王 克 成

(中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司,新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著我國地鐵隧道建造數(shù)量的不斷增加，所面對(duì)的地質(zhì)條件也變得愈加復(fù)雜，在隧道勘察施工過程中，不可避免的遇到斷裂帶等不良地質(zhì)條件。斷裂帶多為富水的松散巖體，水在巖體裂隙滲流的過程中，對(duì)圍巖進(jìn)行弱化，導(dǎo)致隧道突水突泥等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，若得不到及時(shí)的治理，可能導(dǎo)致隧道塌方，造成嚴(yán)重的人身及財(cái)產(chǎn)損失。

斷裂帶是廣泛發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造，其巖體松散破碎，裂隙豐富，且多數(shù)富水性良好[1]。故容易發(fā)生突水突泥等災(zāi)害，這就需要在隧道開挖之前，做好隧道突水突泥的預(yù)測(cè)工作和隧道開挖過程中的防水堵漏。目前國內(nèi)外的一些學(xué)者已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了許多研究，并獲得了不同的結(jié)果，這些研究結(jié)果為研究隧道穿越斷裂帶突水涌水提供了參考。翁賢杰[1]分析了斷層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，巖性特征和水文特征，闡述了穿越斷層時(shí)隧道突水突泥災(zāi)害發(fā)生時(shí)的地質(zhì)特征，使用了COMSOL Multiphysic數(shù)值計(jì)算軟件，模擬了隧道施工過程中穿越斷裂帶的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)的變化規(guī)律。張思旸[2]依托二郎山隧道工程，根據(jù)實(shí)際工程情況選取三種不同材料進(jìn)行模型試驗(yàn)，模擬不同材料下隧道穿越斷裂帶時(shí)的突水涌水，總結(jié)出三種不同材料下隧道穿越斷裂帶過程中涌水時(shí)滲流場(chǎng)的變化規(guī)律并進(jìn)行比較分析。張偉喜[3]通過研究烏魯木齊地鐵1號(hào)線穿越活動(dòng)斷層，闡述淺埋暗挖法的結(jié)構(gòu)設(shè)防方案、結(jié)構(gòu)力計(jì)算模型以及斷層處的結(jié)構(gòu)防水等技術(shù)措施。張建賓[4]通過分析膠州灣隧道穿越海底斷層破碎帶，闡述防止隧道突水突泥的具體施工措施。王德明[5]研究了隧道穿越斷層破碎帶過程中斷層破碎帶受到開挖擾動(dòng)作用下突水、突泥災(zāi)害演化的過程，建立了三維地質(zhì)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果有效地揭示了無支護(hù)條件下穿越斷層破碎帶隧道的不同物理特征參數(shù)對(duì)時(shí)效性的影響規(guī)律。

綜上所述，本文以烏魯木齊地鐵2號(hào)線南梁坡至農(nóng)業(yè)大學(xué)站段為研究對(duì)象，對(duì)隧道構(gòu)造水文進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際工程情況，以水文地質(zhì)單元做劃分分析隧道涌水特征，最后用數(shù)值模擬作為驗(yàn)證，研究結(jié)果對(duì)烏魯木齊2號(hào)線隧道的安全施工具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

1 工程概況

南梁坡站—農(nóng)業(yè)大學(xué)站區(qū)間自南梁坡起，沿南昌南路鋪設(shè)，并向西轉(zhuǎn)至南昌路下的農(nóng)業(yè)大學(xué)站。區(qū)間全長876.356 m，采用礦山法(長269.568 m)+盾構(gòu)施工(長591.687 m)。線路坡度呈V字坡，正線線間距約11.1 m～14.4 m。區(qū)間隧道埋深約9 m～12 m，隧道結(jié)構(gòu)基本位于粉土、中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化礫巖中，拱部地層主要為粉土、強(qiáng)風(fēng)化礫巖、泥巖、砂巖，地下水位埋深3.2 m～7.5 m。從豎井內(nèi)向南梁坡方向開挖，此暗挖段為斷層設(shè)防段，采用擴(kuò)大斷面暗挖，使用臺(tái)階法施工，其中暗挖區(qū)段下穿西山活動(dòng)斷裂帶的南支，斷裂帶寬52 m。

2 烏市地鐵2號(hào)線南農(nóng)區(qū)間斷裂帶構(gòu)造及其涌水特征

2.1 斷裂帶構(gòu)造特征

隧道穿越西山斷裂帶南支(F4-2)，如圖1所示。南支(F4-2)位于西山公路以北100余米，向東延伸至雅瑪里克山(妖魔山)北麓，匯接于雅瑪里克斷裂，長約5 km，平面上西山斷裂東段南北支構(gòu)成人字形。走向N45°～70°E，傾向N，傾角44°～83°，具逆性質(zhì)。線路在南梁坡站—農(nóng)業(yè)大學(xué)站區(qū)間YCK15+352～YCK15+404大角度通過該斷層南支，斷層帶寬度約52 m。

隧道穿越斷裂帶可以分為四部分，即穿越前為構(gòu)造一區(qū)，右斷層到中間斷層為構(gòu)造二區(qū)，中間斷層到左斷層為構(gòu)造三區(qū)，穿越后為構(gòu)造四區(qū)，如圖2所示。

地層巖性。

1)第四系人工填土。

①-1雜填土：灰褐色，主要是角礫、圓礫和粉土，其中還含有碎磚渣、石灰渣、廢棄物等，巖芯以散狀居多，略濕，稍密～中密。分布于地表，不均勻，層厚1.0 m～3.6 m。

2)第四系全新統(tǒng)。

②-4粉土：淺黃色，土質(zhì)較均一，巖芯呈塊狀及10 cm～30 cm的柱狀，含2 mm～20 mm的角礫約15%，稍密～密實(shí)，稍濕～濕。基本存在于雜填土之下，層厚不均勻，普遍為0.5 m～17 m。

3)上第三系。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探以及區(qū)域地質(zhì)資料，本隧道基巖主要由上第三系泥巖及礫巖組成，巖層產(chǎn)狀近水平。

⑧-1-3中風(fēng)化泥巖：灰黃色～青灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部夾粉細(xì)砂結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，成巖差，巖芯呈密實(shí)的土狀，以5.00 cm～30.00 cm的短柱狀為主。

⑧-3-2強(qiáng)風(fēng)化礫巖：灰黃色、雜灰白色為主，細(xì)礫結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈5.00 cm～20 cm的柱狀及餅狀，成巖作用較好，錘擊較易碎開。

⑧-3-3中等風(fēng)化礫巖：雜灰色，細(xì)礫結(jié)構(gòu)，礫石成分主要為灰?guī)r、砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，厚層狀構(gòu)造，少量節(jié)理裂隙，有石英巖脈充填。

4)侏羅系。

⑤-1-1全風(fēng)化泥巖：灰黃色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部夾粉細(xì)砂結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，巖芯散狀或碎塊狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，成巖作用較差，錘擊易碎。

⑤-2-2強(qiáng)風(fēng)化砂巖：灰黃色，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，巖芯呈5 cm～10 cm不等的柱狀及餅狀，成巖作用較好，錘擊易碎塊，節(jié)理裂隙發(fā)育。

⑤-2-3中等風(fēng)化砂巖：灰黃色、灰色，粉細(xì)砂狀結(jié)構(gòu)，薄—中層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，巖芯以5.00 cm～40.00 cm的短柱狀為主，成巖作用較好，局部夾泥巖薄層，略有腥臭味砂狀結(jié)構(gòu)，少量節(jié)理裂隙，節(jié)理面略有變色，為較軟巖。

構(gòu)造一區(qū)為暗挖隧道穿越斷裂帶前段，最上部為第四系全新統(tǒng)人工填土，其下為粉土，隧道開挖部分主要為晚第三系地層中等風(fēng)化礫巖，開挖下部為侏羅系地層中等風(fēng)化泥巖。構(gòu)造二區(qū)為暗挖隧道穿越斷裂帶中右斷層到中間斷層，最上部為第四系全新人工填土，其下為第四系粉土。穿越破碎帶為中等風(fēng)化礫巖，其下為泥巖和砂巖。構(gòu)造三區(qū)為暗挖隧道穿越斷裂帶中間斷層到左斷層，最上部為第四系全新人工填土，其下為第四系粉土。穿越破碎帶為第四系粉土，其下為砂巖。構(gòu)造四區(qū)為暗挖隧道穿越斷裂帶后段，最上部為人工填土，其下為粉土和砂巖。

2.2 涌水特征

根據(jù)賦存條件，位于烏魯木齊的地鐵2號(hào)線地下水可以分為以下三種類型：

1)基巖裂隙水。其透水性受到地層巖性、風(fēng)化程度以及裂隙發(fā)育程度等的影響，呈現(xiàn)出較大的差異性和顯著的不均勻性，基巖裂隙水局部賦存于基巖裂隙中，主要沿著地鐵沿線經(jīng)過的斷裂、褶皺等構(gòu)造裂隙分布。

2)第四系松散堆積層中的孔隙潛水。第四系孔隙潛水賦水量較小，主要沿著烏魯木齊的沖積平原區(qū)、洪積平原區(qū)、漫灘區(qū)以及河兩岸階地分布，其地下水水位表現(xiàn)出明顯的南高北低的特征。

3)構(gòu)造裂隙水。采用暗挖法施工段:根據(jù)TB 10049—2014鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范[6]附錄E.2.2預(yù)測(cè)隧道涌水量，施工期間地下水位上升幅度按3 m考慮。為計(jì)算方便，將各構(gòu)造分區(qū)簡化為圖3所示的形狀，算出的結(jié)果如表1所示。裘布依公式：

隧道施工掌子面的涌水量：按影響長度20 m考慮，其涌水量的估算結(jié)果及參數(shù)取值見表2。

其中，Q為隧道穿越含水體的正常涌水量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d；ΔH為隧道中心到潛水面的距離，m；d為隧道直徑，m，按6.2 m考慮；L為滲流長度，m。

表1 地下水動(dòng)力學(xué)法計(jì)算涌水量預(yù)測(cè)表

表2 掌子面正常涌水量估算表

根據(jù)表1，表2，判斷出各構(gòu)造區(qū)間突涌水危險(xiǎn)程度如表3所示。

表3 隧道涌突水危險(xiǎn)程度一覽表

隧道在穿越部分?jǐn)嗔褞判沟牡叵滤酁殪o態(tài)儲(chǔ)量地下水，由于地下水位較高，地下水賦存于裂隙中，因此隧道在穿越斷裂帶時(shí)，涌出帶有承壓性的地下水，形成突水。

經(jīng)過對(duì)隧道各個(gè)構(gòu)造區(qū)段的隧道涌水量和掌子面涌水量的估算，我們可以初步得出：構(gòu)造三區(qū)和構(gòu)造四區(qū)為一般危險(xiǎn)程度，構(gòu)造一區(qū)為較高危險(xiǎn)程度，構(gòu)造二區(qū)為高危險(xiǎn)程度。故應(yīng)對(duì)構(gòu)造二區(qū)與構(gòu)造一區(qū)的隧道施工重點(diǎn)加強(qiáng)防水堵漏措施。

3 斷裂帶隧道數(shù)值模擬

3.1 概述

本章數(shù)值模擬采用Midas GTS NX，Midas GTS NX是一套專業(yè)三維巖土有限元分析軟件，具有強(qiáng)大的有限元計(jì)算功能。利用Midas GTS NX對(duì)穿越斷層隧道在四個(gè)構(gòu)造分區(qū)模擬隧道施工時(shí)開挖面的涌水特征。通過對(duì)數(shù)值模擬和公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析四個(gè)構(gòu)造分區(qū)的涌水特點(diǎn)和大小，并選取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行防水堵漏的措施。

3.2 數(shù)值計(jì)算模型

以此次隧道工程的實(shí)際情況以及此次數(shù)值模擬計(jì)算的主要內(nèi)容和主要目的為依據(jù)，筆者在構(gòu)建實(shí)體模型的過程中，提出了如下幾個(gè)方面的內(nèi)容：1)數(shù)值計(jì)算模型中使用的巖土體材料皆為彈塑性材料，該模型為具有各項(xiàng)同性的摩爾—庫侖本構(gòu)模型。2)由于隧道長度較大，因此選用隧道穿越斷裂帶的一段進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，該數(shù)值計(jì)算模擬分析域在y方向上的長度為175 m，x方向上的長度為20 m。模擬隧道埋深約8.3 m,其中隧道縱向的走向傾角選取的是3°。3)此次數(shù)值模擬為了能使計(jì)算更加簡便決定采取全斷面的隧道開挖方法，每次均循環(huán)開挖5 m的距離，按照順序鈍化每一個(gè)循環(huán)的隧道單元網(wǎng)格的方法來簡要模擬現(xiàn)實(shí)中的開挖過程。4)本次數(shù)值計(jì)算水位面無壓力水頭，采用穩(wěn)態(tài)滲流進(jìn)行模擬計(jì)算。

各土層的物理力學(xué)參數(shù)見表4，建立的模型見圖4～圖6。

表4 土層物理力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1總水頭分析

對(duì)各個(gè)構(gòu)造分區(qū)開挖結(jié)束后的總水頭云圖進(jìn)行對(duì)比分析?？偹^包括流速水頭，位置水頭以及壓力水頭，它指的是單位重量的液體中包含的機(jī)械能的總和。在飽和土體中，點(diǎn)與點(diǎn)之間是否存在總水頭差對(duì)滲流情況的出現(xiàn)起著決定性作用。當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)之間的總水頭差等于0時(shí)，滲流情況不會(huì)發(fā)生，否則水就會(huì)從總水頭高的位置流向總水頭低的位置[7]。

在此次數(shù)值模擬中，各個(gè)構(gòu)造分區(qū)開挖完成后的總水頭云圖如圖7所示。由圖7可以看出，隧道開挖后，隧道底部總水頭最小，為深色，說明隧道底部為涌水高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)著重加強(qiáng)防水堵漏措施。

3.3.2涌水量分析

對(duì)各個(gè)構(gòu)造分區(qū)開挖結(jié)束之后的涌水量云圖(如圖8所示)進(jìn)行對(duì)比分析。

每個(gè)構(gòu)造分區(qū)開挖完成后的涌水量如圖8所示，在構(gòu)造一區(qū)中，涌水量最大處在掌子面中部(深色處)。在構(gòu)造二區(qū)，構(gòu)造三區(qū)，構(gòu)造四區(qū)中，涌水量最大處在隧道掌子面底部，其次在隧道掌子面?zhèn)确?，故在?gòu)造一區(qū)隧道掌子面中部，構(gòu)造二區(qū)，構(gòu)造三區(qū)，構(gòu)造四區(qū)隧道掌子面底部與側(cè)面，應(yīng)著重加強(qiáng)防水堵漏措施。

如圖9～圖12所示，隧道以5 m為一施工進(jìn)尺，對(duì)構(gòu)造一區(qū)分為12個(gè)開挖循環(huán)，分別分析每個(gè)開挖循環(huán)掌子面的涌水量，其中涌水量的平均值是580.578 m3/d。對(duì)構(gòu)造二區(qū)分成7個(gè)開挖循環(huán)，每個(gè)循環(huán)都是5 m，這當(dāng)中涌水量的平均值是530.231 m3/d。對(duì)構(gòu)造三區(qū)分成4個(gè)開挖循環(huán)，每個(gè)循環(huán)都是5 m，其中涌水量的平均值是266.708 m3/d。對(duì)構(gòu)造四區(qū)分成12個(gè)開挖循環(huán)，每個(gè)循環(huán)都是5 m，其中涌水量的平均值是129.323 m3/d。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)烏魯木齊地鐵2號(hào)線南梁坡站至農(nóng)業(yè)大學(xué)站穿越西山活動(dòng)斷裂帶施工過程中防堵漏進(jìn)行分析，運(yùn)用了理論研究和數(shù)值模擬的方法，得出以下結(jié)論：

1)在各個(gè)構(gòu)造分區(qū)中，隧道的涌水量逐漸遞減，其中構(gòu)造一區(qū)的涌水量最大，涌水量平均值達(dá)到580.578 m3/d，并且其中第四個(gè)開挖循環(huán)涌水量為最大，達(dá)到了649.973 m3/d。第二個(gè)構(gòu)造分區(qū)涌水平均值為530.231 m3/d，故第一構(gòu)造分區(qū)與第二構(gòu)造分區(qū)為高危險(xiǎn)區(qū)段，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)防水堵漏的措施。

2)通過分析數(shù)值模擬的總水頭云圖和涌水量云圖，可以得出結(jié)論：在構(gòu)造一區(qū)中，涌水量最大處在掌子面中部。在構(gòu)造二區(qū)，構(gòu)造三區(qū)，構(gòu)造四區(qū)中，涌水量最大處在隧道掌子面底部，其次在隧道掌子面?zhèn)确?，故在?gòu)造一區(qū)隧道掌子面中部，構(gòu)造二區(qū)，構(gòu)造三區(qū)，構(gòu)造四區(qū)隧道掌子面底部與側(cè)面，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)防水堵漏措施。