隧道穿越富水层施工技术与围岩应力变化分析

摘要：文章以富水层地质构造为例，研究了隧道在穿越此类地质段时的主要施工技术，并通过现场数据采集与传输系统搭建，分析了富水层隧道围岩应力变化情况，为同类型隧道施工提供参考。

关键词：隧道;富水层;施工;研究

0 引言

隧道在施工过程中常穿越各类不良地质段，如富水层，这类地质构造为隧道施工带来了一定的难度，而且在施工过程中也伴随有各类风险因素，如突水涌泥、结构失稳、支护塌方等，严重时会影响到施工人员的生命安全。因此，研究隧道穿越富水层的施工技术和施工中各相关工程参数的变化，对于保证隧道工程的施工质量具有特殊意义。

1 隧道穿越富水层的主要施工技术

1.1 隧道穿越富水层施工风险

隧道在施工中穿越富水地质构造时，会破坏原有含水结构及渗流通路，可能使疏水通道与隧道开挖面相互连通，施工扰动甚至会引发隧道开挖区的突水涌泥等施工事故，情况严重时会造成地面塌方或地表沉降。富水层所在地质构造多为岩性变化带，属于隧道工程的富水层。地表突变处若为挤压式断层，则通常表现为上盘裂隙富水;地表突变处若为张拉式断层，则通常情况下断层带即为蓄水构造。隧道施工穿越该段将可能引发集中突水涌泥，施工风险极高。特别是在强岩溶区域的隧道施工中，岩体深处可能存在大范围的蓄水构造，当隧道开挖揭穿溶洞、溶腔或其他暗河时，会引起大量地下水喷涌，改变原有的地下水渗流路径，使得隧道周边范围的地下水位下降，对当地生态环境和人们日常生活带来严重影响[1]。

1.2 穿越富水层施工水处理原则

隧道浅埋段应使用洞内注浆模式进行封堵，以减少渗水压对永久衬砌结构的影响。对于隧道常规地段而言，其裂隙水与地表水无明显的直接联系，排放时对周边环境的影响较小，因此，可采取防排相结合的水处理原则。对于影响附近环境较大的地质构造水，应综合判断实际施工情况下的项目进度等情况，严格区分渗流水及喷出水，采取排放后处理和超前帷幕预处理等措施，并注浆加固围岩以降渗承压，初期支护时使用径向方式[JP]进行注浆以隔断水路。此外，应及时采取措施尽可能减少隧道内部的排水，确保隧道原有结构体的稳定性，为降低排水对周边环境的影响，可使用帷幕注浆技术进行施工[2]。

1.3 帷幕注浆施工

针对隧道施工过程中因穿越富水层等不良地质构造而可能引发的突水涌泥等灾害，当地下水压力值超过3 MPa时，应对其正洞8 m范围内注浆加固;当地下水压力值在2～3 MPa时，应对其正洞5 m范围内注浆加固，开挖轮廓外3 m范围进行帷幕注浆施工;当地下水压力值在1～2 MPa时，开挖轮廓外3 m范围进行帷幕注浆施工。注浆施工设备选用可参考表1。

1.4 绕行超前平导施工

当穿越富水层断面的隧道上坡区域为大导水结构，在施工过程中发生大量涌水情况时，在正洞内进行处理变得十分困难，此时应在隧道掘进方向来水侧设置上坡平导，且平导的高度应高于正洞，并利用绕行超前平导进行泄水以减小压力，对实现隧道工程快速贯通施工具有积极作用。超前导坑的施工方案可有效避免涌水突泥引发的隧道结构失稳情况，利用绕行超前平导能够有效降低正洞水压，同时也能为正洞径向注浆留有足够的施工空间，便于进行地质勘测以掌握前方地质情况。绕行超前平导利用横通道方式与正线连通，扩大了正线工作面，提高了施工速度，形成正线疏排水系统，可区分洞内各部分作业以减少彼此干扰，有效降低施工事故的发生[3]。

1.5 排水锚喷支护

隧道施工在穿越富水区时存在的裂隙较多，隧道开挖过程产生大量涌水不可避免。當隧道拱顶以及边墙发生较为严重的渗水时，初期支护施工难以进行或效果较差，例如使用钻爆法开挖时将造成隧道岩体结构的振动，进一步加剧岩体裂隙甚至形成连通裂缝，使地层水渗入隧道，这些因素都将使初期支护无法成型，此时应使用速凝时间在3 min以内的水泥进行施工。根据实际疏导水流来适当降低水压，可迎水进行喷混凝土减少渗水范围，确保防水层的质量[4]。隧道锚喷支护参数如表2所示，隧道锚喷支护配合比如表3所示。

2 富水层隧道围岩应力变化分析

2.1 围岩数据采集硬件布置

2.1.1 钢筋计埋设

依据结构力学原理，采集被测量物体的频率作为模拟信号，钢筋计可用来测量隧道拱架的结构应力，可通过对焊方式进行连接，置于初支混凝土中，混凝土凝固后进行测量。

2.1.2 压力计布置

与钢筋计的工作原理类似，压力计通常用来测量隧道围岩形变应力，预先在钢筋加工区完成固定支架的制作，然后将制作好的支架运送到隧道内，用支架将压力计固定在围岩上，另一侧固定到钢拱架上，应保证可靠、牢固，使采集到的数据准确。

2.1.3 水位计布设

测量隧道岩体内部的地下水情况可为穿越富水层隧道施工提供相应的数据支持。在隧道围岩内部固定水位计，通过水压作用于水位计的敏感元件，实现地下水位的准确读取[5，6]。

2.2 现场数据采集与传输系统搭建

在隧道施工现场的硬件采集装置布置完成后，进行数据采集和传输系统的搭建，将钢筋计、压力计和水位计采集到的隧道施工数据通过数据接口、数据总线和数据集成装置上传到分析组件（上位机）中进行数据汇总、分析和显示。数据接口与数据总线经过部署在隧道施工现场的远程自动化采集箱进行中转。施工数据采集与传输系统主要由采集装置、传输单元和分析组件三部分构成：采集装置涉及到钢拱架应力、围岩压力和地下水位等的检测部分等;传输单元包括数据总线、接口和集成等;分析组件有处理器、转换器和显示器等部件。隧道施工现场数据采集与传输系统架构如图1所示。

2.3 富水层隧道围岩应力变化分析

进行隧道富水层施工数据分析，能够评估隧道围岩结构等多方面施工参数，为工程下一阶段的施工提供指导意见。隧道围岩应力变化能够反映隧道整体结构的稳定性以及工程施工质量，因此，选取施工中隧道围岩应力作为试验参数，通过对比围岩应力计算值（理论值）和监测值（实际值），分析围岩应力在施工过程中的变化情况，得出隧道富水层施工质量评估结果。试验中选取某西南山区隧道的施工建设模型，模拟出施工现场隧道围岩应力的计算值曲线，如图2所示。

试验中模拟了25 d工期的隧道施工围岩应力（压应力）变化，拱顶、拱腰以及拱脚处的围岩应力在25 d试验观察中的变化趋势基本相同，拱腰位置围岩应力变化在15 d之后逐渐平稳，而拱顶和拱脚围岩应力在继续减弱，表明隧道围岩形变幅度在减弱，即隧道围岩结构在施工过程中逐渐稳定。施工现场隧道围岩应力的监测值曲线如图3所示。

由图2、图3对比可知，富水层隧道围岩应力的计算值与监测值变化曲线基本一致，拱顶、拱腰与拱脚三个方向的围岩应力监测值曲线在逐渐降低，说明在富水层隧道实际施工中进行的支护措施效果较好。另外，在围岩应力监测曲线中可以看到，拱顶、拱腰与拱脚三个方向的受力变化情况大体相同，有别于图2中的曲线走向，这种情况表明拱顶、拱腰和拱脚三个位置的施工进度具有同步性。

3 结语

本文分析了隧道穿越富水层施工技术，阐述了帷幕注浆、绕行超前平导和排水锚喷支护等施工技术理论和应用范围，通过模拟试验完成了富水层隧道施工现场数据采集与围岩应力变化分析，为同类型隧道的施工方案设计提供了参考。

参考文献：

[1]李 冰，白明洲，许兆义.宜万铁路野三关隧道施工期岩溶灾害危险性分析与安全对策研究[J].中国安全科学学报，2006，16（9）：4-9.

[2]杨 兵.宜万铁路马鹿箐隧道岩溶灾害的工程处治技术[J].地下空间与工程学报，2011，7（3）：581-586.

[3]周垂一，李 军，严 鹏.锦屏二级水电站深埋隧洞施工难点解析[J].隧道建设，2013，33（6）：481-488.

[4]吕言新，张 猛，董之龙.富水岩溶隧道注浆堵水技术研究[J].中国矿山工程，2012，41（1）：60-63.

[5]王新洁.新茨沟隧道软弱炭质片岩地段施工技术研究[J].山西建筑，2012，38（13）：183-186.

[6]赵福善.兰渝铁路两水隧道高地应力软岩大变形控制技术[J].隧道建设，2014，34（6）：546-553.

作者简介：李国华（1980—），工程师，研究方向：高速公路建设工程。