盾构隧道下穿水库引起的导水裂隙带发育规律研究

彭斌， 张琳， 周永波， 郑雯，3， 邝利军， 谭芝文， 李平

（1.中国建筑五局华南公司，广州 510304；2.青岛理工大学，山东 青岛 266033；3.山东华宇工学院，山东 德州 253034；4.中建隧道建设有限公司，重庆 401320）

0 引言

近年来，为解决城市地面交通拥堵，缓解城市单一地面交通捉襟见肘的现象，我国大力开发城市地下轨道交通工程，地铁隧道的数量随之增多，隧道施工不可避免地会近距离下穿水库、引水隧道等水利工程建筑物。受隧道开挖的影响，周围岩土体产生扰动，使岩土体其间出现大量裂隙，这些裂隙联通形成导水裂隙带，而导水裂隙带的发育范围及程度直接决定着在水体下隧道安全施工的可能性及合理性，因此进行盾构隧道下穿水库引起的导水裂隙带发育规律的研究至关重要［1］。目前导水裂隙带大多在煤炭开采研究中被提及，指煤炭采空区上部覆岩层的冒落带与裂隙带高度之和，在相关研究中，研究学者多以煤炭开采过程中导水裂隙带的发育规律作为主要研究内容，并采用公式法、物探法和现场实测等方法确定上覆导水裂隙带高度［2］。钱鸣高等［3］针对覆岩导水裂隙带的发育高度问题做了大量的理论研究和实践检测，并经统计分析得到了覆岩导水裂隙带高度预测的经验公式；冯学文等［4］利用FLAC3D软件建立数值计算模型，分析工作面采场覆岩应力分布及破坏特征，得出导水裂隙带发育高度随工作面推进距离的增加而快速增加，在工作面一次见方后，导水裂隙带发育高度趋于平缓，基本保持在一个稳定值。然而在进行隧道施工下穿水库、引水隧道这种特殊工程的研究时，研究学者多以周围岩土体的渗透性为主体进行研究。周冠南等［5］通过采用数值模拟的方法对各种渗透系数条件以及隧道开挖与地下水渗流影响下的隧道稳定性进行了研究，研究结果表明，随着隧道的开挖，水库水发生渗流并造成围岩塑性区快速发育，在隧道拱顶位置处产生的塑性区范围最大；陈建刚［6］以实际工程为例，借助Midas有限元分析软件，机型山岭隧道下穿水库时渗流耦合效应对隧道结构的变形及受力的影响研究，并根据研究结果确定了山岭隧道下穿水库的合理净距，得到了水库水位变化对隧道结构内力的影响及相互关系，总结出工程设计的经验方法。

综上所述，目前对于导水裂隙带的研究在煤炭开采工程中进行的较多，在隧道建设工程中主要以隧道周围岩土体的渗透性为主体进行相关研究，关于隧道下穿水库、引水隧道等特殊工程引起的导水裂隙带发育规律的相关研究较少，故文中结合深圳地铁13号线留仙洞站-白芒站区间实际工程，提出一种导水裂隙带发育高度的预测计算方法，对盾构隧道下穿水库引起的导水裂隙带发育规律进行研究。

1 导水裂隙带的形成机理

1.1 隧道开挖引起的导水裂隙带高度分析

盾构隧道掘进会对周围围岩体产生扰动，扰动作用导致围岩应力重新分布并向地表传递，而应力从隧道拱顶向上覆岩层中传递时将使上覆岩体产生变形和破坏，同时，考虑到盾构隧道开挖后管片背后注浆难以充满的问题，开挖造成的临空面使隧道上覆岩体受重力作用产生下沉变形，且随着向上传递，在隧道顶部至地表岩层中会依次出现岩体断裂区（I）、裂隙发展区（II）、连续沉降区（III），其中隧道顶部的岩体断裂区、裂隙发展区由于具有导水性，将二者合称为隧道开挖引起的导水裂隙带，如图1所示。

图1 隧道掘进引起的导水裂隙带分布

1.2 覆岩岩性对导水裂隙带高度的影响分析

由于隧道覆岩的岩性存在差异，岩体特性的不同使隧道覆岩受到隧道施工的扰动作用后引发的覆岩破坏形式不同，进而造成不同岩性的覆岩在扰动作用下产生导水裂隙带的发育高度有一定的差异，不同覆岩岩性特征及破坏规律变化情况如表1所示。

表1 隧道覆岩岩性特征及破坏规律

通过分析隧道覆岩的岩性特征及隧道掘进引起的覆岩破坏规律可知，当隧道顶部为坚硬型覆岩时，因坚硬型岩层断裂产生的裂缝不容易闭合，隧道掘进引起的导水裂隙带发育高度较大；当隧道顶部为中硬型与软弱型覆岩时，因软弱岩层断裂产生的裂缝随时间推移会慢慢闭合，隧道掘进引起的导水裂隙带发育高度较小；当为极软弱型覆岩时，相较于其他类型覆岩，断裂产生的裂缝随时间推移容易慢慢闭合，隧道掘进引起的导水裂隙带发育高度最小。故隧道顶部覆岩越坚硬，隧道掘进引起的导水裂隙带发育高度越大，覆岩越软弱，隧道掘进引起的导水裂隙带高度越小。

1.3 覆岩岩性对导水裂隙带宽度的影响分析

岩层的断裂与否直接影响着导水裂隙带的发育，而岩层的断裂是其变形的结果，对于某一层岩层来讲，其弯曲下沉导致该岩层产生受拉区，其拉应力超过岩土体受拉极限时便产生断裂，因岩层的中性层面拉伸量与裂隙带的分布密度以及裂隙的张开程度存在一定的关系，所以选取岩层中性层的拉伸量作为导水裂隙带裂隙发育程度的衡量参数。隧道开挖形成临空面，隧道上覆岩层受重力作用弯曲下沉形成下沉盆地，因盆地中部地带的弯曲下沉量很大，会发展为近水平形式，而盆地两侧的岩体处于拉伸状态，所以岩层的拉伸变形量主要在盆地两侧，且产生的导水裂隙带宽度较大，如图2所示。

图2 岩层拉伸变形

1.4 隧道开挖直径对导水裂隙带高度的影响分析

隧道开挖直径的大小影响着导水裂隙带的发育高度。隧道开挖直径越大，即开挖造成的临空面越大，由于管片背后注浆以及浆液凝固均需要一定的时间且注浆难以完全充满建筑空隙，上覆地层在重力作用下发生的下沉量较大，进而使隧道顶部产生的岩体断裂区（I）增大；同时，大直径隧道盾构施工会对周围岩土体产生较大的扰动，隧道上覆地层岩土体受隧道施工扰动产生的变形增大，隧道顶部至地表岩层中依次出现的岩体断裂区（I）、裂隙发展区（II）、连续沉降区（III）也均会增大，进而使导水裂隙带的高度有所增加。

2 导水裂隙带高度计算工程实例

以深圳市地铁13号线留～白区间工程为例，采用提出的导水裂隙带发育高度的计算方法对隧道施工引起的导水裂隙带高度进行计算。区间隧道直径为6m，在YDK12+875～YDK12+882段下穿西丽水库、铁岗水库引水隧道，与隧道最小竖向净距约23.64m。通过实际地质勘察，该区间段内盾构隧道穿越地层从上至下依次为素填土、硬塑砾质黏性土、全风化黑云母花岗岩、强风化黑云母花岗岩、中风化黑云母花岗岩，文中主要关注于对上方水库的影响，故只对隧道上覆岩层的特性进行归纳总结，如表2所示。

表2 区间段内隧道覆岩的岩性特征

2.1 岩层充分扰动边界角的确定

结合实际工程隧道埋深与刘赟［7］的研究将3种岩层按4m为一个单元岩层从隧道拱顶向上进行均等划分，即：中风化岩分为4层，标号为1～4；强风化岩为1层，标记为5；全风化岩为1层，标记为6。然后使用式（1）计算各岩层中间层的层位高度h，最终得到各划分岩层厚度及岩层中间层层位高度，如表3所示。

表3 各岩层厚度及中间层距隧道拱顶距离 m

依据表2与表3可知，岩层1～4层为坚硬型中风化岩，基于P系数法［8，9］确定覆岩性质综合评价系数P=0.15，然后根据隧道开挖扰动边界角δ0正切值与覆岩岩性P值的关系得到tanδ0=1.5，即cotδ0=0.667；岩层5和6均为中硬型岩，则P=0.5，tanδ0=2，cotδ0=0.5。然后根据各岩层的中间层层位高度以及隧道半径，采用式（2）计算得到隧道开挖充分扰动边界角ψ0的正切值tanψ0，进而得到岩层充分扰动边界角的余切值cotψ0，如表4所示。

表4 岩层充分扰动边界角余切值

式中，h为岩层中间层距隧道拱顶的距离，即为岩层中间层的层位高度；D为隧道横断面上地层损失（由于隧道开挖和管片背后注浆未充满产生的临空面）的高度。

2.2 导水裂隙带发育高度的确定

首先采用式（3）计算各岩层中间层的最大下沉量w0，因下沉系数q与覆岩岩性以及岩层中间层至隧道拱顶的距离有关，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》［10］，考虑实际工程区间段岩层的岩性及厚度，近似取下沉系数为0.5。然后基于已经得到的隧道开挖扰动边界角余切值、岩层充分扰动边界角余切值及各岩层中间层最大下沉量w0，采用式（4）、式（5）、式（6）即可求得各个岩层的层向拉伸率ε［11］，计算得到的各岩层中间层层向拉伸率如表5所示。

表5 各岩层中间层层向拉伸率 %

式中，D为隧道横断面上地层损失（由于隧道开挖和管片背后注浆未充满产生的临空面）的高度；q为岩层下沉系数。

式中，l0为岩层中间层弯曲变形前的长度；l1为岩层中间层弯曲变形后的曲线段弧长。

根据表5可以看出，岩层中间层层向拉伸率的大小与岩层中间层层位高度有密切联系。隧道上覆岩层受隧道施工扰动作用，距离隧道拱顶最近的中风化岩1的层向拉伸率最大，距离隧道拱顶最远的全风化岩6的层向拉伸率最小，即随着中间层层位高度的增加，岩层中间层的层向拉伸率逐渐减小。产生这种现象的原因：隧道施工对上覆岩层的扰动作用在由隧道拱顶向地表传递过程中会逐渐减小，使上覆岩层中间层的层位高度越小，岩层中间层受扰动作用产生的弯曲变形越大，岩层中间层的层向拉伸率也越大。

最后，利用Origin软件拟合基于实际工程求得的各岩层中间层层向拉伸率与岩层中间层层位高度的关系曲线，拟合得到的关系曲线图如图3所示。因随着中间层位高度的增加，上覆岩层受隧道施工的影响越来越小，岩层中间层的层向拉伸率会逐渐减小，岩层有一定的隔水能力，不会形成渗流通道，故可以选择关系曲线由快速变化段进入平缓变化段的转折点所对应的岩层中间层层位高度作为导水裂隙带的发育高度。

图3 关系曲线拟合图

根据图3拟合得到的关系曲线可以看出，随着岩层中间层层位高度的增加，岩层中间层的层向拉伸率逐渐变小，当岩层中间层层位高度为22m时，拟合曲线开始变得更为平滑，岩层中间层层向拉伸率进入平缓变化段，即岩层中间层依然有拉伸，但拉伸率数值很小，故认定工程区间段的导水裂隙带的发育高度为22m左右。由于实际工程中引水隧道与隧道最小竖向净距约23.64m，大于导水裂隙带的发育高度，故该区段盾构施工引起的导水裂隙带发育高度不会波及上覆水体底部，对引水隧道的结构安全和盾构施工进度影响较小。

3 结语

文中以深圳地铁13号线留仙洞站-白芒站区间工程为例，采用理论分析的方法对盾构隧道施工下穿水库引起的导水裂隙带发育规律进行研究，并得出以下结论：

（1） 隧道掘进引起的导水裂隙带发育规律可参考煤层在扰动条件下导水裂隙带的发育规律继续研究，隧道开挖形成临空面并对上部岩层产生扰动，使隧道顶部至地表岩层中依次出现岩体断裂区、裂隙发展区、连续沉降区，其中隧道顶部的岩体断裂区、裂隙发展区由于具有导水性，将二者合称为隧道开挖引起的导水裂隙带。

（2） 隧道上覆岩岩性对导水裂隙带的高度与宽度均有影响，覆岩越坚硬，导水裂隙带发育高度越大，覆岩越软弱，导水裂隙带高度越小；隧道开挖形成临空面，上方岩层受重力作用弯曲下沉形成下沉盆地，主要在下沉盆地两侧产生拉伸变形，即导水裂隙带的宽度在下沉盆地两侧位置处较大；隧道开挖直径的大小也影响着导水裂隙带的发育高度。

（3） 结合工程实例对隧道下穿水库引起的导水裂隙带高度进行预测计算，通过对拟合的各岩层中间层层向拉伸率与岩层中间层层位高度的关系曲线进行分析，得到工程区间段的导水裂隙带发育高度为22m左右，由于引水隧道与隧道最小竖向净距大于导水裂隙带发育高度，故盾构隧道下穿水库、引水隧道引起的导水裂隙带高度不会波及上覆水体底部，对引水隧道结构安全和盾构施工进度影响较小。