岩鹰鞍隧道逆冲强涌水断层高位泄水施工技术研究

吴应明 任少强

（中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016）

1 引言

怀邵衡铁路岩鹰鞍隧道位于湖南省邵阳市洞口县境内，地处环境条件极其恶劣，需要穿越雪峰山区。该隧道全长5 302 m，为双线铁路隧道，全线需要穿越7个大的断层带，断层带的具体位置如图1所示。

2016年1月4日，岩鹰鞍隧道掌子面推进至DK87+998。经过连续不断地涌水监测，隧道的静水压力超过0.6 MPa；涌砂时断时续，含砂量时大时小。现场涌水实际情况如图2所示［1-3］。

图1 岩鹰鞍隧道断层平面

图2 现场涌水实况

经过现场实地勘察，确定 F4断层是高角度逆冲富水富砂断层，其中的破碎带主要是强风化和疏松的砂和碎石的混杂结构，同时富含地下水。经过进一步分析发现主要是由于构造压力和风化槽谷综合作用导致，在高水压的情况下作业极易形成大量涌水、涌砂等不良地质灾害情况。通过专家进一步验证分析，认为采用“泄水分压、迂回绕行”的方法最适用于岩鹰鞍隧道的实际情况，为此研究人员通过数值分析的方法对分水降压的效果进行了验证。

2 工程水文地质情况

2.1 地表实况勘查

F4断层的影响范围较大，其地表植被茂盛，地势由高到低，坡度极大，并且在岩鹰鞍隧道的断层间存在一水沟与线路呈50°交叉。日常水深为0.3～0.6 m，自从水流干涸之后地下存在大量的空隙。岩鹰鞍隧道地表实际情况见图3。

图3 地表水文实况

2.2 洞内流量和降雨量观测结果分析

在调查期间通过每天对流量和降雨量不断地分析和监测，经过大量的数据整理和分析得到如图4～图5所示的岩鹰鞍隧道涌水量、降雨量与时间的关系曲线以及涌水量、水压与时间关系曲线。

从观测数据和以往经验可知［4-5］，F4断层的涌水量大约4 245 m3／d，较为稳定。涌水量和当地的降雨量关系并不密切，甚至在没有降雨的情况下隧道的涌水量却达到了最大值［6-7］。

4月20日至4月26日连续降雨，直到5月2日才出现最大涌水量，从而可以发现F4断层带的渗透性一般，不会发生大规模的涌水，但是由于隧道的埋深较大，存在着很大的水头压力。

图4 DK87+998涌水量、降雨量-时间关系曲线

图5 DK87+998涌水量、水压-时间关系曲线

2.3 地下水类型以及补给径流排泄

（1）地下水类型

根据岩鹰鞍地区基岩裂隙的成因和性质，地下水主要可以分为节理裂隙水以及构造裂隙水两种类型。

节理裂隙水主要分布在强风化以及弱风化地层中。由于区域内的地质构造极其强烈，山体地形起伏也较大，裂隙的发育程度变化极大，水位变化明显，随着岩层的走向，水位埋深逐渐变浅。在局部山区地段山腰主要是裸露的岩石，很多的裂隙水以下降泉形式大量溢出地层表面。这样的地下水会对靠近隧道中线的地段有很大影响。

根据以往经验可以发现构造裂隙水主要分布于地质断裂带。这个区域地质构造特别强烈，断层主要是由北向东发育。径流条件和断裂带的地质产状与规模相关。

（2）地下水补、径、排特征

地下水主要以裂隙水为主要来源，受到大气降雨的大量补给，地表径流大量向地下渗流，由岩层的裂隙向下渗水，从而大量补给地下水。

区域内构造运动极强烈，断裂带岩体的裂隙发育复杂，从而造成地表水和地下水相互补充，地表水径流相对比较迅捷，降水能够沿地表快速进行排泄从而渗入地下，但水量很有限；降水沿山体两个方向以下降泉和散水的方式进入地下，因此渗入地下的水量有限。

3 岩鹰鞍F4断层涌水隧道模型与参数设计

为了更好地比较岩鹰鞍隧道在穿越F4断层排水与不排水对隧道围岩的稳定性影响程度，尤其是验证上述关于分水降压方案的实际可行性研究，通过数值计算软件对排水和不排水两种方案进行模拟，采用数值模拟的方式模拟隧道降水的过程，从而观察隧道的围岩应力变化，评估修建排水隧洞是否能够提高安全系数。为能真正模拟隧道排水洞开挖过程，先对正洞掌子面的水压进行测量，从而保证排水洞的水压计算准确。排水之前掌子面水压为0.6 MPa，排水后掌子面水压为0.07 MPa。

3.1 计算模型

选取DK87+998至DK88+028段进行三维数值模拟计算［8-10］。为了减少边界效应的影响，参考现在已有的研究成果，隧道模型边界设置为隧道洞径的2～3倍，同时右部的隧道也需留有富余，这样才能消除隧道的边界效应。故模型的右边界取正洞半径的5倍，既正洞到右边界的距离为50 m，正洞拱顶到模型顶部边界距离为30 m。为模拟隧道埋深（303 m），在模型表面施加重力荷载29.3 MPa来等效山体埋深。整个模型高度70 m、纵向长度30 m、横向宽度 98 m，如图 6所示［11-12］。

图6 隧道三维计算模型

3.2 参数选取

F4断层破碎带主要分为全风化石英砂及弱风化石英砂的碎石岩，为砂石混合状态。受F4断层带影响，断层的上下盘岩体极其破碎并且含水量较大。各参数设置见表1～表4。

表1 隧道围岩力学参数

表2 隧道初次衬砌结构物理力学参数

表3 砂浆锚杆物理参数

表4 流体参数设置

3.3 边界条件及支护模型

模型边界四周采用法向约束，铅垂方向的顶部采用自由面，模型的底部采用固定约束。隧道的支护模型如图7所示。

4 计算结果及分析

4.1 无排水支洞直接开挖正洞

根据岩鹰鞍隧道实际工程地质情况，对没有修建排水支洞和迂回导洞的情况进行分析，提取相关结果，相关部位位移及受力云图见图8～图13。

图7 隧道支护模型

图8 开挖正洞竖向位移云图

图9 开挖正洞水平位移云图

图11 开挖正洞剪切应力云图

图12 衬砌竖向位移云图

4.2 有排水支洞开挖正洞

根据实际工程地质情况，对修建排水支洞和迂回导洞的情况进行数值模拟分析计算，设置其掌子面水压为0.07 MPa，提取其竖向位移云图、水平位移云图、剪应力、竖向应力以及衬砌的受力云图如图14～图19所示。

图13 衬砌水平位移云图

图14 有排水支洞开挖正洞竖向位移云图

图15 有排水支洞开挖正洞水平位移云图

图16 有排水支洞开挖正洞竖向应力云图

图17 有排水支洞开挖正洞剪切应力云图

图18 有排水支洞开挖正洞衬砌竖向位移云图

图19 有排水支洞开挖正洞衬砌水平位移云图

4.3 计算结果分析

根据上述FLAC3D数值计算结果可知:

（1）在不施作排水支洞和迂回导洞的情况下对正洞进行开挖，拱顶的竖向位移最大达到了1.33 m，其竖向位移远远超过了正洞在开挖时的最大允许值；在开挖排水支洞以及迂回导洞之后正洞拱顶的竖向位移沉降仅为0.102 m，在沉降允许范围之内。

（2）只对正洞进行开挖时，由于隧道埋深太大，从而导致正洞围岩的竖向应力高度集中，对拱顶造成的压力较大，同时对拱腰区域的压力又较小，极易造成拱顶因压力过大隧道拱顶坍塌。如果先对排水支洞和迂回导洞进行开挖之后再进行隧道正洞开挖，就可以明显地减小拱顶应力集中的现象。但是由于隧道的拱顶压力减小也会造成围岩对拱顶上部的溶洞空腔部分进行挤压，可以通过注浆的方式解决。

（3）隧道正洞开挖之后，围岩的剪应力将会产生一定的变化，围岩周围整体应力变化情况呈现出四叶草的形状。通过两种方法对比可以发现，在开挖了排水支洞和迂回导洞之后再进行正洞开挖明显缓解了隧道拱顶、拱腰、拱脚应力集中的现象。

（4）通过两种方法提取的正洞衬砌竖向位移云图以及水平位移云图对比，能够清晰地发现先开挖排水支洞和迂回导洞之后再进行正洞开挖能够减小衬砌的竖向位移和水平位移。

综上所述，先对迂回导洞和排水支洞进行开挖，将会有利于隧道围岩的稳定性，能够有效地保证施工安全。

5 排水支洞及迂回导坑设计

（1）F4断层段长度长、富水且含砂量大。为了进一步探明F4断层具体地质情况，在隧道正洞左侧增设一迂回导洞。

（2）为了实现F4断层上盘地下水的分水降压目的，保证超前小导管和注浆效果，提高施工质量，在正洞和迂回导洞之间设置高位排水洞。高位排水洞和迂回导洞间的水平间距为18.6 m。

（3）根据施工工期和施工安全要求，经过专家讨论分析决定将高位排水洞和迂回导洞同时进行施工，同时实现对正洞开挖的超前地质预报。

（4）迂回导洞进入断层带，根据超前地质预报情况进行注浆加固。注浆完成之后需要对注浆效果进行检验，达到要求之后才能继续开挖。

（5）当迂回导洞和排水支洞穿越地质断层带时，需要根据超前地质预报反馈信息对设计参数进行适当调整。

6 结论

（1）在涌水涌砂的地质条件下进行隧道施工一直都是工程界的一大难题，同时也是对保障施工安全的一个巨大挑战。需要对分水降压和迂回导洞的方案进行深入研究，采取更加有效的方法和措施来保障施工安全。

（2）基于怀邵衡铁路岩鹰鞍隧道段的地质条件极其复杂，可以借鉴以往隧道大涌水和涌砂施工经验并结合数值计算分析进行验证，以此检验所制定的隧道施工方案的可行性。

（3）本文仅对岩鹰鞍隧道复杂的地质条件进行针对性研究，但对于西南山区复杂的地质条件可能不具有普遍适用性，需要进一步深入研究。