张志强，何本国，王志杰，李化云，刘赟君

（西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031 ）

1 引 言

对于施工中的隧道，掌子面围岩稳定性是决定隧道开挖安全性的重要指标。在隧道开挖过程中，地下水是影响掌子面稳定性的最常见、最棘手的问题之一[1－3]。我国作为一个多山之国，山地地貌占全国总面积的60%，西部腹地更是层峦叠嶂。伴随着经济快速发展而来的大规模基础设施建设，隧道工程日益增多，我国已成为世界上建成隧道总长最大、数量最多的国家，同时也是隧道穿越各种工程地质、水文地质条件最复杂多变的国家[4－6]。特别在我国南方地区，山岭海拔高、地下水资源丰富。在这种大埋深富水地层里，地下水和破碎断层、溶洞、甚至隧道泥石流连通作用，造成开挖时掌子面的突水、突泥、翻浆冒泥、塌方等灾害[7－10]。

突水、突泥引起工程灾害相对普遍，但当今对此方面的研究缺乏系统理论支持，因此，隧道施工面临此类情况时表现出很大的随意性甚至盲目性，使得实际工程常常表现出两种极端现象[11－12]：一是对富水地层盲目地封堵而无法得到预期效果，造成浪费和施工困难，甚至发生事故；另一种是在未探明地下水分布前提下，盲目地对地下水进行排放，造成水环境破坏。通过高位排水工法对掌子面前方核心土体实现疏水降压，降低掌子面失稳潜在因素，保证超前帷幕注浆效果，进而提高掌子面稳定性，实现安全快速施工。因此，本文以现场试验和数值模拟为基础，研究不同水位条件下，高位排水工法与隧道稳定性之间相关关系，提出最优高位排水管分布方案，对富水断层隧道围岩控制都具有重要的理论意义。

2 现场实测及高位排水概况

2.1 工程概况

泥巴山大相岭隧道连接四川省雅安市汉源县与荥经县，是雅西高速公路重点控制工程。隧道最大埋深大约为1 660 m，全长为10 007 m，属于特长深埋山岭公路隧道。

大相岭隧道 C7合同段左线在钻孔过程中，发现干燥的掌子面突然出现渗水现象，20 min后，炮孔中开始满孔出水，1 h后，掌子面左侧拱脚处出现较大涌水，经监测，日涌水量达17 000 m3，掌子面涌水情况如图1所示。在K61+091处水压最高处进行水位测试，最高水位达到 1.98 MPa，属于 F6-1断层破碎带，为断层构造岩，原岩为流纹岩，呈紫红夹青灰、灰白色。断层带内岩石破碎，挤压成碎粉及断层泥，并有次级断层，围岩主要呈碎石状压碎结构或角（砾）碎（石）状松散结构，破碎带宽约3～5 m，上、下盘影响带宽约30～40 m，推测该断层应为施查沟断裂带的主断层，断层走向为N35～40°W，倾向 NE，倾角 60°～75°。断层发育在元古界震旦系流纹岩中，断层上下盘岩层均向西倾，其中上盘产状 328°∠28°，断层与岩层大角度相切。断层构造岩结构疏松，见断层泥，并有渗水现象。此断层在工程可行性阶段钻孔和冲沟中多处均有揭露，在BZK2孔深113.62 m以下及有揭露，而在穿越施查沟时，也被详勘所布物探剖面所控制，物探剖面在该段的电阻率明显低于周围岩体的电阻率，仅为 600～800 Ω·m，而周围岩体电阻率为800～3 000 Ω·m。断层在地貌上形成负地形，在通过山脊上形成鞍状地貌。地下水呈淋水状，局部呈涌突水状，揭穿断层上盘涌水会增大。洞顶易坍塌，侧壁稳定性差，V级围岩。

图1 掌子面涌水情况现场图Fig.1 Water bursting at working face in situ field

2.2 现场监测

初期支护拱墙设φ8 mm双层钢筋网，边墙设φ22 mm砂浆锚杆；全断面设置0.75 m/榀的I18型钢钢架，二次衬砌采用50 cm厚的C25钢筋混凝土结构，测试元件埋设数量与布置如图2所示。

图2 断面测试元件布置示意图Fig.2 Layout of measuring instrument

与断层不同距离的衬砌背后水压力沿洞周分布如表1所示。

表1 距离断层不同距离衬砌背后水头高度 (单位：m)Table 1 High heads with different distances from fault (unit: m)

围岩节理及岩块参数离散性大，衬砌洞周水压分布不均匀，从表1中看出，总体呈现拱部大，边墙小。刚开挖时，水压达到1.98 MPa，发生突水、突泥，而隧道通过后，其水压下降仅10 m左右，掌子面施工才是围岩稳定的关键所在。刚开挖时即使掌子面水压再高，一段时间后水压降低很多，最大水压也在十几米。因此，高水压问题主要是开挖期间的稳定性，建成后支护结构都是稳定的。

2.3 隧道在施工期间的安全性分析

根据现行《公路隧道设计规范》[13]衬砌截面抗拉和抗压检算式，建立衬砌截面抗拉、抗压极限状态方程。当偏心距e0≤0.2t (t为衬砌厚度)，截面由混凝土抗压强度控制承载能力；当偏心距 e0＞0.2t时，截面由混凝土抗拉强度控制承载能力。大变形涌水段K61+091和K61+101断面支护结构受力特征现场实测安全系数如表2、3所示。

表2 K61+091断面安全系数Table 2 Safety factors of section K61+091

表3 K61+101断面安全系数Table 3 Safety factors of section K61+101

从表2、3看出，在隧道施工期间，二次衬砌各个截面的极限状态为受压应力控制，均小于混凝土极限轴心抗拉强度，因此，二次衬砌不会产生破坏，与现场情况一致；比较二衬安全系数断面分布，均满足设计规范（K ＞2.4）的要求，衬砌安全。

3 流-固耦合原理

在含水地层中开挖隧道，一方面由于地下水作用，降低了围岩物理力学参数；另一方面隧道开挖使围岩应力场和地下水渗流场重新分布，围岩应力场改变将导致围岩体应变发生，从而引起流体孔隙压力的变化，反过来孔隙压力变化也会导致应力场变化，渗流场与应力场耦合作用结果会加剧地层变形。FLAC3D模拟多孔介质中流体流动时，主要通过孔隙水压力消散引起土体中位移的变化，流体在孔隙介质中的流动依据Darcy定律，流-固耦合过程满足Biot方程[14]。

3.1 流动方程

对于多孔连续介质，Darcy定律可表达如下：

式中：qi为渗流矢量(m/s)；p为孔隙压力；k为孔隙介质的固有渗透系数张量（ m2/(Pa⋅s)）；kˆ(s)为相对渗透系数，它是饱和度s的函数，kˆ(s)=s2(3 -2s )；ρf为流体密度（m/s2）；gi是重力加速度矢量的3个分量，其中（i =1，2，3）。

3.2 平衡方程

对于小变形而言，流体平衡可以表述如下：

式中：qv为体积流源强度（1/s）；ς为孔隙介质单位体积的流体体积变化。

流体流量的改变与孔隙压力p、饱和度s、及固体体积应变ε的改变有关，相应的方程表述如下：

式中：M为Biot模量（N/m2）；n为孔隙率；α为Biot系数。

动量平衡方程可表述为以下形式：

式中：ρ = (1 -n)ρs+nsρw是容积密度，ρs和ρw分别为固相和液相的密度。 (1-n)ρs与固体的干密度ρd是相同的。

3.3 本构方程

体积应变的改变引起流体孔隙压力的变化，反过来，孔隙压力的变化也会导致体积应变的发生。孔隙介质本构方程的增量形式为

式中：σij为应力增量率；Δp为孔隙水压力增量；δij为Kronecher因子；Hij为给定函数，Δξij为总应变增量。

3.4 相容方程

应变速率与速度梯度之间的相互关系为

式中：υi为介质中节点的速度，表示在i方向速度，可以在j方向上投影。

通过式（1）～（5）反复迭代直到满足水压和应力的求解精度。可以看出，渗透系数k不是常数，而是随着应力场变化而变化的，而且从渗透性来看，隧道围岩体为非均值的；隧道水压力也非常数，亦随着应力场变化而变化的。

4 高位排水工法提出及试验方案

对于富水断层隧道，不可照搬“堵水限排”原则，因地制宜规避风险。采用高位排水能够释放断层内所积聚的高水压，从而减小施工风险，避免掌子面前方高水压导致的围岩塑性化，同时有利于提高疏水注浆效果。

4.1 高位排水工法

防止碎屑质等细粒成分随涌水流出是很重要的，因此，要在管内设置滤网，在外管周围密封，进行高位排水，施工过程中高位排水作用及效果，如图3所示。

图3 穿富水断层高位排水工法示意图Fig.3 High-position drainage method for cross water-rich fault

排水钻孔长度在30 m以内，采用液压凿岩机。超过30 m采用钻机，并兼做地质调查，但长钻孔为减轻与围岩摩擦力可采用钻孔直径分段的方法。当隧道穿越地层后，可选择继续保持泄水管的泄水，也可以封闭泄水管，这两种不同的处置方式取决于断层水属性。如果断层水属于活水补给的地下水，泄水管封闭以后水位会恢复到隧道开挖前的高水位位置，此时需要继续排水，将排水管连接到二衬背后的环向排水盲管，与此同时还应使用抗水压型衬砌。如果断层水为封闭的地下水无水源补给，则可对排水管进行封闭。

4.2 试验方案

高位排水是细管出水，其排水能力有一定的局限性，因此，需要研究不同水头高度、排水管数量和注浆圈范围内岩体渗流规律、掌子面稳定性、排水管排水量相互关系，得到最佳排水方案，从而对实际工程起到一定指导作用。根据现场工程实践将水头高度设为200、150、100 m，然后根据不同排水管数量细化工况，具体分类见表4。

表4 工况分类表Table 4 Classification of working conditions

沿隧道纵向分为3层：前、后层为正常围岩（Ⅴ级），中间高水压断层破碎带（Ⅵ级围岩），具体力学参数见表5，围岩及支护渗透系数见表6。

表5 围岩及支护物理力学参数表Table 5 Physio-mechanical parameters of surrounding rock and support

表6 围岩渗透系数表（单位：m/s）Table 6 Coefficients of permeability for surrounding rock (unit: m/s)

隧道采用圆形断面，直径为13 m，隧道净空半径为6.12 m，喷射混凝土厚为0.30 m。计算时取隧道轴线方向为Y轴，水平面内垂直隧道轴线方向为X轴，竖直向上为 Z轴。计算范围：-50 m≤X≤-50 m、0 m≤Y≤27 m、-40 m≤Y≤60 m，Z方向零平面选在隧道中心位置。纵向地层分布分别为：Ⅴ级围岩范围：0 m≤Y≤12 m、24 m≤Y≤27 m；断层带围岩范围：12 m≤Y≤24 m。有限差分模型如图4所示。排水管分别设置3、5、7、9根，具体位置如图5所示。

图4 三维计算模型Fig.4 Three-dimensional computational model

图5 各工况排水管位置设置图Fig.5 Positions of drain pipes for case study

5 计算结果分析

5.1 打设排水管对地层水影响规律

排水管功能类似，限于篇幅，仅列出200 m埋深条件下打设3根排水管时掌子面附近围岩孔隙水压力情况，如图6所示。

图6 掌子面穿越断层孔隙水压力分布图Fig.6 Contours of pore pressure for face crossing fault

隧道开挖面作为一个自由透水面，地层水得到释放，孔隙水压力在隧道开挖面周围产生低水压区域；从图6（a）看出，在隧道掌子面后方会产生一个高水压聚集区。

由于隧道的泄水功能，断层水压也产生较大的下降，从图6（b）看出，在掌子面上方打设泄水管，泄水管末端深入到断层带3 m。在泄水管的尾部可以看到明显的水压下降，类似于“泄水漏斗”，随着时间推移，泄水管末端产生的低水压区域逐渐增大；泄水管穿越了掌子面后方的高水压区，将高水压区分割开来，高水压渐渐向掌子面拱顶和仰拱部位移动。当挖到靠近断层3 m时，断层水已经完全被泄光，产生泄水漏斗。

5.2 排水管对注浆圈范围内岩体渗流影响

注浆圈厚度为3 m，水头200 m情况下，掌子面距离断层9 m时隧道洞周外3 m围岩表层的不同排水管数量引起孔隙水压力值分布，如图7所示。

图7 洞周3 m外围岩孔隙水压力云图Fig.7 Nephograms of pore pressure for surrounding rock beyond 3 meters around the tunnel

从图中看出，每根排水管附近都会产生一片低水压区域，消除了局部高水压现象，但不同位置的排水管产生的降水效果却不同，因此，研究确定最优排水管分布方案十分必要。对于图7（a）、7（b）中，排水管之间都夹带一个很大的高水压区，这两种排水管分布不符合 “均匀降水”要求。图 7（a）排水管集中在拱腰以上，图7（b）较图7（a）增设了两个拱脚的排水管。而拱顶两两排水管之间会夹带一个较高的水压区域，拱脚排水管之间的高水压区非常小，排水效果比较明显。因此，拱顶排水管布置较疏，拱顶的排水效果有限。

对于图 7（c），加密了拱顶排水管，拱顶附近两两排水管之间的高水压区域较图7（b）明显减小，此时各排水管产生的低水压区范围比较均匀，从图中角度看，基本呈一条直线；图7（d）较图7（c）加密了拱脚部位的排水管，综合来看，拱脚部位低水压区增大，而拱顶部位水压没有发生改变。从图7（c）看，低水压区呈C型分布，因此，最符合“均匀降水”效果。

综上所述，在实际施工中，若要对掌子面后上方均匀降水，应使拱顶附近排水管密度大于拱脚附近密度，7根排水管方案时，产生的降水效果较为理想。

5.3 排水管数量和掌子面稳定性关系

位移可以作为掌子面稳定性的判据之一，虽然高位排水直接目的并不是稳定掌子面围岩，但在打设排水管之后，减小了掌子面上方周围的水压值，降低了掌子面孔隙水压力，较好地促进了掌子面稳定性。

表7为不同水位高度、不同数量排水管时掌子面距离断层9 m，掌子面最大位移表。图8为不同工况掌子面最大位移与排水管根数关系曲线。

表7 不同工况掌子面最大挤出变形表Table 7 Maximum extrusion of face for cases study

图8 掌子面挤出变形与排水管数量关系图Fig.8 Relationships between extrusion of face and number of drain pipe

从图8看出，排水管对掌子面挤出变形影响规律基本一致，随着排水管数量增多，掌子面位移量呈下降趋势。3根和5根排水管时掌子面变形几乎没有变化，对掌子面位移的影响不大，位移减小量在2%左右；在5根和7根排水管之间，曲线斜率明显增大，位移减小量在20%左右；7根和9根排水管对掌子面位移的影响差别又减小，位移减小量在10%左右。因此，不同的水头高度，5根和7根排水管都是对掌子面位移影响的一个临界值。

5.4 排水管数量和排水量关系

通过对排水管排水量的监测，可对实际施工进行一定的预示和指导作用，图9为9根排水管布置及其编号。

图9 排水管分布图Fig.9 Position of drain pipes

不同水头高度下，各管排水量数据列于表8。

表8 不同水头高度9根排水管分别排水量（单位：m3/d）Table 8 Discharge of nine drain pipes for different head heights (unit: m3/d)

从表8可以看出，拱顶排水管的排水量最大，越靠近拱脚的位置排水能力越差，拱脚的位置排水能力最小。对于200 m水头，拱脚排水量是拱顶排水量的 67.302%；150 m水头，拱脚是拱顶的59.384%；100 m水头，拱脚是拱顶的51.040%。因此，水压越大，拱顶和拱脚排水管水量差距越大。

图10为9根排水管不同水头高度排水量曲线。

图10 不同水头高度9根排水管工况各管排水量对比图Fig.10 Contrast figure of each water discharge of nine drain pipes conditions for different head heights

从图10可以看出，3种不同水头高度，排水管排水量曲线变化趋势大致相同，从拱顶到拱脚都呈一个下降趋势。

因掌子面拱顶处排水管排水量较拱脚处结果大，故实际施工中为了更快达到降水效果，应先对拱顶部位打设排水管，后对拱脚部位打设排水管。

表9为不同水头高度、不同排水管工况下总排水量统计表。

表9 不同水头高度、不同排水管数总排水量表Table 9 Relationships between total controlled water discharge, water level and the number of drain pipes

从表9可以看出，随着排水管增多，隧道排水量也逐渐增大，但水量增大的速率并不相同。随着排水管数的增大，排水量增长速率逐渐降低：200 m水头情况下，5根排水管比3根排水管排水量增大了50.38%，7根排水管比5根增大了20.43%，9根排水管只比7根排水管增大了3.29%。因此，排水管由3根增加到7根的过程中，排水效果明显，但由7根增多到9根时，排水效果增加不明显。150 m水头和100 m水头下得到规律类似。

不同水头高度下排水管数与总排水量关系如图11所示。

图11 不同水头高度、不同排水管数总排水量图Fig.11 Relationships between total water discharge controlled, water level and number of drain pipe

从图看出，不同水头情况下，不同排水管总排水能力变化趋势基本相同。当排水管达到7根之后，曲线逐渐趋于一水平直线。此时虽然排水管越多，排水能力越大，但并不意味着排水管越多越好。当水管数达到一定数量后，总排水量就趋于一个定值。

6 结 论

（1）大相岭隧道K61+091水压最高处进行水位测试，可达到1.98 MPa，表明高水压问题主要集中在开挖期间稳定性。

（2）在实际施工时，应对掌子面上方进行高位均匀降水，应使拱顶附近排水管的密度要大于拱脚附近的密度。

（3）不同位置的排水管排水量不同，拱顶排水管的排水量最大，越靠近拱脚的位置排水能力越差，拱脚的位置排水能力最小。不同水头高度，排水管排水量曲线变化趋势大致相同，从拱顶到拱脚都呈一个下降趋势。

（4）由于掌子面拱顶处排水管排水量较拱脚处排水量大，因此，实际施工中为了更快达到均匀降水效果，应先对拱顶部位打设排水管，后对拱脚部位打设排水管。

（5）200 m水头的情况下，5根比3根排水管排水量增大了50.38%，7根比5根增大了20.43%，9根只比7根排水管增大了3.29%。从现场施工实践出发，认为排水管达到7根排水管方案时，会产生较为理想的均匀降水效果。

（6）随着排水管数量增长，掌子面挤出位移量呈下降趋势。3根和5根排水管时，掌子面位移几乎没有变化，位移减小量在 2%左右；在 5根和 7根排水管之间，曲线斜率明显增大，位移减小量为20%左右；7根和9根排水管对掌子面位移的影响差别减小，在10%左右。因此，5根和7根排水管都是掌子面变形影响一个临界值，建议采用7根排水管作为设计参数。

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