秦岭隧洞富水节理密集带处置方案研究及实践

摘要：地下工程中，常规外水压力的应对措施已经具有大量的工程实残和理论研究，但特殊区段的研究较少。结合引汉济渭秦岭隧洞越岭段的工程实践，针对大埋深、围岩相对较好、富水、空腔发育的节理密集带的特殊段落，研究外水压处理方案。通过数值计算、现场实施条件、实施效果等分析论证，提出推荐方案。密集带外侧采用土工布填塞并注化学浆液速凝形成外模，内侧刻槽扩挖浇筑钢筋混凝土形成内模后，灌注双液浆，达到堵水抗水压的效果。经现场组织实施，效果较好。

关键词：秦岭隧洞;富水;节理密集带;处理

中图分类号：TV672⁺.1 文献标志码：A

突涌水是地下工程建设与运营过程中的主要地质灾害，具有突发性高、致灾能力强、灾后处置困难等显著特点[1]。公路、铁路等山岭交通隧道通常设有完善的防排水系统，地下水頭难以聚集，一般衬砌结构不考虑地下水压。水工隧洞多采用固结灌浆并设置排水孔的形式应对外水压力。固结灌浆在二衬完成及回填灌浆完成后实施，一般灌浆压力控制在0.3～2.0MPa[2]。但高压、富水、断层破碎带的水工隧洞若在二衬完成后实施，则破碎段空腔较大，外边界非常宽广，浆液扩散范围未知，浆液用量非常大。另外，注浆压力很难控制，由于埋深大、水头高、空腔投影到二衬的面积大，因此注浆压力稍高将直接影响二衬安全;地下水稳定水量较大，注浆完成后，水压将急剧上升。因此，该段采用常规的固结灌浆并设排水孔的方式不适宜，对此有必要进行研究分析。

1 工程概况

引汉济渭秦岭隧洞长达98.3km、最大埋深2012m，埋深1000m以上的段落长达30km，工程规模及难度世界瞩目[3]。秦岭隧洞区地下水以潜水为主，但其含水介质的各向异性，使地下水的补给、径流、排泄条件十分复杂[4]。

2016年5月11日，秦岭隧洞7号支洞上游掌子面开挖至桩号K68+851，该处埋深约1020m，出露岩性为花岗岩，节理裂隙较发育，测得3组主要节理，岩体大部分完整性较好，局部完整性较差，拱部局部有掉块现象。右边墙发育一组节理密集带，一直向左延伸至顶部，产状大致为N32°E/68°S，宽度0.3～0.5m，拱脚地下水发育，股状涌水（沿节理密集带涌出），拱部线状流水，底板股状涌水，初期涌水量约2.5万m³/d。虽初期水量较大，洞身被淹，但衰减较快，23 d后便恢复掘进。2016年6月6日，掌子面开挖至K68+841，节理密集带延伸至掌子面中部偏左，测得产状大致为N38°E/76°S，宽度0.3～1.0m，密集带局部呈空腔状，涌水仅剩底板处存在，其他部位涌水衰减完毕，底板涌水仍有压力，涌水处有一较大空腔，深度大于1.5m，具体尺寸无法测得。2d后，掌子面开挖至K68+834，揭露岩性主要为花岗岩，测得3组主要节理。观测节理密集带，自K68+851右侧边墙延伸至K68+835段左侧边墙，产状大致为N30°～45°E/65°～80°S，宽度0.3～1.8m，密集带走向与洞轴线夹角约45°，洞周显现明显，密集带的洞周平面示意见图1，密集带内岩体较破碎，局部呈空腔状，地下水自密集带底部呈股状涌出，涌水有较弱压力。涌水量稳定，水量约1200m³/d。

因该段节理密集带现场显露明显，故水量衰减较快，但稳定涌水量一直持续稳定。考虑实施二次衬砌后，该段水量将在衬砌背后迅速积聚，可能破坏结构。另外，若实施二次衬砌，衬砌将掩盖洞周节理带的出露及发育情况，不利于后期处理。因此，关于该段的处理一直以观察水量变化、水力连通、补给、衰减等为主。到2017年7月，经长达1。的观察，该段水量仍持续、稳定为1200m³/d。

2 处理方案研究

2.1 方案拟定

开挖完成后经对该段地下水情况长达1a的观察，认为：①地下水补给充分，初期（20d）急剧衰减后，水量持续、稳定;②地下水补给及连通性较好;③地下水与地表水未发现有补给及连通性。方案拟定中主要考虑以下因素：①围岩整体条件较好，该段均为花岗岩，除密集带外，整体相对较完整，岩石强度高;②整个节理密集带自身相互之间具有连通性;③节理密集带具有不均匀性，表现为连通不均匀（依据密集带不同部位开挖出露后，水量的相互影响及变化规律）和发育不均匀（环绕洞身破碎程度不一、宽度不一，部分部位可见宽0.2～0.3m裂缝，深不见底）;④地下水封堵后，水位将很快上升;⑤运营期免维护和少维护;⑥实施难易、效果、费用等;⑦实施方案对环境的影响。

根据以上基本情况，处理方案按两大类考虑：第一类，对节理密集带注浆封堵，形成加固圈后，再施做二次衬砌，并施做排水孔。但由于密集带空腔边界宽广且不明，因此需研究新的注浆工艺及方法。第二类，考虑节理密集带空腔边界不明，注浆量无法控制，且效果较难控制，拟对该段扩挖3-5 m后回填混凝土形成抗压圈，同时考虑抗压圈具有改善抗渗性和一定的堵水作用。

2.2 计算分析

针对该段的具体情况，分别对马蹄形和圆形按800m水头和600m水头进行计算。

计算参数：Ⅱ级围岩（弹性抗力系数k=1000MPa/m），衬砌混凝土强度等级采用C35，荷载包括全周水压力、自重、弹性抗力。

（1）按圆形断面向外扩挖3m，水头按800m考虑，水压8MPa，二维计算内力见图2、图3。

对衬砌控制点安全系数及裂缝宽度进行分析，典型部位的轴力、弯矩及要求的衬砌厚度、配筋、安全系数等见表1。经裂缝验算，e₀≤0.55h₀（e₀为轴向力对截面重心的偏心距，h₀为截面有效高度），满足要求。

（2）按圆形断面向外扩挖3m，水头按600m考虑，水压6MPa，二维计算内力见图4、图5。

对衬砌控制点安全系数及裂缝宽度进行分析，典型部位的轴力、弯矩及要求的衬砌厚度、配筋、安全系数等见表2。裂缝验算结果满足要求。

（3）按原马蹄形断面向外扩挖3m，水头按800m考虑，水压8MPa，二维计算内力见图6、图7。

对衬砌控制点安全系数及裂缝宽度进行分析，典型部位的轴力、弯矩及要求的衬砌厚度、配筋、安全系数等见表3。裂缝验算结果满足要求。

以上计算表明：采用圆形断面，水头800m时，抗压圈厚度约为3.8m;水头600m时，抗压圈厚度约为3.0m。采用马蹄形断面，水头800m时，抗压圈厚度约为4.5m。

通过计算分析，将外水压力作为面力考虑作用于衬砌表面时，虽然模型简单，结论明确，但与工程实际情况有一定出入，且现场很难组织实施，工程投资过大。

对于作用在衬砌上的外水压力，国内外学者主要基于渗流理论，采用解析法或数值法推求[5-9]。对于与二次衬砌或加固圈表面垂直的地下裂隙，外水压力的作用面积与裂隙宽度相关。由于缝宽有限，该值一般较小，因此笔者认为围岩较好时外水压力对固结圈的作用需折减。

2.3 方案比较

（1）方案Ⅰ，注浆堵水加固方案。对节理密集带进行注浆堵水并加固围岩。现有节理密集带空腔显露，但边界不明，考虑化学浆液凝固速度快，对外圈采用化学浆液速凝后形成外模，内侧采用混凝土封堵可满足强度及耐久性要求。

具体实施方法：①拱墙灌浆，沿密集带走向扩挖200cm×30cm（宽×深）的空间施做止浆带，并清理裂隙至5.5m深度，人工将编织袋或土工布填塞至被清理裂隙底端，压紧、捣实。环向每1m预埋一根（D75mm灌浆管，径向深4.5m，并埋设回浆管。止浆带部位设间距1m×1m、长3m的锚杆，锚杆端头焊接Φ20mm螺纹钢，并设间距20cm×20cm的Φ8mm钢筋网与端头螺纹钢焊接，沿拱墙裂隙立模浇筑C30混凝土形成止浆墙。②底板灌浆，沿裂隙清理底板，找到出水点，沿隧洞纵向开挖一道100cm×100cm（宽×深）的排水沟，水沟端头设12.5m³的水仓，水沟长度根据出水点的断面位置确定。沿裂隙扩挖底板200cm×100cm（宽×深），预埋水管引水并浇筑混凝土，封闭除预留出水口的其余水流通道，并标记出水口。在出水口两边以45°倾角向出水口钻孔，注入油溶性聚氨酯封闭出水通道，封闭出水口。

以上堵水措施完成并观察效果后，确定施做加强二次衬砌。其優点为：①不破坏现有围岩，基于现状，堵水加固;②对其他工序干扰相对较小。其缺点为：①地质条件复杂，注浆浆液扩散不可控，质量较难控制;②节理裂隙不规则，清理节理困难;③若节理扭曲，部分段落土工布及麻袋填塞和注浆管安插难以实施;④流水已致节理密集带部分位置形成了不规则空腔，注浆量不可控;⑤处理实施有一定风险。

（2）方案Ⅱ，扩挖回填方案。考虑注浆加固有一定的实施风险，且由于节理密集带结构面不规则，实施难度较大，因此效果难以检测和控制，考虑扩挖回填方案。向开挖轮廓外扩挖4.5m，分部扩挖、回填，形成堵水及加固圈，并对施工缝灌注微膨胀水泥浆，完成后施做二次衬砌。

方案实施：考虑一次性扩挖断面过大，整个加固圈采用分步扩挖回填。首先扩挖、回填两侧边墙，完成后进行拱部扩挖回填。底板扩挖次序根据出水点位置确定。施工工序见图8，其中序号1～5为扩挖顺序、序号①～⑤为回填顺序。

方案Ⅱ的优点为：①机理明确，质量容易控制，堵水及加固效果好;②该方案实施中不受节理密集带发育情况的影响;③该方案实施中不受节理空腔规模、大小的影响。其缺点为：①工程量略大，实施组织略困难;②开挖后，底板需在注浆堵水后施做，因节理密集带的连通性而导致实施困难;③处理过程中需暂停现有二次衬砌施工，将对总工期产生影响。

综上，该段为Ⅱ类围岩，围岩总体条件很好。虽然从理论上讲，方案Ⅰ效果不好控制和检测，但是考虑密集带发育明确，通过加强工程措施可大大改善渗透条件，根据注浆后地下水的渗透情况来分析评价注浆效果。根据注浆情况，必要时局部补充注浆，可达到满意效果。而方案Ⅱ虽然机理明确，全过程质量、风险可控，但是挖除坚硬岩石后再回填，大部分范围的混凝土质量劣于原状围岩的。另外，该方案尚需注浆措施配合，总体实施工序多、难度大。经现场实际勘察、研究讨论，拟采用方案Ⅰ组织实施。

3 实施及效果

节理密集带的实际发育段落桩号为K68+851-K68+835，确定处理段落桩号为K68+856-K68+829，该段的二次衬砌待注浆堵水完成、现场分析评价后确定。将该段节理密集带2m宽范围划分为Ⅰ区，其余范围划分为Ⅱ区，见图9。Ⅰ区表面凿除后设止浆带，外侧采用化学灌浆及土工布等形成外模，内侧采用1：1水泥水玻璃双液浆，见图10，Ⅱ区注浆采用1：1水泥水玻璃双液浆。先完成Ⅱ区灌浆，后完成Ⅰ区灌浆，Ⅰ、Ⅱ区灌浆均应采用拱顶一边墙一底板的顺序进行。Ⅰ区注浆管间距1.0m×1.0m，梅花形布设，垂直于密集带表面;Ⅱ区间距0.93m×0.93m，梅花形布设，垂直于岩壁;底板集中出水点2.0m×2.0m范围注浆管间距0.5m×0.5m，梅花形布设。

现场注浆完成后，经过约50d的观察，该段堵水效果良好，现场拱墙、底板无明显出水点，仅右侧边墙局部有一处渗滴水点，隧洞内壁无开裂、破损等情况。根据现场情况，对二次衬砌进行了必要的加强。

4 结语

（1）地下工程的外水压力问题是一个长期困扰施工的技术难题，鉴于地下工程的多样性、复杂性、多因素影响等特点，试图解析分析非常困难，建设中应结合工程的具体特点，进行分析研究。

（2）目前，《水工隧洞设计规范》中采用折减系数法确定外水荷载。但对于深埋、地下水位较高的隧洞，现场用折减系数法确定衬砌外水压力荷载很难操作，且对衬砌结构影响非常大。前期勘察设计阶段仅能通过技术手段对隧洞的富水情况进行分区，但现场同一分区内的表现差异较大。例如利用现有勘察手段无法在勘察设计阶段发现文中所述节理密集带，针对节理密集带的处理，建议根据节理密集带的发育情况、围岩情况和富水情况等确定应对措施。

（3）对于山岭隧洞的高水压、富水节理密集带问题，建议现场以堵为主，对于完整性较好、节理明确的段落，可尝试根据节理的发育组数、宽度结合等效水头分析外水荷载。

（4）通过本次方案的实施，对于较好围岩的富水节理密集带处理，现有的堵水措施技术形成固结圈是可行的，且堵水效果良好。

参考文献：

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