邻近水库富水断层破碎带隧道注浆圈参数研究

赵旭伟

中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070

随着铁路网密度的提升，隧道穿越富水断层破碎带在所难免。高压富水区裂隙岩体涌水将严重影响隧道的开挖和支护，工法选择或地下水处置方法不当，将对周边环境及隧道结构安全造成影响［1-3］。

目前在富水断层破碎带修建隧道主要设计理念还是“以堵为主，限量排放”，采取各种措施保证隧道结构安全同时减小隧道施工及后期运营对生态环境的影响［4-5］。注浆加固是隧道穿越富水断层破碎带主要措施之一，可有效降低围岩渗透性，减缓和阻隔岩体内部地下水流失，增强围岩的稳定性［6-9］。

针对隧道穿越富水断层破碎带渗流场的特性、高水压渗流场变化规律、围岩变形特征等研究［10-14］较多，针对邻近水库区域隧道穿越断层破碎带等特定风险工况的研究相对较少。本文以皖南一邻近水库区域铁路隧道穿越断层破碎带为工程背景，研究注浆圈不同厚度、渗透系数下隧道周边地下水渗流规律，用以指导设计，从源头规避风险。

1 工程概况

该隧道与水库的位置关系见图1。该隧道埋深约75 m，邻近水库最近平面距离约105 m，隧道洞身发育一产状N49°E∕50°N的平移正断层，断层破碎带与隧道相交约45°。隧道洞身围岩以弱～强风化片麻岩为主，岩体破碎。

图1 隧道与水库的空间位置关系

水库常年蓄水，富水断层破碎带同时切割水库及隧道洞身，断层破碎带将成为储水及渗水通道，严重影响隧道施工安全，需采取全断面超前预注浆措施。

2 数值模拟

2.1 模型的建立及参数的选取

采用MIDAS NX 软件中的渗流单元模拟渗流效应，采用2D 平面单元模拟围岩，采用弹性单元模拟初期支护。为了减小模型边界效应，模型左右两侧各取5 倍隧洞洞径，顶部为自由面。水位高度取至地面，模型顶面外水压力为0，模型顶面、侧面为透水边界，底面为不透水边界。模型长宽均为200 m，隧道埋深75 m。

将隧道内轮廓线总水头设置为0，模拟未采取措施下开挖隧道。通过改变洞周围岩参数，模拟不同厚度和渗透系数的注浆圈。

结合地勘资料及TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》确定计算参数，见表1。

表1 计算参数

2.2 结果与分析

2.2.1 地下水压力分布

隧道未开挖、开挖未支护两种工况下地下水压力分布见图2。可知：隧道未开挖时地下水压力处于静水压状态，其分布仅与埋深有关；隧道开挖未支护，渗流达到稳定状态后地下水压力呈漏斗状分布，地下水朝隧道中心急速流动，地下水的大量流失会导致水库水位下降。

图2 地下水压力分布（单位：kPa）

2.2.2 注浆圈参数对地下水压力的影响

定义注浆圈相对渗透系数为围岩渗透系数与注浆圈渗透系数之比。相对渗透系数越大，抗渗性能越好。不同注浆圈厚度、相对渗透系数下隧道拱顶上方20 m（地面以下55 m）处地下水压力分布见图3。可以看出：①隧道未开挖时地下水压力为静水压力，呈直线分布，开挖未支护时地下水压力曲线呈漏斗状；②随着注浆圈厚度h或相对渗透系数n的增加，地下水压力曲线逐渐向静水压力线靠拢，表明隧道开挖引起的地下水流失逐渐减轻。

图3 不同注浆圈厚度、相对渗透系数下地下水压力分布

2.2.3 注浆圈参数对隧道涌水量的影响

埋深75 m 时不同相对渗透系统下隧道涌水量随注浆圈厚度变化曲线见图4。可知：不同相对渗透系统下隧道涌水量均随注浆圈厚度增加而减小。注浆圈厚度在1～5 m时隧道涌水量减小速率较快，注浆圈厚度在5～8 m隧道涌水量减小速率变缓，当注浆圈厚度超过8 m时继续增加注浆厚度对止水效果的提升不明显。实际施工时可结合围岩及地下水情况在5～8 m取值。当外部环境敏感时，建议取大值。

图4 不同相对渗透系数下隧道涌水量随注浆圈厚度变化曲线

本工程围岩渗透系数为8×10-6m∕s。通过改变注浆圈相对渗透系数来模拟分析相对渗透系数对洞周渗流场的影响。不同注浆圈厚度下隧道涌水量随相对渗透系数变化曲线见图5。可知：不同注浆圈厚度下提高注浆圈相对渗透系数均可以有效减小隧道涌水量，但是相对渗透系数超过40时继续增加对止水效果的提升不明显。对于本工程，相对渗透系数宜控制在30～40，即注浆圈渗透系数宜在2.00×10-7～2.67×10-7m∕s取值。

图5 不同注浆圈厚度下隧道涌水量随相对渗透系数变化曲线

2.2.4 隧道埋深对隧道涌水量的影响

不同注浆圈参数下隧道涌水量随埋深变化曲线见图6。可知，注浆圈厚度、相对渗透系数一定时，隧道埋深与洞周涌水量近似成线性关系。说明以上所分析的注浆圈厚度、相对渗透系数对涌水量的影响规律在不同埋深下均具有参考价值，即不同埋深下注浆圈厚度、相对渗透系数均存在一个经济合理范围。

图6 不同注浆圈参数下隧道涌水量随埋深变化曲线

3 工程应用

该铁路隧道邻近水库，外部环境较敏感，实际施工中注浆圈厚度取8 m，相对渗透系数取40，注浆材料采用纯水泥浆液，水灰比1∶1。

施工过程中采用流速测量仪进行监测，隧道穿越断层破碎带段涌水量为1.42 m³∕（d·m），数值模拟结果为1.10 m³∕（d·m）。实测涌水量略大，分析其原因为：①爆破施工对围岩的扰动破坏了围岩的完整性，进而提高了渗透性；②由于地下水的流动性，导致部分区域注浆圈渗透系数略大于设计值。

4 结论

1）在未开挖状态下地下水压力处于静水压状态，渗流场仅与埋深有关。隧道开挖未支护状态下洞周地下水压力分布呈漏斗状，地下水朝隧道中心急速流动。

2）相对渗透系数一定时隧道涌水量随注浆圈厚度增加而减小，当注浆圈厚度超过8 m 时继续增加注浆厚度对止水效果的提升不明显。注浆圈厚度宜控制5 ～ 8 m。隧道邻近水库，外部环境较敏感，隧道实际施工中注浆圈厚度取8 m。

3）提高相对渗透系数可有效减小隧道涌水量，但相对渗透系数超过40 时继续增加对止水效果的提升不明显。相对渗透系数宜控制在30 ～ 40。本工程最终相对渗透系数取40，即注浆圈渗透系数为2.00 ×10-7m∕s。

4）注浆圈厚度及相对渗透系数一定时，隧道埋深与洞周涌水量近似成线性关系。本文得出的注浆圈厚度、相对渗透系数对涌水量的影响规律在任何埋深下均具有参考价值，即不同隧道埋深下注浆圈的厚度、相对渗透系数均存在一个经济合理范围。