斷層破碎帶隧道突水治理措施研究

摘要：

為研究不同治理方法對(duì)隧道變形及突水的影響，文章以某斷層帶隧道為背景，選用FLAC 3D軟件建立相應(yīng)的三維模型，研究其穿越斷層帶時(shí)的突水治理方法，并對(duì)比分析了導(dǎo)水洞排水、注漿堵水以及排堵結(jié)合這3種方法對(duì)隧道變形和突水量的影響，最終確定了具體的排堵結(jié)合治理方案。結(jié)果表明：排堵結(jié)合對(duì)隧道變形進(jìn)行了有效控制，隧道變形控制在規(guī)范許可值范圍內(nèi)；注漿堵水相對(duì)導(dǎo)洞排水對(duì)隧道突水量具有明顯的控制效果，排堵結(jié)合的方式突水控制作用最好，建議采用排堵結(jié)合的治理措施；就這3種措施相比較而言，排堵結(jié)合的方式治理效果最佳，注漿堵水方法次之，導(dǎo)洞排水法起到了一定作用但不明顯。

關(guān)鍵詞：隧道突水；FLAC 3D；導(dǎo)洞；注漿

中圖分類號(hào)：U456.3+3 A 45 150 3

0 引言

我國(guó)修建隧道的數(shù)量目前位于世界第一［1］。很多隧道不可避免地需要穿越斷層帶，許多突水案例直接、間接地與斷層帶有關(guān)。隧道突水災(zāi)害是常見(jiàn)的隧道災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅隧道的施工和運(yùn)營(yíng)安全，極易造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，故對(duì)其采取合理的防治措施至關(guān)重要。對(duì)此，大量學(xué)者進(jìn)行了研究。尹航［2］結(jié)合貴州某富水地區(qū)隧道的不良地質(zhì)工程實(shí)例，分析隧道突水原因，通過(guò)設(shè)計(jì)泄水洞達(dá)到較好的隧道突水治理效果，滿足工程要求。張鵬［3］針對(duì)巖溶不良地質(zhì)隧道采用增設(shè)排水洞和集水廊道的措施進(jìn)行治理，有效解決了隧道水害問(wèn)題。李久棟［4］結(jié)合實(shí)際軟巖隧道工程，通過(guò)FLAC 3D有限差分軟件，對(duì)雙殼注漿法在軟巖隧道中的加固效果進(jìn)行探討，提出針對(duì)性的處理措施。陳勝博等［5］對(duì)穿越特殊地質(zhì)帶、圍巖整體性較差的隧道進(jìn)行突水治理，采用大管棚帷幕注漿+環(huán)向加固注漿的施工方法，取得了較好的效果。屈佳興［6］采用超前周邊注漿加固與襯砌加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的隧道整治措施，對(duì)某深長(zhǎng)隧道變形及突水進(jìn)行綜合治理。以上學(xué)者的研究成果，多數(shù)采用排水或堵水單種治理方法，很少通過(guò)排堵結(jié)合的方式對(duì)隧道突水問(wèn)題進(jìn)行治理。本文以穿越斷層帶的隧道為例，基于FLAC 3D有限差分軟件，模擬對(duì)比導(dǎo)水洞排水、注漿堵水以及排堵結(jié)合3種治理措施對(duì)隧道變形及突水的治理效果。

1 突水防治方案

目前主流的隧道突水治理措施有排水和堵水兩種（見(jiàn)表1）。排水一般選用導(dǎo)洞方式進(jìn)行，提前對(duì)隧道突水進(jìn)行排水和降壓，避免隧道洞內(nèi)產(chǎn)生突水災(zāi)害。導(dǎo)水洞排水對(duì)隧道變形和突水量的控制需考慮導(dǎo)水洞的位置、洞徑、導(dǎo)水洞組合、施工方法等因素。堵水一般選用注漿的方式進(jìn)行，該方法可有效減少突水?dāng)?shù)量值，但其施工難度會(huì)隨著注漿范圍的增大和最終效果的提高而不斷提高，因此，注漿堵水需要考慮合理的注漿深度M以及注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)比N。綜合考慮各項(xiàng)因素，制定考慮排水和堵水的隧道突水防治方案如表1所示，其中開(kāi)挖位置a、b、c、d分別代表隧道拱頂方向、遠(yuǎn)離斷層帶的右邊墻處、拱底方向、靠近斷層帶左邊墻處。

2 數(shù)值仿真計(jì)算

2.1 建立模型

一般而言，隧道開(kāi)挖會(huì)對(duì)其孔徑3～5倍的圍巖產(chǎn)生影響，故基于FLAC 3D有限差分軟件建立隧道導(dǎo)水洞排水、注漿堵水模型。根據(jù)實(shí)際工程情況，設(shè)置隧道等效孔徑為11.3 m，將其影響范圍設(shè)置為4倍的隧道等效孔徑。模型尺寸為101.7 m（長(zhǎng)）×1 m（寬）×645.2 m（高），考慮隧道的軸線埋置深度為600 m。

假設(shè)各材料均質(zhì)連續(xù)、各向同性，模型底部全約束，四周法向約束。設(shè)置模型頂部為自由邊界，四周及底部均為不透水邊界。設(shè)置隧道開(kāi)挖后，其開(kāi)挖面為無(wú)孔壓的透水邊界，水位面上孔隙水壓為0。模型主要部分剖面如圖1所示，其土體材料參數(shù)及注漿區(qū)參數(shù)如表2所示。

2.2 導(dǎo)水洞排水方案的影響

為探究導(dǎo)水洞與隧道相對(duì)距離d對(duì)隧道穩(wěn)定性及洞內(nèi)突水量大小的影響，考慮設(shè)定4.5 m、9 m、13.5 m、18 m這4種相對(duì)距離對(duì)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬。隧道相對(duì)收斂位移、塑性區(qū)等效厚度、突水量隨導(dǎo)水洞相對(duì)距離的變化如圖2所示。由圖2可以看出，隨著導(dǎo)水洞相對(duì)距離d的增大，隧道位移基本呈線性緩慢增大且遠(yuǎn)超許可值3.0%，可知隧道圍巖自穩(wěn)性極差，隧道斷裂突水風(fēng)險(xiǎn)大；塑性區(qū)等效厚度緩慢增大，當(dāng)dgt;9 m后趨于平穩(wěn)，塑性圈厚度為16.0 ～17.0 m；隧道突水量q呈直線增長(zhǎng)趨勢(shì)，但突水量較大。故考慮設(shè)定導(dǎo)水洞相對(duì)距離d=9 m。

斷層破碎帶隧道突水治理措施研究/馬業(yè)鉅

為探究導(dǎo)水洞開(kāi)挖位置對(duì)隧道穩(wěn)定性及洞內(nèi)突水量大小的影響，選擇隧道拱頂處a、右邊墻處b、拱底處c、左邊墻d進(jìn)行單獨(dú)開(kāi)挖和兩兩組合開(kāi)挖模擬，其結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在隧道上述4個(gè)位置單獨(dú)開(kāi)挖時(shí)，其相對(duì)位移、塑性區(qū)厚度以及隧道突水值相較于組合情況均更高；而兩兩組合的情況下，拱頂a與右邊墻b同時(shí)開(kāi)挖時(shí)，隧道圍巖變形最小同時(shí)突水量最小，故該方法最為合適。

為探究導(dǎo)水洞洞徑l對(duì)隧道穩(wěn)定性及洞內(nèi)突水量大小的影響，考慮設(shè)定3.8 m、4.2 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m、6.0 m 這5種不同導(dǎo)水洞洞徑對(duì)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬。隧道相對(duì)收斂位移、塑性區(qū)等效厚度、突水量隨導(dǎo)水洞洞徑的變化如圖4所示。由圖4可以看出，隨著導(dǎo)水洞洞徑增大，隧道位移和塑性區(qū)等效厚度區(qū)域變化平緩，而突水量變化明顯，在l=4.5 m處存在最低突水量，對(duì)隧道突水控制最好，因此考慮導(dǎo)水洞洞徑l=4.5 m。

為探究導(dǎo)水洞開(kāi)挖施工順序?qū)λ淼婪€(wěn)定性及洞內(nèi)突水量大小的影響，考慮設(shè)定a→b、b→a、ab 這3種不同開(kāi)挖施工順序?qū)λ淼肋M(jìn)行數(shù)值模擬。隧道相對(duì)收斂位移、塑性區(qū)等效厚度、突水量隨導(dǎo)水洞開(kāi)挖施工順序的變化如圖5所示。由圖5可知，拱頂與右邊墻導(dǎo)水洞同時(shí)開(kāi)挖（ab）對(duì)隧道變形和突水控制最好，因此考慮采用ab開(kāi)挖施工順序，即拱頂與右邊墻導(dǎo)水洞同時(shí)開(kāi)挖。

由上述模擬結(jié)果可知，相對(duì)安全距離對(duì)隧道變形的影響最大，而開(kāi)挖施工順序?qū)λ淼雷冃斡绊懽钚?，?dǎo)水洞孔徑的影響在兩者之間。綜合考慮各種情況后認(rèn)為，可設(shè)置2個(gè)分別位于拱頂與右邊墻的導(dǎo)水洞，其相對(duì)安全距離為9 m、孔徑為4.5 m，同時(shí)進(jìn)行施工。

2.3 注漿堵水方案的影響

注漿堵水對(duì)隧道變形及突水的影響主要考慮注漿深度M和注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)比N。在固定注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)比的條件下，探究注漿深度對(duì)隧道穩(wěn)定性及突水的影響情況。隧道穩(wěn)定性及突水等級(jí)與注漿深度關(guān)系如圖6所示，隨注漿深度的增加，圍巖的突水量無(wú)明顯變化，但其位移值和塑性區(qū)等效厚度會(huì)隨著注漿深度的增加而減小。當(dāng)注漿深度值＞7 m時(shí)，其變化速率降低，逐漸趨于平穩(wěn)，故認(rèn)為7 m為最優(yōu)注漿深度。

注漿深度為7 m時(shí)，注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)比對(duì)隧道穩(wěn)定性及突水等級(jí)的影響如圖7所示。隧道位移和塑性區(qū)等效厚度隨注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)比的增加而呈緩慢增加的趨勢(shì)，圍巖突水量則顯著減?。ǔ手笖?shù)性）。由此可知，增大注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)比是關(guān)鍵，但是隨著注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)比數(shù)值的增大，施工難度大幅上升，故建議設(shè)置注漿深度為7 m時(shí)的注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)比為20，這樣既可滿足堵水要求，也不會(huì)過(guò)于增大施工難度。

2.4 排堵結(jié)合方案的影響

設(shè)置注漿深度為7 m時(shí)，注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)比為20，其所得隧道位移結(jié)果略大于規(guī)范許可值3%。因此，考慮同時(shí)采用注漿堵水和導(dǎo)洞排水的方式進(jìn)行，可以有效降低注漿圈外的水壓力，有利于減少隧道變形，使其能滿足規(guī)范要求，其結(jié)果如表3所示。注漿堵水與導(dǎo)水洞排水結(jié)合后，對(duì)隧道變形和突水量具有較好的控制效果。其中，隧道位移的控制效果最明顯，在規(guī)范許可值3%以內(nèi)。由上述分析結(jié)果可知，分別在拱頂和右邊墻相距9 m處設(shè)置導(dǎo)水洞，設(shè)置其孔徑為4.5 m，同步施工；設(shè)置注漿深度為7 m，取注漿圈相對(duì)滲透系數(shù)比為20，此時(shí)隧道突水防治效果優(yōu)良，其變形控制能滿足規(guī)范要求，且施工難度相對(duì)較低。

3 結(jié)語(yǔ)

為研究不同治理方法對(duì)隧道變形及突水的影響，本文以某斷層帶隧道為例，對(duì)比分析導(dǎo)洞排水、注漿堵水以及排堵結(jié)合這3種方法對(duì)隧道的治理作用，對(duì)隧道變形和突水狀況進(jìn)行模擬，得到如下結(jié)論：

（1）采用導(dǎo)洞排水或注漿堵水的治理方式，隧道變形不滿足規(guī)范要求；而通過(guò)排堵結(jié)合，對(duì)隧道變形進(jìn)行了有效控制，隧道變形控制在了規(guī)范許可值范圍內(nèi)。

（2）3種治理措施下，隧道內(nèi)突水量均得到控制，注漿堵水相對(duì)導(dǎo)洞排水對(duì)隧道突水量具有明顯的控制效果，排堵結(jié)合的方式對(duì)突水控制作用最好，建議采用排堵結(jié)合的治理措施。

（3）相較于不采取治理措施，導(dǎo)水洞排水、注漿堵水、排堵結(jié)合這3種措施對(duì)于控制隧道變形和突水均效果明顯；就這3種措施相互比較而言，排堵結(jié)合的方式治理效果最佳，注漿堵水方法次之，導(dǎo)洞排水法起到了一定作用但不明顯，故建議使用排堵結(jié)合法處理。

參考文獻(xiàn)

［1］嚴(yán)彬華，王萬(wàn)平，劉瑞輝，等.風(fēng)積沙地層隧道洞口邊坡穩(wěn)定性分析［J］.公路，2022，67（5）：267-271.

［2］尹 航.隧道涌水處理方案研究［J］.北方交通，2022（7）：85-87，91.

［3］張 鵬.運(yùn)營(yíng)鐵路巖溶隧道突水災(zāi)害原因分析與處治技術(shù)［J］.國(guó)防交通工程與技術(shù)，2022，20（6）：46-51.

［4］李久棟.軟巖隧道涌水加固處治研究［J］.工程機(jī)械與維修，2022（6）：126-128.

［5］陳勝博，杜澎濤，盧勤淳.地質(zhì)斷裂帶區(qū)域隧道涌水原因分析及處置措施探討［J］.公路，2020，65（9）：323-327.

［6］屈佳興.隧道涌水綜合治理措施分析［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2022（15）：146-148.

收稿日期：2023-01-20