李小豐

富水粉細砂圍巖隧道地下水滲流特性及支護方案研究

李小豐

(中鐵十八局集團 第五工程有限公司，天津 300459)

玉磨鐵路太達村隧道某施工段以粉細砂巖為主，在開挖擾動或遇水時出現(xiàn)涌砂現(xiàn)象，工程性質迅速惡化，對施工進度造成影響。對于富水粉細砂巖隧道中的地下水滲流特性問題，基于地下隧洞圍巖穩(wěn)定性分析中的復變函數(shù)法，求得實際馬蹄形隧道的形狀變換函數(shù)和開挖過程中隧道滲流場的數(shù)值解。該方法相比于傳統(tǒng)圓孔隧道的滲流解析解，具有更高的準確性。結合解析解的預測和實際工程地質條件，分析幾種支護、降水方法的合理性。

隧道；滲流特性；粉細砂巖；復變函數(shù)；地下水

1 工程概況

新建玉溪至磨憨鐵路太達村隧道位于寧洱站~普洱站區(qū)間(如圖1所示)，進口里程為DK239+810，出口里程為DK245+625，全長5 815 m。隧道最大埋深約180 m。隧區(qū)屬低中山地貌，洞身分布下第三系漸新至始新統(tǒng)礫巖、砂巖夾泥巖(進口至斜井段約4 000 m)，白堊系下統(tǒng)曼崗組中段泥巖夾砂巖(斜井至出口段約1 800 m)等。洞身發(fā)育普洱斷裂西支和蠻帕山斷層。

圖1 太達村隧道示意圖

該隧道DK241+500~DK241+800段屬第三系弱膠結砂巖，顆粒組成以細粒為主，顆粒較均一、泥質弱膠結、成巖差，為細粉砂巖。天然狀態(tài)時，圍巖處于密實狀，但在遇開挖擾動(現(xiàn)場為非機械開挖)或遇地下水后極易變?yōu)樯⑸?、稀糊?如圖2所示)，工程性質迅速惡化，基本失去強度。這種情況下，如果繼續(xù)開挖，則可能出現(xiàn)涌沙、坍塌等現(xiàn)象[1]。在太達村實際的開挖施工過程中，掌子面的持續(xù)涌水涌沙對施工進度造成了極大的影響。

圖2 掌子面坍塌

2 圍巖條件

為了更好地了解太達村隧道的特殊圍巖條件，需要對現(xiàn)場強風化狀砂巖進行取樣浸泡實驗(如圖3所示)。據(jù)試驗觀察，取樣砂巖經(jīng)浸泡后，0.5～2 h出現(xiàn)崩解。此外，根據(jù)分析，取樣砂巖以細粒為主，占71.9%～75.5%，黏粒含量平均約占10.4%；含水程度存在不均，含水率5%～20%；滲透系數(shù)5×10?5～2×10?4cm/s，孔隙率26%～31%。

經(jīng)取水樣復核地下水侵蝕性，與勘察資料吻合，該段地下水無侵蝕性。

(a) 浸水前(上)；(b) 浸水后

3 地下水滲流場分析

太達村隧道富水細粉砂巖的工程特性較為特殊，在其他工程案例中較為少見。在隧道開挖的過程中，由于受到擾動，圍巖會變得更加松散，甚至會形成空腔區(qū)域，同時周圍的地下水不斷滲入，圍巖逐漸軟化，使得圍巖達到飽和狀態(tài)[1]最終導致涌沙、坍塌現(xiàn)象。

因此，為了能夠充分了解實際工程中富水細粉砂巖地區(qū)的隧道地下水滲流特性，以便更好地指導圍巖防水和支護，需要運用理論分析對隧道的地下水滲流特性進行預測和模擬。

3.1 地下水滲流特性解析解

在大多數(shù)的淺埋隧道分析中，隧道圍巖常被假設為半無限空間。近年來，許多中外學者[2?7]對半無限空間下的隧道滲流問題推導了解析解，但是，部分理論解由于計算過程繁瑣，邊界條件限制復雜，只能簡單將隧道斷面假設為圓形，與實際工程中的形狀差別較大；在這種情況下，復變函數(shù)法常被用于求解半無限空間下的隧道斷面的滲流問題[8?11]，因為此條件下較容易求得隧道準確的映射函數(shù)，從而可以各種形狀斷面的隧道斷面映射為像平面上的矩形區(qū)域，從而大大簡化問題。但是，當隧道斷面不規(guī)則時，已有文獻[2?7]的方法求解的精度往往較低，不能達到所需的要求。

因此，為了能夠提高計算精度，需要通過保角變換引入新的映射函數(shù)，將物理平面上形狀比較復雜的隧道斷面，變換到像平面上邊界形狀簡單的區(qū)域，然后在變換后的區(qū)域上求解拉普拉斯方程，這種方法不僅可以適應于各種形狀的復雜斷面(如馬蹄形)，同時也可以保證計算效率和精度。

3.2 基本假設

本文選取太達村隧道DK241+650附近的斷面，根據(jù)實際工程地質條件，在預設的計算模型中，可以做出以下幾點假定：

1) 將馬蹄形隧道的周圍巖土體假設成一個帶孔的半無限空間，且為各向同性材料；

2) 地下水補給充沛，且為等水頭，不可壓縮，隧道內的排水工程對于地下水位的短期影響暫不考慮；

3) 隧道斷面地下水滲流服從達西定律，假設開挖后的隧道內壁(防水復合襯砌還未施工)均勻滲水，圍巖內滲流方向以徑向滲流為主。

3.3 計算模型

計算模型圖如下：假定水面以下介質為圍巖、注漿圈、襯砌。取水面為位勢零面，水面高于地表圍巖的深度為h，如果水位線低于地表，則h應取負值；為隧道中心埋深；為隧道注漿圈高度的一半；為注漿圈的厚度；如果不考慮注漿圈，可以將注漿圈與周圍巖土體看成統(tǒng)一介質。

圖4 馬蹄形隧道計算模型示意圖

本文考慮洞周水頭為等水頭條件，具體各個面的壓力水頭設置如圖4中所示：0為隧道襯砌內壁的壓力水頭，如果考慮隧道不排水，則0=0，如果考慮隧道排水，則0≠0；1為襯砌與注漿圈交界面的壓力水頭；h為注漿圈與圍巖界面的壓力水頭；h為水面高于或低于地表圍巖的深度，即圍巖表面的壓力水頭。需要注意的是，如果不考慮注漿圈，可以忽略1和2，僅考慮圍巖中的壓力水頭與洞周的壓力水頭。

3.4 映射函數(shù)的確定

保角變換的原理主要是可以將復平面上的多連通區(qū)域通過幾次變換變成單連通區(qū)域，從而達到簡化拉普拉斯方程求解過程的目的。所以，問題的關鍵就是確定變換的映射函數(shù)。

將具體的變換步驟分為3次[8]：

1) 第1次變換(圖6中(a)到(b))：

變換函數(shù)為

式中：z=x+iy，為滲流區(qū)域中的點集；d為隧道中心的在y方向的高度的一半；h為隧道高度中心距地面的深度。

圖6 幾次保角變換示意圖

2) 第2次變換(圖4中(b)到(c))：

變換函數(shù)為

在平面中，當=1時，對應為隧道邊界；=1時，對應為地表邊界。

需要注意的是，第2次變換時需要展開成無窮級數(shù)項。計算理論上來說，系數(shù)的項數(shù)取得越多越準確，然而，實際情況中，考慮到計算的效率，只取前幾項，同時不產(chǎn)生較大的相對誤差，是一個比較適合的辦法。根據(jù)前人的研究[9, 11]，對于半無限空間下的隧道，隨著項數(shù)的增大，其絕對誤差和平均誤差也相應減小，則得到的映射函數(shù)更加精確。當≥6時，其映射精度變化很小，且誤差與設計圖形的幾何尺寸相比基本可以不計。所以，計算時一般取6項即可滿足需要的變換精度。

3) 第3次變換(圖6中(c)到(d))：

變換函數(shù)為

通過3次保角變換，可以將半無限空間下馬蹄形斷面的隧道滲流問題轉化為單連通矩形滲流 問題。

3.5 滲流場的確定

由假設條件可知，根據(jù)地下水滲流相關理論，可得矩形像平面中的勢函數(shù)拉普拉斯方程：

其中：

為勢函數(shù)；為水頭；為滲透系數(shù)；為孔隙水壓；為水的容重。

解式(6)得：

式中：，分別為圖4中隧道邊界邊和地表邊的勢函數(shù)的數(shù)值；ξ和ξ分別表示在平面中隧道邊界邊和地表邊的所對應的橫坐標值，因此，聯(lián)立式(1)~(5)進行變換，可得：

其中：水頭可表示為：

所以，聯(lián)立式(9)~(10)，可以得到任意一點的孔隙水壓力的解：

如果想得到滲流場Q可由單位滲流量的積分得到：

4 富水細粉砂巖隧道地下水滲流分析

基于第3節(jié)內容，可知只要明確隧道的基本幾何外形參數(shù)、隧道所處的圍巖體的基本巖土參數(shù)以及當?shù)氐叵滤疂B流的基本特性參數(shù)，就可以將復雜形狀斷面的隧道地下水滲流問題簡化并求解。

4.1 工程參數(shù)

根據(jù)3.1所提出的計算模型，為了降低計算難度，可以將太達村隧道實際馬蹄形斷面簡化為“雙橢圓形”，即由上下2部分橢圓合成。同時假設隧道未施作注漿圈，隧道斷面穩(wěn)定排水，具體的情況如圖7所示。

圖7 隧道斷面簡化示意圖

由圖5可得，馬蹄形隧道斷面的基本幾何參數(shù)為：=6.5 m，=7.5 m以及=4.5 m。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況可知，DK241+760~DK241+ 760附近節(jié)理裂隙密集發(fā)育，圍巖處于富水情況，發(fā)生涌水、涌沙可能性較大，故采用該段附近位置的隧道斷面，考慮最不利情況，可以取以下參數(shù)：隧道中心距地表150 m，故拱頂埋深為=150?7.5= 142.5 m；地下水頭根據(jù)實際勘察設定在地表以下130 m左右，為了計算取整，取地下137.5 m；細粉砂巖的滲透系數(shù)取k=2×10?4cm/s，孔隙率為0.5，流體體積模量為=2 GPa，流體密度為=103kg/m3。

4.2 計算結果

根據(jù)第3節(jié)推導的基本數(shù)學模型，結合4.1節(jié)中的工程參數(shù)，結合第3節(jié)中的變換函數(shù)以及滲流場計算公式，進行編程計算、繪圖，可得到在等水頭條件下的(即隧洞周邊水頭為等水頭，地表水頭為0且地下水位的水頭一致)周圍馬蹄形隧道周圍孔隙水壓力分布的計算結果。

由圖8和圖9為本文所提出的方法所求出的解，取隧道中心向右水平延伸的孔隙水壓力，由圖中趨勢可以看出，隨著遠離隧道中心線，孔隙水壓力的變化值逐漸減小，最終趨近于一常數(shù)，約為1.34×103kPa。這一趨勢較為合理，符合隧道地下水孔隙水壓力的基本分布模式；同時，可以觀察到，隧道外邊緣(距隧道中心6.5 m處)的孔隙水壓力為1.24×103kPa，孔隙水壓力較大，需要進行相應的排水施工措施，否則會導致隧道斷面以及掌子面的失穩(wěn)。

圖8 孔隙水壓力和距離隧道中心水平距離關系

圖9 隧道排水量和注漿圈厚度的關系

由圖9可知，沿計算模型的縱向來看，隨著計算模型中的深度逐漸加大，孔隙水壓力也逐漸增大，并且整體呈線性趨勢，這是由于隧道埋深較深，所以孔隙水壓力整體呈線性趨勢，在隧道斷面拱頂處的孔隙水壓力大小約為1.28×103kPa，拱底處約為1.40×103kPa，數(shù)值也較大，需要進行相應的超前排水降壓措施，否則在施工過程中可能會出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌的現(xiàn)象。

5 支護及降水方案研究

以上滲流場分析研究結果表明太達村隧道富水細粉砂巖隧道施工段處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)，且孔隙水壓力較大，考慮到太達村隧道工程地質條件復雜，處理難度大，再加上工期緊張，為了保證工作面能夠順利推進，需要針對此特殊地質條件設計超前支護和降水方案。

5.1 主要問題

根據(jù)第2節(jié)中的基本圍巖特性可知，太達村隧道的圍巖狀況比較特殊，在貧水段，粉砂巖整體的穩(wěn)定性較好，使用常規(guī)開挖及支護措施即可確保施工進度。但是，在富水段，一旦粉細砂圍巖受到開挖擾動，就會形成松動區(qū)域[12]，在此區(qū)域內由于孔隙增多，會加快該區(qū)域的滲流速度，使得該區(qū)域很快達到飽和的狀態(tài)，圍巖產(chǎn)生較大的塑性變形。最終，掌子面處開始出現(xiàn)涌水涌砂的現(xiàn)象，水質渾濁，呈泥漿狀(見圖10)，由于涌砂現(xiàn)象不斷帶走圍巖中的土與砂粒，導致掌子面圍巖穩(wěn)定性難以維持，支護施工措施開展困難，工作面前進十分困難。國內外遭遇相似條件的隧道工程較少，僅有蘭渝線胡麻嶺[13]隧道施工中曾有過相似的工程地質條件，所以，進行此類特殊地質條件下隧道的支護降水措施的討論是很有必要的，可以為未來類似條件的工程提供參考。

根據(jù)實際現(xiàn)場施工的實際情況，結合胡麻嶺隧道施工的相關經(jīng)驗[12?13]，可以確定應采用超前支護與超前降水相結合的方式進行施工。

5.2 支護方案

對于支護方案，常見的方案有洞內帷幕注漿、洞內水平旋噴樁、地表垂直旋噴樁、管幕法、冷凍法和盾構法等。這些基本方法的基本優(yōu)缺點如表1所示。

圖10 隧道掌子面涌砂

表1 不同支護方法的優(yōu)缺點對比

根據(jù)掌子面溜坍堆積物呈粉細砂狀及鉆孔涌泥沙情況，洞內水平旋噴樁是較為合適的方案之一。在太達村隧道中，拱墻可以采用f600水平旋噴樁超前加固，20 m一環(huán)，每循環(huán)搭接5 m，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)68根；掌子面水平旋噴加固間距2 m×2 m，每循環(huán)22根。為加強拱部水平旋噴樁抗彎剛度，內置f108鋼管；上、中臺階鎖腳處各設置一根旋噴樁，每處鎖腳旋噴內置2根42鋼管，布置示意圖可見圖11。

由于水平旋噴樁工藝復雜，成本較高，洞內操作難度較大，經(jīng)多方討論，確定以先采用洞內帷幕注漿的加固方式。在DK241+766~DK241+786施作一環(huán)全斷面超前帷幕注漿加固，注漿長度30 m。注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，注漿采用水泥漿。由于巖質軟弱，成孔困難，拱部采用前進式注漿，其余部位原則上采用后退式注漿，具體布置可見圖12(a)。最終，本段共計注漿鉆孔個數(shù)182個，補充注漿孔11個，注漿總長度4 782 m。本循環(huán)帷幕注漿量總計2 122 m3，每延米注漿量0.44 m3。設置6個驗證孔以驗證注漿效果，現(xiàn)場實際施作5孔，其中取芯4孔，孔內成像1孔見(圖12(b))。最終，經(jīng)專家效果評估，帷幕注漿施工效果明顯，基本滿足設計要求，可以進行下一步施工。

圖11 水平旋噴樁布置圖

(a) 帷幕注漿布置圖；(b) 檢查孔孔內成像圖

5.3 降水方案

由于隧道所處的富水粉細砂巖水穩(wěn)性極差，據(jù)現(xiàn)場勘測，一般掌子面開挖后4～6 h掌子面開始發(fā)生流變，6 h以后掌子面失穩(wěn)，故需要及時采取降水措施保證粉細砂巖含水率保持在合理含水率以內，確保施工安全。

對于降水方案，常見的方案有地表深井降水、洞內全斷面降水等。由前文的滲流分析可知，目前太達村隧道粉細砂地層為弱滲透性地層，且根據(jù)現(xiàn)場鉆孔顯示地層為泥巖、砂巖互層狀，預計地表降水較難發(fā)揮工效，故洞內全斷面降水是比較合理的選擇。結合實際情況，具體可按圖13方法實行：在上、中臺階下50 cm處布設4 m長真空降水管，沿水平方向打設，水平間距1 m，對掌子面前方進行真空降水；同時在隧道側壁各臺階拱腳向下外插打斜向降水管，長度4 m每根，縱向間距0.75 m，外插角30度；最后在沿隧底兩側布置重力真空深井降水管，在隧底離邊墻1.5 m處埋置深于仰拱基底10~12 m的井管，梅花形布置，通過潛水泵將地下水抽出，使地下水位低于坑底。實踐表明，全斷面降水可以取得較好的效果，可以抑制掌子面涌水涌砂的現(xiàn)象。

圖13 全斷面降水布置圖

6 結論

1)在文獻[11]的基礎上，利用保角變換，推導山嶺隧道中馬蹄形隧道在地下水穩(wěn)定滲流作用下滲流場的解，為復雜形狀斷面隧道的滲流場求解問題提供可靠的解決方法。

2) 以太達村富水粉細砂巖層隧道滲流問題為工程實例，利用提出的模型求解地下孔隙水壓力分布的結果，為超前排水工程提供指導。

3) 針對太達村隧道工程的特殊地質條件，分析幾種主要的支護、降水方案的優(yōu)缺點，并結合實際條件提出可靠合理的的超前降水支護方案。

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Study on groundwater seepage characteristics and reinforcement scheme oftunnels surrounded by water-rich fine siltstone rock

LI Xiaofeng

(The 5th Company of the China Railway 18th Bureau Group Co., Ltd, Tianjin 300459, China)

One construction section of the Yumo railway tunnel located in the Taida Village is mainly surrounded by fine siltstone. The excavation disturbance or the occurrence of sand gushing in the presence of water will rapidly deteriorate the mechanical properties of the rock masses and affect the construction progress. To study the seepage characteristics of groundwater in water-rich siltstone tunnels, based on the complex variable function method in the stability analysis of the surrounding rock of the underground tunnel, the shape transformation function of the actual horseshoe tunnel and the numerical solution of tunnel seepage field during the process of excavation were obtained. Compared with the analytical solution of seepage in traditional circular tunnels, this proposed method has higher prediction accuracy. Finally, in combination with the prediction of the analytical solution and the in-situ engineering geological conditions, the rationality of several reinforcement schemes and water-lowering methods were analyzed.

tunnel; seepage characteristics; fine siltstone; complex variable function; groundwater

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200038

U45

A

1672 ? 7029(2020)07 ?1799 ? 09

2020?01?12

國家科技重大專項資助項目(2017YFB1201200)

李小豐(1976?)，男，天津人，高級工程師，從事鐵路工程施工管理及研究工作；E?mail：756855722@qq.com

(編輯 蔣學東)