吳祖松，侯秋萍，馬君偉，劉 琦，肖 締，李 松

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.深圳市工勘巖土集團有限公司，廣東 深圳 518026)

近年來，隧道工程在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中占比迅速增加，其受水害影響的形式也呈多樣化，并因地下水的影響導(dǎo)致施工難度加大。由于勘測結(jié)果的不確定性，隧道的水害問題無法在設(shè)計階段從根本上解決，從而嚴重影響隧道施工安全。因此，解決隧道水害問題特別是在富水地區(qū)，是保證隧道施工安全性、控制建設(shè)成本的關(guān)鍵。

目前，處理隧道滲流涌水問題的原則為“以排為主”，即將地下水排出隧道外，再進行圍巖注漿，形成注漿加固圈。如LIU J等[1]提出了滲流-侵蝕突水耦合模型，研究帷幕注漿厚度與滲透腐蝕的關(guān)系；鄧仁清[2]證明在涌水量大、涌水壓力高的地層中，用預(yù)應(yīng)力錨索加固可以明顯提高全環(huán)帷幕注漿堵水效果；張成平等[3]分析了不同注漿機理對于不同圍巖產(chǎn)生的效果。也有學(xué)者利用滲透系數(shù)對滲流特性[4]和非均質(zhì)地層的滲流量[5]進行了研究。

雖然圍巖注漿加固堵水具有適用范圍廣且施工簡便等優(yōu)點，但在涌水量大、水壓力高的地層中直接注漿堵水的效果并不理想，甚至失敗；分段注漿以減小地下水滲透力等注漿堵水方式則應(yīng)運而生。劉強等[6]通過模型試驗研究了隧道周圍水壓分布規(guī)律和不同注漿圈參數(shù)下的滲流場分布；杜朝偉等[7]用解析方法計算出初期支護和二次襯砌背后水頭的計算公式，表明注漿圈和初期支護施工效果對襯砌后水壓力和滲流量的影響很大；李鵬飛等[8]提出了針對復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的海底隧道滲水量及水壓力計算模型，并通過數(shù)值模擬驗證了其合理性；丁小平等[9]驗證了使用軸對稱解計算設(shè)置防水板和排水系統(tǒng)的復(fù)合式襯砌的隧道涌水量。

以上研究成果均以注漿加固圈為研究對象，對不同工況下堵水措施的研究則顯不足。以排為主，后注漿加固，對于涌水量不大、滲透率低的圍巖可行，而對于水壓力大、地下水豐富的隧道，其效果差、成本高。本文依托海南?？谑心隙山こ讨胁枯斔淼溃岢龆屡沤Y(jié)合的處治方案，并通過數(shù)值計算和理論分析，驗證了堵排結(jié)合方案以及幕墻堵水技術(shù)的合理性，為富水隧道施工提供理論依據(jù)。

1 工程概況

?？谑心隙山こ讨胁枯斔淼理椖繉俸？谥形鞑砍鞘泄┧€路，建設(shè)地點在海南省海口市美萬村北側(cè)，縣道X144東側(cè)至東城水庫東側(cè)約200 m位置。工程施工場地為原始林地或經(jīng)濟作物區(qū)，工程周邊城市主干道、市政道路較多且施工區(qū)域周邊散布居民較多。該項目施工總平面圖如圖1所示。

圖1 施工總平面圖Fig.1 Construction master plan

輸水隧道的地面高程為57.90～85.40 m，隧道埋深24～50 m，隧道全長13.22 km。地形較為平坦，為玄武巖風(fēng)化臺地地貌單元。屬性最差段為全風(fēng)化玄武巖(β1)，屬V類圍巖，洞室圍巖的整體穩(wěn)定性差，全風(fēng)化巖體滲透系數(shù)為9.4×10-3cm/s，屬中等透水性。

南渡江流域徑流枯水期為每年12月—翌年5月?？菟诙嗄昶骄髁繛?7.2 m3/s；2月最枯，最枯時期多年平均流量為27.8 m3/s；豐水期多年平均流量為81.7 m3/s。該流域暴雨具有季節(jié)長、雨量多、強度大、頻次高、時空分布不均勻等特點，常發(fā)生在4—11月，個別年份曾在3月或12月發(fā)生暴雨，較集中的發(fā)生時間為5—10月；一次降雨過程歷時3 d左右，最長可達13 d。全市多年平均降水量為1 818.7 mm。隧道上部巖石滲透系數(shù)高，導(dǎo)致水流量很大(圖2)，水位距洞頂2 m，洞頂水系發(fā)達。

圖2 洞內(nèi)積水及涌水情況Fig.2 Water and water in the cave

2 帷幕注漿臨界距離

由于開挖等原因，隧道開挖面周圍的壓力得到釋放，若不及時支護，隧道內(nèi)的水很難自行穩(wěn)定。而在地下水豐富的地區(qū)，開挖后巖石中的孔隙水涌入隧道內(nèi)且水流量大，若在此時支護，則漿液在初凝前就會被水流沖散稀釋，被帶回隧道。因此，考慮在隧道外一定距離處注漿，形成一堵水墻，使得在墻后一定范圍內(nèi)的水流量大大減少，從而保證隧道的下一步施工。

水在巖石裂縫中，因為水頭差和重力等原因會產(chǎn)生流動，巖石的邊緣并不是光滑平整的，水流流過這些粗糙面時，水和巖石之間有一定的黏附力，在滲流通道很小時該力作用明顯且滲流速度一般很小。而當(dāng)滲流水過多、巖石之間空隙很大、水流通道很寬的時候，則可以不考慮水流和巖石接觸的黏附力的影響，滲流速度將會隨著水頭差增大而增大，最終導(dǎo)致注漿失敗。因此需要找到水流速度不至于把漿液沖散稀釋的流速，在此處或是上游某處注漿，將大部分的水流引到隧道開挖影響范圍外，從而保證隧道正常注漿和進行。

水在巖石中的流動受各種因素影響，想以目前掌握的知識直接用解析解求解其在巖石中某一點的速度很困難。因此，為了求得此近似速度，將計算做簡化：用水的滲流力大小與液體漿液的剪切強度作比較，當(dāng)它們的值相等時，根據(jù)式(1)求出水頭梯度，進而求出注漿點與隧道間的水平距離，再在數(shù)值模型中觀察其速度大小。但由于漿液在初凝前是液體，剪切強度不能與凝固后的固體相比，因此用漿液的黏度代替剪切強度。

2.1 滲透力

滲透力是指土中的滲透水流在水頭差作用下，作用于單位體積土體內(nèi)土粒上的拖曳力。

由于開挖等原因，隧道周邊圍巖初始狀態(tài)受到破壞，其本來的滲流參數(shù)被改變[10]?，F(xiàn)進行以下假設(shè)：(1)加固區(qū)為圓環(huán)形，其拱頂與實際加固邊界相切；(2)將加固區(qū)邊界和隧道邊界投影為平面上的同心圓；(3)地表總水頭的值，地表以上為正，地表以下為負。得到滲透力的計算公式：

f=iρnγω

(1)

式中：f——滲透力/(kN·m-3)；

n——土孔隙率；

γω——流體單位重度/(kN·m-3)；

iρ——徑向水力梯度。

2.2 黏度

黏度是物質(zhì)的一種物理化學(xué)性質(zhì)，定義為一對平行板，面積為A，相距dr，板間充以某液體；今對上板施加一推力F，使其產(chǎn)生一速度變化度所需的力。水泥-水玻璃漿液的黏度為15～140 Pa·s，膠凝時間為十幾秒至幾十分。

根據(jù)黏度的單位Pa·s，黏度與時間成正比關(guān)系。即黏度隨著時間的增長而增加，可以將1 Pa·s理解為在第一秒的時候該物體的黏度為1 Pa。現(xiàn)為了求得水的滲透力與漿液的動力黏度之間的極限平衡點，避免水的滲透力將漿液沖散并流回隧道。取水泥-水玻璃漿液在第一秒時的極限值為15 Pa·s，此結(jié)果偏安全，定義為在第一秒時要沖散該漿液的作用力為15 Pa，即15 N/m2，該作用力用μ表示。

2.3 確定臨界距離

由量綱得知，滲流力f是體積力(N/m3)，作用力μ是面力(N/m2)，要將兩力作為等式，需將作用力除以它的橫截面面積。即：

(2)

按照注漿孔的面積算，直徑取10 cm，得出沖散漿液的作用力f：

(3)

令滲流水的作用力等于f，則在該作用力下從隧道打進巖體的漿液將會被滲流水沖回隧道。將f代入式(1)，孔隙率取17%[11]，水的單位重度為1×104N/m3，可求出水力梯度：

(4)

根據(jù)水力梯度的公式：

(5)

地下水面距隧道頂?shù)木嚯xΔh為2.2 m，將式(4)代入式(5)可求出水力梯度的水平距離L為：

(6)

故在距離隧道左側(cè)水平距離為1.96 m處注漿時，漿液剛好不被水流的作用力沖散。此距離是將漿液的黏度、膠凝時間都取為極限值時求得的距離，偏于安全。若大于等于此距離，則漿液不會被滲流水沖散并達到注漿效果；反之，則較危險。

3 數(shù)值模型

本文利用Midas-GTS建立數(shù)值模型，其尺寸與原工程尺寸大小相同，重點反映在該實際工程條件下，采取先堵水方案時，隧道周邊的水流速度及涌水量的變化情況。堵水方案為在地面注漿，距離隧道正上方一定距離，從上往下形成一道堵水墻，堵水墻的間距以及長度根據(jù)模型計算結(jié)果比較，求出最佳堵水方案，為工程提供參考和指導(dǎo)。

3.1 建立模型

滲透力的大小取決于滲流水的速度大小。由上一節(jié)計算得出，在距離隧道左側(cè)水平距離為1.96 m處漿液不會被滲流水沖散，為計算方便，該距離取2 m。先建立一個與隧道實際相符的模型，通過模型計算涌水量結(jié)果，查詢數(shù)值計算結(jié)果得出在距離隧道2 m處的水流速度，再對隧道進行堵水，觀察堵水后隧道周圍的水流速度大小，若小于等于原模型間隔2 m處的水流速度，則該堵水方案可行。

模型尺寸見圖3。在圖3中，矩形頂面為地面，模型寬44 m、高64 m，隧道長度取15 m，巖土長度取30 m。共劃分單元格19 191，節(jié)點26 276個。地下水位線在距地面線下方22 m的位置，隧道在距地面線下方24 m的位置。數(shù)值模型中隧道尺寸與實際尺寸相同，見圖4。

圖3 隧道原模型Fig.3 Tunnel original model

圖4 隧道截面詳圖(單位：mm)Fig.4 Detail tunnel section (mm)

根據(jù)現(xiàn)場排水情況，隧道旱期每日抽水量為200 m3/d；枯水期每日抽水量為1 200 m3/ d；富水期每日抽水量為1 400～1 500 m3/d。富水期隧道內(nèi)水深超2 m。

3.2 計算參數(shù)

隧道的圍巖屬V類圍巖，洞室圍巖的整體穩(wěn)定性差，全風(fēng)化巖體滲透系數(shù)為9.4×10-5m/s，屬中等透水性。隧道在開挖后，水流將漿液一并帶流回隧道時還未做二次襯砌，因此，在計算中，不考慮二次襯砌的阻水作用，此時考慮初襯的阻水效果，滲透系數(shù)取0.9 mm/s。圍巖參數(shù)和注漿參數(shù)見表1和表2。

表1 圍巖參數(shù)

表2 漿液參數(shù)

在數(shù)值模型中，經(jīng)過涌水量驗算，查得隧道內(nèi)一平方米范圍內(nèi)的涌水量為1.29×104m/s，根據(jù)圖4尺寸換算成隧道頂面、側(cè)面以及掌子面的滲流量為1 454.28 m3/d。因此，建立的模型涌水量計算符合隧道富水期的實際情況，若在該條件下能夠使隧道正常注漿，則其他條件下隧道均能夠正常施工。

3.3 方案比較

根據(jù)第2節(jié)解析解求出的距離2 m，由圖5可知，在模型中距離隧道2 m處的滲流速度為4.3×10-5m/s。

圖5 涌水孔截面Fig.5 Gushing hole section

為了研究注漿后滲流速度的影響，本次在模型計算中只考慮滲流場問題，根據(jù)第2節(jié)得出的結(jié)論，在距離隧道2 m處建立模型。在有堵水方案的模型中分別驗證其隧道周圍的滲流速度，當(dāng)隧道周圍的滲流速度小于等于4.3×10-5m/s時，此方案可取。

注漿漿液擴散半徑為2～4 m[12]，注漿孔半徑為0.5 m，此處建?？紤]實際能堵水的范圍，注漿擴散邊緣堵水效果并不明顯，故注漿堵水墻厚取4 m，注漿幕墻邊緣距離隧道左側(cè)為2 m，注漿幕墻中心距離隧道4 m(表3)。

表3 距離隧道2 m處的注漿方案

由表3建立出來的8個模型中，滲流速度選取點根據(jù)隧道截面詳圖(圖4)中的注漿點的位置選取速度最大點得出，結(jié)果如表4所示。只有方案八在隧道表面注漿處的滲流速度最小，故方案八為該8個方案中的最佳方案。幾何模型如圖6所示。

表4 距離隧道2 m處注漿后各方案結(jié)果

圖6 方案八幾何模型Fig.6 Geometric model of scheme 8

由于隧道開挖支護是連續(xù)工程，因此只考慮隧道開挖掌子面后方1 m范圍內(nèi)的水流速度。由圖8可知，注漿點1和注漿點2相比，位于隧道更下方的注漿點1滲流速度更大，只需滿足在注漿點1處的滲流速度即可。由圖6的圖例可以在圖7中得出注漿點1處的滲流速度為4.4×10-5m/s，約等于4.3×10-5m/s。

為了找出更優(yōu)方案，再建立幾個模型與方案八作比較。因此，在距離隧道4 m處另建立8個方案(表5)。

圖7 方案八隧道軸向剖面圖(圖例同圖6)Fig.7 Detail axial profile of the tunnel of scheme 8 (with the same legends as Fig.6)

方案九十十一十二十三十四十五十六注漿深度/m24.626.628.630.624.626.628.630.6注漿長度/m1515151520202020

由表5建立出來的8個模型得到結(jié)果如表6所示?？芍?，方案十六為最佳方案。方案十六幾何尺寸見圖8，剖面圖見圖9。圖9中可以看出，注漿點1處滲流速度最為4.5×10-5m/s，約等于4.3×10-5m/s。

表6 距離隧道4 m處注漿后各方案結(jié)果

再在距離隧道6 m處建立8個方案(表7)。由表7建立出來的8個模型得到結(jié)果如表8所示?？芍?，方案二十四為最佳方案。但該方案中隧道內(nèi)滲流速度最大處速度為5.5×10-5m/s，遠大于4.3×10-5m/s，故該8個方案均不可取。

圖8 方案十六幾何模型Fig.8 Geometric model of scheme 16

圖9 方案十六隧道軸向剖面圖(圖例同圖8)Fig.9 Detail axial profile of the tunnel of scheme 16 (with the same legends as Fig.8)

表7 距離隧道6 m處的注漿方案

由以上實驗可知，距離隧道水平距離越近，注漿效果越明顯；而在注漿距離不變時，注漿效果隨注漿范圍增大而增大。

3.4 選取最佳方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在所列十六個模型中符合滲水要求的模型只有方案八和方案十六。幾何方面，若采取同一種注漿漿液，兩種方案尺寸一樣，且距離遠近對于注漿的經(jīng)濟性無影響；注漿效果方面，方案八中得出的速度更接近于臨界速度4.4×10-3m/s，而方案十六的滲流速度較之更大。因此，對于注漿來說，方案八更偏于安全。當(dāng)注漿水平距離保持不變時，經(jīng)濟允許的情況下，注漿范圍越大越安全，本文考慮經(jīng)濟性要求，選擇方案八作為對本工程類似的地下水豐富、流速較大的隧道工程推薦方案。

用于回填灌漿的水泥標號為425#，用于固結(jié)灌漿的水泥標號為425#，固結(jié)灌漿采用純水泥漿；拌漿水的溫度不高于40 ℃。根據(jù)數(shù)值模擬選出的最佳方案注漿，注漿堵水后，每日排水量平均200 m3/d，積水最深處為25 cm，能夠滿足隧道內(nèi)正常施工和運行，該方案可行?，F(xiàn)場注漿及注漿效果見圖10所示。

表8 距離隧道6 m處注漿后各方案結(jié)果

圖10 現(xiàn)場注漿及注漿后的隧道效果Fig.10 Tunnel rendering after in situ grouting and grouting

可以看出隧道內(nèi)的水已經(jīng)被注漿幕墻堵住，能夠進行隧道兩側(cè)的回填灌漿和隧道的下一步施工。經(jīng)過工程實施效果判定，該方案可行，能為相似涌水隧道提供參考和幫助。

4 結(jié)論及建議

(1)通過理論計算，得出滲流水速度與注漿漿液速度相等的位置在距離隧道2 m處。在此處或在漿液速度大于滲流速度的地方注漿堵住滲流水，可以保證隧道施工下一步的進行。

(2)建立了24個數(shù)值模型對隧道內(nèi)的滲流水進行模擬分析，得出在距離隧道水平距離為6 m，注漿深度為24.6 m，注漿長度為20 m時，堵水效果最佳。

(3)海南因其獨特的自然條件、地理位置，存在大量的地下水。在本文提出的堵水方案中，注漿效果隨注漿范圍的增大而增大，但考慮經(jīng)濟性，注漿范圍不能無限增大，需要進行計算模擬選出最佳注漿范圍。

(4)現(xiàn)場施工效果證明數(shù)值模擬最佳方案可行，有效地堵住了地下水的滲流，保證隧道施工的連續(xù)進行，并可為類似工程設(shè)計提供參考和依據(jù)。

(5)滲流水的沖蝕對巖石和注漿材料的影響都很大，為了提高注漿質(zhì)量和效率，必須對注漿材料的初凝時間進行控制，繼續(xù)研究和選擇快速凝固的注漿材料是需要下一步研究和解決的問題。