地铁隧道穿越断裂带防水堵漏技术研究★

王 克 成

(中国铁建大桥工程局集团有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

随着我国地铁隧道建造数量的不断增加，所面对的地质条件也变得愈加复杂，在隧道勘察施工过程中，不可避免的遇到断裂带等不良地质条件。断裂带多为富水的松散岩体，水在岩体裂隙渗流的过程中，对围岩进行弱化，导致隧道突水突泥等灾害时有发生，若得不到及时的治理，可能导致隧道塌方，造成严重的人身及财产损失。

断裂带是广泛发育的地质构造，其岩体松散破碎，裂隙丰富，且多数富水性良好[1]。故容易发生突水突泥等灾害，这就需要在隧道开挖之前，做好隧道突水突泥的预测工作和隧道开挖过程中的防水堵漏。目前国内外的一些学者已经在相关领域进行了许多研究，并获得了不同的结果，这些研究结果为研究隧道穿越断裂带突水涌水提供了参考。翁贤杰[1]分析了断层的地质结构特征，岩性特征和水文特征，阐述了穿越断层时隧道突水突泥灾害发生时的地质特征，使用了COMSOL Multiphysic数值计算软件，模拟了隧道施工过程中穿越断裂带的位移场、应力场、渗流场的变化规律。张思旸[2]依托二郎山隧道工程，根据实际工程情况选取三种不同材料进行模型试验，模拟不同材料下隧道穿越断裂带时的突水涌水，总结出三种不同材料下隧道穿越断裂带过程中涌水时渗流场的变化规律并进行比较分析。张伟喜[3]通过研究乌鲁木齐地铁1号线穿越活动断层，阐述浅埋暗挖法的结构设防方案、结构力计算模型以及断层处的结构防水等技术措施。张建宾[4]通过分析胶州湾隧道穿越海底断层破碎带，阐述防止隧道突水突泥的具体施工措施。王德明[5]研究了隧道穿越断层破碎带过程中断层破碎带受到开挖扰动作用下突水、突泥灾害演化的过程，建立了三维地质模型试验系统，试验结果有效地揭示了无支护条件下穿越断层破碎带隧道的不同物理特征参数对时效性的影响规律。

综上所述，本文以乌鲁木齐地铁2号线南梁坡至农业大学站段为研究对象，对隧道构造水文进行分析，根据实际工程情况，以水文地质单元做划分分析隧道涌水特征，最后用数值模拟作为验证，研究结果对乌鲁木齐2号线隧道的安全施工具有重要的指导价值。

1 工程概况

南梁坡站—农业大学站区间自南梁坡起，沿南昌南路铺设，并向西转至南昌路下的农业大学站。区间全长876.356 m，采用矿山法(长269.568 m)+盾构施工(长591.687 m)。线路坡度呈V字坡，正线线间距约11.1 m～14.4 m。区间隧道埋深约9 m～12 m，隧道结构基本位于粉土、中风化泥岩、中风化砾岩中，拱部地层主要为粉土、强风化砾岩、泥岩、砂岩，地下水位埋深3.2 m～7.5 m。从竖井内向南梁坡方向开挖，此暗挖段为断层设防段，采用扩大断面暗挖，使用台阶法施工，其中暗挖区段下穿西山活动断裂带的南支，断裂带宽52 m。

2 乌市地铁2号线南农区间断裂带构造及其涌水特征

2.1 断裂带构造特征

隧道穿越西山断裂带南支(F4-2)，如图1所示。南支(F4-2)位于西山公路以北100余米，向东延伸至雅玛里克山(妖魔山)北麓，汇接于雅玛里克断裂，长约5 km，平面上西山断裂东段南北支构成人字形。走向N45°～70°E，倾向N，倾角44°～83°，具逆性质。线路在南梁坡站—农业大学站区间YCK15+352～YCK15+404大角度通过该断层南支，断层带宽度约52 m。

隧道穿越断裂带可以分为四部分，即穿越前为构造一区，右断层到中间断层为构造二区，中间断层到左断层为构造三区，穿越后为构造四区，如图2所示。

地层岩性。

1)第四系人工填土。

①-1杂填土：灰褐色，主要是角砾、圆砾和粉土，其中还含有碎砖渣、石灰渣、废弃物等，岩芯以散状居多，略湿，稍密～中密。分布于地表，不均匀，层厚1.0 m～3.6 m。

2)第四系全新统。

②-4粉土：浅黄色，土质较均一，岩芯呈块状及10 cm～30 cm的柱状，含2 mm～20 mm的角砾约15%，稍密～密实，稍湿～湿。基本存在于杂填土之下，层厚不均匀，普遍为0.5 m～17 m。

3)上第三系。

根据现场勘探以及区域地质资料，本隧道基岩主要由上第三系泥岩及砾岩组成，岩层产状近水平。

⑧-1-3中风化泥岩：灰黄色～青灰色，泥质结构，局部夹粉细砂结构，泥质胶结，层状构造，成岩差，岩芯呈密实的土状，以5.00 cm～30.00 cm的短柱状为主。

⑧-3-2强风化砾岩：灰黄色、杂灰白色为主，细砾结构，钙质胶结，节理裂隙发育，岩芯呈5.00 cm～20 cm的柱状及饼状，成岩作用较好，锤击较易碎开。

⑧-3-3中等风化砾岩：杂灰色，细砾结构，砾石成分主要为灰岩、砂岩，钙质胶结，厚层状构造，少量节理裂隙，有石英岩脉充填。

4)侏罗系。

⑤-1-1全风化泥岩：灰黄色，泥质结构，局部夹粉细砂结构，泥质胶结，层状构造，岩芯散状或碎块状，节理裂隙发育，成岩作用较差，锤击易碎。

⑤-2-2强风化砂岩：灰黄色，粉细粒结构，层状构造，泥质胶结，岩芯呈5 cm～10 cm不等的柱状及饼状，成岩作用较好，锤击易碎块，节理裂隙发育。

⑤-2-3中等风化砂岩：灰黄色、灰色，粉细砂状结构，薄—中层状构造，泥质胶结，岩芯以5.00 cm～40.00 cm的短柱状为主，成岩作用较好，局部夹泥岩薄层，略有腥臭味砂状结构，少量节理裂隙，节理面略有变色，为较软岩。

构造一区为暗挖隧道穿越断裂带前段，最上部为第四系全新统人工填土，其下为粉土，隧道开挖部分主要为晚第三系地层中等风化砾岩，开挖下部为侏罗系地层中等风化泥岩。构造二区为暗挖隧道穿越断裂带中右断层到中间断层，最上部为第四系全新人工填土，其下为第四系粉土。穿越破碎带为中等风化砾岩，其下为泥岩和砂岩。构造三区为暗挖隧道穿越断裂带中间断层到左断层，最上部为第四系全新人工填土，其下为第四系粉土。穿越破碎带为第四系粉土，其下为砂岩。构造四区为暗挖隧道穿越断裂带后段，最上部为人工填土，其下为粉土和砂岩。

2.2 涌水特征

根据赋存条件，位于乌鲁木齐的地铁2号线地下水可以分为以下三种类型：

1)基岩裂隙水。其透水性受到地层岩性、风化程度以及裂隙发育程度等的影响，呈现出较大的差异性和显著的不均匀性，基岩裂隙水局部赋存于基岩裂隙中，主要沿着地铁沿线经过的断裂、褶皱等构造裂隙分布。

2)第四系松散堆积层中的孔隙潜水。第四系孔隙潜水赋水量较小，主要沿着乌鲁木齐的冲积平原区、洪积平原区、漫滩区以及河两岸阶地分布，其地下水水位表现出明显的南高北低的特征。

3)构造裂隙水。采用暗挖法施工段:根据TB 10049—2014铁路工程水文地质勘察规范[6]附录E.2.2预测隧道涌水量，施工期间地下水位上升幅度按3 m考虑。为计算方便，将各构造分区简化为图3所示的形状，算出的结果如表1所示。裘布依公式：

隧道施工掌子面的涌水量：按影响长度20 m考虑，其涌水量的估算结果及参数取值见表2。

其中，Q为隧道穿越含水体的正常涌水量，m3/d；K为渗透系数，m/d；ΔH为隧道中心到潜水面的距离，m；d为隧道直径，m，按6.2 m考虑；L为渗流长度，m。

表1 地下水动力学法计算涌水量预测表

表2 掌子面正常涌水量估算表

根据表1，表2，判断出各构造区间突涌水危险程度如表3所示。

表3 隧道涌突水危险程度一览表

隧道在穿越部分断裂带所排泄的地下水多为静态储量地下水，由于地下水位较高，地下水赋存于裂隙中，因此隧道在穿越断裂带时，涌出带有承压性的地下水，形成突水。

经过对隧道各个构造区段的隧道涌水量和掌子面涌水量的估算，我们可以初步得出：构造三区和构造四区为一般危险程度，构造一区为较高危险程度，构造二区为高危险程度。故应对构造二区与构造一区的隧道施工重点加强防水堵漏措施。

3 断裂带隧道数值模拟

3.1 概述

本章数值模拟采用Midas GTS NX，Midas GTS NX是一套专业三维岩土有限元分析软件，具有强大的有限元计算功能。利用Midas GTS NX对穿越断层隧道在四个构造分区模拟隧道施工时开挖面的涌水特征。通过对数值模拟和公式计算结果进行对比，分析四个构造分区的涌水特点和大小，并选取适当的方法进行防水堵漏的措施。

3.2 数值计算模型

以此次隧道工程的实际情况以及此次数值模拟计算的主要内容和主要目的为依据，笔者在构建实体模型的过程中，提出了如下几个方面的内容：1)数值计算模型中使用的岩土体材料皆为弹塑性材料，该模型为具有各项同性的摩尔—库仑本构模型。2)由于隧道长度较大，因此选用隧道穿越断裂带的一段进行三维数值模拟分析，该数值计算模拟分析域在y方向上的长度为175 m，x方向上的长度为20 m。模拟隧道埋深约8.3 m,其中隧道纵向的走向倾角选取的是3°。3)此次数值模拟为了能使计算更加简便决定采取全断面的隧道开挖方法，每次均循环开挖5 m的距离，按照顺序钝化每一个循环的隧道单元网格的方法来简要模拟现实中的开挖过程。4)本次数值计算水位面无压力水头，采用稳态渗流进行模拟计算。

各土层的物理力学参数见表4，建立的模型见图4～图6。

表4 土层物理力学参数

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1总水头分析

对各个构造分区开挖结束后的总水头云图进行对比分析。总水头包括流速水头，位置水头以及压力水头，它指的是单位重量的液体中包含的机械能的总和。在饱和土体中，点与点之间是否存在总水头差对渗流情况的出现起着决定性作用。当两个点之间的总水头差等于0时，渗流情况不会发生，否则水就会从总水头高的位置流向总水头低的位置[7]。

在此次数值模拟中，各个构造分区开挖完成后的总水头云图如图7所示。由图7可以看出，隧道开挖后，隧道底部总水头最小，为深色，说明隧道底部为涌水高风险区域，应着重加强防水堵漏措施。

3.3.2涌水量分析

对各个构造分区开挖结束之后的涌水量云图(如图8所示)进行对比分析。

每个构造分区开挖完成后的涌水量如图8所示，在构造一区中，涌水量最大处在掌子面中部(深色处)。在构造二区，构造三区，构造四区中，涌水量最大处在隧道掌子面底部，其次在隧道掌子面侧方，故在构造一区隧道掌子面中部，构造二区，构造三区，构造四区隧道掌子面底部与侧面，应着重加强防水堵漏措施。

如图9～图12所示，隧道以5 m为一施工进尺，对构造一区分为12个开挖循环，分别分析每个开挖循环掌子面的涌水量，其中涌水量的平均值是580.578 m3/d。对构造二区分成7个开挖循环，每个循环都是5 m，这当中涌水量的平均值是530.231 m3/d。对构造三区分成4个开挖循环，每个循环都是5 m，其中涌水量的平均值是266.708 m3/d。对构造四区分成12个开挖循环，每个循环都是5 m，其中涌水量的平均值是129.323 m3/d。

4 结论

本文通过对乌鲁木齐地铁2号线南梁坡站至农业大学站穿越西山活动断裂带施工过程中防堵漏进行分析，运用了理论研究和数值模拟的方法，得出以下结论：

1)在各个构造分区中，隧道的涌水量逐渐递减，其中构造一区的涌水量最大，涌水量平均值达到580.578 m3/d，并且其中第四个开挖循环涌水量为最大，达到了649.973 m3/d。第二个构造分区涌水平均值为530.231 m3/d，故第一构造分区与第二构造分区为高危险区段，应重点加强防水堵漏的措施。

2)通过分析数值模拟的总水头云图和涌水量云图，可以得出结论：在构造一区中，涌水量最大处在掌子面中部。在构造二区，构造三区，构造四区中，涌水量最大处在隧道掌子面底部，其次在隧道掌子面侧方，故在构造一区隧道掌子面中部，构造二区，构造三区，构造四区隧道掌子面底部与侧面，应重点加强防水堵漏措施。