張志強，何本國，王志杰，李化云，劉赟君

（西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031 ）

1 引 言

對于施工中的隧道，掌子面圍巖穩(wěn)定性是決定隧道開挖安全性的重要指標。在隧道開挖過程中，地下水是影響掌子面穩(wěn)定性的最常見、最棘手的問題之一[1－3]。我國作為一個多山之國，山地地貌占全國總面積的60%，西部腹地更是層巒疊嶂。伴隨著經(jīng)濟快速發(fā)展而來的大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)，隧道工程日益增多，我國已成為世界上建成隧道總長最大、數(shù)量最多的國家，同時也是隧道穿越各種工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件最復(fù)雜多變的國家[4－6]。特別在我國南方地區(qū)，山嶺海拔高、地下水資源豐富。在這種大埋深富水地層里，地下水和破碎斷層、溶洞、甚至隧道泥石流連通作用，造成開挖時掌子面的突水、突泥、翻漿冒泥、塌方等災(zāi)害[7－10]。

突水、突泥引起工程災(zāi)害相對普遍，但當今對此方面的研究缺乏系統(tǒng)理論支持，因此，隧道施工面臨此類情況時表現(xiàn)出很大的隨意性甚至盲目性，使得實際工程常常表現(xiàn)出兩種極端現(xiàn)象[11－12]：一是對富水地層盲目地封堵而無法得到預(yù)期效果，造成浪費和施工困難，甚至發(fā)生事故；另一種是在未探明地下水分布前提下，盲目地對地下水進行排放，造成水環(huán)境破壞。通過高位排水工法對掌子面前方核心土體實現(xiàn)疏水降壓，降低掌子面失穩(wěn)潛在因素，保證超前帷幕注漿效果，進而提高掌子面穩(wěn)定性，實現(xiàn)安全快速施工。因此，本文以現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，研究不同水位條件下，高位排水工法與隧道穩(wěn)定性之間相關(guān)關(guān)系，提出最優(yōu)高位排水管分布方案，對富水斷層隧道圍巖控制都具有重要的理論意義。

2 現(xiàn)場實測及高位排水概況

2.1 工程概況

泥巴山大相嶺隧道連接四川省雅安市漢源縣與滎經(jīng)縣，是雅西高速公路重點控制工程。隧道最大埋深大約為1 660 m，全長為10 007 m，屬于特長深埋山嶺公路隧道。

大相嶺隧道 C7合同段左線在鉆孔過程中，發(fā)現(xiàn)干燥的掌子面突然出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，20 min后，炮孔中開始滿孔出水，1 h后，掌子面左側(cè)拱腳處出現(xiàn)較大涌水，經(jīng)監(jiān)測，日涌水量達17 000 m3，掌子面涌水情況如圖1所示。在K61+091處水壓最高處進行水位測試，最高水位達到 1.98 MPa，屬于 F6-1斷層破碎帶，為斷層構(gòu)造巖，原巖為流紋巖，呈紫紅夾青灰、灰白色。斷層帶內(nèi)巖石破碎，擠壓成碎粉及斷層泥，并有次級斷層，圍巖主要呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)或角（礫）碎（石）狀松散結(jié)構(gòu)，破碎帶寬約3～5 m，上、下盤影響帶寬約30～40 m，推測該斷層應(yīng)為施查溝斷裂帶的主斷層，斷層走向為N35～40°W，傾向 NE，傾角 60°～75°。斷層發(fā)育在元古界震旦系流紋巖中，斷層上下盤巖層均向西傾，其中上盤產(chǎn)狀 328°∠28°，斷層與巖層大角度相切。斷層構(gòu)造巖結(jié)構(gòu)疏松，見斷層泥，并有滲水現(xiàn)象。此斷層在工程可行性階段鉆孔和沖溝中多處均有揭露，在BZK2孔深113.62 m以下及有揭露，而在穿越施查溝時，也被詳勘所布物探剖面所控制，物探剖面在該段的電阻率明顯低于周圍巖體的電阻率，僅為 600～800 ?·m，而周圍巖體電阻率為800～3 000 ?·m。斷層在地貌上形成負地形，在通過山脊上形成鞍狀地貌。地下水呈淋水狀，局部呈涌突水狀，揭穿斷層上盤涌水會增大。洞頂易坍塌，側(cè)壁穩(wěn)定性差，V級圍巖。

圖1 掌子面涌水情況現(xiàn)場圖Fig.1 Water bursting at working face in situ field

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測

初期支護拱墻設(shè)φ8 mm雙層鋼筋網(wǎng)，邊墻設(shè)φ22 mm砂漿錨桿；全斷面設(shè)置0.75 m/榀的I18型鋼鋼架，二次襯砌采用50 cm厚的C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，測試元件埋設(shè)數(shù)量與布置如圖2所示。

圖2 斷面測試元件布置示意圖Fig.2 Layout of measuring instrument

與斷層不同距離的襯砌背后水壓力沿洞周分布如表1所示。

表1 距離斷層不同距離襯砌背后水頭高度 (單位：m)Table 1 High heads with different distances from fault (unit: m)

圍巖節(jié)理及巖塊參數(shù)離散性大，襯砌洞周水壓分布不均勻，從表1中看出，總體呈現(xiàn)拱部大，邊墻小。剛開挖時，水壓達到1.98 MPa，發(fā)生突水、突泥，而隧道通過后，其水壓下降僅10 m左右，掌子面施工才是圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。剛開挖時即使掌子面水壓再高，一段時間后水壓降低很多，最大水壓也在十幾米。因此，高水壓問題主要是開挖期間的穩(wěn)定性，建成后支護結(jié)構(gòu)都是穩(wěn)定的。

2.3 隧道在施工期間的安全性分析

根據(jù)現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[13]襯砌截面抗拉和抗壓檢算式，建立襯砌截面抗拉、抗壓極限狀態(tài)方程。當偏心距e0≤0.2t (t為襯砌厚度)，截面由混凝土抗壓強度控制承載能力；當偏心距 e0＞0.2t時，截面由混凝土抗拉強度控制承載能力。大變形涌水段K61+091和K61+101斷面支護結(jié)構(gòu)受力特征現(xiàn)場實測安全系數(shù)如表2、3所示。

表2 K61+091斷面安全系數(shù)Table 2 Safety factors of section K61+091

表3 K61+101斷面安全系數(shù)Table 3 Safety factors of section K61+101

從表2、3看出，在隧道施工期間，二次襯砌各個截面的極限狀態(tài)為受壓應(yīng)力控制，均小于混凝土極限軸心抗拉強度，因此，二次襯砌不會產(chǎn)生破壞，與現(xiàn)場情況一致；比較二襯安全系數(shù)斷面分布，均滿足設(shè)計規(guī)范（K ＞2.4）的要求，襯砌安全。

3 流-固耦合原理

在含水地層中開挖隧道，一方面由于地下水作用，降低了圍巖物理力學參數(shù)；另一方面隧道開挖使圍巖應(yīng)力場和地下水滲流場重新分布，圍巖應(yīng)力場改變將導(dǎo)致圍巖體應(yīng)變發(fā)生，從而引起流體孔隙壓力的變化，反過來孔隙壓力變化也會導(dǎo)致應(yīng)力場變化，滲流場與應(yīng)力場耦合作用結(jié)果會加劇地層變形。FLAC3D模擬多孔介質(zhì)中流體流動時，主要通過孔隙水壓力消散引起土體中位移的變化，流體在孔隙介質(zhì)中的流動依據(jù)Darcy定律，流-固耦合過程滿足Biot方程[14]。

3.1 流動方程

對于多孔連續(xù)介質(zhì)，Darcy定律可表達如下：

式中：qi為滲流矢量(m/s)；p為孔隙壓力；k為孔隙介質(zhì)的固有滲透系數(shù)張量（ m2/(Pa?s)）；k?(s)為相對滲透系數(shù)，它是飽和度s的函數(shù)，k?(s)=s2(3 -2s )；ρf為流體密度（m/s2）；gi是重力加速度矢量的3個分量，其中（i =1，2，3）。

3.2 平衡方程

對于小變形而言，流體平衡可以表述如下：

式中：qv為體積流源強度（1/s）；?為孔隙介質(zhì)單位體積的流體體積變化。

流體流量的改變與孔隙壓力p、飽和度s、及固體體積應(yīng)變ε的改變有關(guān)，相應(yīng)的方程表述如下：

式中：M為Biot模量（N/m2）；n為孔隙率；α為Biot系數(shù)。

動量平衡方程可表述為以下形式：

式中：ρ = (1 -n)ρs+nsρw是容積密度，ρs和ρw分別為固相和液相的密度。 (1-n)ρs與固體的干密度ρd是相同的。

3.3 本構(gòu)方程

體積應(yīng)變的改變引起流體孔隙壓力的變化，反過來，孔隙壓力的變化也會導(dǎo)致體積應(yīng)變的發(fā)生。孔隙介質(zhì)本構(gòu)方程的增量形式為

式中：σij為應(yīng)力增量率；Δp為孔隙水壓力增量；δij為Kronecher因子；Hij為給定函數(shù)，Δξij為總應(yīng)變增量。

3.4 相容方程

應(yīng)變速率與速度梯度之間的相互關(guān)系為

式中：υi為介質(zhì)中節(jié)點的速度，表示在i方向速度，可以在j方向上投影。

通過式（1）～（5）反復(fù)迭代直到滿足水壓和應(yīng)力的求解精度?？梢钥闯?，滲透系數(shù)k不是常數(shù)，而是隨著應(yīng)力場變化而變化的，而且從滲透性來看，隧道圍巖體為非均值的；隧道水壓力也非常數(shù)，亦隨著應(yīng)力場變化而變化的。

4 高位排水工法提出及試驗方案

對于富水斷層隧道，不可照搬“堵水限排”原則，因地制宜規(guī)避風險。采用高位排水能夠釋放斷層內(nèi)所積聚的高水壓，從而減小施工風險，避免掌子面前方高水壓導(dǎo)致的圍巖塑性化，同時有利于提高疏水注漿效果。

4.1 高位排水工法

防止碎屑質(zhì)等細粒成分隨涌水流出是很重要的，因此，要在管內(nèi)設(shè)置濾網(wǎng)，在外管周圍密封，進行高位排水，施工過程中高位排水作用及效果，如圖3所示。

圖3 穿富水斷層高位排水工法示意圖Fig.3 High-position drainage method for cross water-rich fault

排水鉆孔長度在30 m以內(nèi)，采用液壓鑿巖機。超過30 m采用鉆機，并兼做地質(zhì)調(diào)查，但長鉆孔為減輕與圍巖摩擦力可采用鉆孔直徑分段的方法。當隧道穿越地層后，可選擇繼續(xù)保持泄水管的泄水，也可以封閉泄水管，這兩種不同的處置方式取決于斷層水屬性。如果斷層水屬于活水補給的地下水，泄水管封閉以后水位會恢復(fù)到隧道開挖前的高水位位置，此時需要繼續(xù)排水，將排水管連接到二襯背后的環(huán)向排水盲管，與此同時還應(yīng)使用抗水壓型襯砌。如果斷層水為封閉的地下水無水源補給，則可對排水管進行封閉。

4.2 試驗方案

高位排水是細管出水，其排水能力有一定的局限性，因此，需要研究不同水頭高度、排水管數(shù)量和注漿圈范圍內(nèi)巖體滲流規(guī)律、掌子面穩(wěn)定性、排水管排水量相互關(guān)系，得到最佳排水方案，從而對實際工程起到一定指導(dǎo)作用。根據(jù)現(xiàn)場工程實踐將水頭高度設(shè)為200、150、100 m，然后根據(jù)不同排水管數(shù)量細化工況，具體分類見表4。

表4 工況分類表Table 4 Classification of working conditions

沿隧道縱向分為3層：前、后層為正常圍巖（Ⅴ級），中間高水壓斷層破碎帶（Ⅵ級圍巖），具體力學參數(shù)見表5，圍巖及支護滲透系數(shù)見表6。

表5 圍巖及支護物理力學參數(shù)表Table 5 Physio-mechanical parameters of surrounding rock and support

表6 圍巖滲透系數(shù)表（單位：m/s）Table 6 Coefficients of permeability for surrounding rock (unit: m/s)

隧道采用圓形斷面，直徑為13 m，隧道凈空半徑為6.12 m，噴射混凝土厚為0.30 m。計算時取隧道軸線方向為Y軸，水平面內(nèi)垂直隧道軸線方向為X軸，豎直向上為 Z軸。計算范圍：-50 m≤X≤-50 m、0 m≤Y≤27 m、-40 m≤Y≤60 m，Z方向零平面選在隧道中心位置?？v向地層分布分別為：Ⅴ級圍巖范圍：0 m≤Y≤12 m、24 m≤Y≤27 m；斷層帶圍巖范圍：12 m≤Y≤24 m。有限差分模型如圖4所示。排水管分別設(shè)置3、5、7、9根，具體位置如圖5所示。

圖4 三維計算模型Fig.4 Three-dimensional computational model

圖5 各工況排水管位置設(shè)置圖Fig.5 Positions of drain pipes for case study

5 計算結(jié)果分析

5.1 打設(shè)排水管對地層水影響規(guī)律

排水管功能類似，限于篇幅，僅列出200 m埋深條件下打設(shè)3根排水管時掌子面附近圍巖孔隙水壓力情況，如圖6所示。

圖6 掌子面穿越斷層孔隙水壓力分布圖Fig.6 Contours of pore pressure for face crossing fault

隧道開挖面作為一個自由透水面，地層水得到釋放，孔隙水壓力在隧道開挖面周圍產(chǎn)生低水壓區(qū)域；從圖6（a）看出，在隧道掌子面后方會產(chǎn)生一個高水壓聚集區(qū)。

由于隧道的泄水功能，斷層水壓也產(chǎn)生較大的下降，從圖6（b）看出，在掌子面上方打設(shè)泄水管，泄水管末端深入到斷層帶3 m。在泄水管的尾部可以看到明顯的水壓下降，類似于“泄水漏斗”，隨著時間推移，泄水管末端產(chǎn)生的低水壓區(qū)域逐漸增大；泄水管穿越了掌子面后方的高水壓區(qū)，將高水壓區(qū)分割開來，高水壓漸漸向掌子面拱頂和仰拱部位移動。當挖到靠近斷層3 m時，斷層水已經(jīng)完全被泄光，產(chǎn)生泄水漏斗。

5.2 排水管對注漿圈范圍內(nèi)巖體滲流影響

注漿圈厚度為3 m，水頭200 m情況下，掌子面距離斷層9 m時隧道洞周外3 m圍巖表層的不同排水管數(shù)量引起孔隙水壓力值分布，如圖7所示。

圖7 洞周3 m外圍巖孔隙水壓力云圖Fig.7 Nephograms of pore pressure for surrounding rock beyond 3 meters around the tunnel

從圖中看出，每根排水管附近都會產(chǎn)生一片低水壓區(qū)域，消除了局部高水壓現(xiàn)象，但不同位置的排水管產(chǎn)生的降水效果卻不同，因此，研究確定最優(yōu)排水管分布方案十分必要。對于圖7（a）、7（b）中，排水管之間都夾帶一個很大的高水壓區(qū)，這兩種排水管分布不符合 “均勻降水”要求。圖 7（a）排水管集中在拱腰以上，圖7（b）較圖7（a）增設(shè)了兩個拱腳的排水管。而拱頂兩兩排水管之間會夾帶一個較高的水壓區(qū)域，拱腳排水管之間的高水壓區(qū)非常小，排水效果比較明顯。因此，拱頂排水管布置較疏，拱頂?shù)呐潘Ч邢蕖?/p>

對于圖 7（c），加密了拱頂排水管，拱頂附近兩兩排水管之間的高水壓區(qū)域較圖7（b）明顯減小，此時各排水管產(chǎn)生的低水壓區(qū)范圍比較均勻，從圖中角度看，基本呈一條直線；圖7（d）較圖7（c）加密了拱腳部位的排水管，綜合來看，拱腳部位低水壓區(qū)增大，而拱頂部位水壓沒有發(fā)生改變。從圖7（c）看，低水壓區(qū)呈C型分布，因此，最符合“均勻降水”效果。

綜上所述，在實際施工中，若要對掌子面后上方均勻降水，應(yīng)使拱頂附近排水管密度大于拱腳附近密度，7根排水管方案時，產(chǎn)生的降水效果較為理想。

5.3 排水管數(shù)量和掌子面穩(wěn)定性關(guān)系

位移可以作為掌子面穩(wěn)定性的判據(jù)之一，雖然高位排水直接目的并不是穩(wěn)定掌子面圍巖，但在打設(shè)排水管之后，減小了掌子面上方周圍的水壓值，降低了掌子面孔隙水壓力，較好地促進了掌子面穩(wěn)定性。

表7為不同水位高度、不同數(shù)量排水管時掌子面距離斷層9 m，掌子面最大位移表。圖8為不同工況掌子面最大位移與排水管根數(shù)關(guān)系曲線。

表7 不同工況掌子面最大擠出變形表Table 7 Maximum extrusion of face for cases study

圖8 掌子面擠出變形與排水管數(shù)量關(guān)系圖Fig.8 Relationships between extrusion of face and number of drain pipe

從圖8看出，排水管對掌子面擠出變形影響規(guī)律基本一致，隨著排水管數(shù)量增多，掌子面位移量呈下降趨勢。3根和5根排水管時掌子面變形幾乎沒有變化，對掌子面位移的影響不大，位移減小量在2%左右；在5根和7根排水管之間，曲線斜率明顯增大，位移減小量在20%左右；7根和9根排水管對掌子面位移的影響差別又減小，位移減小量在10%左右。因此，不同的水頭高度，5根和7根排水管都是對掌子面位移影響的一個臨界值。

5.4 排水管數(shù)量和排水量關(guān)系

通過對排水管排水量的監(jiān)測，可對實際施工進行一定的預(yù)示和指導(dǎo)作用，圖9為9根排水管布置及其編號。

圖9 排水管分布圖Fig.9 Position of drain pipes

不同水頭高度下，各管排水量數(shù)據(jù)列于表8。

表8 不同水頭高度9根排水管分別排水量（單位：m3/d）Table 8 Discharge of nine drain pipes for different head heights (unit: m3/d)

從表8可以看出，拱頂排水管的排水量最大，越靠近拱腳的位置排水能力越差，拱腳的位置排水能力最小。對于200 m水頭，拱腳排水量是拱頂排水量的 67.302%；150 m水頭，拱腳是拱頂?shù)?9.384%；100 m水頭，拱腳是拱頂?shù)?1.040%。因此，水壓越大，拱頂和拱腳排水管水量差距越大。

圖10為9根排水管不同水頭高度排水量曲線。

圖10 不同水頭高度9根排水管工況各管排水量對比圖Fig.10 Contrast figure of each water discharge of nine drain pipes conditions for different head heights

從圖10可以看出，3種不同水頭高度，排水管排水量曲線變化趨勢大致相同，從拱頂?shù)焦澳_都呈一個下降趨勢。

因掌子面拱頂處排水管排水量較拱腳處結(jié)果大，故實際施工中為了更快達到降水效果，應(yīng)先對拱頂部位打設(shè)排水管，后對拱腳部位打設(shè)排水管。

表9為不同水頭高度、不同排水管工況下總排水量統(tǒng)計表。

表9 不同水頭高度、不同排水管數(shù)總排水量表Table 9 Relationships between total controlled water discharge, water level and the number of drain pipes

從表9可以看出，隨著排水管增多，隧道排水量也逐漸增大，但水量增大的速率并不相同。隨著排水管數(shù)的增大，排水量增長速率逐漸降低：200 m水頭情況下，5根排水管比3根排水管排水量增大了50.38%，7根排水管比5根增大了20.43%，9根排水管只比7根排水管增大了3.29%。因此，排水管由3根增加到7根的過程中，排水效果明顯，但由7根增多到9根時，排水效果增加不明顯。150 m水頭和100 m水頭下得到規(guī)律類似。

不同水頭高度下排水管數(shù)與總排水量關(guān)系如圖11所示。

圖11 不同水頭高度、不同排水管數(shù)總排水量圖Fig.11 Relationships between total water discharge controlled, water level and number of drain pipe

從圖看出，不同水頭情況下，不同排水管總排水能力變化趨勢基本相同。當排水管達到7根之后，曲線逐漸趨于一水平直線。此時雖然排水管越多，排水能力越大，但并不意味著排水管越多越好。當水管數(shù)達到一定數(shù)量后，總排水量就趨于一個定值。

6 結(jié) 論

（1）大相嶺隧道K61+091水壓最高處進行水位測試，可達到1.98 MPa，表明高水壓問題主要集中在開挖期間穩(wěn)定性。

（2）在實際施工時，應(yīng)對掌子面上方進行高位均勻降水，應(yīng)使拱頂附近排水管的密度要大于拱腳附近的密度。

（3）不同位置的排水管排水量不同，拱頂排水管的排水量最大，越靠近拱腳的位置排水能力越差，拱腳的位置排水能力最小。不同水頭高度，排水管排水量曲線變化趨勢大致相同，從拱頂?shù)焦澳_都呈一個下降趨勢。

（4）由于掌子面拱頂處排水管排水量較拱腳處排水量大，因此，實際施工中為了更快達到均勻降水效果，應(yīng)先對拱頂部位打設(shè)排水管，后對拱腳部位打設(shè)排水管。

（5）200 m水頭的情況下，5根比3根排水管排水量增大了50.38%，7根比5根增大了20.43%，9根只比7根排水管增大了3.29%。從現(xiàn)場施工實踐出發(fā)，認為排水管達到7根排水管方案時，會產(chǎn)生較為理想的均勻降水效果。

（6）隨著排水管數(shù)量增長，掌子面擠出位移量呈下降趨勢。3根和5根排水管時，掌子面位移幾乎沒有變化，位移減小量在 2%左右；在 5根和 7根排水管之間，曲線斜率明顯增大，位移減小量為20%左右；7根和9根排水管對掌子面位移的影響差別減小，在10%左右。因此，5根和7根排水管都是掌子面變形影響一個臨界值，建議采用7根排水管作為設(shè)計參數(shù)。

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[13]中國交通部. JTG D70-2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

[14]Itasca Consulting Group Inc. FLAC3D, (Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions), Version 2.0:User’s Manual[M]. USA: Itasca Consulting Group Inc,1997.