富水粉细砂岩地层隧道排堵水措施的适应性

时间：2024-07-28

弯晓林兰庆男张志强

1.中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031

堵水限排是富水粉细砂岩地层隧道施工中常用处理措施［1-2］。相关学者对富水粉细砂地层隧道设计、施工问题已经研究得比较深入。李国良等［3］针对兰渝铁路、宁夏王洼铁路隧道建设中富水粉细砂岩突水突泥问题，提出以重降水、密导管、强支护、辅注浆、快挖快支快封闭为主的治理措施。朱宝［4］针对胡麻岭隧道富水粉细砂岩掌子面失稳问题，综合比选各种施工方法，实践验证了分部开挖法控制初期支护变形、涌突水效果较好。张建奇［5］采取轻型真空井点降水与管井降水相结合的降水措施，避免程儿山隧道富水粉细砂岩因地下水而造成岩体结构破坏、围岩软化变形等工程灾害。郑青［6］提出以超细水泥-水玻璃材料代替普通水泥-水玻璃材料，解决富水粉细砂地层中暗挖隧道注浆止水效果差的问题，并确定了该地层中的浆液配合比、注浆参数、注浆孔布置方法等。李小丰［7］推导了马蹄形隧道渗流场解析解，并针对太达村隧道粉细砂岩地层遇水涌砂问题，分析不同超前加固、降水方法的优缺点，提出以全断面降水、超前帷幕注浆加固为主的治理措施。毕焕军［8］针对胡麻岭隧道粉细砂岩地层涌水涌沙现象，通过建立该区域水文地质数值模型，得到隧道流速及涌水量，用以指导施工。李世才等［9］针对桃树坪隧道富水粉细砂岩地层施工中存在的掌子面溜塌、初期支护侵限等问题，提出高压旋喷注浆预加固技术。王丽庆、朱正国等［10-11］针对大西客运专线上白隧道施工中掌子面漏砂、涌砂问题，利用高压喷射的浆液改良粉细砂地层的黏聚力，解决了该地层无法形成预期开挖轮廓的施工难题。周立新［12］通过理论推导液桥平衡方程，开展粉细砂地层渗透系数试验、渗透注浆试验，探究了非饱和粉细砂地层持水特性和注浆机理。

本文以云南玉磨铁路安定隧道为工程依托，通过建立富水粉细砂岩地层隧道4种排堵水措施下三维数值模型，研究围岩渗流场特征、隧道及周边水压力分布规律，通过比较衬砌结构水压力和排水量，探究不同排堵水措施对高水压环境的适应性。

1 工程概况

安定隧道位于玉磨铁路宁洱站—普洱站区间，为单洞双线隧道，全长5 815 m，最大埋深约180 m，最小埋深仅12 m，洞身有2处浅埋段，衬砌结构设计见图1。

图1 衬砌结构设计（单位：mm）

根据地勘资料，隧址穿越区（DK133+756—DK133+985 段）为粉细砂岩地层。该地层长时间遇水浸润后，在施工扰动下弱胶结的粉细砂岩变得松散，围岩稳定性迅速变差。

2 粉细砂岩地层工程性质

粉细砂岩广泛分布在第三系地层中，其形成过程及力学机制较为复杂，不同地区物理力学性质、水文地质特性差别较大［13-14］。因此，从安定隧道现场取样，开展渗透试验、颗粒级配试验，并结合既有文献总结分析粉细砂岩地层工程特性，为隧道设计、施工及后期运营维护提供依据。

2.1 粉细砂岩颗粒级配试验

粉细砂岩颗粒级配曲线见图2。粉细砂岩不均匀系数平均值为5.23，曲率系数平均值为1.87，可判定该隧道粉细砂岩级配良好。该地层主要靠粉细砂颗粒间摩擦力维持其自身稳定。在外界多次施工扰动和地下水作用下颗粒间摩擦力降低，易发生变形从而导致剪切滑移破坏、掌子面失稳。

图2 粉细砂岩颗粒级配曲线

2.2 粉细砂岩渗透试验

工程现场粉细砂岩初始含水率为9.8%，通过改变粉细砂岩密度制备不同孔隙率试样，开展渗透试验。对实测数据进行拟合，得到粉细砂岩渗透系数、孔隙率与密度的关系曲线，见图3。可知：工程现场粉细砂岩密度为1 813 kg/m3，对应的渗透系数为6.76 ×10-3cm/s、孔隙率为0.37，属于中等透水性，其渗透系数远大于黄土、黏土等。这表明富水环境下粉细砂岩地层透水性较强，随着掌子面开挖存在涌水涌砂风险。因此，隧道施工期及后期运营应采取排堵水措施，着重加强地下水处理。

图3 粉细砂岩渗透系数、孔隙率与密度的关系曲线

3 粉细砂岩地层隧道排堵措施分析

3.1 计算模型及参数

安定隧道粉细砂岩为Ⅴ级围岩，地下水位至隧道拱顶100 m。综合考虑隧道埋深、地下水位以及边界效应，数值模型（图4）尺寸为100 m（长）×30 m（宽）×150 m（高）。

图4 数值计算模型

假设围岩、注浆加固圈为理想弹塑性材料，服从摩尔-库伦强度准则；初期支护、二次衬砌为弹性材料。防水板可有效阻止地下水渗入二次衬砌，认为二次衬砌材料渗透系数为0，故将二次衬砌设为不透水材料；围岩、支护材料物理力学参数参考室内试验结果及规范取值，见表1。

表1 材料物理力学参数

3.2 边界条件及计算工况

模型侧面、底面均设置法向约束。模型底面、侧面设置为不透水边界，同时假定地下水位以下围岩始终处于饱和状态。

采用注浆堵水、环向盲管排水措施，探究不同排堵水措施对高水压环境的适应性。计算工况设置见表2。

表2 计算工况设置

3.3 计算结果与分析

3.3.1 围岩渗流场分布特征

工况1 和工况2 围岩水压力等值线见图5。可知：①两种工况隧道附近围岩水压力等值线均呈漏斗状分布，由于二次衬砌边界设置为不透水，隧道周边地下水只能通过环向、纵向盲管排出，其排水泄压能力有限，故远场围岩渗流场分布特征与未开挖状态相差不大；②工况1 仅在隧道排水盲管附近形成局部水压力等值线密集分布圈，而工况2在隧道注浆加固圈、排水盲管附近形成水压力等值线密集分布圈。同时等值线分布密集处水压力变化较大，表明排水、堵水效果好。因此，工况2 相比工况1 起到更好地降低隧道周边围岩水压力的作用。

图5 工况1和工况2围岩水压力等值线（单位：Pa）

3.3.2 隧道及周边水压力分布规律

由于远场围岩渗流场分布特征与未开挖状态相差不大，因此仅探讨隧道拱顶、仰拱处由初期支护内表面径向向外延伸6 m范围的水压力分布规律。工况1、工况3 仅采取排水措施，监测段分为初期支护段（0 ～0.27 m）和围岩段（0.27～6.00 m）；工况2、工况4采取排堵水措施，监测段分为初期支护段（0～0.27 m）、注浆加固段（0.27～2.27 m）、围岩段（2.27～6.00 m），如图6所示。

图6 计算模型监测点及监测范围

隧道拱顶及周边围岩水压力变化见图7。由图7（a）可知，工况1、工况3 水压力变化主要分为两个阶段：①平缓段，发生在初期支护内，此时水压力几乎不变；②稳定变化段，发生在围岩内，随着距初期支护内表面距离增大，水压力基本上呈线性变化。

图7 隧道拱顶及周边围岩水压力变化

由图7（b）可知，工况2、工况4 受初期支护、围岩、注浆加固圈渗透系数影响，水压力变化可分为三个阶段：①平缓段，发生在初期支护内，由于初期支护渗透系数较小，水压力几乎不变；②急剧变化段，发生在注浆加固圈内，此时排堵水结合有效改善了粉细砂岩的渗透性导致水压力变化较大；③稳定变化段，发生在围岩内，水压力基本上呈线性变化。

对比图7（a）和图7（b）可知：从工况1到工况3环向盲管间距由5 m 增至10 m，0 ～ 4.85 m 水压力有所增大；从工况2 到工况4 注浆圈厚度不变，环向盲管间距由5 m 增至10 m，0 ～ 1.62 m 水压力也有所增大。可见，排堵水结合时环向盲管的影响范围有所减小。

隧道仰拱及周边围岩水压力变化见图8。可知：工况1 和工况3 曲线基本上重合，工况2 和工况4 曲线基本上重合，这是仰拱部位未设置任何排水措施所致，无论环向盲管间距5 m 还是10 m 均不会对仰拱部位水压力分布规律造成影响，注浆加固才是影响仰拱处水压力分布规律变化的主要原因。类似工程中在注浆加固的同时，应加强隧道仰拱防排水设计，防止仰拱水压力过大从而影响其长期服役性能。

图8 隧道仰拱及周边围岩水压力变化

3.3.3 衬砌结构水压力、排水量比较

对于水头高度大于60 m 的深埋隧道，采用全封闭衬砌是不合理的，必须设置排水措施，以缓解衬砌水压力［15］。因此，以水头高度60 m对应的水压力0.6 MPa作为限值，评价4 种隧道排堵水措施对高水压环境的适应性。

不同排堵水措施下衬砌结构各部位水压力见表3。可知：①工况1、工况3 可以将水压力平均值控制在限值之内，但拱顶、拱肩、拱腰、仰拱水压力超过限值，造成局部应力集中，对结构造成不利影响；②工况2、工况4 可将平均水压力控制在限值以内，但工况4（环向盲管间距10 m）排水泄压能力相对薄弱，拱肩、拱腰水压力超过限值；③4 种工况中工况2 平均水压力、局部水压力均可控制在限值以内，即注浆加固圈厚2 m、环向盲管间距5 m的排堵水结合措施对高水压的控制效果较好。

表3 不同排堵水措施下衬砌结构各部位水压力 MPa

工况1—工况4 衬砌结构排水量分别为40.03、10.53、29.69、8.21 m3/（d·m）。可以看出：①工况1、工况3 排水量较大，工况2、工况4 可将排水量降低到10 m3/（d·m）左右；②从工况1 到工况3 环向盲管间距由5 m 增至10 m，排水量降低10.34 m3/（d·m），而从工况2 到工况4 排水量仅相差2.32 m3/（d·m），表明注浆改良周边围岩渗透性后，再改变环向盲管间距对于排水量影响不大。③从工况4到工况2在注浆加固的同时适当减小环向盲管间距，可将衬砌结构各监测点承受水压力控制在限值以内，同时可将排水量控制在10 m3/（d·m）左右，兼顾结构长期安全稳定和保护地下水环境的目标。