巖鷹鞍隧道排水支洞的設置數值模擬研究

趙志輝

(中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西 西安 710016)

1 工程概況

正在修建的巖鷹鞍隧道是新建懷邵衡鐵路懷化至邵陽段的重點難點控制工程，起訖里程為DK84+526～DK89+828，全長5 302 m，掘進分為巖鷹鞍隧道進口斜井工區、蠟犁坪斜井工區和巖鷹鞍隧道出口三個工區。全隧共7處斷層，其中F2、F5、F7斷層已順利通過。F1斷層位于進口斜井工區，F3、F4斷層位于進口斜井工區和蠟犁坪斜井工區之間(兩斷層相距535 m)，F6位于出口工區。

正洞F4斷層影響范圍DK88+050～DK87+840共210 m(其中DK88+000～DK87+875為斷層核心帶)，開挖斷面高13.93 m，寬14.66 m；迂回導坑長492 m，開挖斷面高8.41 m，寬6.48 m；排水支洞長259 m，開挖斷面高8.41 m，寬6.48 m。斷層及影響帶范圍圍巖為Dt石英砂巖。正洞、排水支洞、迂回導坑平面位置如圖1所示，正洞、排水支洞、迂回導坑地質縱斷面如圖2所示。

圖1 正洞、排水支洞、迂回導坑平面位置圖

圖2 正洞、排水支洞、迂回導坑地質縱斷面圖

巖鷹鞍隧道在DK87+420～DK88+639為剝蝕低山，下伏隧道為泥盆系跳馬澗組Dt石英砂巖、石英細砂巖及石英粉砂巖、深灰色鈣質頁巖。巖層產狀為130°∠50°。本段預測DK87+840～DK88+050為F4斷層及影響帶，最大涌水量1 548～1 872 m3/d，最大單位涌水量6.19～8.91 m3/d/m，為強富水區，對隧道安全施工造成較大影響，必須對F4斷層充分研究并采取有效積極的技術措施，才能保質保量完成整個工程項目。

2 涌水涌砂隧道問題分析

2.1 穿越F4斷層隧道施工方法分析

由于隧道處于破碎地質條件特別是處于涌水涌砂工程區域，隧道常常在開挖后尤其是雨季來臨后，洞內多處涌水量會不斷增加，從而導致施工停止。參考隧道工程排水支洞與迂回導坑施工技術[1-4]，為保證工期以及隧道在今后的運營安全，主洞應施作排水支洞。排水支洞和主洞的交界處必須進行相應的加固來保證主洞的安全，而排水洞需在主洞的主要涌水點以橫向支洞與主洞相連。與此同時，可在主洞地質條件較好的適當位置開挖迂回導洞。

2.2 F4斷層涌水涌砂情況

2016年1月4日蠟犁坪斜井正洞小里程進入F4斷層影響帶，隧道該處埋深303 m，掌子面為紅色石英質砂巖，強風化，節理裂隙發育，巖層破碎。當掌子面推進至DK87+998處時發生涌水涌砂，現場如圖3所示。

圖3 DK87+998掌子面發生涌水涌砂

根據地質預報結果推測巖土性質和整體穩定性較差，其中DK87+998～+964段、DK87+946～+917段、DK87+906～+878段節理發育，巖體較破碎，雨季裂隙水發育，需要加強支護與防排水措施。

2.3 F4斷層涌水涌砂處治措施

鑒于隧道涌水涌砂情況嚴重[5-8]，無法進一步直接進行隧道施工，需要施作排水洞和迂回導洞。根據地質勘查資料，可確定迂回導洞的位置設置在正洞(衡陽到懷化方向)的右側凈距28 m處，位于正洞兩倍洞徑以外，對正洞的開挖基本沒有影響。而排水洞必須同時為正洞和迂回導洞進行排水作業，故排水洞必須位于正洞和迂回導洞之間。迂回導洞、排水洞以及正洞的基本位置如圖4所示。

3 排水支洞設置位置數值模擬

由于排水洞位于正洞兩倍洞徑以內，對正洞開挖會產生較大的影響，必須探明排水洞開挖對正洞圍巖穩定性的影響，為正確設置排水洞提供依據。

3.1 隧道模型與參數

參考相關文獻[2-5]，選取斷層DK87+840～DK87+870段斷面進行三維數值試驗分析。模型采用笛卡爾坐標，其中x方向水平向右，z方向豎直向上。根據巖鷹鞍隧道實際工況建立模型，由于隧道超深埋，F4斷層最大埋深303 m，因此模型幾何尺寸取拱頂以上30 m；根據地勘資料，水位線在隧道拱頂上方24.5 m處，因此在模型上邊界施加豎向應力模擬上部覆土重力，上部覆土平均重度為1.073×104N/m3，模型上邊界距地表深度考慮為273 m，因此計算得模型上邊界應施加豎向荷載29.3 MPa。取隧道輪廓至左邊界面距離為35 m，迂回導洞距右邊界為18 m，同時整個模型高度70 m，縱向長度取75 m，橫向寬度98 m。模型邊界條件采用速度邊界條件控制，其中左右邊界僅固定x方向運動，前后邊界僅固定y方向運動，下邊界完全固定，上邊界為自由邊界條件，如圖5所示。計算采用摩爾庫侖本構模型。材料參數:圍巖級別Ⅵ；重度γ20 kN/m3；彈性模量E2.0 GPa；泊松比v0.350；內摩擦角φ20°；粘聚力c0.2 MPa。

3.2 支護結構及檢測點的設置

3.2.1 設置支護結構

按實際施工情況，初期支護拱墻采用C25網噴混凝土，仰拱采用C25素噴混凝土，拱墻噴混凝土設置雙層鋼筋網，分別置于初期支護內外側，鋼筋保護層4 cm。鋼筋網采用環縱向為?8 mm鋼筋，鋼筋網格為20 cm×20 cm，鋼筋網數量未計搭接及損耗。邊墻設置系統錨桿，?22 mm砂漿錨桿，長4 m，間距1 m×1 m，梅花型布置，并與鋼架焊接牢固。圍巖預留變形量為15～20 cm。結合破碎巖體涌水涌砂圍巖的微觀機理，將混凝土和其中的鋼架按照剛度等效原理折算成混凝土的彈性模量，即C25噴射混凝土彈性模量E=原C25噴射混凝土彈性模量E1+(鋼拱架截面面積S1×鋼彈性模量E2)/混凝土截面積S，其參數如表1所示。

圖5 等效山體埋深上表面為應力邊界

表1 隧道初次襯砌混凝土結構的物理力學參數

3.2.2 監測點設置

為更好的反映正洞隧道圍巖的變化，分別在隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳、拱底設置五個檢測點。

3.3 工況擬定

根據工程概況、地質條件及實際施工情況，參考以往排水支洞設計經驗[5-8]，排水洞與正洞的位置關系會嚴重影響正洞圍巖的穩定性與正洞開挖的安全性，針對巖鷹鞍隧道排水支洞與正洞的間距不同而設置不同的工況。根據設計需要，排水洞的設置必須滿足以下四個條件：

(1)F4斷層段落長，富水含砂，為有效排放F4斷層地下水，保證正洞施工安全，進一步探明F4斷層地質情況，考慮在正洞斷層段右側增設一處迂回導坑。迂回導坑長491.5 m，與正洞左線線間距38.5 m。

(2)排水洞必須位于巖鷹鞍正洞和迂回導洞之間，可同時為正洞和迂回導洞進行排水作業。

(3)為保證正洞施工的安全以及便于安裝排水管，排水洞與正洞的間距不小于7 m。

(4)排水洞和迂回導洞同步施工，迂回導坑(現超前正洞掌子面20 m)二襯施工完成后，應對正洞帷幕注漿效果進行驗證，當驗證注漿效果達到設計要求后，進行正洞開挖。

針對巖鷹鞍隧道的具體地質情況，排水洞工況選取如表2所示。

表2 排水洞與正洞及迂回導洞不同工況水平間距 m

3.4 計算結果分析

按照上述所建模型、土體以及支護強度進行計算，提取正洞拱頂的豎向位移、拱腰的水平位移以及拱底的豎向位移，將不同工況計算結果進行對比，從而判斷排水支洞與正洞的合適距離。

3.4.1 豎向位移

四種工況中豎向位移計算結果如圖6和表3、表4所示。上述四種工況豎向位移結果代表在對應工況下隧道完全貫通且達到平衡后的最終計算結果，計算結果說明間距變化對正洞的變形有一定的影響。

圖6 四種工況下豎向位移云圖

從表3和表4中可知：排水支洞和正洞的水平間距為7.0 m時，正洞拱頂的豎向位移最大值為12.5 cm；排水支洞和正洞的水平間距為11.5 m時，正洞拱頂的豎向位移最大值為12.0 cm。排水支洞和正洞的水平間距為7.0 m時，正洞拱底向上隆起最大值為6.65 cm；排水支洞和正洞的水平間距為11.5 m時，正洞拱底向上隆起最大值為6.50 cm。通過不同工況計算結果提取豎向位移云圖和監測表可以明顯的發現，隨著排水支洞和正洞的間距逐漸增大，正洞拱頂的豎向位移也相應的有一定

表3 不同工況下正洞拱頂豎向位移監測表 mm

表4 不同工況下正洞拱底豎向位移監測表 mm

幅度的減小。說明排水支洞的開挖離正洞越遠，對正洞圍巖穩定性的影響就越小，表明應該適當增加排水支洞到正洞的距離。

3.4.2 水平位移

四種工況下水平位移計算結果如圖7所示。

圖7 四種工況下水平位移云圖

通過在正洞y方向15 m處設置監測點，監測不同工況下拱腰水平位移量如表5所示。

從表5中可知，正洞拱腰的水平位移隨著排水支洞到正洞的水平間距逐漸增大，拱腰的水平位移有一定增大的趨勢。這主要是因為排水支洞與正洞較近能夠更多的釋放正洞圍巖的應力，從而導致排水支洞離正洞的水平間距越小，正洞的拱腰水平位移就越小，與實際工程相符。通過不同工況計算結果提取正洞水平位移云圖和監測表可以明顯的發現，隨著排水支洞和正洞的間距逐漸增大，正洞拱腰的水平位移有一定幅度的增大。說明排水洞的開挖離正洞越遠，越不利于減小正洞拱腰的水平位移，表明應該適當減小排水支洞到正洞的距離。

3.4.3 計算結果綜合分析

排水支洞與正洞水平距離的大小對正洞拱頂以及拱底的豎向位移影響較大，尤其是對正洞拱頂的

表5 不同工況下正洞拱腰水平位移表 mm

豎向位移影響最為顯著，排水支洞與正洞水平間距為7.0 m時，拱頂的豎向位移達到最大值12.5 cm。

排水支洞與正洞的水平距離的大小對正洞的總體水平位移的影響不大，但是在總體上隨著水平間距的增大而增大。

綜上所述，在確定排水支洞與正洞水平間距的大小的時候，應該重點考慮水平間距的大小對正洞拱頂豎向位移的影響，并結合實際地質情況以及相關機械設備的使用限制情況綜合考慮確定排水支洞位置。

4 結束語

在高角度逆沖富水富砂的地質條件下修建的諸如公路隧道、鐵路隧道等工程是對施工安全極大的挑戰，應進一步研究關于“排水繞行”的技術，進而采取切實可行的技術和施工措施來保證整個工程安全、按時、保質的完工。

鑒于不同地區修建隧道所出現的涌水涌砂及隧道周圍地質條件的復雜程度不同，排水支洞和迂回導坑的修建必須根據實際情況進行進一步研究。