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(tuán)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(cè)結(jié)果的不確定性，隧道的水害問題無法在設(shè)計(jì)階段從根本上解決，從而嚴(yán)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(jìn)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(jī)理對(duì)于不同圍巖產(chǎn)生的效果。也有學(xué)者利用滲透系數(shù)對(duì)滲流特性[4]和非均質(zhì)地層的滲流量[5]進(jìn)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(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，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??；分段注漿以減小地下水滲透力等注漿堵水方式則應(yīng)運(yùn)而生。劉強(qiáng)等[6]通過模型試驗(yàn)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(chǎng)分布；杜朝偉等[7]用解析方法計(jì)算出初期支護(hù)和二次襯砌背后水頭的計(jì)算公式，表明注漿圈和初期支護(hù)施工效果對(duì)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(duì)復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的海底隧道滲水量及水壓力計(jì)算模型，并通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了其合理性；丁小平等[9]驗(yàn)證了使用軸對(duì)稱解計(jì)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(duì)象，對(duì)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(duì)于涌水量不大、滲透率低的圍巖可行，而對(duì)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?，提出堵排結(jié)合的處治方案，并通過數(shù)值計(jì)算和理論分析，驗(yàn)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?xiàng)目屬?？谥形鞑砍鞘泄┧€路，建設(shè)地點(diǎn)在海南省?？谑忻廊f村北側(cè)，縣道X144東側(cè)至東城水庫(kù)東側(cè)約200 m位置。工程施工場(chǎng)地為原始林地或經(jīng)濟(jì)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(xiàng)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(zhǎng)13.22 km。地形較為平坦，為玄武巖風(fēng)化臺(tái)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(shí)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(zhǎng)、雨量多、強(qiáng)度大、頻次高、時(shí)空分布不均勻等特點(diǎn)，常發(fā)生在4—11月，個(gè)別年份曾在3月或12月發(fā)生暴雨，較集中的發(fā)生時(shí)間為5—10月；一次降雨過程歷時(shí)3 d左右，最長(zhǎng)可達(dá)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(dá)。

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(shí)支護(hù)，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(shí)支護(hù)，則漿液在初凝前就會(huì)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?yàn)樗^差和重力等原因會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，巖石的邊緣并不是光滑平整的，水流流過這些粗糙面時(shí)，水和巖石之間有一定的黏附力，在滲流通道很小時(shí)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(shí)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(huì)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(jìn)行。

水在巖石中的流動(dòng)受各種因素影響，想以目前掌握的知識(shí)直接用解析解求解其在巖石中某一點(diǎn)的速度很困難。因此，為了求得此近似速度，將計(jì)算做簡(jiǎn)化：用水的滲流力大小與液體漿液的剪切強(qiáng)度作比較，當(dāng)它們的值相等時(shí)，根據(jù)式(1)求出水頭梯度，進(jìn)而求出注漿點(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)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]。現(xiàn)進(jìn)行以下假設(shè)：(1)加固區(qū)為圓環(huán)形，其拱頂與實(shí)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(fù)。得到滲透力的計(jì)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(duì)平行板，面積為A，相距dr，板間充以某液體；今對(duì)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(shí)間為十幾秒至幾十分。

根據(jù)黏度的單位Pa·s，黏度與時(shí)間成正比關(guān)系。即黏度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，可以將1 Pa·s理解為在第一秒的時(shí)候該物體的黏度為1 Pa?，F(xiàn)為了求得水的滲透力與漿液的動(dòng)力黏度之間的極限平衡點(diǎn)，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(shí)的極限值為15 Pa·s，此結(jié)果偏安全，定義為在第一秒時(shí)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(jìn)巖體的漿液將會(huì)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(shí)，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(shí)間都取為極限值時(shí)求得的距離，偏于安全。若大于等于此距離，則漿液不會(huì)被滲流水沖散并達(dá)到注漿效果；反之，則較危險(xiǎn)。

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(diǎn)反映在該實(shí)際工程條件下，采取先堵水方案時(shí)，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(zhǎng)度根據(jù)模型計(jì)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(jì)算得出，在距離隧道左側(cè)水平距離為1.96 m處漿液不會(huì)被滲流水沖散，為計(jì)算方便，該距離取2 m。先建立一個(gè)與隧道實(shí)際相符的模型，通過模型計(jì)算涌水量結(jié)果，查詢數(shù)值計(jì)算結(jié)果得出在距離隧道2 m處的水流速度，再對(duì)隧道進(jìn)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(zhǎng)度取15 m，巖土長(zhǎng)度取30 m。共劃分單元格19 191，節(jié)點(diǎn)26 276個(gè)。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(shí)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(chǎng)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(jì)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(shí)還未做二次襯砌，因此，在計(jì)算中，不考慮二次襯砌的阻水作用，此時(shí)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(yàn)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(jì)算符合隧道富水期的實(shí)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(jì)算中只考慮滲流場(chǎng)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(yàn)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(shí)，此方案可取。

注漿漿液擴(kuò)散半徑為2～4 m[12]，注漿孔半徑為0.5 m，此處建?？紤]實(shí)際能堵水的范圍，注漿擴(kuò)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(gè)模型中，滲流速度選取點(diǎn)根據(jù)隧道截面詳圖(圖4)中的注漿點(diǎn)的位置選取速度最大點(diǎn)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(gè)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(hù)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(diǎn)1和注漿點(diǎn)2相比，位于隧道更下方的注漿點(diǎn)1滲流速度更大，只需滿足在注漿點(diǎn)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(diǎn)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(gè)模型與方案八作比較。因此，在距離隧道4 m處另建立8個(gè)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(zhǎng)度/m1515151520202020

由表5建立出來的8個(gè)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(diǎn)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(gè)方案(表7)。由表7建立出來的8個(gè)模型得到結(jié)果如表8所示。可知，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(yuǎn)大于4.3×10-5m/s，故該8個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(chǎng)實(shí)際情況，在所列十六個(gè)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(yuǎn)近對(duì)于注漿的經(jīng)濟(jì)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(duì)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(shí)，經(jīng)濟(jì)允許的情況下，注漿范圍越大越安全，本文考慮經(jīng)濟(jì)性要求，選擇方案八作為對(duì)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(biāo)號(hào)為425#，用于固結(jié)灌漿的水泥標(biāo)號(hào)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(yùn)行，該方案可行。現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(jìn)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(shí)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(jì)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(jìn)行。

(2)建立了24個(gè)數(shù)值模型對(duì)隧道內(nèi)的滲流水進(jìn)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(zhǎng)度為20 m時(shí)，堵水效果最佳。

(3)海南因其獨(dú)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(jì)性，注漿范圍不能無限增大，需要進(jìn)行計(jì)算模擬選出最佳注漿范圍。

(4)現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行，并可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

(5)滲流水的沖蝕對(duì)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(duì)注漿材料的初凝時(shí)間進(jìn)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。