小净距浅埋公路隧道施工涌水风险及处置效果分析

王海波,李海涛,辛文青,薄冠中,李 伟,张永兴

(1. 水能资源利用关键技术湖南省省重点实验室, 湖南 长沙 410014;2. 南京林业大学土木工程学院, 江苏 南京 210037;3. 江苏省交通工程建设局, 江苏 南京 210004;4. 中交一公局第二工程有限公司, 江苏 苏州 2150011;5. 新疆交通运输综合行政执法局质量监督执法支队, 新疆 乌鲁木齐 830000)

随着我国经济的高速发展,对道路工程的交通运输能力需求也在不断提升,为满足不断增长的交通量通行要求,超宽多车道已经成为高速公路设计首选.我国是个多山的国家,路线设计往往会受到地形地貌的限制,因此浅埋小净距隧道工程逐渐增多.公路隧道选址往往会遇到复杂的工程地质情况,施工过程中常常存在一系列潜在风险,其中尤以隧道施工开挖面突涌水导致的掌子面失稳最为典型[1-4],不仅会造成巨大的经济损失、工期延长,而且还可能引起塌方、掩埋等安全事故,造成不良的社会影响.因此,如何针对施工涌水风险采取合理的施工控制工艺和防涌水对策尤为重要[5-10].

隧道施工涌水的原因较复杂,总体上可以概括为地质因素和人为因素两大类.李术才等[11]通过对221例突水突泥灾害案例的统计分析,提出4种典型的隧道突水突泥类型,即直接揭露型、渐进破坏型、渗透失稳型和间歇破坏型;陈剑等[12]对富水断层破碎带突水涌砂原因及力学形成过程进行分析,发现富水断层破碎带稳定性差、未进行有效加固,在开挖卸荷和爆破扰动双重作用下,岩体防突水层厚度超过临界状态,进而导致掌子面发生突水涌砂.以上研究成果分析了隧道开挖涌水机理,并通过大量实例总结了隧道涌水的各种原因.许振浩等[13-14]基于动态风险评估和控制机制,综合赋权专家评分法的初步、二次评估与动态评估模型相结合,利用层次分析法研究岩溶类隧道施工涌水风险控制方法;顾义磊等[15]介绍了通渝隧道K21+780涌水突泥段的加固、封堵和排水系列措施的方案实施细节,并通过围岩变化量测验证治理方案的合理性;李学东等[16]对龙潭特长公路隧道突水涌泥坍塌治理措施进行分析,重点就坍塌段和未坍塌危险段的加固分别进行了探讨.

目前对隧道的涌水研究主要集中在溶洞、软弱围岩、暗河连通等的突水突泥预测与病害处置,而针对地下水渗流对掌子面稳定性影响的研究不多.由于地下水分布和补给条件复杂,且易受到气候等因素的影响,考虑降雨入渗条件时很多研究较少考虑地下水渗流场对掌子面的影响,因此有必要针对小净距隧道的地下水渗流场对掌子面稳定性影响进行分析.

1 工程背景及地质概况

宜兴至长兴高速公路梅子岭隧道位于宜兴市张渚镇大贤岭林场,满足浅埋短隧道设计条件且按小净距隧道形式进行布置.隧道左右洞的净间距约为19.0～22.1 m,最大埋深达到50 m.先行洞隧道右线桩号为K10+155～K10+476,全长321 m,隧道左线桩号为ZK10+151～ZK10+514,全长363 m,左右线隧道的进出口均采用削竹式洞门.隧道按车速120 km/h的双向6车道高速公路标准设计,设计荷载为公路Ⅰ级.

梅子岭隧道地处亚热带季风气候区,降水丰沛且全年都有雨,据统计,该地区年平均雨日为136.6 d,年平均降水量达到1 207.7 mm,雨期主要集中在6—9月份,占年降水量的48.5%.该地区的降水量大于蒸发量,春夏雨水集中,地面水、地下水含量丰富.对本工程而言,大气降水是隧道地下水的主要补给来源.图1为梅子岭隧道进口端现场平面位置及工况图.隧道位于构造剥蚀低山丘陵区,地表覆盖层主要为粉质黏土夹碎石,下部为强～中风化长石石英砂岩,岩体介于破碎～较破碎状态,节理裂隙发育呈碎块状及块状,围岩稳定性差,基岩裂隙水发育.

(a) 隧道平面位置布置

为充分揭示隧道掌子面围岩的风化情况,使用美国GSSI公司生产的SIR-20型地质雷达主机并运用100 MHz天线3次探测(见图2)岩体的破碎程度以及泥石的混合状态,探测区域为隧道的洞口端开挖起始处、隧道中部以及未开挖区域,每次探测进深为30 m.地质雷达测线布置如图2(c)所示,各断面布置由左及右4条测线.

(a) SIR-20地质雷达

以右洞左侧壁K10+177.5～K10+207.5位置为例,由图3探测地质雷达波的波形可见：①号线全段均有反射,15～25 m段局部位置反射强烈;②号线6、8、11、14、16、19 m中部位置波形波动强烈;③号线右侧局部位置反射强烈;④号线6～21 m段部分位置反射强烈.①号线较②号线反射强烈,④号线较③号线反射强烈，雷达扫描同相轴清晰、连续.

①号线

经分析判断,当前掌子面为强风化长石石英砂岩,石夹土混合结构.结合现场实际情况判定：梅子岭隧道进洞口局部范围围岩为Ⅴ级,入洞50 m后基本为Ⅳ级围岩.据信号推断掌子面前方左侧壁15～25 m范围岩体较破碎,且上部中间位置存在石土块.整体围岩破碎,存在泥夹石,节理裂隙发育明显.未开挖区域0～3 m范围主要为残坡积碎石土,3 m之后将进入岩体,存在节理裂隙发育,伴随碎石及泥夹石结构.可见整体围岩完整性较差,围岩自稳能力差.在开挖过程中,若初期支护不及时,开挖后易出现掌子面及拱部局部失稳坍塌等安全问题.

2 有限元数值模拟分析

2.1 模型的建立

基于现场实际工程地形变化及高程控制条件,选取隧道进口段一定进深范围作为建模研究对象.图4为所建三维实体模型,尺寸为长×宽×高=150 m×150 m×100 m,双线隧洞左右线间距约为20 m,洞宽15 m,洞高约10 m,洞口采用削竹形洞口,模拟掘进深度约100 m,隧道最大埋深约50 m,地下水分布面大致与地表面平行,埋深大约为7 m,进出洞口段采用双侧壁导坑法开挖,其余采用三台阶法施工.

图4 模型网格图(单位:m)

为了简化分析问题,按工程地质勘察钻孔资料揭示岩层厚度信息,以均化分层建模方式设定的岩体坐标点起伏控制围岩分布情况.模型中假设土体为理想弹塑性体,衬砌、锚杆等结构均采用弹性体,地下水的流动属于恒定流且满足达西定律,围岩为均质、各项同性材料,且各个方向的渗透系数相同.具体参数见表1和表2.

表1 围岩地层部分物理力学参数

表2 结构构件参数

2.2 模拟工况及合理性验证

模型模拟工况为入洞50 m范围Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法施工,后采用三台阶法开挖施工,模拟大暴雨雨强为150 mm/d.模型衬砌为不透水界面板单元.在此主要对三台阶法进行分析,其施工流程为：先施作上台阶周边超前支护,待围岩稳定后开挖上台阶,并且施作上台阶的周边衬砌;在滞后上台阶10 m处开挖中台阶,并且施作中台阶周边衬砌;在中台阶4 m处开挖下台阶,并且施作下台阶周边衬砌,计算变形云图见图5.

图5 台阶法开挖变形计算云图

图6为最大地表沉降计算结果与实测结果对比.由图6可见,断面一和断面三的计算值和实测值均比较接近；从变化趋势看,地表沉降均随着时间增加即掘进进尺增加而不断增大,拱顶沉降发展

(a) 断面一

与时间呈线性发展规律.由于实际施工过程衬砌施工具有一定的滞后性,且拱顶沉降值受上方围岩压力及渗流作用影响,监测值虽较计算值稍大但吻合度较好.

图7为隧道开挖引起的拱顶沉降计算结果与实际监测对比.模拟拱顶沉降最大值约为20 mm,实测最大值约为18 mm.从两者的对比情况可以看出,随着开挖进深的推移，拱顶沉降有波动但两者的变化趋势接近,说明所建立模型合理、可靠.

图7 拱顶沉降对比

2.3 掌子面涌水病害

图8为梅子岭隧道先行洞右洞施工过程中洞顶埋深达到32 m时适逢降雨期间的掘削临空面渗漏水调查情况.由于适逢雨季集中降雨阶段,上覆山坡积水沿节理面发育裂隙入渗,隧道开挖施工导致围岩松动,在隧道掌子面正轴线倾斜向125°方向局部暴露出突涌水,从凌晨3∶00开始至次日20∶00停止,出涌水量总计约205 m3/d.分析认为该突水情况主要受地层岩性、岩层产状组合、构造以及地形地貌等因素影响,考虑节理裂隙发育影响和补、径、排、入渗条件的制约,本案例属于典型的裂隙破碎带降雨入渗突水致灾构造类型.从机制上分析,这主要是由于强风化裂隙发育发展形成了广泛的裂隙网络,在隧道开挖后节理面剪切滑移形成局部的塑性区,随着地表降雨量的增大,沿裂隙面入渗汇聚到达隧道开挖临空面时产生突涌水.

(a) 临空面渗漏水

图9为隧道施工进深为30 m时模型渗流场分布云图.由图9可见:掌子面涌水主要集中在先行洞右洞上台阶临空面,中台阶临空面次之,下台阶涌水量最小；从渗流影响范围来看,掌子面后渗流区会随着掘进深度的增加而增加,并且渗流会向上台阶临空面以及中台阶临空面聚集.结合掌子面的变形云图(图10)进行分析,上台阶处为涌水最大流量点,对应上台阶处的掌子面变形也最大.显见,掌子面的稳定性与地下水的渗流有着密切联系,实际施工过程中需注意上、中台阶部位掌子面稳定性.

图9 掌子面涌水分布云图

图10 不同掘进深度下隧道掌子面变形云图

3 涌水处置措施效果分析

针对涌水最不利情况及变形分析,采用有限元数值分析方法对防排水措施效果进行评价,主要对泄水孔排水、掌子面注浆、加大截水天沟宽度这三种工况进行处置措施效果分析.

3.1 泄水孔排水

虽然涌水不利位置集中在上台阶处,但是考虑施工便宜性,一般选择在两侧位置打泄水孔,这可能破坏原初衬与二衬间的阻隔防水卷材等的密封性.数值分析时采用在下台阶处打设泄水孔的方案进行排水效果分析.模型中相邻泄水孔之间的间距设定为2 m,泄水孔的直径为0.1 m,分别在下台阶涌水部位设置一排、两排和三排泄水孔,每排泄水孔共有五个.

(a) 无泄水孔

图11为开挖掌子面设置不同泄水孔后涌水分布云图.未设泄水孔时,隧道涌水主要集中在上台阶拱顶、上台阶掌子面中部、中台阶中间等部位;设置一排泄水孔时,涌水主要集中于上台阶、中台阶中部以及边角部位,拱顶及拱顶下方涌水量较大,在打设相应泄水孔之后,水流经泄水孔与排水沟排出隧道外,降低了隧道涌水风险;设置两排泄水孔时,最大涌水区域依然集中在上台阶掌子面以及中台阶面中部;设置三排泄水孔后,隧道掌子面与衬砌交接临空面的涌水几乎消失,仅剩下上台阶处拱顶以及中台阶中间部位会出现涌水.如图12和图13所示,设置泄水孔对掌子面涌水风险的治理效果明显,设三排泄水孔之后,隧道掌子面涌水几乎不构成危险,掌子面最大水平位移控制有效.依此规律,在设置更多泄水孔的情况下隧道掌子面的涌水稳定控制可以得到不断加强.

图12 不同泄水条件下掌子面日均涌水量变化

图13 不同泄水条件下掌子面最大水平位移变化

3.2 掌子面注浆

梅子岭隧道掌子面日均涌水量较大时,可以通过掌子面注浆,即在掌子面后方形成注浆区帷幕进行防涌水处置.为了模拟分析注浆帷幕的治理效果,设定注浆区半径为3.0、3.5、4.0 m的工况,观察掌子面的涌水情况(见图14).为了防止注浆过程中浆液流出,保证掌子面能承受注浆压力,在对掌子面进行处理过程中,一般可将注浆墙厚度取1 m.此外,注浆孔的布置需要根据工程地质以及水文状况,并且结合现场灌浆试验来确定,模拟假设注浆施工的浆液可以均匀扩散到围岩之中.

从图14和表3中可知,对掌子面进行超前帷幕注浆后,上台阶掌子面涌水量明显减少,最大涌水位出现在中台阶面,此时由于注浆区厚度较小,上台阶掌子面涌水相对较大,需要进一步加厚注浆区来减小掌子面的涌水量.当加厚注浆区半径至3.5 m时,上台阶掌子面涌水量以及涌水面积进一步减小,掌子面最大变形出现在上台阶掌子面,最大涌水区域依然在中台阶面上,涌水范围几乎没有变化,但是涌水量有所减小,减小幅度不大,注浆帷幕墙的止水效果仅对其所加固掌子面有较好效果,对其他部位掌子面无加固止水效果.当注浆区半径达到4 m时,掌子面稳定性进一步提高,中台阶面的涌水范围几乎不变,但涌水量有所减小.

(a) 半径为3.0 m

表3 掌子面注浆对隧道涌水影响

3.3 截水天沟

梅子岭隧道涌水很大程度上会受到降水地表径流的影响,实际工程中,在隧洞顶端设置截水天沟,通过加大截水天沟的宽度来减小地表径流引发的隧洞大规模涌水的潜在威胁.图15为模拟隧洞在截水天沟宽度分别为0.2、0.4、0.6、1.0 m时掌子面的涌水情况.图16为截水天沟宽度对掌子面日均涌水量的影响,很明显,随着截水天沟宽度的增加,隧道涌水量明显减少.

(a) 0.2 m

图16 截水天沟宽度对涌水影响

4 结论

本文以梅子岭小净距浅埋隧道为工程背景,对降雨入渗隧道施工掌子面引起涌水风险及防水措施效果进行分析评价.得出结论：

1) 据地质雷达扫描预报得出梅子岭隧道围岩节理裂隙发育较丰富,所在线路隧洞入口局部范围围岩体风化破碎且伴随泥夹石结构,完整性不高且自稳能力差,总体处于Ⅴ到Ⅳ级水平;

2) 打设泄水孔的措施对掌子面涌水风险的治理效果比较明显,在设置三排泄水孔之后,隧道掌子面涌水明显可控,稳定性增强;

3) 超前帷幕注浆止水效果显著,注浆区半径稍有增加,隧道掌子面日均涌水量有明显降低,随着注浆区厚度的增加,掌子面的最大变形显著减小;

4) 截水天沟可在原有止水措施基础上进一步辅助降低隧道日均涌水量,且设置越宽效果越好;

5) 梅子岭隧道渗流涌水最不利点位于上台阶临空面,对应的掌子面变形最大,在施工过程中应注意监测控制.