彭斌， 張琳， 周永波， 鄭雯，3， 鄺利軍， 譚芝文， 李平

（1.中國建筑五局華南公司，廣州 510304；2.青島理工大學(xué)，山東 青島 266033；3.山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034；4.中建隧道建設(shè)有限公司，重慶 401320）

0 引言

近年來，為解決城市地面交通擁堵，緩解城市單一地面交通捉襟見肘的現(xiàn)象，我國大力開發(fā)城市地下軌道交通工程，地鐵隧道的數(shù)量隨之增多，隧道施工不可避免地會近距離下穿水庫、引水隧道等水利工程建筑物。受隧道開挖的影響，周圍巖土體產(chǎn)生擾動，使巖土體其間出現(xiàn)大量裂隙，這些裂隙聯(lián)通形成導(dǎo)水裂隙帶，而導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育范圍及程度直接決定著在水體下隧道安全施工的可能性及合理性，因此進(jìn)行盾構(gòu)隧道下穿水庫引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的研究至關(guān)重要［1］。目前導(dǎo)水裂隙帶大多在煤炭開采研究中被提及，指煤炭采空區(qū)上部覆巖層的冒落帶與裂隙帶高度之和，在相關(guān)研究中，研究學(xué)者多以煤炭開采過程中導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律作為主要研究內(nèi)容，并采用公式法、物探法和現(xiàn)場實(shí)測等方法確定上覆導(dǎo)水裂隙帶高度［2］。錢鳴高等［3］針對覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度問題做了大量的理論研究和實(shí)踐檢測，并經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到了覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測的經(jīng)驗(yàn)公式；馮學(xué)文等［4］利用FLAC3D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，分析工作面采場覆巖應(yīng)力分布及破壞特征，得出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度隨工作面推進(jìn)距離的增加而快速增加，在工作面一次見方后，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度趨于平緩，基本保持在一個(gè)穩(wěn)定值。然而在進(jìn)行隧道施工下穿水庫、引水隧道這種特殊工程的研究時(shí)，研究學(xué)者多以周圍巖土體的滲透性為主體進(jìn)行研究。周冠南等［5］通過采用數(shù)值模擬的方法對各種滲透系數(shù)條件以及隧道開挖與地下水滲流影響下的隧道穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，隨著隧道的開挖，水庫水發(fā)生滲流并造成圍巖塑性區(qū)快速發(fā)育，在隧道拱頂位置處產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍最大；陳建剛［6］以實(shí)際工程為例，借助Midas有限元分析軟件，機(jī)型山嶺隧道下穿水庫時(shí)滲流耦合效應(yīng)對隧道結(jié)構(gòu)的變形及受力的影響研究，并根據(jù)研究結(jié)果確定了山嶺隧道下穿水庫的合理凈距，得到了水庫水位變化對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響及相互關(guān)系，總結(jié)出工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)方法。

綜上所述，目前對于導(dǎo)水裂隙帶的研究在煤炭開采工程中進(jìn)行的較多，在隧道建設(shè)工程中主要以隧道周圍巖土體的滲透性為主體進(jìn)行相關(guān)研究，關(guān)于隧道下穿水庫、引水隧道等特殊工程引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的相關(guān)研究較少，故文中結(jié)合深圳地鐵13號線留仙洞站-白芒站區(qū)間實(shí)際工程，提出一種導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)測計(jì)算方法，對盾構(gòu)隧道下穿水庫引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究。

1 導(dǎo)水裂隙帶的形成機(jī)理

1.1 隧道開挖引起的導(dǎo)水裂隙帶高度分析

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)會對周圍圍巖體產(chǎn)生擾動，擾動作用導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布并向地表傳遞，而應(yīng)力從隧道拱頂向上覆巖層中傳遞時(shí)將使上覆巖體產(chǎn)生變形和破壞，同時(shí)，考慮到盾構(gòu)隧道開挖后管片背后注漿難以充滿的問題，開挖造成的臨空面使隧道上覆巖體受重力作用產(chǎn)生下沉變形，且隨著向上傳遞，在隧道頂部至地表巖層中會依次出現(xiàn)巖體斷裂區(qū)（I）、裂隙發(fā)展區(qū)（II）、連續(xù)沉降區(qū)（III），其中隧道頂部的巖體斷裂區(qū)、裂隙發(fā)展區(qū)由于具有導(dǎo)水性，將二者合稱為隧道開挖引起的導(dǎo)水裂隙帶，如圖1所示。

圖1 隧道掘進(jìn)引起的導(dǎo)水裂隙帶分布

1.2 覆巖巖性對導(dǎo)水裂隙帶高度的影響分析

由于隧道覆巖的巖性存在差異，巖體特性的不同使隧道覆巖受到隧道施工的擾動作用后引發(fā)的覆巖破壞形式不同，進(jìn)而造成不同巖性的覆巖在擾動作用下產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度有一定的差異，不同覆巖巖性特征及破壞規(guī)律變化情況如表1所示。

表1 隧道覆巖巖性特征及破壞規(guī)律

通過分析隧道覆巖的巖性特征及隧道掘進(jìn)引起的覆巖破壞規(guī)律可知，當(dāng)隧道頂部為堅(jiān)硬型覆巖時(shí)，因堅(jiān)硬型巖層斷裂產(chǎn)生的裂縫不容易閉合，隧道掘進(jìn)引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較大；當(dāng)隧道頂部為中硬型與軟弱型覆巖時(shí)，因軟弱巖層斷裂產(chǎn)生的裂縫隨時(shí)間推移會慢慢閉合，隧道掘進(jìn)引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度較小；當(dāng)為極軟弱型覆巖時(shí)，相較于其他類型覆巖，斷裂產(chǎn)生的裂縫隨時(shí)間推移容易慢慢閉合，隧道掘進(jìn)引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最小。故隧道頂部覆巖越堅(jiān)硬，隧道掘進(jìn)引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度越大，覆巖越軟弱，隧道掘進(jìn)引起的導(dǎo)水裂隙帶高度越小。

1.3 覆巖巖性對導(dǎo)水裂隙帶寬度的影響分析

巖層的斷裂與否直接影響著導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育，而巖層的斷裂是其變形的結(jié)果，對于某一層巖層來講，其彎曲下沉導(dǎo)致該巖層產(chǎn)生受拉區(qū)，其拉應(yīng)力超過巖土體受拉極限時(shí)便產(chǎn)生斷裂，因巖層的中性層面拉伸量與裂隙帶的分布密度以及裂隙的張開程度存在一定的關(guān)系，所以選取巖層中性層的拉伸量作為導(dǎo)水裂隙帶裂隙發(fā)育程度的衡量參數(shù)。隧道開挖形成臨空面，隧道上覆巖層受重力作用彎曲下沉形成下沉盆地，因盆地中部地帶的彎曲下沉量很大，會發(fā)展為近水平形式，而盆地兩側(cè)的巖體處于拉伸狀態(tài)，所以巖層的拉伸變形量主要在盆地兩側(cè)，且產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶寬度較大，如圖2所示。

圖2 巖層拉伸變形

1.4 隧道開挖直徑對導(dǎo)水裂隙帶高度的影響分析

隧道開挖直徑的大小影響著導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。隧道開挖直徑越大，即開挖造成的臨空面越大，由于管片背后注漿以及漿液凝固均需要一定的時(shí)間且注漿難以完全充滿建筑空隙，上覆地層在重力作用下發(fā)生的下沉量較大，進(jìn)而使隧道頂部產(chǎn)生的巖體斷裂區(qū)（I）增大；同時(shí)，大直徑隧道盾構(gòu)施工會對周圍巖土體產(chǎn)生較大的擾動，隧道上覆地層巖土體受隧道施工擾動產(chǎn)生的變形增大，隧道頂部至地表巖層中依次出現(xiàn)的巖體斷裂區(qū)（I）、裂隙發(fā)展區(qū)（II）、連續(xù)沉降區(qū)（III）也均會增大，進(jìn)而使導(dǎo)水裂隙帶的高度有所增加。

2 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算工程實(shí)例

以深圳市地鐵13號線留～白區(qū)間工程為例，采用提出的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的計(jì)算方法對隧道施工引起的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行計(jì)算。區(qū)間隧道直徑為6m，在YDK12+875～YDK12+882段下穿西麗水庫、鐵崗水庫引水隧道，與隧道最小豎向凈距約23.64m。通過實(shí)際地質(zhì)勘察，該區(qū)間段內(nèi)盾構(gòu)隧道穿越地層從上至下依次為素填土、硬塑礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化黑云母花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖、中風(fēng)化黑云母花崗巖，文中主要關(guān)注于對上方水庫的影響，故只對隧道上覆巖層的特性進(jìn)行歸納總結(jié)，如表2所示。

表2 區(qū)間段內(nèi)隧道覆巖的巖性特征

2.1 巖層充分?jǐn)_動邊界角的確定

結(jié)合實(shí)際工程隧道埋深與劉赟［7］的研究將3種巖層按4m為一個(gè)單元巖層從隧道拱頂向上進(jìn)行均等劃分，即：中風(fēng)化巖分為4層，標(biāo)號為1～4；強(qiáng)風(fēng)化巖為1層，標(biāo)記為5；全風(fēng)化巖為1層，標(biāo)記為6。然后使用式（1）計(jì)算各巖層中間層的層位高度h，最終得到各劃分巖層厚度及巖層中間層層位高度，如表3所示。

表3 各巖層厚度及中間層距隧道拱頂距離 m

依據(jù)表2與表3可知，巖層1～4層為堅(jiān)硬型中風(fēng)化巖，基于P系數(shù)法［8，9］確定覆巖性質(zhì)綜合評價(jià)系數(shù)P=0.15，然后根據(jù)隧道開挖擾動邊界角δ0正切值與覆巖巖性P值的關(guān)系得到tanδ0=1.5，即cotδ0=0.667；巖層5和6均為中硬型巖，則P=0.5，tanδ0=2，cotδ0=0.5。然后根據(jù)各巖層的中間層層位高度以及隧道半徑，采用式（2）計(jì)算得到隧道開挖充分?jǐn)_動邊界角ψ0的正切值tanψ0，進(jìn)而得到巖層充分?jǐn)_動邊界角的余切值cotψ0，如表4所示。

表4 巖層充分?jǐn)_動邊界角余切值

式中，h為巖層中間層距隧道拱頂?shù)木嚯x，即為巖層中間層的層位高度；D為隧道橫斷面上地層損失（由于隧道開挖和管片背后注漿未充滿產(chǎn)生的臨空面）的高度。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的確定

首先采用式（3）計(jì)算各巖層中間層的最大下沉量w0，因下沉系數(shù)q與覆巖巖性以及巖層中間層至隧道拱頂?shù)木嚯x有關(guān)，依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》［10］，考慮實(shí)際工程區(qū)間段巖層的巖性及厚度，近似取下沉系數(shù)為0.5。然后基于已經(jīng)得到的隧道開挖擾動邊界角余切值、巖層充分?jǐn)_動邊界角余切值及各巖層中間層最大下沉量w0，采用式（4）、式（5）、式（6）即可求得各個(gè)巖層的層向拉伸率ε［11］，計(jì)算得到的各巖層中間層層向拉伸率如表5所示。

表5 各巖層中間層層向拉伸率 %

式中，D為隧道橫斷面上地層損失（由于隧道開挖和管片背后注漿未充滿產(chǎn)生的臨空面）的高度；q為巖層下沉系數(shù)。

式中，l0為巖層中間層彎曲變形前的長度；l1為巖層中間層彎曲變形后的曲線段弧長。

根據(jù)表5可以看出，巖層中間層層向拉伸率的大小與巖層中間層層位高度有密切聯(lián)系。隧道上覆巖層受隧道施工擾動作用，距離隧道拱頂最近的中風(fēng)化巖1的層向拉伸率最大，距離隧道拱頂最遠(yuǎn)的全風(fēng)化巖6的層向拉伸率最小，即隨著中間層層位高度的增加，巖層中間層的層向拉伸率逐漸減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因：隧道施工對上覆巖層的擾動作用在由隧道拱頂向地表傳遞過程中會逐漸減小，使上覆巖層中間層的層位高度越小，巖層中間層受擾動作用產(chǎn)生的彎曲變形越大，巖層中間層的層向拉伸率也越大。

最后，利用Origin軟件擬合基于實(shí)際工程求得的各巖層中間層層向拉伸率與巖層中間層層位高度的關(guān)系曲線，擬合得到的關(guān)系曲線圖如圖3所示。因隨著中間層位高度的增加，上覆巖層受隧道施工的影響越來越小，巖層中間層的層向拉伸率會逐漸減小，巖層有一定的隔水能力，不會形成滲流通道，故可以選擇關(guān)系曲線由快速變化段進(jìn)入平緩變化段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對應(yīng)的巖層中間層層位高度作為導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。

圖3 關(guān)系曲線擬合圖

根據(jù)圖3擬合得到的關(guān)系曲線可以看出，隨著巖層中間層層位高度的增加，巖層中間層的層向拉伸率逐漸變小，當(dāng)巖層中間層層位高度為22m時(shí)，擬合曲線開始變得更為平滑，巖層中間層層向拉伸率進(jìn)入平緩變化段，即巖層中間層依然有拉伸，但拉伸率數(shù)值很小，故認(rèn)定工程區(qū)間段的導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為22m左右。由于實(shí)際工程中引水隧道與隧道最小豎向凈距約23.64m，大于導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，故該區(qū)段盾構(gòu)施工引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度不會波及上覆水體底部，對引水隧道的結(jié)構(gòu)安全和盾構(gòu)施工進(jìn)度影響較小。

3 結(jié)語

文中以深圳地鐵13號線留仙洞站-白芒站區(qū)間工程為例，采用理論分析的方法對盾構(gòu)隧道施工下穿水庫引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，并得出以下結(jié)論：

（1） 隧道掘進(jìn)引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律可參考煤層在擾動條件下導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律繼續(xù)研究，隧道開挖形成臨空面并對上部巖層產(chǎn)生擾動，使隧道頂部至地表巖層中依次出現(xiàn)巖體斷裂區(qū)、裂隙發(fā)展區(qū)、連續(xù)沉降區(qū)，其中隧道頂部的巖體斷裂區(qū)、裂隙發(fā)展區(qū)由于具有導(dǎo)水性，將二者合稱為隧道開挖引起的導(dǎo)水裂隙帶。

（2） 隧道上覆巖巖性對導(dǎo)水裂隙帶的高度與寬度均有影響，覆巖越堅(jiān)硬，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度越大，覆巖越軟弱，導(dǎo)水裂隙帶高度越小；隧道開挖形成臨空面，上方巖層受重力作用彎曲下沉形成下沉盆地，主要在下沉盆地兩側(cè)產(chǎn)生拉伸變形，即導(dǎo)水裂隙帶的寬度在下沉盆地兩側(cè)位置處較大；隧道開挖直徑的大小也影響著導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。

（3） 結(jié)合工程實(shí)例對隧道下穿水庫引起的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，通過對擬合的各巖層中間層層向拉伸率與巖層中間層層位高度的關(guān)系曲線進(jìn)行分析，得到工程區(qū)間段的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為22m左右，由于引水隧道與隧道最小豎向凈距大于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，故盾構(gòu)隧道下穿水庫、引水隧道引起的導(dǎo)水裂隙帶高度不會波及上覆水體底部，對引水隧道結(jié)構(gòu)安全和盾構(gòu)施工進(jìn)度影響較小。