趙志輝

(中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司，陜西 西安 710016)

1 工程概況

正在修建的巖鷹鞍隧道是新建懷邵衡鐵路懷化至邵陽段的重點(diǎn)難點(diǎn)控制工程，起訖里程為DK84+526～DK89+828，全長5 302 m，掘進(jìn)分為巖鷹鞍隧道進(jìn)口斜井工區(qū)、蠟犁坪斜井工區(qū)和巖鷹鞍隧道出口三個(gè)工區(qū)。全隧共7處斷層，其中F2、F5、F7斷層已順利通過。F1斷層位于進(jìn)口斜井工區(qū)，F(xiàn)3、F4斷層位于進(jìn)口斜井工區(qū)和蠟犁坪斜井工區(qū)之間(兩斷層相距535 m)，F(xiàn)6位于出口工區(qū)。

正洞F4斷層影響范圍DK88+050～DK87+840共210 m(其中DK88+000～DK87+875為斷層核心帶)，開挖斷面高13.93 m，寬14.66 m；迂回導(dǎo)坑長492 m，開挖斷面高8.41 m，寬6.48 m；排水支洞長259 m，開挖斷面高8.41 m，寬6.48 m。斷層及影響帶范圍圍巖為Dt石英砂巖。正洞、排水支洞、迂回導(dǎo)坑平面位置如圖1所示，正洞、排水支洞、迂回導(dǎo)坑地質(zhì)縱斷面如圖2所示。

圖1 正洞、排水支洞、迂回導(dǎo)坑平面位置圖

圖2 正洞、排水支洞、迂回導(dǎo)坑地質(zhì)縱斷面圖

巖鷹鞍隧道在DK87+420～DK88+639為剝蝕低山，下伏隧道為泥盆系跳馬澗組Dt石英砂巖、石英細(xì)砂巖及石英粉砂巖、深灰色鈣質(zhì)頁巖。巖層產(chǎn)狀為130°∠50°。本段預(yù)測(cè)DK87+840～DK88+050為F4斷層及影響帶，最大涌水量1 548～1 872 m3/d，最大單位涌水量6.19～8.91 m3/d/m，為強(qiáng)富水區(qū)，對(duì)隧道安全施工造成較大影響，必須對(duì)F4斷層充分研究并采取有效積極的技術(shù)措施，才能保質(zhì)保量完成整個(gè)工程項(xiàng)目。

2 涌水涌砂隧道問題分析

2.1 穿越F4斷層隧道施工方法分析

由于隧道處于破碎地質(zhì)條件特別是處于涌水涌砂工程區(qū)域，隧道常常在開挖后尤其是雨季來臨后，洞內(nèi)多處涌水量會(huì)不斷增加，從而導(dǎo)致施工停止。參考隧道工程排水支洞與迂回導(dǎo)坑施工技術(shù)[1-4]，為保證工期以及隧道在今后的運(yùn)營安全，主洞應(yīng)施作排水支洞。排水支洞和主洞的交界處必須進(jìn)行相應(yīng)的加固來保證主洞的安全，而排水洞需在主洞的主要涌水點(diǎn)以橫向支洞與主洞相連。與此同時(shí)，可在主洞地質(zhì)條件較好的適當(dāng)位置開挖迂回導(dǎo)洞。

2.2 F4斷層涌水涌砂情況

2016年1月4日蠟犁坪斜井正洞小里程進(jìn)入F4斷層影響帶，隧道該處埋深303 m，掌子面為紅色石英質(zhì)砂巖，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層破碎。當(dāng)掌子面推進(jìn)至DK87+998處時(shí)發(fā)生涌水涌砂，現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 DK87+998掌子面發(fā)生涌水涌砂

根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果推測(cè)巖土性質(zhì)和整體穩(wěn)定性較差，其中DK87+998～+964段、DK87+946～+917段、DK87+906～+878段節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，雨季裂隙水發(fā)育，需要加強(qiáng)支護(hù)與防排水措施。

2.3 F4斷層涌水涌砂處治措施

鑒于隧道涌水涌砂情況嚴(yán)重[5-8]，無法進(jìn)一步直接進(jìn)行隧道施工，需要施作排水洞和迂回導(dǎo)洞。根據(jù)地質(zhì)勘查資料，可確定迂回導(dǎo)洞的位置設(shè)置在正洞(衡陽到懷化方向)的右側(cè)凈距28 m處，位于正洞兩倍洞徑以外，對(duì)正洞的開挖基本沒有影響。而排水洞必須同時(shí)為正洞和迂回導(dǎo)洞進(jìn)行排水作業(yè)，故排水洞必須位于正洞和迂回導(dǎo)洞之間。迂回導(dǎo)洞、排水洞以及正洞的基本位置如圖4所示。

3 排水支洞設(shè)置位置數(shù)值模擬

由于排水洞位于正洞兩倍洞徑以內(nèi)，對(duì)正洞開挖會(huì)產(chǎn)生較大的影響，必須探明排水洞開挖對(duì)正洞圍巖穩(wěn)定性的影響，為正確設(shè)置排水洞提供依據(jù)。

3.1 隧道模型與參數(shù)

參考相關(guān)文獻(xiàn)[2-5]，選取斷層DK87+840～DK87+870段斷面進(jìn)行三維數(shù)值試驗(yàn)分析。模型采用笛卡爾坐標(biāo)，其中x方向水平向右，z方向豎直向上。根據(jù)巖鷹鞍隧道實(shí)際工況建立模型，由于隧道超深埋，F(xiàn)4斷層最大埋深303 m，因此模型幾何尺寸取拱頂以上30 m；根據(jù)地勘資料，水位線在隧道拱頂上方24.5 m處，因此在模型上邊界施加豎向應(yīng)力模擬上部覆土重力，上部覆土平均重度為1.073×104N/m3，模型上邊界距地表深度考慮為273 m，因此計(jì)算得模型上邊界應(yīng)施加豎向荷載29.3 MPa。取隧道輪廓至左邊界面距離為35 m，迂回導(dǎo)洞距右邊界為18 m，同時(shí)整個(gè)模型高度70 m，縱向長度取75 m，橫向?qū)挾?8 m。模型邊界條件采用速度邊界條件控制，其中左右邊界僅固定x方向運(yùn)動(dòng)，前后邊界僅固定y方向運(yùn)動(dòng)，下邊界完全固定，上邊界為自由邊界條件，如圖5所示。計(jì)算采用摩爾庫侖本構(gòu)模型。材料參數(shù):圍巖級(jí)別Ⅵ；重度γ20 kN/m3；彈性模量E2.0 GPa；泊松比v0.350；內(nèi)摩擦角φ20°；粘聚力c0.2 MPa。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)及檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

3.2.1 設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)

按實(shí)際施工情況，初期支護(hù)拱墻采用C25網(wǎng)噴混凝土，仰拱采用C25素噴混凝土，拱墻噴混凝土設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)，分別置于初期支護(hù)內(nèi)外側(cè)，鋼筋保護(hù)層4 cm。鋼筋網(wǎng)采用環(huán)縱向?yàn)?8 mm鋼筋，鋼筋網(wǎng)格為20 cm×20 cm，鋼筋網(wǎng)數(shù)量未計(jì)搭接及損耗。邊墻設(shè)置系統(tǒng)錨桿，?22 mm砂漿錨桿，長4 m，間距1 m×1 m，梅花型布置，并與鋼架焊接牢固。圍巖預(yù)留變形量為15～20 cm。結(jié)合破碎巖體涌水涌砂圍巖的微觀機(jī)理，將混凝土和其中的鋼架按照剛度等效原理折算成混凝土的彈性模量，即C25噴射混凝土彈性模量E=原C25噴射混凝土彈性模量E1+(鋼拱架截面面積S1×鋼彈性模量E2)/混凝土截面積S，其參數(shù)如表1所示。

圖5 等效山體埋深上表面為應(yīng)力邊界

表1 隧道初次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

3.2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為更好的反映正洞隧道圍巖的變化，分別在隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳、拱底設(shè)置五個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。

3.3 工況擬定

根據(jù)工程概況、地質(zhì)條件及實(shí)際施工情況，參考以往排水支洞設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[5-8]，排水洞與正洞的位置關(guān)系會(huì)嚴(yán)重影響正洞圍巖的穩(wěn)定性與正洞開挖的安全性，針對(duì)巖鷹鞍隧道排水支洞與正洞的間距不同而設(shè)置不同的工況。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，排水洞的設(shè)置必須滿足以下四個(gè)條件：

(1)F4斷層段落長，富水含砂，為有效排放F4斷層地下水，保證正洞施工安全，進(jìn)一步探明F4斷層地質(zhì)情況，考慮在正洞斷層段右側(cè)增設(shè)一處迂回導(dǎo)坑。迂回導(dǎo)坑長491.5 m，與正洞左線線間距38.5 m。

(2)排水洞必須位于巖鷹鞍正洞和迂回導(dǎo)洞之間，可同時(shí)為正洞和迂回導(dǎo)洞進(jìn)行排水作業(yè)。

(3)為保證正洞施工的安全以及便于安裝排水管，排水洞與正洞的間距不小于7 m。

(4)排水洞和迂回導(dǎo)洞同步施工，迂回導(dǎo)坑(現(xiàn)超前正洞掌子面20 m)二襯施工完成后，應(yīng)對(duì)正洞帷幕注漿效果進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)驗(yàn)證注漿效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行正洞開挖。

針對(duì)巖鷹鞍隧道的具體地質(zhì)情況，排水洞工況選取如表2所示。

表2 排水洞與正洞及迂回導(dǎo)洞不同工況水平間距 m

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

按照上述所建模型、土體以及支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，提取正洞拱頂?shù)呢Q向位移、拱腰的水平位移以及拱底的豎向位移，將不同工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而判斷排水支洞與正洞的合適距離。

3.4.1 豎向位移

四種工況中豎向位移計(jì)算結(jié)果如圖6和表3、表4所示。上述四種工況豎向位移結(jié)果代表在對(duì)應(yīng)工況下隧道完全貫通且達(dá)到平衡后的最終計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果說明間距變化對(duì)正洞的變形有一定的影響。

圖6 四種工況下豎向位移云圖

從表3和表4中可知：排水支洞和正洞的水平間距為7.0 m時(shí)，正洞拱頂?shù)呢Q向位移最大值為12.5 cm；排水支洞和正洞的水平間距為11.5 m時(shí)，正洞拱頂?shù)呢Q向位移最大值為12.0 cm。排水支洞和正洞的水平間距為7.0 m時(shí)，正洞拱底向上隆起最大值為6.65 cm；排水支洞和正洞的水平間距為11.5 m時(shí)，正洞拱底向上隆起最大值為6.50 cm。通過不同工況計(jì)算結(jié)果提取豎向位移云圖和監(jiān)測(cè)表可以明顯的發(fā)現(xiàn)，隨著排水支洞和正洞的間距逐漸增大，正洞拱頂?shù)呢Q向位移也相應(yīng)的有一定

表3 不同工況下正洞拱頂豎向位移監(jiān)測(cè)表 mm

表4 不同工況下正洞拱底豎向位移監(jiān)測(cè)表 mm

幅度的減小。說明排水支洞的開挖離正洞越遠(yuǎn)，對(duì)正洞圍巖穩(wěn)定性的影響就越小，表明應(yīng)該適當(dāng)增加排水支洞到正洞的距離。

3.4.2 水平位移

四種工況下水平位移計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 四種工況下水平位移云圖

通過在正洞y方向15 m處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)不同工況下拱腰水平位移量如表5所示。

從表5中可知，正洞拱腰的水平位移隨著排水支洞到正洞的水平間距逐漸增大，拱腰的水平位移有一定增大的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)榕潘Ф磁c正洞較近能夠更多的釋放正洞圍巖的應(yīng)力，從而導(dǎo)致排水支洞離正洞的水平間距越小，正洞的拱腰水平位移就越小，與實(shí)際工程相符。通過不同工況計(jì)算結(jié)果提取正洞水平位移云圖和監(jiān)測(cè)表可以明顯的發(fā)現(xiàn)，隨著排水支洞和正洞的間距逐漸增大，正洞拱腰的水平位移有一定幅度的增大。說明排水洞的開挖離正洞越遠(yuǎn)，越不利于減小正洞拱腰的水平位移，表明應(yīng)該適當(dāng)減小排水支洞到正洞的距離。

3.4.3 計(jì)算結(jié)果綜合分析

排水支洞與正洞水平距離的大小對(duì)正洞拱頂以及拱底的豎向位移影響較大，尤其是對(duì)正洞拱頂?shù)?/p>

表5 不同工況下正洞拱腰水平位移表 mm

豎向位移影響最為顯著，排水支洞與正洞水平間距為7.0 m時(shí)，拱頂?shù)呢Q向位移達(dá)到最大值12.5 cm。

排水支洞與正洞的水平距離的大小對(duì)正洞的總體水平位移的影響不大，但是在總體上隨著水平間距的增大而增大。

綜上所述，在確定排水支洞與正洞水平間距的大小的時(shí)候，應(yīng)該重點(diǎn)考慮水平間距的大小對(duì)正洞拱頂豎向位移的影響，并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況以及相關(guān)機(jī)械設(shè)備的使用限制情況綜合考慮確定排水支洞位置。

4 結(jié)束語

在高角度逆沖富水富砂的地質(zhì)條件下修建的諸如公路隧道、鐵路隧道等工程是對(duì)施工安全極大的挑戰(zhàn)，應(yīng)進(jìn)一步研究關(guān)于“排水繞行”的技術(shù)，進(jìn)而采取切實(shí)可行的技術(shù)和施工措施來保證整個(gè)工程安全、按時(shí)、保質(zhì)的完工。

鑒于不同地區(qū)修建隧道所出現(xiàn)的涌水涌砂及隧道周圍地質(zhì)條件的復(fù)雜程度不同，排水支洞和迂回導(dǎo)坑的修建必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行進(jìn)一步研究。