田 嬌 楊 洪 茍德明 歐陽淋旭 歐雪峰 張學(xué)民 曾曉輝

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550001；2.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙 410114； 3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙 410075)

在我國西部地區(qū)修建的隧道往往需穿越富水巖溶構(gòu)造區(qū)域，其巖溶地貌分布廣泛、圍巖風(fēng)化程度各異，水力構(gòu)造系統(tǒng)復(fù)雜。受地下水物理及化學(xué)作用，隧道常常發(fā)生拱頂?shù)魤K、掌子面塌陷、支護(hù)變形等施工災(zāi)害[1]。為保障安全高效施工，擴(kuò)寬隧道工程全壽命期[2]，研究富水巖溶隧道圍巖遇水變形特性及災(zāi)害控制措施具有重要意義。

專家學(xué)者們針對地下水軟化效應(yīng)開展了大量研究工作。楊善成等[3]采用數(shù)值計算及監(jiān)測手段研究了凝灰?guī)r遇水軟化對隧道支護(hù)與襯砌內(nèi)力影響特征，指出隧道防水是治理地下水軟化效應(yīng)的重點(diǎn)。李立瑞等[4]指出注漿加固技術(shù)是治理深埋富水隧道圍巖遇水軟弱的有效途徑。微觀特性方面，張晉東等[5]從微觀角度探究黃土地層隧道圍巖遇水軟化內(nèi)部構(gòu)造損壞機(jī)理。黃智剛等[6]以泥質(zhì)板巖微觀結(jié)構(gòu)遇水軟化演變規(guī)律為基礎(chǔ)，建立非線性動力學(xué)軟化模型，為“水-巖”軟化理論研究提供參考?，F(xiàn)有成果揭示了圍巖遇水軟化后的宏、微觀演化特性及規(guī)律，但針對富水巖溶隧道施工圍巖遇水軟化作用及災(zāi)害控制措施研究較少[7-8]。

為進(jìn)一步研究深部隧道工程大變形特征及防治措施，以貴州省某富水巖溶隧道為工程依托，針對該隧道圍巖經(jīng)巖溶地下水軟化后所產(chǎn)生的系列工程問題，采用室內(nèi)試驗方法對隧道圍巖進(jìn)行力學(xué)軟化性質(zhì)分析，探討圍巖軟化前后的構(gòu)造變化，進(jìn)而提出相應(yīng)的整治手段。

1 工程概況

該隧道采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，隧道全長5.5 km，最大埋深約537 m。左幅隧道起訖樁號為ZK6+760-ZK12+265，長5 505 m，最大埋深534 m。右幅隧道起訖樁號為YK6+755-YK12+180，長5 425 m，最大埋深537 m。

隧道采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)布設(shè)直徑6.5 mm雙層鋼筋網(wǎng)、I20b型鋼拱架，噴射28 cm厚的C20噴射混凝土。隨后安裝350 g/m2無紡?fù)凉げ家约胺浪?，布設(shè)HRB400的雙層鋼筋網(wǎng)，澆筑55 cm厚C30鋼筋混凝土作為二次襯砌，隧道斷面圖見圖1。

圖1 隧道斷面圖(單位：cm)

1.1 工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)位于貴州高原東北部的武陵山山脈向大婁山山脈過度的斜坡地帶，隧道主要穿越志留系中上統(tǒng)韓家店群(S2-3hn)泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖，下統(tǒng)湄潭組(O1m)泥巖夾泥質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r地層。隧道中部以近似正交穿越石朝向斜核部，隧道洞身軟、硬巖交替，圍巖受不同風(fēng)化程度影響，巖體破碎，呈碎、裂狀結(jié)構(gòu)，受地下水溶蝕與沖刷作用，遇水易軟化崩解。

1.2 水文條件

隧址區(qū)氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，屬長江流域烏江水系影響區(qū)域。降雨量受季風(fēng)影響，在時空間上呈極不均勻分布，尤其夏季為強(qiáng)降雨季，占全年降雨量的50%以上。區(qū)域匯水面積達(dá)29.6 km2，巖溶富水軟弱區(qū)廣泛發(fā)育，地下水易沿基巖節(jié)理、裂隙面下滲至隧道，進(jìn)而侵蝕軟化隧道圍巖。

1.3 存在問題

隧址區(qū)裸露巖溶和淺埋巖溶占隧址區(qū)總面積的70%，可溶巖約占隧道總長的35%，其中有1 050 m穿越石朝向斜匯水區(qū)。隧道周邊存在裂隙帶、巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段和高壓蓄水地帶，圍巖常年受到高壓地下水的浸泡、溶蝕軟化作用，整體呈灰褐狀，隧道掌子面極不穩(wěn)定，施工時多發(fā)生拱頂?shù)魤K、掌子面塌落等災(zāi)害，施工處理極為困難，隧道圍巖情況及災(zāi)害圖見圖2。

圖2 隧道圍巖及大變形災(zāi)害

2 隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)研究

2.1 室內(nèi)試驗方案

本次試驗所制備的巖石樣本取至隧道ZK9+896-ZK9+968向斜富水區(qū)段圍巖，埋深259～384 m。經(jīng)現(xiàn)場切割、打磨等工序加工成直徑×高度為50 mm×100 mm巖樣用作單軸壓縮試驗，同時加工同等數(shù)量下的直徑×高度為50 mm×25 mm巖樣用作巴西劈裂試驗，具體信息見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)巖樣制備

將巖樣各分為3組，每組各3個。第一組不做任何處理，記為天然狀態(tài)組。第二組進(jìn)行飽和處理，利用自然浸水法使土體達(dá)到完全飽和狀態(tài)。第三組作完全烘干處理。隨后采用30 kN電液伺服巖石力學(xué)試驗機(jī)進(jìn)行巴西劈裂、單軸壓縮試驗，以200 N/s加載速度控制。

2.2 實驗結(jié)果及分析

2.2.1單軸壓縮力學(xué)特征分析

3種含水狀態(tài)下巖樣單軸抗壓試驗結(jié)果見表2。

表2 單軸壓縮力學(xué)指標(biāo)

試驗結(jié)果表明，由于巖石在垂直橫截面的方向上受到荷載作用，巖石軸向受到壓縮、橫向發(fā)生擴(kuò)張，巖體出現(xiàn)近似平行于軸線的主裂隙，巖石試樣整體失去承載能力。取每組測試數(shù)據(jù)均值作為本次實驗最終力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。巖石在不同含水狀態(tài)下(干燥、天然、飽和)的彈性模量、峰值應(yīng)力存在顯著差異且隨著飽水程度不斷提高，圍巖的極限抗壓強(qiáng)度呈逐漸降低趨勢。干燥狀態(tài)下巖石的極限抗壓強(qiáng)度為135.64 MPa，巖石飽水后的極限抗壓強(qiáng)度僅為83.57 MPa，在巖體由天然狀態(tài)步入飽水狀態(tài)時，強(qiáng)度衰減率曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，衰減率大幅增長，飽水后的巖體較飽水前相比強(qiáng)度降低了38%，彈性模量衰減速率高達(dá)27%，軟化系數(shù)為0.62，為親水性軟巖，圍巖彈性模量及衰減規(guī)律圖見圖3。

圖3 圍巖彈性模量及衰減規(guī)律

由圖3可見，當(dāng)巖溶隧道穿越富水區(qū)域時富水軟巖隧道圍巖親水性強(qiáng)，圍巖巖溶裂隙節(jié)理強(qiáng)烈發(fā)育，在地下水的“水-巖”效應(yīng)下，圍巖具有顯著的遇水軟化特征，加劇了地下水對隧道支護(hù)的變形與破壞，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

2.2.2巴西劈裂力學(xué)特征分析

巖石抗拉強(qiáng)度是評價其力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)之一，也是體現(xiàn)隧道拉應(yīng)力破壞的重要參數(shù)。通過間接劈裂試驗得到3種含水狀態(tài)下試樣極限抗拉強(qiáng)度，結(jié)果見表3。

表3 巴西劈裂力學(xué)指標(biāo)

由表3可見，富水巖溶區(qū)域圍巖抗拉強(qiáng)度普遍較低，天然狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度為8.00～9.10 MPa，平均值為9.00 MPa；飽水狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度為4.41～4.63 MPa，平均值為4.5 MPa，抗拉強(qiáng)度軟化系數(shù)為0.45。

圍巖抗拉強(qiáng)度及衰減規(guī)律曲線圖見圖4。

圖4 圍巖抗拉強(qiáng)度及衰減規(guī)律曲線

從圖4中巖樣破壞形態(tài)圖可以看出，巖樣沿直徑方向產(chǎn)生貫通裂隙直至破壞，裂紋沿著受力方向穿過圓盤中心。

由圖4還可見，其測試值結(jié)果部分離散，證實巖石對地下水產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)顯著，且?guī)r石強(qiáng)度衰減速度與含水狀態(tài)關(guān)系復(fù)雜，當(dāng)巖石從干燥狀態(tài)轉(zhuǎn)至自然狀態(tài)下，其抗拉強(qiáng)度降低值僅為0.9 MPa，而當(dāng)巖樣由天然狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱査疇顟B(tài)，極限抗拉強(qiáng)度降低4.5 MPa，削弱幅度達(dá)50%。綜上所述，富水巖溶區(qū)域圍巖受軟弱結(jié)構(gòu)體控制，其抗拉強(qiáng)度較差，遇水后巖體結(jié)構(gòu)變得松散，當(dāng)隧道受到施工擾動后，巖體易沿層理、裂隙、夾層產(chǎn)生大范圍滑移與變形，進(jìn)而在宏觀上表現(xiàn)為隧道富水區(qū)施工中多發(fā)拱頂?shù)魤K、滑坡等大變形破壞。

3 病害整治方案及實施效果

巖溶隧道富水圍巖遇水強(qiáng)度弱化效應(yīng)明顯，不僅嚴(yán)重影響施工支護(hù)的安全穩(wěn)定性，還對隧道后續(xù)運(yùn)營安全及經(jīng)濟(jì)效益構(gòu)成潛在威脅。根據(jù)以上圍巖遇水軟化機(jī)理分析結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，采用“超前預(yù)注漿+徑向注漿”的聯(lián)合支護(hù)手段[8]，對圍巖進(jìn)行注漿，形成軸向、徑向防滲加固圈，從而提高圍巖的承載能力，同時增強(qiáng)圍巖的抗?jié)B流能力，防止圍巖進(jìn)一步軟化。

3.1 超前周邊預(yù)注漿

超前軸向注漿按開挖方向以隧道為中心呈傘狀布置，現(xiàn)場注漿范圍為隧道開挖輪廓線外5 m，注漿管直徑90 mm，長度13～25 m不等。每一循環(huán)設(shè)置4環(huán)注漿孔，注漿長度為30 m，開挖25 m，預(yù)留5 m止?jié){巖盤。

注漿孔注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為0.8∶1～1∶1，水玻璃模數(shù)2.6～2.8，注漿壓力為0.5～1.5 MPa，鉆進(jìn)過程中遇涌水或因巖層破碎造成卡鉆時，停止鉆進(jìn)，進(jìn)行注漿、掃孔后再行鉆進(jìn)，超前注漿縱斷圖見圖5。

圖5 超前預(yù)注漿縱斷圖(單位：cm)

3.2 徑向防滲注漿工藝

采用徑向注漿的方式對掌子面全斷面進(jìn)行全孔一次鉆進(jìn)注漿加固，孔口環(huán)向間距為150 cm，縱向間距250 cm交錯布置，孔口管采用直徑42 mm，壁厚4 mm的鋼花管，管長1 m。注漿壓力0.5～1.0 MPa，水泥漿液水灰比為1∶1，徑向防滲注漿示意圖見圖6。

圖6 徑向防滲注漿示意圖(單位：cm)

3.3 實施效果驗證

富水巖溶隧道采用“超前軸向預(yù)注漿+徑向防滲固結(jié)注漿”的全斷面帷幕注漿堵水加固工藝，后緊跟初支與二襯等處治措施，通過現(xiàn)場觀察與開挖驗證，隧道表面干燥無水滲透，區(qū)段內(nèi)圍巖中可見大塊水泥結(jié)石，注漿效果圖見圖7。

圖7 注漿效果

由圖7可見，注漿手段使得漿液與破碎圍巖固結(jié)成一整體，提高了圍巖整體承載能力，并共同抵御巖溶水滲流作用，防止圍巖進(jìn)一步軟化。這說明該整治方案能夠有效保障隧道穿越富水巖溶區(qū)域的施工安全，以及隧道后續(xù)運(yùn)營安全。

4 結(jié)語

富水巖溶隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)軟弱多變、地下水構(gòu)造系統(tǒng)復(fù)雜、圍巖穩(wěn)定性差、支護(hù)困難，常常遭遇大變形等地質(zhì)不良災(zāi)害，嚴(yán)重威脅隧道施工與運(yùn)營安全。通過開展不同含水狀態(tài)下巖石的室內(nèi)軟化試驗，研究富水巖溶隧道圍巖在地下水作用下力學(xué)軟化特性，得到主要結(jié)論如下。

1)富水巖溶隧道工程中復(fù)雜多變的巖溶地質(zhì)及水文構(gòu)造系統(tǒng)是影響隧道安全高效施工的環(huán)境因素。地下水軟化效應(yīng)是導(dǎo)致富水巖溶隧道圍巖強(qiáng)度不斷衰減，穩(wěn)定性大幅降低，進(jìn)而誘發(fā)隧道產(chǎn)生大變形災(zāi)害的主要原因。

2)隨著巖石的含水程度不斷提高，巖石的抗拉與抗壓力學(xué)強(qiáng)度都呈現(xiàn)干燥狀態(tài)>天然狀態(tài)>飽和狀態(tài)的分布規(guī)律，且隨著飽水度越高，其衰減速率呈折線性增長，在巖石由天然狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱査疇顟B(tài)時，其力學(xué)性質(zhì)衰減趨勢更顯著，極限抗壓強(qiáng)度衰減幅度高達(dá)24%，抗拉強(qiáng)度衰減高達(dá)50%。巖溶隧道穿越富水區(qū)時應(yīng)探明掌子面前方圍巖富水情況，盡量減輕對圍巖的施工擾動，以確保作業(yè)安全。

3)采用“超前預(yù)注漿+徑向防滲注漿”的圍巖全帷幕加固技術(shù)，在掌子面前方形成軸向與徑向的正交型防滲固結(jié)網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)現(xiàn)場驗證，該措施能有效封堵地下水與圍巖裂隙，極大程度地降低了水的軟化影響，提高圍巖的承載及抗?jié)B能力，實現(xiàn)了富水軟巖隧道安全高效作業(yè)。