高压富水弱胶结砾岩隧道施工降水方案优化

孙晓科

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300133）

1 引言

近些年，在山岭隧道的建设实践中，第三系地层遇到的较多，以兰渝线胡麻岭隧道、桃树坪隧道、牡绥线双丰隧道等隧道为代表，主要是第三系砂泥岩半成岩，以细颗粒为主。针对这种地层的工程特点，目前设计施工中采取的措施【1，2】主要分超前降水、地层加固、分块开挖和加强支护等几大类，其中，降水是各种措施中的重要环节。而针对另一类半成岩的砾岩，其主要以砾石粗颗粒为骨架，细颗粒充填，胶结程度弱，夹泥或含砂，天然状态下具有一定自稳能力，但在施工扰动和地下动水作用下极易失稳，其特点类似构造破碎带，主要在煤矿建井中遇到较多。

李玉成、赵宝峰等【3，4】针对深厚富水承压的第三系弱胶结砾岩地层建井和巷道施工开展了研究，提出了采用长距离定向钻技术对顶板含水层进行探查和预疏放，井筒周围打降水井降低周围水头高度，在疏干条件下施工井筒，在巷道突水防治、立井井筒水害防治方面取得了显著效果。马志富等【5】针对双丰隧道长段落、大埋深、富水的第三系砂泥岩地层设计施工技术进行了探讨，从空腔泄水、掌子面超前泄水、径向泄水、平导泄水、基底降水井、平导向正洞拱顶施作泄水孔、地表降水等角度出发，提出了全方位立体泄水降压方法及开挖轮廓内外差异化超前预加固工艺等措施。刘效成【6】等对隧道施工中地下水的降排水及堵水等多种处理方式进行了研究。张梅、赵西民等【7，8】结合旧堡隧道含泥化夹层、呈碎块状及角砾碎石状松散结构的高压富水断层带的特点，提出了“泄水降压、注浆加固、管棚支护、两端夹击”的处治方案，并对超前钻孔排水降压在隧道富水断层施工中的应用效果进行了总结，超前钻孔排水泄压可使前方承压水得到提前释放，水压由0.6MPa 降至0.2MPa 以下，可保证掌子面安全，进行后续施工。

上述研究中关于降水措施，较多地集中在定性的方案制定研究上，对降水效果定量的分析较少。

某新建重载铁路隧道洞身穿越一段长约3.7km 的第三系弱胶结地层，其中有约1.4km 为弱胶结砾岩，地层富水承压，在高水压和施工扰动下极易发生灾害。本文针对该段第三系弱胶结砾岩地层，采用数值模拟的手段，对降水方案的效果进行定量分析，为施工降水方案的优化和隧道安全施工提供了数据支撑。

2 工程概况

某新建双洞单线重载铁路隧道长约18km，洞身穿越一段长约3.7km 的第三系弱胶结地层。该段地貌为沟谷及台地，新老黄土覆盖层最厚达120m，局部地方有第三系地层出露。隧道埋深为50~160m。

2.1 地层岩性

该段第三系地层岩性主要为胶结程度低的砾岩及半成岩的泥岩和砂质泥岩，其中，砾岩按胶结程度分中等胶结、弱胶结以及局部无胶结，胶结成分主要是泥质胶结，无水状态或不扰动情况下一般可以自稳，遇水易软化，岩芯呈散体状，强度低，渗透系数为0.1～0.3m/d；泥岩均为半成岩，具有一定的遇水膨胀性，纯粹的泥岩透水性较差，部分段落含砂和砾石稍多，为半成岩砂质泥岩，或砂质泥岩与砾岩互层，有一定渗透性，为弱~中等富水。

2.2 水文地质特征

该段属第三系洪积扇水文亚区：山上基岩裂隙水向下径流，由于受山前细颗粒的阻隔，在第三系洪积扇段落形成了富水承压区。其中，砾岩是主要承压含水层，接受山体基岩裂隙侧向径流补给。根据钻孔水头测量结果，在渗透性较大的段落，承压水水头高出隧道底板88～177m。根据钻孔出水情况，可将含水层分为2 块，下部砾岩地层是主要的含水层，地层强富水，上部砂泥岩地层含水量小，富水程度中等。采用地下水动力学方法，预测本段隧道正常涌水量约36 500m3/d，砾岩段最大单侧单宽延米涌水量约27m3/d。

3 原设计方案

3.1 设计方案

针对该段富水高压弱胶结地层设计采用了泄水洞超前降水辅助施工。在左右线中间位置设置泄水洞，泄水洞末端底标高较主隧道底板低2m，泄水洞断面尺寸为4m×4.5m，在拱墙开设φ110mm 泄水孔，环向单侧布置4 孔，纵向间距10m。泄水洞出口设置在沟谷下游，以平面交角45°下穿右线后沿左右线中部布置，总长4 319m，与正洞位置关系见图1。

图1 泄水洞纵断面示意图

3.2 存在问题

一方面，泄水洞尺寸较小，施工作业不便，且末端约2.3km地层中等~强富水，水头较正洞更高，自身施工难度也大；另一方面，为达到降低正洞掌子面附近水压，泄水孔中需插入10~20m 的泄水管，且数量较多，管节焊接包裹无纺布等工序烦琐。同时，泄水洞自身长度达4.3km，实际仅是辅助了正洞1.4km 高压富水段的施工，而增加工程投资约9 000 万元，代价较高。

因此，有必要对泄水洞超前排水辅助施工的方案进行优化。

4 降水方案优化研究

随着隧道的开挖，掌子面自身就是良好的排水通道，可对隧道掌子面附近水压起到很好的泄压作用，但究竟能起到多大的作用，与地层渗透性、开挖面支护等有关，需要定性分析。

4.1 掌子面自然排水效果分析

采用数值模拟手段，在有限元模型中建立整个区域的数值模型，通过对隧道的开挖以及初期支护等进行模拟，计算并分析开挖过程中掌子面附近水压力的分布规律。

4.1.1 模型参数

根据前期研究结果，隧道开挖的影响范围在2.5km 以内，故取对称面左右各2.5km 为边界；沿隧道方向取5km 长，涵盖整个第三系段落；在竖直方向取到隧道下方约670m 处；上部黄土层由于贫水，渗透系数很小，不影响渗流场分布，因此为简化计算量，模型中不考虑上部黄土层，按渗流边界进行定义。

模型中隧道按真实尺寸和开挖过程进行模拟，隧道等效直径约8m，2 条隧道的轴线间距为35m。考虑到计算范围尺寸较大，计算量过大，因此按半对称模型进行简化。

模型的地层分区以勘察的地层分布为基础，进行适当的简化和延伸，地层物理力学参数如表1 所示。

表1 地层物理力学参数

4.1.2 边界条件

模型的渗透边界：（1）将模型下表面视为不透水边界。（2）模型的对称边界根据对称原理也视为不透水边界。（3）黄土层与下面地层的交界面视为承压水面，设为不透水边界。（4）模型的左右边界根据地质勘查报告设为固定水头边界。（5）模型垂直于隧道轴线的远端边界，假设不受隧道开挖的影响，也设为固定水头边界。

隧道内边界：模型开挖后的内边界模拟隧道初支，将其处理为第三类边界，符合下式的定义。

式中，v 和P 为模型内边界上的流速和水压力；P0为初支内表面的水压力；K0为初支的渗透系数；D 为初支的厚度；i 为水力梯度；γw为水的重度。

4.1.3 效果分析

隧道开挖后掌子面周边水压力横纵向分布如图2 所示，可以看出，开挖后横向渗流场的分布形态呈现明显的漏斗状，掌子面附近水压明显下降，开挖临空面的水压力是0，掌子面附近水头变化较快，1 倍洞径以外，约有30m 水头；纵向上，掌子面前方约1 倍洞径处水头约为30m，掌子面位置正上方，水头分布形式为鼓形，最大值约15m，距离隧道顶部约1 倍洞径。

从时间上看，随着开挖过程不断进行，掌子面附近的水位线先是快速降低，开挖区上方的负孔压（水位线以上）区面积不断增大，最后趋于稳定，但掌子面始终位于水位线以下，如图3 所示。

4.2 降水方案优化思路

图2 开挖后掌子面周边水压力分布图及局部放大图

图3 渗流稳定时水位线分布图

通过上述数值模拟结果可以看出，随着隧道的开挖，掌子面自身排水就可将掌子面水头从初始状态的约180m 降至约30m，起到了极大的泄压作用，大大增加了掌子面稳定性。但仍旧无法彻底疏干隧道周边地层，掌子面始终位于水位线以下，施工过程中将不可避免需面临带水作业的风险。

另一方面，上述数值模拟中对地层进行了适当简化，实际地层中除了砾岩外，还有砂质泥岩、泥岩，砂质泥岩和泥岩在动水作用和施工扰动下有软化、泥化特性，因此，考虑在掌子面前方设置超前泄水孔，有针对性地进行超前引排，同时在掌子面下方设置集水坑，对掌子面涌水进行定点汇集，便于抽排。

此外，施工中还应采取加强支护、快速封闭、加大抽排水能力等技术措施，以保证施工安全。

4.3 现场实施情况

结合上述分析，现场施工中对原设计约4.3km 的泄水洞进行了变更，取消了末端约3.7km 的泄水洞，调整洞口段约613m 的纵坡形成平导条件，如图4 所示，并按无轨运输双车道加大断面，利用平导辅助施工，加快出口端正洞的贯通以利于富水段施工排水。同时，施工中根据掌子面实际出水位置，适时打设φ110mm 的超前泄水孔作为掌子面直接排水的补充，以增加施工安全。

现场施工中，仅利用掌子面自排水+根据出水位置适时打设的超前泄水孔，按带水作业组织施工，下台阶出渣作业结束后，采用吸污车抽排隧底汇集的大量积水泥浆，之后人工清底，安装下台阶及仰拱钢架，支护结构快速封闭。

图4 泄水洞优化为平导示意图

4.4 效果评价

该隧道施工中，关于泄水洞辅助降水方案的优化变更，共节约了工程投资约6 123 万元，经济效益显著。隧道于2018年底安全顺利地通过了1.4km 的高压富水弱胶结砾岩段落，目前已通车运营。

5 结语

通过在该隧道建设中的试验研究，有以下几点体会：

1）针对富含高承压水的软弱围岩隧道，施工期间掌子面自然排水就可以大大降低掌子面周围水压，以本隧道为例，掌子面附近水压可从约180m 降至约30m 水头；

2）掌子面超前泄水孔能较好地起到排水泄压的作用，进行超前引排，可作为对掌子面自然排水的一个补充，进一步降低掌子面水压，确保掌子面稳定；

3）虽然掌子面排水及超前泄水孔可以有效降低掌子面周边水压，但仍旧无法疏干地层，需按带水作业组织施工；

4）设计阶段可采用数值模拟手段对降水效果进行模拟判断，以支撑降水系统的参数化设计。