孫曉科

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300133）

1 引言

近些年，在山嶺隧道的建設(shè)實(shí)踐中，第三系地層遇到的較多，以蘭渝線胡麻嶺隧道、桃樹坪隧道、牡綏線雙豐隧道等隧道為代表，主要是第三系砂泥巖半成巖，以細(xì)顆粒為主。針對(duì)這種地層的工程特點(diǎn)，目前設(shè)計(jì)施工中采取的措施【1，2】主要分超前降水、地層加固、分塊開挖和加強(qiáng)支護(hù)等幾大類，其中，降水是各種措施中的重要環(huán)節(jié)。而針對(duì)另一類半成巖的礫巖，其主要以礫石粗顆粒為骨架，細(xì)顆粒充填，膠結(jié)程度弱，夾泥或含砂，天然狀態(tài)下具有一定自穩(wěn)能力，但在施工擾動(dòng)和地下動(dòng)水作用下極易失穩(wěn)，其特點(diǎn)類似構(gòu)造破碎帶，主要在煤礦建井中遇到較多。

李玉成、趙寶峰等【3，4】針對(duì)深厚富水承壓的第三系弱膠結(jié)礫巖地層建井和巷道施工開展了研究，提出了采用長距離定向鉆技術(shù)對(duì)頂板含水層進(jìn)行探查和預(yù)疏放，井筒周圍打降水井降低周圍水頭高度，在疏干條件下施工井筒，在巷道突水防治、立井井筒水害防治方面取得了顯著效果。馬志富等【5】針對(duì)雙豐隧道長段落、大埋深、富水的第三系砂泥巖地層設(shè)計(jì)施工技術(shù)進(jìn)行了探討，從空腔泄水、掌子面超前泄水、徑向泄水、平導(dǎo)泄水、基底降水井、平導(dǎo)向正洞拱頂施作泄水孔、地表降水等角度出發(fā)，提出了全方位立體泄水降壓方法及開挖輪廓內(nèi)外差異化超前預(yù)加固工藝等措施。劉效成【6】等對(duì)隧道施工中地下水的降排水及堵水等多種處理方式進(jìn)行了研究。張梅、趙西民等【7，8】結(jié)合舊堡隧道含泥化夾層、呈碎塊狀及角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)的高壓富水?dāng)鄬訋У奶攸c(diǎn)，提出了“泄水降壓、注漿加固、管棚支護(hù)、兩端夾擊”的處治方案，并對(duì)超前鉆孔排水降壓在隧道富水?dāng)鄬邮┕ぶ械膽?yīng)用效果進(jìn)行了總結(jié)，超前鉆孔排水泄壓可使前方承壓水得到提前釋放，水壓由0.6MPa 降至0.2MPa 以下，可保證掌子面安全，進(jìn)行后續(xù)施工。

上述研究中關(guān)于降水措施，較多地集中在定性的方案制定研究上，對(duì)降水效果定量的分析較少。

某新建重載鐵路隧道洞身穿越一段長約3.7km 的第三系弱膠結(jié)地層，其中有約1.4km 為弱膠結(jié)礫巖，地層富水承壓，在高水壓和施工擾動(dòng)下極易發(fā)生災(zāi)害。本文針對(duì)該段第三系弱膠結(jié)礫巖地層，采用數(shù)值模擬的手段，對(duì)降水方案的效果進(jìn)行定量分析，為施工降水方案的優(yōu)化和隧道安全施工提供了數(shù)據(jù)支撐。

2 工程概況

某新建雙洞單線重載鐵路隧道長約18km，洞身穿越一段長約3.7km 的第三系弱膠結(jié)地層。該段地貌為溝谷及臺(tái)地，新老黃土覆蓋層最厚達(dá)120m，局部地方有第三系地層出露。隧道埋深為50~160m。

2.1 地層巖性

該段第三系地層巖性主要為膠結(jié)程度低的礫巖及半成巖的泥巖和砂質(zhì)泥巖，其中，礫巖按膠結(jié)程度分中等膠結(jié)、弱膠結(jié)以及局部無膠結(jié)，膠結(jié)成分主要是泥質(zhì)膠結(jié)，無水狀態(tài)或不擾動(dòng)情況下一般可以自穩(wěn)，遇水易軟化，巖芯呈散體狀，強(qiáng)度低，滲透系數(shù)為0.1～0.3m/d；泥巖均為半成巖，具有一定的遇水膨脹性，純粹的泥巖透水性較差，部分段落含砂和礫石稍多，為半成巖砂質(zhì)泥巖，或砂質(zhì)泥巖與礫巖互層，有一定滲透性，為弱~中等富水。

2.2 水文地質(zhì)特征

該段屬第三系洪積扇水文亞區(qū)：山上基巖裂隙水向下徑流，由于受山前細(xì)顆粒的阻隔，在第三系洪積扇段落形成了富水承壓區(qū)。其中，礫巖是主要承壓含水層，接受山體基巖裂隙側(cè)向徑流補(bǔ)給。根據(jù)鉆孔水頭測(cè)量結(jié)果，在滲透性較大的段落，承壓水水頭高出隧道底板88～177m。根據(jù)鉆孔出水情況，可將含水層分為2 塊，下部礫巖地層是主要的含水層，地層強(qiáng)富水，上部砂泥巖地層含水量小，富水程度中等。采用地下水動(dòng)力學(xué)方法，預(yù)測(cè)本段隧道正常涌水量約36 500m3/d，礫巖段最大單側(cè)單寬延米涌水量約27m3/d。

3 原設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)該段富水高壓弱膠結(jié)地層設(shè)計(jì)采用了泄水洞超前降水輔助施工。在左右線中間位置設(shè)置泄水洞，泄水洞末端底標(biāo)高較主隧道底板低2m，泄水洞斷面尺寸為4m×4.5m，在拱墻開設(shè)φ110mm 泄水孔，環(huán)向單側(cè)布置4 孔，縱向間距10m。泄水洞出口設(shè)置在溝谷下游，以平面交角45°下穿右線后沿左右線中部布置，總長4 319m，與正洞位置關(guān)系見圖1。

圖1 泄水洞縱斷面示意圖

3.2 存在問題

一方面，泄水洞尺寸較小，施工作業(yè)不便，且末端約2.3km地層中等~強(qiáng)富水，水頭較正洞更高，自身施工難度也大；另一方面，為達(dá)到降低正洞掌子面附近水壓，泄水孔中需插入10~20m 的泄水管，且數(shù)量較多，管節(jié)焊接包裹無紡布等工序煩瑣。同時(shí)，泄水洞自身長度達(dá)4.3km，實(shí)際僅是輔助了正洞1.4km 高壓富水段的施工，而增加工程投資約9 000 萬元，代價(jià)較高。

因此，有必要對(duì)泄水洞超前排水輔助施工的方案進(jìn)行優(yōu)化。

4 降水方案優(yōu)化研究

隨著隧道的開挖，掌子面自身就是良好的排水通道，可對(duì)隧道掌子面附近水壓起到很好的泄壓作用，但究竟能起到多大的作用，與地層滲透性、開挖面支護(hù)等有關(guān)，需要定性分析。

4.1 掌子面自然排水效果分析

采用數(shù)值模擬手段，在有限元模型中建立整個(gè)區(qū)域的數(shù)值模型，通過對(duì)隧道的開挖以及初期支護(hù)等進(jìn)行模擬，計(jì)算并分析開挖過程中掌子面附近水壓力的分布規(guī)律。

4.1.1 模型參數(shù)

根據(jù)前期研究結(jié)果，隧道開挖的影響范圍在2.5km 以內(nèi)，故取對(duì)稱面左右各2.5km 為邊界；沿隧道方向取5km 長，涵蓋整個(gè)第三系段落；在豎直方向取到隧道下方約670m 處；上部黃土層由于貧水，滲透系數(shù)很小，不影響滲流場(chǎng)分布，因此為簡(jiǎn)化計(jì)算量，模型中不考慮上部黃土層，按滲流邊界進(jìn)行定義。

模型中隧道按真實(shí)尺寸和開挖過程進(jìn)行模擬，隧道等效直徑約8m，2 條隧道的軸線間距為35m?？紤]到計(jì)算范圍尺寸較大，計(jì)算量過大，因此按半對(duì)稱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

模型的地層分區(qū)以勘察的地層分布為基礎(chǔ)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和延伸，地層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

4.1.2 邊界條件

模型的滲透邊界：（1）將模型下表面視為不透水邊界。（2）模型的對(duì)稱邊界根據(jù)對(duì)稱原理也視為不透水邊界。（3）黃土層與下面地層的交界面視為承壓水面，設(shè)為不透水邊界。（4）模型的左右邊界根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告設(shè)為固定水頭邊界。（5）模型垂直于隧道軸線的遠(yuǎn)端邊界，假設(shè)不受隧道開挖的影響，也設(shè)為固定水頭邊界。

隧道內(nèi)邊界：模型開挖后的內(nèi)邊界模擬隧道初支，將其處理為第三類邊界，符合下式的定義。

式中，v 和P 為模型內(nèi)邊界上的流速和水壓力；P0為初支內(nèi)表面的水壓力；K0為初支的滲透系數(shù)；D 為初支的厚度；i 為水力梯度；γw為水的重度。

4.1.3 效果分析

隧道開挖后掌子面周邊水壓力橫縱向分布如圖2 所示，可以看出，開挖后橫向滲流場(chǎng)的分布形態(tài)呈現(xiàn)明顯的漏斗狀，掌子面附近水壓明顯下降，開挖臨空面的水壓力是0，掌子面附近水頭變化較快，1 倍洞徑以外，約有30m 水頭；縱向上，掌子面前方約1 倍洞徑處水頭約為30m，掌子面位置正上方，水頭分布形式為鼓形，最大值約15m，距離隧道頂部約1 倍洞徑。

從時(shí)間上看，隨著開挖過程不斷進(jìn)行，掌子面附近的水位線先是快速降低，開挖區(qū)上方的負(fù)孔壓（水位線以上）區(qū)面積不斷增大，最后趨于穩(wěn)定，但掌子面始終位于水位線以下，如圖3 所示。

4.2 降水方案優(yōu)化思路

圖2 開挖后掌子面周邊水壓力分布圖及局部放大圖

圖3 滲流穩(wěn)定時(shí)水位線分布圖

通過上述數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，隨著隧道的開挖，掌子面自身排水就可將掌子面水頭從初始狀態(tài)的約180m 降至約30m，起到了極大的泄壓作用，大大增加了掌子面穩(wěn)定性。但仍舊無法徹底疏干隧道周邊地層，掌子面始終位于水位線以下，施工過程中將不可避免需面臨帶水作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

另一方面，上述數(shù)值模擬中對(duì)地層進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，實(shí)際地層中除了礫巖外，還有砂質(zhì)泥巖、泥巖，砂質(zhì)泥巖和泥巖在動(dòng)水作用和施工擾動(dòng)下有軟化、泥化特性，因此，考慮在掌子面前方設(shè)置超前泄水孔，有針對(duì)性地進(jìn)行超前引排，同時(shí)在掌子面下方設(shè)置集水坑，對(duì)掌子面涌水進(jìn)行定點(diǎn)匯集，便于抽排。

此外，施工中還應(yīng)采取加強(qiáng)支護(hù)、快速封閉、加大抽排水能力等技術(shù)措施，以保證施工安全。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

結(jié)合上述分析，現(xiàn)場(chǎng)施工中對(duì)原設(shè)計(jì)約4.3km 的泄水洞進(jìn)行了變更，取消了末端約3.7km 的泄水洞，調(diào)整洞口段約613m 的縱坡形成平導(dǎo)條件，如圖4 所示，并按無軌運(yùn)輸雙車道加大斷面，利用平導(dǎo)輔助施工，加快出口端正洞的貫通以利于富水段施工排水。同時(shí)，施工中根據(jù)掌子面實(shí)際出水位置，適時(shí)打設(shè)φ110mm 的超前泄水孔作為掌子面直接排水的補(bǔ)充，以增加施工安全。

現(xiàn)場(chǎng)施工中，僅利用掌子面自排水+根據(jù)出水位置適時(shí)打設(shè)的超前泄水孔，按帶水作業(yè)組織施工，下臺(tái)階出渣作業(yè)結(jié)束后，采用吸污車抽排隧底匯集的大量積水泥漿，之后人工清底，安裝下臺(tái)階及仰拱鋼架，支護(hù)結(jié)構(gòu)快速封閉。

圖4 泄水洞優(yōu)化為平導(dǎo)示意圖

4.4 效果評(píng)價(jià)

該隧道施工中，關(guān)于泄水洞輔助降水方案的優(yōu)化變更，共節(jié)約了工程投資約6 123 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。隧道于2018年底安全順利地通過了1.4km 的高壓富水弱膠結(jié)礫巖段落，目前已通車運(yùn)營。

5 結(jié)語

通過在該隧道建設(shè)中的試驗(yàn)研究，有以下幾點(diǎn)體會(huì)：

1）針對(duì)富含高承壓水的軟弱圍巖隧道，施工期間掌子面自然排水就可以大大降低掌子面周圍水壓，以本隧道為例，掌子面附近水壓可從約180m 降至約30m 水頭；

2）掌子面超前泄水孔能較好地起到排水泄壓的作用，進(jìn)行超前引排，可作為對(duì)掌子面自然排水的一個(gè)補(bǔ)充，進(jìn)一步降低掌子面水壓，確保掌子面穩(wěn)定；

3）雖然掌子面排水及超前泄水孔可以有效降低掌子面周邊水壓，但仍舊無法疏干地層，需按帶水作業(yè)組織施工；

4）設(shè)計(jì)階段可采用數(shù)值模擬手段對(duì)降水效果進(jìn)行模擬判斷，以支撐降水系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。