某隧道断层富水带区段设计方案探讨

于德安余浩

摘要：本文结合某断层富水带隧道工程实例，探讨了类似富水隧道衬砌设计的关键问题，得出一些有益的结论和设计思路，可以为相关的项目提供参考和借鉴。

关键词：断层；富水带；防突厚度；帷幕注浆；抗水压衬砌项目总体概况

1.项目总体概况

某隧道左洞桩号ZK13+160-ZK16+735，长3575m；右洞桩号K13+210-K16+750，长3540m，为分离式双洞隧道，设计时速100km/h，建筑限界为11m×5m。隧址区属亚热带温暖湿润气候，气候温和，四季分明。雨水大多集中于3～8月，约占全年降雨量的69%，年均降雨量1200～1430mm,年均蒸发量1350～1650mm，年平均气温16.5～17.5℃，极端最高气温40.1℃，极端最低气温-12.1℃，年平均风速1.5～2.2m/s,最大风速40m/s。隧址区内地层为第四系全新统、更新统覆盖层，下三叠系灰岩，二叠系上统硅质页岩、页岩、灰岩夹煤层，二叠系下统灰岩，存在浅灰色-深灰色岩溶化灰岩，受区域构造及地下水活动影响，隧道区发育多处带状岩溶发育带，岩体构造节理发育，其溶蚀裂隙、溶沟、溶洞较发育，富水，局部充填泥，地表出现串珠状岩溶漏斗、洼地及落水洞。主要分布于K15+255～K15+295、K15+350～+410、K15+560～+630、K15+670～K16+000段。

2.富水带具体情况

洞身发育F5-1压扭性逆断层：发育于隧道洞身K13+680～K13+760段，与路线约呈80°相交，走向北东，倾向南东，倾角约65°，岩层挤压带和破碎带宽约80m，带内发育构造角砾岩、断层泥等，呈褐黄色，岩体呈碎石、角砾夹大块状，部分地段钙质胶结，延伸长度>10km。带内岩溶发育，地表表现为岩溶漏斗、落水洞呈串珠状分布，带内发育溶沟、溶槽、溶洞，地下水水位较高，水量丰富，为一高压富水带。其地下水位高，离地面约80m，水量丰富，开挖时很有可能出现突水、涌泥等现象，对隧道施工有较大风险。

3.富水带主要问题探讨

3.1.最小防突厚度的确定

在隧道开挖过程中，掌子面与高水头压力的作用面之间包括三部分区域，分别为开挖引起的松弛厚度区、安全厚度区和裂隙带区。假定某隧道开挖前方存在高压富水带，由于开挖面与周边的围岩连接紧密，可以认为掌子面受到固定约束，假定掌子面以前未开挖岩体的保护厚度为h，如图1所示。

图1岩石保护层厚度组成示意

随着隧道施工的不断进行，松弛区厚度h1不断减小，在向安全厚度区延伸的同时也减小了安全厚度区的范围，这就大大增加了地下水作用下岩体发生劈裂和破坏的可能性。当隧道开挖进一步进行，超越了最小岩石保护厚度范围，岩体最终发生破坏，此时岩石的保护厚度计算如下：

其中：

（1）h_1为开挖后围岩的松弛厚度可由《公路隧道设计规范》中各级围岩的锚杆长度表征。对于隧道断层F5-1段而言，断层下盘围岩级别为Ⅴ级，松弛厚度可确定为2.5～3m，取大值3m；断层上盘围岩级别为Ⅲ级，故松弛厚度可确定为2～3.0m，取大值3m。

（2）h_3为裂隙带区厚度，通常可以采用相应的地勘手段予以确定，比如物探或者钻探。并且应该着重查明裂隙的主要分布情况，比如可以采用地质雷达探测，同时采用钻探手段予以验证，确保结果精度。

（3）h_2为安全厚度区，可以按下式计算：

式中:KIc为岩石的断裂韧度，可由试验测得。

因此，当隧道开挖至F5-1断层处的距离大于等于最小防突厚度h≥h1+h2+h3时，掌子面前方的安全岩厚度能够抵抗断层内的高水头压力，不会导致涌水。由于地下工程围岩的不均匀性，施工过程中爆破的影响难以精确计算，最小防突厚度的计算再考虑1.5倍的安全系数。

帷幕注浆参数的确定

（1）帷幕注浆加固范围厚度的确定:根据规范中的参考公式（拉麦公式）计算

式中：E为洞室周边及尾端帷幕的厚度；

[σ]为注浆固结后岩体的容许抗压强度；

Rb为固结体极限抗压强度；

K为安全系数，取细则推荐值2；

P为水压力；

h为覆盖层厚度；

R为隧道开挖断面的当量半径；

A为隧道开挖面积；

S为隧道开挖断面周长。

（2）计算断面的模型

取最不利断面ZK13+680处进行计算，地面标高为763.54m，地下水位位于685m处，隧道设计标高为450.3m，三倍洞径围岩为微风化灰岩、岩溶化灰岩，构造角砾岩，陡节理发育，岩体较破碎，岩体呈块碎镶嵌结构。

帷幕注浆的固结体主要承受全部外部水压力（即不考虑帷幕排水的情况下），F5-1断层内的水压力折减系数取最大值1，进行计算。

表1计算参数表

根据水泥-水玻璃双液浆材料特性可知，当帷幕厚度达到4m以上时，所需的固结体极限抗压强度均在水泥-水玻璃双液浆固结体的抗压强度范围内。

（3）注浆压力

注浆压力按已知的地下水静水压力计算，超前帷幕注浆的初始注浆压力应为静水压力的1.2～1.5倍。

F5-1断层位置最大静水压力2.35MPa，初始注浆压力采用3MPa，最大注浆压力（终压）4.8MPa。

3.3.抗水压衬砌计算

（1）衬砌外表面水压力的确定

a：单位面积上的水压力等于与水接触面积和水压强的乘积，即：

4.抗水压衬砌设计

根据规范规定，隧道穿越地下水丰富、水压力较大地段，当地下水大量排泄可能导致生态破坏时，对拱顶以上地下水压力大于20m水压的Ⅳ、Ⅴ级围岩地段，采用抗水压衬砌，加强衬砌支护参数，抵抗地下水压力。对拱顶以上地下水压力大于30m水压段，应通过超前注浆、系统注浆等辅助措施降低水压力。对拱顶以上地下水压力少于20m水压段，参照普通段衬砌进行支护。

根据规范规定，抗水压复合衬砌设计参数的考虑因素有两种：一是按照初支与围岩协同受力同时控制地表沉降进行设计；二是按照二衬承担围岩压力以及水压力进行设计。

经计算分析和工程类比，主要的设计方案按如下分类：

（1）20m～30m水头高度情况

抗水压衬砌主要设计方案为加深仰拱65cm，仰拱与边墙采用圆弧平滑连接，二衬混凝土标号由C30提高到C40，同时加厚仰拱二衬厚度，对于未采用帷幕注浆或系统注浆等辅助措施进行处治的围岩段落尚需打设锚杆进行加固。

（2）30m～60m水头高度情况

抗水压衬砌主要设计方案为加深仰拱65cm，仰拱与边墙采用圆弧平滑连接，初支钢拱架等级提高，厚度加大，二衬混凝土标号由C30提高到C40，同时加厚仰拱二衬厚度，对于未采用帷幕注浆或系统注浆等辅助措施进行处治的围岩段落尚需打设锚杆进行加固。

图2采用帷幕注浆或者系统注浆段落的抗水压衬砌方案图

图3未采用帷幕注浆或者系统注浆段落的抗水压衬砌方案图

5.结语

（1）由于现场施工情况复杂，难以准确确定最小防突厚度，因此需要在计算的基础上结合其他工程的经验及现场情况综合确定，以保证施工安全。

（2）若通过帷幕注浆等措施难以通过高压富水断层带，则可考虑在隧道设置小型泄水洞控制排出部分地下水，降低水头高度和施工难度，从而提高该段衬砌结构的长期耐久性。

（3）抗水压衬砌设计应结合不同的水头高度分别通过计算确定，对于水头高度大于20m段根据具体情况采用相应的衬砌类型，并且采用辅助措施降低水压力，保证结构安全。

参考文献：

[1]付钢，王磊.高压富水地层中隧道衬砌结构设计方法探讨[J].地下空间与工程学报.2007,2:252-257.

[2]王建宇.再谈隧道衬砌水压力[J].现代隧道技术,2003,3:5-10.

[3]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2011

[4]王伟，苗德海.高水压富水山岭隧道设计浅谈及工程实例[J].现代隧道技术.2005,5:24-29.