復雜巖溶區(qū)域內(nèi)隧道涌水預(yù)測方法分析

蔣敏，李春金

（1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530000；2.廣西路橋工程集團有限公司， 廣西 南寧 530201）

0 引言

由于巖溶區(qū)域隧道中水文地質(zhì)斷層破碎帶巖土不完整，存在結(jié)構(gòu)松散的問題，導致隧道施工時受到地下水干擾，使斷層破碎帶的巖土易于崩塌、泥化。經(jīng)過長時間的堆積，形成導流渠道，常常會引發(fā)突水、涌泥等災(zāi)害。因此，如何防熔巖區(qū)域內(nèi)隧道出現(xiàn)突水、涌泥災(zāi)害，成為當前地下工程領(lǐng)域的一個重要課題。國內(nèi)外學者通過現(xiàn)場勘察，并結(jié)合理論分析研究了突水突泥災(zāi)變機理，制訂了有效的工程災(zāi)變科學防治方案。文獻［1］提出了基于突水機理的全時空防治技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合水害影響，確定了突水突泥災(zāi)變模式，并構(gòu)建突水突泥危險性評價公式。通過創(chuàng)建“四位一體”的立體網(wǎng)狀防治方法，以達到預(yù)期治理效果；文獻［2］提出的基于最小安全厚度的筒倉理論防治方法，通過構(gòu)建突水突泥力學模型，獲取力學判斷依據(jù)，并分析破碎帶寬度對突水突泥厚度的影響，以此作為突水突泥注漿治理的依據(jù)。上述兩種研究方法主要集中在巖溶斷層特長隧道突水突泥機理和預(yù)報技術(shù)上，從多個指標考慮突水突泥臨界判斷依據(jù)較少。鑒于此，本文提出了復雜巖溶區(qū)域內(nèi)隧道涌水預(yù)測方法，以廣西地區(qū)的復雜熔巖區(qū)域中特長隧道為例，詳細研究突水突泥注漿治理技術(shù)。

1 復雜熔巖區(qū)域內(nèi)隧道突水突泥滲透率演化特征分析

巖溶地區(qū)隧道涌水量預(yù)測方法大多建立在巖溶水文地質(zhì)條件研究的基礎(chǔ)上。巖溶化的巖體廣義上為多重含水介質(zhì)，其中既有巖塊中的孔隙、分割巖塊的裂隙，又有孔隙受巖溶化改造形成的溶孔、溶穴，裂隙溶蝕而成的溶隙，甚至形成宏觀巨大的巖溶管道網(wǎng)絡(luò)、溶潭、地下暗河等，都構(gòu)成了不同規(guī)模大小的巖溶蓄水形式。

在工程施工過程中，鉆孔揭露涌水后，經(jīng)較長時間放水，水量并無顯著減少，直至最終塌孔。推測前期多次突泥突水形成了塌穴塌腔，演化為隱伏高壓泥水腔體，腔體蓄水量大、導水性好。在排水系統(tǒng)中，采用篩網(wǎng)將分散的微粒進行過濾和收集，并對相應(yīng)的涌水量進行分析［3-4］。

水的流態(tài)會隨著隧道滲透率的變化而發(fā)生改變，正常情況下，通過雷諾數(shù)分析水的流態(tài)，可描述如下：

當式（1）的計算結(jié)果小于等于10時，水的流態(tài)呈現(xiàn)為一種過渡流態(tài)形式，此時的壓力梯度均勻分布，由此計算的滲透率如下：

式（2）中，Q表示涌水率；r表示滲流半徑；p表示恒定水壓力；hi表示滲流高度［5］。

當式（1）的計算結(jié)果大于10時，水的流態(tài)呈現(xiàn)為一種穩(wěn)定流態(tài)形式，ti在時刻的滲透率與ti-ti+1時刻滲透率的平均值基本一致，由此計算的滲透率如下：

從上述結(jié)果可以看出，雷諾數(shù)越大，水的流態(tài)越復雜。在初始孔隙率相同時，隨著外水壓的不斷增大，介質(zhì)的孔隙度較小，滲透速度慢，粒子的遷移速率較慢；在相同的外水壓條件下，雷諾數(shù)隨著孔隙的增大而發(fā)生改變。在這種情況下，水的流態(tài)不再穩(wěn)定，變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)［6-7］。當粒子大量涌出時，填充體孔間的空隙發(fā)生了連通，從而形成一個顯著的主導滲透通道。水流是一種管狀的流動，使水流從渠道中直接排出，從而形成突水突泥災(zāi)害［8-9］。

2 隧道帷幕注漿技術(shù)

為了避免因靜壓而造成的巖體損壞，必須在危險部位進行超前鉆孔注漿，但在突水突泥災(zāi)害發(fā)生前，單一灌漿方案規(guī)模太小、循環(huán)灌漿長度太長、加固區(qū)域較窄、灌漿壓力較低，沒有辦法形成良好的加固圈，導致巖溶斷層特長隧道加固效果不佳，造成了突水沖泥災(zāi)害［10］。因此，需改變帷幕灌漿工藝參數(shù)，使其具有較好的加固、防滲作用，從而有效防止突水突泥災(zāi)害。

2.1 止?jié){墻厚度

為了確保注漿管道的安全，在每次注漿后，應(yīng)添加一道較厚的止?jié){墻。在注漿之前，應(yīng)先使用抗壓承載力作為指標進行抗壓分析，而注漿期一般由材料的剪力來決定，止?jié){墻厚度設(shè)計如下：

式（4）中，D表示隧道開挖直徑；表示墻面與垂直軸線傾斜角度；Fc表示抗壓強度；表示工作條件參數(shù)；表示超載系數(shù)。結(jié)合以往的工作經(jīng)驗，將2.0 m厚的混凝土作為止?jié){墻，能夠達到止水注漿的效果。

在注漿止?jié){墻施工中，采用預(yù)埋方法保證工程的整體穩(wěn)定。在地質(zhì)條件較差時，可在周圍設(shè)若干根直徑的錨桿，并采用注漿或樁法進行加固。在進行防滲加固時，應(yīng)保證其注漿強度［11］。在巖壁與巖體不穩(wěn)固處，可選用較小直徑的注漿管線。澆注完成后，可以使用事先埋好的水泥、水玻璃雙漿等預(yù)強型漿液，使墻與圍巖緊密結(jié)合，防止水泥漿滲出。在漿料澆筑完成后，混凝土強度達到設(shè)計指標的75%時，表明該止?jié){墻的厚度已滿足設(shè)計指標［12］。

2.2 帷幕注漿段劃分

注漿時泥漿在灌漿過程中的擴散對灌漿工藝的影響很大，通過現(xiàn)場注漿模擬研究發(fā)現(xiàn)，在巖溶斷層破碎帶中，漿液主要以滲透、壓實、劈裂為主，在注漿口周圍存在大量壓實變形。因此，有必要劃分帷幕灌漿區(qū)段。

在合理選取帷幕灌漿厚度時，必須綜合考慮力學計算、施工條件及施工經(jīng)驗。該工程應(yīng)用小孔擴張原理，對小孔進行了壓縮計算，得出圍巖厚度為4.50~5.55 m的圍巖體，注漿范圍以松軟為好。為了保證隧道工程的安全，采用5 m帷幕進行注漿，根據(jù)地質(zhì)條件、水文條件、旋轉(zhuǎn)設(shè)備、堵墻厚度等因素，確定了注漿區(qū)的長度。

2.3 引排泄壓

在灌漿期間，由于泥漿不斷填充圍巖的空隙，導致地下水管道逐漸阻塞，使得圍巖無法承受較大的水壓而發(fā)生洪災(zāi)。若導流排水壓力發(fā)生在淺層，突水出泥后，斷層周圍的巖體狀況非常差，而淺層導流排水會造成巖體失穩(wěn)，所以在深層排水時應(yīng)采取降壓式排水，即在災(zāi)害發(fā)生時使用排水井，以分散出露斷層的涌水量，降低注漿時對巖體的水壓。

當左洞掌子面導流時，受到動態(tài)水流影響，泥漿難以有效地擴散。因此，采用堵、排水相結(jié)合的原則，設(shè)計引排泄壓布置方案，在循環(huán)治理段設(shè)計一個工作酮室，通過中間巖樁的巖柱進行引排泄壓鉆孔，由此實現(xiàn)水體泄壓。同時，受到泄壓孔變化影響，通過改變泄壓孔大小，能夠引導泥漿擴散，方便薄弱位置加固。引排泄壓布置如圖1所示。

圖1 引排泄壓布置示意圖

由圖1可知，在支護初期，工作酮室開挖3 m左右時，使用間距為50 cm的鋼拱架，該拱架拱部高度為180°，每個拱架之間設(shè)置3 m長的注漿錨桿，間隔為50 cm。在工作酮室內(nèi)布置泄壓孔，并向存水區(qū)域延伸，受到流動水的影響，充填顆粒被吸走，造成圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、導流排水口崩塌，嚴重影響工程安全。為了避免該現(xiàn)象的發(fā)生，采取多級孔板式管法，并及時進行了孔板清洗灌漿。

2.4 隱伏高壓泥水腔體定域注漿

隧道涌水、涌泥后，隧道圍巖內(nèi)出現(xiàn)了較多的泥水壓力空腔。在井底露出后，突水的速度非常快。如果采用常規(guī)的分段正向注漿，由于井內(nèi)涌水壓力較大，容易受到水流的沖刷，并容易蔓延到淺層固結(jié)區(qū)，從而影響到深層高壓料漿腔的充填，同時也容易產(chǎn)生涌水現(xiàn)象。在隱蔽式高壓鉆井液中，采用了局部注漿技術(shù)，主要是采用局部注漿管法和模袋法進行封堵。

在出現(xiàn)突水后，將一條直徑為42 cm的小灌漿管置于井中。第一次暴露5~8 m時，先將鋼管包入模具中，再在模具中填入1~2 m的小洞，形成花管，再將孔管固定。在局部注漿時，先將快速凝固的漿料注入模具，使之充氣，緊貼井壁，防止?jié){體發(fā)生堵塞，然后采用局部注漿管對注漿室進行定向注漿。

3 隧道用水預(yù)測方法

通過分析熔巖中的隧道突水突泥滲透率演化特征，結(jié)合FLAC三維流固耦合原理，構(gòu)建數(shù)值分析模型，以此為基礎(chǔ)，制訂隧道突水突泥注漿治理方案。

3.1 基本假定

結(jié)合FLAC三維流固耦合原理，采用弱化方法對巖溶斷層隧道進行了數(shù)值模擬。假設(shè)：①將不同類型的巖土看作是均勻、連續(xù)的各向同性介質(zhì)。②隧道在開挖之前，巖體中的孔隙水是靜止的，而在自由表面以下則是飽和的［13］。在開挖過程中，地下水流基本符合達西定律，是一種穩(wěn)定水流狀態(tài)。③隧道破碎帶為本構(gòu)模型，符合彈性變形規(guī)律。④充分考慮地應(yīng)力和自重應(yīng)力，通過土層自重模擬隧道開挖深度。⑤采用全剖面方式進行數(shù)值模擬，并分析突水突泥臨界判據(jù)［14］。

3.2 模型的建立

當隧道入口的上下、左右各取5個孔徑時，該模型的寬度為80 m，高度為100 m，頂部至模型上表面的間距為45 m。在縱向上，斷裂段的圍巖為20 m，斷裂段長度為20 m，隧道總長度為60 m?；谶@些參數(shù)，構(gòu)建數(shù)值分析模型（如圖2）。

由圖2可知，數(shù)值分析模型的邊界條件主要有位移、應(yīng)力、水力3個方面。在前、后、左、右均受到了法向位移限制，在下側(cè)施加了三向位移約束，而在上部，則依據(jù)上覆土體的重量，施加垂直應(yīng)力［15］。在此基礎(chǔ)上，將初始孔隙水壓力設(shè)定為梯度分布的靜水壓，以3 MPa作為頂水壓力，保證模型的上部、工作面、初期支護前巷道表面是具有滲透性的，其他部分是不滲透的。

圖2 數(shù)值分析模型

4 試驗

4.1 試驗系統(tǒng)

面對巖溶斷層破碎帶的突水突泥災(zāi)害問題，設(shè)計大型室內(nèi)突水突泥試驗系統(tǒng)（如圖3）。

圖3 試驗系統(tǒng)

由圖3可知，該系統(tǒng)的圍壓、軸壓和水壓由增壓泵和調(diào)速器驅(qū)動，能夠在10 MPa內(nèi)收集相關(guān)參數(shù)信息。

4.2 試驗材料制備

分析了破碎帶試樣的粒度，其級配狀況見表1。

表1 斷層角礫巖粒徑分布

從表1可見，從粒度分布來看，破碎帶中的巖土以塊狀骨架為主，并以細粒為主。為此，本研究選擇以石灰石為骨架，以鉆石微粉為填料，按破碎角礫巖的粒徑分布比配制而成。

4.3 試驗結(jié)果與分析

以廣西郁江調(diào)水工程引水隧洞為例，通過河道疏浚，可將廣西郁江支流的河水調(diào)入到那慶河中，由此實現(xiàn)園區(qū)的持續(xù)供水，同時兼顧改善農(nóng)田灌溉水及環(huán)境用水，保護河水的生態(tài)環(huán)境，為建設(shè)新農(nóng)村創(chuàng)造有利條件。

對于該地區(qū)的突水突泥災(zāi)害分析，需在廣西郁江調(diào)水工程的巖溶斷層隧道選取試樣。將每一批的粒徑和質(zhì)量按一定的比例進行分級稱重，然后裝入試樣桶內(nèi)，將試樣與筒壁接觸表面用凡士林涂抹，使其層間變得粗糙。在滲水石的作用下，樣品中的水分含量達到飽和。當試樣處于飽和狀態(tài)時，啟動氣體驅(qū)動增壓泵，由轉(zhuǎn)換器將預(yù)定的圍壓、水壓、軸向壓加入試樣中。經(jīng)過長時間跟蹤與記錄發(fā)現(xiàn)，隧道破碎帶中的巖石微粒隨壓力水的持續(xù)入滲而排出。在分析過程中，每隔1 min采集一次資料。

對注漿壓力和流量實時跟蹤記錄，分析其變化規(guī)律，評估注漿效果（如圖4）。

圖4 實際壓力-流量跟蹤記錄結(jié)果分析

由圖4可知，實測時，注漿壓力先升高，注漿速率逐漸降低。當壓力達到峰值后，出現(xiàn)了劈裂現(xiàn)象，形成新的擴展通道，注漿液擴展范圍逐漸增大。劈裂后，注漿壓力線降低后上升，并最終達到預(yù)期壓力，流量也呈現(xiàn)同步負相關(guān)趨勢，說明在該過程中完成了注漿轉(zhuǎn)換，注漿加固作用得到強化。

基于此，分別使用基于突水機理的全時空防治技術(shù)、基于最小安全厚度的筒倉理論防治方法和隧道突水突泥注漿治理技術(shù)，對比分析壓力-流量跟蹤記錄結(jié)果（如圖5）。

由圖5（a）可知，使用基于突水機理的全時空防治技術(shù)，注漿壓力逐漸升高，注漿流量逐漸下降。當注漿壓力達到峰值后，注漿流量開始大幅度下降。注漿壓力超過峰值后，出現(xiàn)下降趨勢，最終沒有達到預(yù)期壓力。其中，注漿壓力峰值是在時間為22 min時出現(xiàn)的，峰值大小為3.2 MPa。在時間為80 min時，注漿壓力為3.5 MPa，注漿流量為40 L/min。

圖5 3種技術(shù)壓力-流量記錄結(jié)果分析

由圖5（b）可知，使用基于最小安全厚度的筒倉理論防治方法，注漿壓力先升高后降低并逐漸平穩(wěn)，注漿流量逐漸下降。當注漿壓力超過峰值后，出現(xiàn)下降趨勢，最終沒有達到預(yù)期壓力。其中，注漿壓力峰值是在時間為13 min時出現(xiàn)的，峰值大小為3.8 MPa。當時間為80 min時，注漿壓力為3.6 MPa，注漿流量為40 L/min。

由圖5（c）可知，隨著時間的增加，漿壓力先升高，注漿流量下降。當注漿壓力達到峰值后，出現(xiàn)了劈裂現(xiàn)象，注漿液擴展范圍逐漸增大。注漿壓力線降低后上升，并最終達到預(yù)期壓力。其中，注漿壓力峰值是在時間為32 min時出現(xiàn)的，峰值大小為3.7 MPa。當時間為80 min時，注漿壓力為4 MPa，注漿流量為14 L/min。

通過上述分析結(jié)果可知，使用隧道用水預(yù)測技術(shù)能夠完成注漿轉(zhuǎn)換，注漿加固作用得到強化，與實際記錄結(jié)果一致。

5 結(jié)語

在發(fā)生突水、突泥后，本著安全、有效的原則，結(jié)合實際工程實際，提出了復雜巖溶區(qū)域內(nèi)隧道涌水預(yù)測方法。應(yīng)用帷幕注漿技術(shù)，既能達到補強、堵水的效果，又能有效地控制斷層的突水、涌泥，使得破碎帶的圍巖得到有效加固，以此控制隧道涌水量，這對同類工程的治理具有借鑒意義。