富水高压隧道通过断层破碎带高位排水技术研究

何 磊， 张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

隧道穿越高水压断层破碎带的地层中，如果不采取相关措施去提前降低断层破碎带中的水压力或者盲目地自由排水，在隧道逼近断层破碎带过程中，会因为掌子面前方岩土体的强度降低导致失稳发生突泥涌水等灾害。盲目地采用自由排水，会将岩体裂隙间的填充质带走，造成围岩松弛，自稳能力严重下降。因此在确定的排水方案中，应保证岩体裂隙中细小的填充物质不发生流失。本文采用高位排水工法保证，提出合理排水导管的布置数量及位置，保障隧道施工穿越断层破碎带的安全。

1 高位排水掌子面稳定性控制技术

1.1 高位排水最优方案探讨

本文提出高位排水工法，在掌子面未达到防突体极限厚度之前，从掌子面周边呈辐射状向断层破碎带施作小口径附有过滤系统的排水导管，可以有效地减少裂隙间填充物质的流失，也可以很好的减轻注浆圈受到排水工法的扰动。因此，对高位排水工法合理的设置进行研究，保证隧道的顺利通过断层。图1为高位排水工法的概念图。

图1 高位排水工法

可使用液压凿岩机或钻机施作排水钻孔。一般来说，钻孔长度小于30m，宜采用液压凿岩机，钻孔大于30m时，宜采用钻机。高位排水的核心是防止裂隙间的填充物质流失，因此要在钻孔内设置过滤系统，如过滤网。

隧道顺利穿越断层破碎带后，根据断层水的属性，对排水管采取不同的措施。当断层破碎带的水不断有活水补给，不宜封堵排水管，可将排水管连通到环向排水盲管排出隧道。如果断层破碎带的水没有水源补给，在隧道顺利通过后，可封堵排水管。

1.2 模型假定及物理力学参数

高位排水工法是采用较细的排水管出水，其排水的能力需要进一步的研究，确保高位排水方案的可靠性。本节采用有限差分数值模拟软件Flac3D，对该工法的卸压能力以及合理的设置方案进行分析研究，从而对隧道穿越断层破碎带时的应对措施有指导作用。

具体的物理力学参数见表1，围岩及支护的渗透系数见图2、表2。

图2 渗透系数设置

类别弹性模量E/GPa泊松比μ粘接力c/MPa内摩擦角φ/°密度ρ/(kg·m-3)孔隙率nⅣ级围岩3.00.320.6050.022000.3Ⅳ级围岩10.00.270.6060.024000.25断层破碎带0.10.420.0521.016000.45初期衬砌3.30.30——22000.2

表2 渗透系数

本文选用3m注浆圈加固方案，在此基础上实施高位排水工法,建立模型如图3所示。模型尺寸范围：-50m≤x≤50m，0≤y≤60m，-28m≤z≤70m，Z方向的零点位置为隧道中心。

排水管纵向投影长度12m，实际长度12.42m，从掌子面开始，沿隧道纵向并呈一定夹角达到注浆圈外侧；分布范围为拱顶120 °内，共9孔，角度间隔15 °；钻孔与隧道轴线夹角为15 °；排水孔出水口中点位于隧道二衬施作范围内，排水孔入水口中点与隧道外缘垂直距离为3.5m。从上述参数可以看出，进水口离隧道外缘为3.5m，已超出注浆圈的范围，排水导管的卸压范围超出了注浆范围。

(a)有限差分模型整体

(b)排水导管布置(以7根为例)图3 模型示意

1.3 导水管对前方开挖区水分布规律影响分析

根据现场实际情况及施工经验，一般采用3～9根排水钻孔进行高位排水。为研究不同钻孔数量的排水效果，注浆圈为3m，先正常开挖至距离断层破碎带前4m处，停止开挖后施作不同数量的排水管钻孔进行高位排水(表3)。

为直观研究分析，绘图如图4、图5所示。

进行分析：

(1)掌子面开挖至断层破碎带前4m时，由于开挖对断层破碎带有一定的影响，拱顶维持在425.8kPa，拱腰为453.9kPa，拱脚为507.2kPa，墙脚为536.7kPa，仰拱为503.4kPa。

(2)图中可以看出，每一根排水管附近都会产生一片低水压区域，当排水导管不小于5根时，能在断层破碎带形成一个较为均匀的降水效果，导管数量越多，卸压能力越大，形成的降水区域越大；在3根导管的工况下，排水导管之间存在高水压区，不符合“均匀降水”的理念，易在高水压聚集区发生涌突水。

表3 各工况卸压系数 kPa

图4 卸压系数走势

图5 工况卸压系数柱状

(3)以3根排水导管为例分析，其降水区域主要在拱顶、拱腰附近；拱顶水压由初始的425.8kPa降低到231.8kPa，卸压系数为0.54；拱腰水压由初始的453.9kPa降低到264.8kPa，卸压系数为0.58；拱脚水压由初始的507.2kPa降低到288.3kPa，卸压系数为0.57；墙脚水压由初始的536.7kPa降低到379.6kPa，卸压系数为0.71；仰拱水压由初始的503.4kPa降低到392.1kPa，卸压系数为0.78；拱顶、拱腰处的卸压效果最好，墙脚、仰拱处的卸压效果低于其它部位，不随排水导管数量变化影响。

(4)对拱顶、拱腰、拱脚、墙角、仰拱部分在不同工况下的孔隙水压力分析:

①排水导管数量为3、5、7、9时拱顶卸压系数分别为0.54、0.41、0.28、0.26，5根排水导管卸压能力相比3根提升13 %，降至174.6kPa，7根相比5根提升13 %，降至120.5kPa，9根相比7根只有提升2 %降至109.8kPa。

②3、5、7、9根排水导管时拱腰卸压系数分别为0.58、0.4、0.33、0.24，5根排水导管卸压能力相比3根提升18 %，降至181.6kPa，7根相比5根提升7 %，降至151.2kPa，9根相比7根只有提升9 %，降至110.9kPa。

③3、5、7、9根排水导管时拱脚卸压系数分别为0.57、0.55、0.5、0.43，5根排水导管卸压能力相比3根提升2 %，降至280.5kPa，7根相比5根提升5 %，降至252.1kPa，9根相比7根提升7 %，降至219.8kPa。

④3、5、7、9根排水导管时墙脚卸压系数分别为0.71、0.68、0.65、0.61，5根排水导管卸压能力相比3根提升3 %，降至379.6kPa，7根相比5根提升3 %，降至349.3kPa，9根相比7根只有提升4 %，降至325.7kPa。

⑤3、5、7、9根排水导管时仰拱卸压系数分别为0.78、0.71、0.64、0.61，5根排水导管卸压能力相比3根提升7 %，降至358.9kPa，7根相比5根提升7 %，降至151.2kPa，9根相比7根提升3 %，降至306.4kPa。

2 结束语

本文为保障隧道穿越富水高压断层破碎带安全稳定，运用Flac3D建立断层破碎带三维有限差分模型模拟实际情况，结论如下：

对于拱顶，排水导管根由3根增加至5根、7根时，卸压能力有较大的提升，增加到9根时，卸压收益较少，最佳排水管数量为7根；对于拱腰，最佳排水管数量为9根；对于拱脚，最佳排水导管数量为9根；对于墙脚，最佳排水管数量为9根；对于仰拱，最佳排水导管数量为7根。

如果是软弱围岩，拱腰、拱脚受爆破施工扰动较大，处易发生失稳，建议采用9根排水导管；如果拱腰、拱脚围岩条件较好，建议采用7根排水导管。