤-2-3中等風化砂巖：灰黃色、灰色，粉細砂狀結構，薄—中層狀構造，泥質膠結，巖芯以5.00 cm～40.00 cm的短柱狀為主，成巖作用較好，局部夾泥巖薄層，略有腥臭味砂狀結構，少量節(jié)理裂隙，節(jié)理面略有變色，為較軟巖。

構造一區(qū)為暗挖隧道穿越斷裂帶前段，最上部為第四系全新統(tǒng)人工填土，其下為粉土，隧道開挖部分主要為晚第三系地層中等風化礫巖，開挖下部為侏羅系地層中等風化泥巖。構造二區(qū)為暗挖隧道穿越斷裂帶中右斷層到中間斷層，最上部為第四系全新人工填土，其下為第四系粉土。穿越破碎帶為中等風化礫巖，其下為泥巖和砂巖。構造三區(qū)為暗挖隧道穿越斷裂帶中間斷層到左斷層，最上部為第四系全新人工填土，其下為第四系粉土。穿越破碎帶為第四系粉土，其下為砂巖。構造四區(qū)為暗挖隧道穿越斷裂帶后段，最上部為人工填土，其下為粉土和砂巖。

2.2 涌水特征

根據賦存條件，位于烏魯木齊的地鐵2號線地下水可以分為以下三種類型：

1)基巖裂隙水。其透水性受到地層巖性、風化程度以及裂隙發(fā)育程度等的影響，呈現出較大的差異性和顯著的不均勻性，基巖裂隙水局部賦存于基巖裂隙中，主要沿著地鐵沿線經過的斷裂、褶皺等構造裂隙分布。

2)第四系松散堆積層中的孔隙潛水。第四系孔隙潛水賦水量較小，主要沿著烏魯木齊的沖積平原區(qū)、洪積平原區(qū)、漫灘區(qū)以及河兩岸階地分布，其地下水水位表現出明顯的南高北低的特征。

3)構造裂隙水。采用暗挖法施工段:根據TB 10049—2014鐵路工程水文地質勘察規(guī)范[6]附錄E.2.2預測隧道涌水量，施工期間地下水位上升幅度按3 m考慮。為計算方便，將各構造分區(qū)簡化為圖3所示的形狀，算出的結果如表1所示。裘布依公式：

隧道施工掌子面的涌水量：按影響長度20 m考慮，其涌水量的估算結果及參數取值見表2。

其中，Q為隧道穿越含水體的正常涌水量，m3/d；K為滲透系數，m/d；ΔH為隧道中心到潛水面的距離，m；d為隧道直徑，m，按6.2 m考慮；L為滲流長度，m。

表1 地下水動力學法計算涌水量預測表

表2 掌子面正常涌水量估算表

根據表1，表2，判斷出各構造區(qū)間突涌水危險程度如表3所示。

表3 隧道涌突水危險程度一覽表

隧道在穿越部分斷裂帶所排泄的地下水多為靜態(tài)儲量地下水，由于地下水位較高，地下水賦存于裂隙中，因此隧道在穿越斷裂帶時，涌出帶有承壓性的地下水，形成突水。

經過對隧道各個構造區(qū)段的隧道涌水量和掌子面涌水量的估算，我們可以初步得出：構造三區(qū)和構造四區(qū)為一般危險程度，構造一區(qū)為較高危險程度，構造二區(qū)為高危險程度。故應對構造二區(qū)與構造一區(qū)的隧道施工重點加強防水堵漏措施。

3 斷裂帶隧道數值模擬

3.1 概述

本章數值模擬采用Midas GTS NX，Midas GTS NX是一套專業(yè)三維巖土有限元分析軟件，具有強大的有限元計算功能。利用Midas GTS NX對穿越斷層隧道在四個構造分區(qū)模擬隧道施工時開挖面的涌水特征。通過對數值模擬和公式計算結果進行對比，分析四個構造分區(qū)的涌水特點和大小，并選取適當的方法進行防水堵漏的措施。

3.2 數值計算模型

以此次隧道工程的實際情況以及此次數值模擬計算的主要內容和主要目的為依據，筆者在構建實體模型的過程中，提出了如下幾個方面的內容：1)數值計算模型中使用的巖土體材料皆為彈塑性材料，該模型為具有各項同性的摩爾—庫侖本構模型。2)由于隧道長度較大，因此選用隧道穿越斷裂帶的一段進行三維數值模擬分析，該數值計算模擬分析域在y方向上的長度為175 m，x方向上的長度為20 m。模擬隧道埋深約8.3 m,其中隧道縱向的走向傾角選取的是3°。3)此次數值模擬為了能使計算更加簡便決定采取全斷面的隧道開挖方法，每次均循環(huán)開挖5 m的距離，按照順序鈍化每一個循環(huán)的隧道單元網格的方法來簡要模擬現實中的開挖過程。4)本次數值計算水位面無壓力水頭，采用穩(wěn)態(tài)滲流進行模擬計算。

各土層的物理力學參數見表4，建立的模型見圖4～圖6。

表4 土層物理力學參數

3.3 數值模擬結果分析

3.3.1總水頭分析

對各個構造分區(qū)開挖結束后的總水頭云圖進行對比分析?？偹^包括流速水頭，位置水頭以及壓力水頭，它指的是單位重量的液體中包含的機械能的總和。在飽和土體中，點與點之間是否存在總水頭差對滲流情況的出現起著決定性作用。當兩個點之間的總水頭差等于0時，滲流情況不會發(fā)生，否則水就會從總水頭高的位置流向總水頭低的位置[7]。

在此次數值模擬中，各個構造分區(qū)開挖完成后的總水頭云圖如圖7所示。由圖7可以看出，隧道開挖后，隧道底部總水頭最小，為深色，說明隧道底部為涌水高風險區(qū)域，應著重加強防水堵漏措施。

3.3.2涌水量分析

對各個構造分區(qū)開挖結束之后的涌水量云圖(如圖8所示)進行對比分析。

每個構造分區(qū)開挖完成后的涌水量如圖8所示，在構造一區(qū)中，涌水量最大處在掌子面中部(深色處)。在構造二區(qū)，構造三區(qū)，構造四區(qū)中，涌水量最大處在隧道掌子面底部，其次在隧道掌子面?zhèn)确?，故在構造一區(qū)隧道掌子面中部，構造二區(qū)，構造三區(qū)，構造四區(qū)隧道掌子面底部與側面，應著重加強防水堵漏措施。

如圖9～圖12所示，隧道以5 m為一施工進尺，對構造一區(qū)分為12個開挖循環(huán)，分別分析每個開挖循環(huán)掌子面的涌水量，其中涌水量的平均值是580.578 m3/d。對構造二區(qū)分成7個開挖循環(huán)，每個循環(huán)都是5 m，這當中涌水量的平均值是530.231 m3/d。對構造三區(qū)分成4個開挖循環(huán)，每個循環(huán)都是5 m，其中涌水量的平均值是266.708 m3/d。對構造四區(qū)分成12個開挖循環(huán)，每個循環(huán)都是5 m，其中涌水量的平均值是129.323 m3/d。

4 結論

本文通過對烏魯木齊地鐵2號線南梁坡站至農業(yè)大學站穿越西山活動斷裂帶施工過程中防堵漏進行分析，運用了理論研究和數值模擬的方法，得出以下結論：

1)在各個構造分區(qū)中，隧道的涌水量逐漸遞減，其中構造一區(qū)的涌水量最大，涌水量平均值達到580.578 m3/d，并且其中第四個開挖循環(huán)涌水量為最大，達到了649.973 m3/d。第二個構造分區(qū)涌水平均值為530.231 m3/d，故第一構造分區(qū)與第二構造分區(qū)為高危險區(qū)段，應重點加強防水堵漏的措施。

2)通過分析數值模擬的總水頭云圖和涌水量云圖，可以得出結論：在構造一區(qū)中，涌水量最大處在掌子面中部。在構造二區(qū)，構造三區(qū)，構造四區(qū)中，涌水量最大處在隧道掌子面底部，其次在隧道掌子面?zhèn)确?，故在構造一區(qū)隧道掌子面中部，構造二區(qū)，構造三區(qū)，構造四區(qū)隧道掌子面底部與側面，應重點加強防水堵漏措施。