王海波,李海濤,辛文青,薄冠中,李 偉,張永興

(1. 水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410014;2. 南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 210037;3. 江蘇省交通工程建設(shè)局, 江蘇 南京 210004;4. 中交一公局第二工程有限公司, 江蘇 蘇州 2150011;5. 新疆交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法局質(zhì)量監(jiān)督執(zhí)法支隊(duì), 新疆 烏魯木齊 830000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,對(duì)道路工程的交通運(yùn)輸能力需求也在不斷提升,為滿足不斷增長(zhǎng)的交通量通行要求,超寬多車道已經(jīng)成為高速公路設(shè)計(jì)首選.我國(guó)是個(gè)多山的國(guó)家,路線設(shè)計(jì)往往會(huì)受到地形地貌的限制,因此淺埋小凈距隧道工程逐漸增多.公路隧道選址往往會(huì)遇到復(fù)雜的工程地質(zhì)情況,施工過(guò)程中常常存在一系列潛在風(fēng)險(xiǎn),其中尤以隧道施工開挖面突涌水導(dǎo)致的掌子面失穩(wěn)最為典型[1-4],不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、工期延長(zhǎng),而且還可能引起塌方、掩埋等安全事故,造成不良的社會(huì)影響.因此,如何針對(duì)施工涌水風(fēng)險(xiǎn)采取合理的施工控制工藝和防涌水對(duì)策尤為重要[5-10].

隧道施工涌水的原因較復(fù)雜,總體上可以概括為地質(zhì)因素和人為因素兩大類.李術(shù)才等[11]通過(guò)對(duì)221例突水突泥災(zāi)害案例的統(tǒng)計(jì)分析,提出4種典型的隧道突水突泥類型,即直接揭露型、漸進(jìn)破壞型、滲透失穩(wěn)型和間歇破壞型;陳劍等[12]對(duì)富水?dāng)鄬悠扑閹凰可霸蚣傲W(xué)形成過(guò)程進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)富水?dāng)鄬悠扑閹Х€(wěn)定性差、未進(jìn)行有效加固,在開挖卸荷和爆破擾動(dòng)雙重作用下,巖體防突水層厚度超過(guò)臨界狀態(tài),進(jìn)而導(dǎo)致掌子面發(fā)生突水涌砂.以上研究成果分析了隧道開挖涌水機(jī)理,并通過(guò)大量實(shí)例總結(jié)了隧道涌水的各種原因.許振浩等[13-14]基于動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制機(jī)制,綜合賦權(quán)專家評(píng)分法的初步、二次評(píng)估與動(dòng)態(tài)評(píng)估模型相結(jié)合,利用層次分析法研究巖溶類隧道施工涌水風(fēng)險(xiǎn)控制方法;顧義磊等[15]介紹了通渝隧道K21+780涌水突泥段的加固、封堵和排水系列措施的方案實(shí)施細(xì)節(jié),并通過(guò)圍巖變化量測(cè)驗(yàn)證治理方案的合理性;李學(xué)東等[16]對(duì)龍?zhí)短亻L(zhǎng)公路隧道突水涌泥坍塌治理措施進(jìn)行分析,重點(diǎn)就坍塌段和未坍塌危險(xiǎn)段的加固分別進(jìn)行了探討.

目前對(duì)隧道的涌水研究主要集中在溶洞、軟弱圍巖、暗河連通等的突水突泥預(yù)測(cè)與病害處置,而針對(duì)地下水滲流對(duì)掌子面穩(wěn)定性影響的研究不多.由于地下水分布和補(bǔ)給條件復(fù)雜,且易受到氣候等因素的影響,考慮降雨入滲條件時(shí)很多研究較少考慮地下水滲流場(chǎng)對(duì)掌子面的影響,因此有必要針對(duì)小凈距隧道的地下水滲流場(chǎng)對(duì)掌子面穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析.

1 工程背景及地質(zhì)概況

宜興至長(zhǎng)興高速公路梅子嶺隧道位于宜興市張渚鎮(zhèn)大賢嶺林場(chǎng),滿足淺埋短隧道設(shè)計(jì)條件且按小凈距隧道形式進(jìn)行布置.隧道左右洞的凈間距約為19.0～22.1 m,最大埋深達(dá)到50 m.先行洞隧道右線樁號(hào)為K10+155～K10+476,全長(zhǎng)321 m,隧道左線樁號(hào)為ZK10+151～ZK10+514,全長(zhǎng)363 m,左右線隧道的進(jìn)出口均采用削竹式洞門.隧道按車速120 km/h的雙向6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí).

梅子嶺隧道地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),降水豐沛且全年都有雨,據(jù)統(tǒng)計(jì),該地區(qū)年平均雨日為136.6 d,年平均降水量達(dá)到1 207.7 mm,雨期主要集中在6—9月份,占年降水量的48.5%.該地區(qū)的降水量大于蒸發(fā)量,春夏雨水集中,地面水、地下水含量豐富.對(duì)本工程而言,大氣降水是隧道地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源.圖1為梅子嶺隧道進(jìn)口端現(xiàn)場(chǎng)平面位置及工況圖.隧道位于構(gòu)造剝蝕低山丘陵區(qū),地表覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土夾碎石,下部為強(qiáng)～中風(fēng)化長(zhǎng)石石英砂巖,巖體介于破碎～較破碎狀態(tài),節(jié)理裂隙發(fā)育呈碎塊狀及塊狀,圍巖穩(wěn)定性差,基巖裂隙水發(fā)育.

(a) 隧道平面位置布置

為充分揭示隧道掌子面圍巖的風(fēng)化情況,使用美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)并運(yùn)用100 MHz天線3次探測(cè)(見(jiàn)圖2)巖體的破碎程度以及泥石的混合狀態(tài),探測(cè)區(qū)域?yàn)樗淼赖亩纯诙碎_挖起始處、隧道中部以及未開挖區(qū)域,每次探測(cè)進(jìn)深為30 m.地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置如圖2(c)所示,各斷面布置由左及右4條測(cè)線.

(a) SIR-20地質(zhì)雷達(dá)

以右洞左側(cè)壁K10+177.5～K10+207.5位置為例,由圖3探測(cè)地質(zhì)雷達(dá)波的波形可見(jiàn)：①號(hào)線全段均有反射,15～25 m段局部位置反射強(qiáng)烈;②號(hào)線6、8、11、14、16、19 m中部位置波形波動(dòng)強(qiáng)烈;③號(hào)線右側(cè)局部位置反射強(qiáng)烈;④號(hào)線6～21 m段部分位置反射強(qiáng)烈.①號(hào)線較②號(hào)線反射強(qiáng)烈,④號(hào)線較③號(hào)線反射強(qiáng)烈，雷達(dá)掃描同相軸清晰、連續(xù).

①號(hào)線

經(jīng)分析判斷,當(dāng)前掌子面為強(qiáng)風(fēng)化長(zhǎng)石石英砂巖,石夾土混合結(jié)構(gòu).結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況判定：梅子嶺隧道進(jìn)洞口局部范圍圍巖為Ⅴ級(jí),入洞50 m后基本為Ⅳ級(jí)圍巖.據(jù)信號(hào)推斷掌子面前方左側(cè)壁15～25 m范圍巖體較破碎,且上部中間位置存在石土塊.整體圍巖破碎,存在泥夾石,節(jié)理裂隙發(fā)育明顯.未開挖區(qū)域0～3 m范圍主要為殘坡積碎石土,3 m之后將進(jìn)入巖體,存在節(jié)理裂隙發(fā)育,伴隨碎石及泥夾石結(jié)構(gòu).可見(jiàn)整體圍巖完整性較差,圍巖自穩(wěn)能力差.在開挖過(guò)程中,若初期支護(hù)不及時(shí),開挖后易出現(xiàn)掌子面及拱部局部失穩(wěn)坍塌等安全問(wèn)題.

2 有限元數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程地形變化及高程控制條件,選取隧道進(jìn)口段一定進(jìn)深范圍作為建模研究對(duì)象.圖4為所建三維實(shí)體模型,尺寸為長(zhǎng)×寬×高=150 m×150 m×100 m,雙線隧洞左右線間距約為20 m,洞寬15 m,洞高約10 m,洞口采用削竹形洞口,模擬掘進(jìn)深度約100 m,隧道最大埋深約50 m,地下水分布面大致與地表面平行,埋深大約為7 m,進(jìn)出洞口段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖,其余采用三臺(tái)階法施工.

圖4 模型網(wǎng)格圖(單位:m)

為了簡(jiǎn)化分析問(wèn)題,按工程地質(zhì)勘察鉆孔資料揭示巖層厚度信息,以均化分層建模方式設(shè)定的巖體坐標(biāo)點(diǎn)起伏控制圍巖分布情況.模型中假設(shè)土體為理想彈塑性體,襯砌、錨桿等結(jié)構(gòu)均采用彈性體,地下水的流動(dòng)屬于恒定流且滿足達(dá)西定律,圍巖為均質(zhì)、各項(xiàng)同性材料,且各個(gè)方向的滲透系數(shù)相同.具體參數(shù)見(jiàn)表1和表2.

表1 圍巖地層部分物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)

2.2 模擬工況及合理性驗(yàn)證

模型模擬工況為入洞50 m范圍Ⅴ級(jí)圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,后采用三臺(tái)階法開挖施工,模擬大暴雨雨強(qiáng)為150 mm/d.模型襯砌為不透水界面板單元.在此主要對(duì)三臺(tái)階法進(jìn)行分析,其施工流程為：先施作上臺(tái)階周邊超前支護(hù),待圍巖穩(wěn)定后開挖上臺(tái)階,并且施作上臺(tái)階的周邊襯砌;在滯后上臺(tái)階10 m處開挖中臺(tái)階,并且施作中臺(tái)階周邊襯砌;在中臺(tái)階4 m處開挖下臺(tái)階,并且施作下臺(tái)階周邊襯砌,計(jì)算變形云圖見(jiàn)圖5.

圖5 臺(tái)階法開挖變形計(jì)算云圖

圖6為最大地表沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比.由圖6可見(jiàn),斷面一和斷面三的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值均比較接近；從變化趨勢(shì)看,地表沉降均隨著時(shí)間增加即掘進(jìn)進(jìn)尺增加而不斷增大,拱頂沉降發(fā)展

(a) 斷面一

與時(shí)間呈線性發(fā)展規(guī)律.由于實(shí)際施工過(guò)程襯砌施工具有一定的滯后性,且拱頂沉降值受上方圍巖壓力及滲流作用影響,監(jiān)測(cè)值雖較計(jì)算值稍大但吻合度較好.

圖7為隧道開挖引起的拱頂沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)比.模擬拱頂沉降最大值約為20 mm,實(shí)測(cè)最大值約為18 mm.從兩者的對(duì)比情況可以看出,隨著開挖進(jìn)深的推移，拱頂沉降有波動(dòng)但兩者的變化趨勢(shì)接近,說(shuō)明所建立模型合理、可靠.

圖7 拱頂沉降對(duì)比

2.3 掌子面涌水病害

圖8為梅子嶺隧道先行洞右洞施工過(guò)程中洞頂埋深達(dá)到32 m時(shí)適逢降雨期間的掘削臨空面滲漏水調(diào)查情況.由于適逢雨季集中降雨階段,上覆山坡積水沿節(jié)理面發(fā)育裂隙入滲,隧道開挖施工導(dǎo)致圍巖松動(dòng),在隧道掌子面正軸線傾斜向125°方向局部暴露出突涌水,從凌晨3∶00開始至次日20∶00停止,出涌水量總計(jì)約205 m3/d.分析認(rèn)為該突水情況主要受地層巖性、巖層產(chǎn)狀組合、構(gòu)造以及地形地貌等因素影響,考慮節(jié)理裂隙發(fā)育影響和補(bǔ)、徑、排、入滲條件的制約,本案例屬于典型的裂隙破碎帶降雨入滲突水致災(zāi)構(gòu)造類型.從機(jī)制上分析,這主要是由于強(qiáng)風(fēng)化裂隙發(fā)育發(fā)展形成了廣泛的裂隙網(wǎng)絡(luò),在隧道開挖后節(jié)理面剪切滑移形成局部的塑性區(qū),隨著地表降雨量的增大,沿裂隙面入滲匯聚到達(dá)隧道開挖臨空面時(shí)產(chǎn)生突涌水.

(a) 臨空面滲漏水

圖9為隧道施工進(jìn)深為30 m時(shí)模型滲流場(chǎng)分布云圖.由圖9可見(jiàn):掌子面涌水主要集中在先行洞右洞上臺(tái)階臨空面,中臺(tái)階臨空面次之,下臺(tái)階涌水量最小；從滲流影響范圍來(lái)看,掌子面后滲流區(qū)會(huì)隨著掘進(jìn)深度的增加而增加,并且滲流會(huì)向上臺(tái)階臨空面以及中臺(tái)階臨空面聚集.結(jié)合掌子面的變形云圖(圖10)進(jìn)行分析,上臺(tái)階處為涌水最大流量點(diǎn),對(duì)應(yīng)上臺(tái)階處的掌子面變形也最大.顯見(jiàn),掌子面的穩(wěn)定性與地下水的滲流有著密切聯(lián)系,實(shí)際施工過(guò)程中需注意上、中臺(tái)階部位掌子面穩(wěn)定性.

圖9 掌子面涌水分布云圖

圖10 不同掘進(jìn)深度下隧道掌子面變形云圖

3 涌水處置措施效果分析

針對(duì)涌水最不利情況及變形分析,采用有限元數(shù)值分析方法對(duì)防排水措施效果進(jìn)行評(píng)價(jià),主要對(duì)泄水孔排水、掌子面注漿、加大截水天溝寬度這三種工況進(jìn)行處置措施效果分析.

3.1 泄水孔排水

雖然涌水不利位置集中在上臺(tái)階處,但是考慮施工便宜性,一般選擇在兩側(cè)位置打泄水孔,這可能破壞原初襯與二襯間的阻隔防水卷材等的密封性.數(shù)值分析時(shí)采用在下臺(tái)階處打設(shè)泄水孔的方案進(jìn)行排水效果分析.模型中相鄰泄水孔之間的間距設(shè)定為2 m,泄水孔的直徑為0.1 m,分別在下臺(tái)階涌水部位設(shè)置一排、兩排和三排泄水孔,每排泄水孔共有五個(gè).

(a) 無(wú)泄水孔

圖11為開挖掌子面設(shè)置不同泄水孔后涌水分布云圖.未設(shè)泄水孔時(shí),隧道涌水主要集中在上臺(tái)階拱頂、上臺(tái)階掌子面中部、中臺(tái)階中間等部位;設(shè)置一排泄水孔時(shí),涌水主要集中于上臺(tái)階、中臺(tái)階中部以及邊角部位,拱頂及拱頂下方涌水量較大,在打設(shè)相應(yīng)泄水孔之后,水流經(jīng)泄水孔與排水溝排出隧道外,降低了隧道涌水風(fēng)險(xiǎn);設(shè)置兩排泄水孔時(shí),最大涌水區(qū)域依然集中在上臺(tái)階掌子面以及中臺(tái)階面中部;設(shè)置三排泄水孔后,隧道掌子面與襯砌交接臨空面的涌水幾乎消失,僅剩下上臺(tái)階處拱頂以及中臺(tái)階中間部位會(huì)出現(xiàn)涌水.如圖12和圖13所示,設(shè)置泄水孔對(duì)掌子面涌水風(fēng)險(xiǎn)的治理效果明顯,設(shè)三排泄水孔之后,隧道掌子面涌水幾乎不構(gòu)成危險(xiǎn),掌子面最大水平位移控制有效.依此規(guī)律,在設(shè)置更多泄水孔的情況下隧道掌子面的涌水穩(wěn)定控制可以得到不斷加強(qiáng).

圖12 不同泄水條件下掌子面日均涌水量變化

圖13 不同泄水條件下掌子面最大水平位移變化

3.2 掌子面注漿

梅子嶺隧道掌子面日均涌水量較大時(shí),可以通過(guò)掌子面注漿,即在掌子面后方形成注漿區(qū)帷幕進(jìn)行防涌水處置.為了模擬分析注漿帷幕的治理效果,設(shè)定注漿區(qū)半徑為3.0、3.5、4.0 m的工況,觀察掌子面的涌水情況(見(jiàn)圖14).為了防止注漿過(guò)程中漿液流出,保證掌子面能承受注漿壓力,在對(duì)掌子面進(jìn)行處理過(guò)程中,一般可將注漿墻厚度取1 m.此外,注漿孔的布置需要根據(jù)工程地質(zhì)以及水文狀況,并且結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)來(lái)確定,模擬假設(shè)注漿施工的漿液可以均勻擴(kuò)散到圍巖之中.

從圖14和表3中可知,對(duì)掌子面進(jìn)行超前帷幕注漿后,上臺(tái)階掌子面涌水量明顯減少,最大涌水位出現(xiàn)在中臺(tái)階面,此時(shí)由于注漿區(qū)厚度較小,上臺(tái)階掌子面涌水相對(duì)較大,需要進(jìn)一步加厚注漿區(qū)來(lái)減小掌子面的涌水量.當(dāng)加厚注漿區(qū)半徑至3.5 m時(shí),上臺(tái)階掌子面涌水量以及涌水面積進(jìn)一步減小,掌子面最大變形出現(xiàn)在上臺(tái)階掌子面,最大涌水區(qū)域依然在中臺(tái)階面上,涌水范圍幾乎沒(méi)有變化,但是涌水量有所減小,減小幅度不大,注漿帷幕墻的止水效果僅對(duì)其所加固掌子面有較好效果,對(duì)其他部位掌子面無(wú)加固止水效果.當(dāng)注漿區(qū)半徑達(dá)到4 m時(shí),掌子面穩(wěn)定性進(jìn)一步提高,中臺(tái)階面的涌水范圍幾乎不變,但涌水量有所減小.

(a) 半徑為3.0 m

表3 掌子面注漿對(duì)隧道涌水影響

3.3 截水天溝

梅子嶺隧道涌水很大程度上會(huì)受到降水地表徑流的影響,實(shí)際工程中,在隧洞頂端設(shè)置截水天溝,通過(guò)加大截水天溝的寬度來(lái)減小地表徑流引發(fā)的隧洞大規(guī)模涌水的潛在威脅.圖15為模擬隧洞在截水天溝寬度分別為0.2、0.4、0.6、1.0 m時(shí)掌子面的涌水情況.圖16為截水天溝寬度對(duì)掌子面日均涌水量的影響,很明顯,隨著截水天溝寬度的增加,隧道涌水量明顯減少.

(a) 0.2 m

圖16 截水天溝寬度對(duì)涌水影響

4 結(jié)論

本文以梅子嶺小凈距淺埋隧道為工程背景,對(duì)降雨入滲隧道施工掌子面引起涌水風(fēng)險(xiǎn)及防水措施效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià).得出結(jié)論：

1) 據(jù)地質(zhì)雷達(dá)掃描預(yù)報(bào)得出梅子嶺隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育較豐富,所在線路隧洞入口局部范圍圍巖體風(fēng)化破碎且伴隨泥夾石結(jié)構(gòu),完整性不高且自穩(wěn)能力差,總體處于Ⅴ到Ⅳ級(jí)水平;

2) 打設(shè)泄水孔的措施對(duì)掌子面涌水風(fēng)險(xiǎn)的治理效果比較明顯,在設(shè)置三排泄水孔之后,隧道掌子面涌水明顯可控,穩(wěn)定性增強(qiáng);

3) 超前帷幕注漿止水效果顯著,注漿區(qū)半徑稍有增加,隧道掌子面日均涌水量有明顯降低,隨著注漿區(qū)厚度的增加,掌子面的最大變形顯著減小;

4) 截水天溝可在原有止水措施基礎(chǔ)上進(jìn)一步輔助降低隧道日均涌水量,且設(shè)置越寬效果越好;

5) 梅子嶺隧道滲流涌水最不利點(diǎn)位于上臺(tái)階臨空面,對(duì)應(yīng)的掌子面變形最大,在施工過(guò)程中應(yīng)注意監(jiān)測(cè)控制.