富水岩溶隧道围岩软化效应分析及整治措施研究*

田 娇 杨 洪 苟德明 欧阳淋旭 欧雪峰 张学民 曾晓辉

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550001；2.长沙理工大学土木工程学院 长沙 410114； 3.中南大学土木工程学院 长沙 410075)

在我国西部地区修建的隧道往往需穿越富水岩溶构造区域，其岩溶地貌分布广泛、围岩风化程度各异，水力构造系统复杂。受地下水物理及化学作用，隧道常常发生拱顶掉块、掌子面塌陷、支护变形等施工灾害[1]。为保障安全高效施工，扩宽隧道工程全寿命期[2]，研究富水岩溶隧道围岩遇水变形特性及灾害控制措施具有重要意义。

专家学者们针对地下水软化效应开展了大量研究工作。杨善成等[3]采用数值计算及监测手段研究了凝灰岩遇水软化对隧道支护与衬砌内力影响特征，指出隧道防水是治理地下水软化效应的重点。李立瑞等[4]指出注浆加固技术是治理深埋富水隧道围岩遇水软弱的有效途径。微观特性方面，张晋东等[5]从微观角度探究黄土地层隧道围岩遇水软化内部构造损坏机理。黄智刚等[6]以泥质板岩微观结构遇水软化演变规律为基础，建立非线性动力学软化模型，为“水-岩”软化理论研究提供参考。现有成果揭示了围岩遇水软化后的宏、微观演化特性及规律，但针对富水岩溶隧道施工围岩遇水软化作用及灾害控制措施研究较少[7-8]。

为进一步研究深部隧道工程大变形特征及防治措施，以贵州省某富水岩溶隧道为工程依托，针对该隧道围岩经岩溶地下水软化后所产生的系列工程问题，采用室内试验方法对隧道围岩进行力学软化性质分析，探讨围岩软化前后的构造变化，进而提出相应的整治手段。

1 工程概况

该隧道采用双向四车道高速公路标准建设，隧道全长5.5 km，最大埋深约537 m。左幅隧道起讫桩号为ZK6+760-ZK12+265，长5 505 m，最大埋深534 m。右幅隧道起讫桩号为YK6+755-YK12+180，长5 425 m，最大埋深537 m。

隧道采用复合式衬砌，初期支护布设直径6.5 mm双层钢筋网、I20b型钢拱架，喷射28 cm厚的C20喷射混凝土。随后安装350 g/m2无纺土工布以及防水板，布设HRB400的双层钢筋网，浇筑55 cm厚C30钢筋混凝土作为二次衬砌，隧道断面图见图1。

图1 隧道断面图(单位：cm)

1.1 工程地质条件

隧址区位于贵州高原东北部的武陵山山脉向大娄山山脉过度的斜坡地带，隧道主要穿越志留系中上统韩家店群(S2-3hn)泥质灰岩、泥质粉砂岩，下统湄潭组(O1m)泥岩夹泥质灰岩、钙质泥岩、泥灰岩地层。隧道中部以近似正交穿越石朝向斜核部，隧道洞身软、硬岩交替，围岩受不同风化程度影响，岩体破碎，呈碎、裂状结构，受地下水溶蚀与冲刷作用，遇水易软化崩解。

1.2 水文条件

隧址区气候属亚热带湿润季风气候区，属长江流域乌江水系影响区域。降雨量受季风影响，在时空间上呈极不均匀分布，尤其夏季为强降雨季，占全年降雨量的50%以上。区域汇水面积达29.6 km2，岩溶富水软弱区广泛发育，地下水易沿基岩节理、裂隙面下渗至隧道，进而侵蚀软化隧道围岩。

1.3 存在问题

隧址区裸露岩溶和浅埋岩溶占隧址区总面积的70%，可溶岩约占隧道总长的35%，其中有1 050 m穿越石朝向斜汇水区。隧道周边存在裂隙带、岩溶强烈发育地段和高压蓄水地带，围岩常年受到高压地下水的浸泡、溶蚀软化作用，整体呈灰褐状，隧道掌子面极不稳定，施工时多发生拱顶掉块、掌子面塌落等灾害，施工处理极为困难，隧道围岩情况及灾害图见图2。

图2 隧道围岩及大变形灾害

2 隧道围岩力学性质研究

2.1 室内试验方案

本次试验所制备的岩石样本取至隧道ZK9+896-ZK9+968向斜富水区段围岩，埋深259～384 m。经现场切割、打磨等工序加工成直径×高度为50 mm×100 mm岩样用作单轴压缩试验，同时加工同等数量下的直径×高度为50 mm×25 mm岩样用作巴西劈裂试验，具体信息见表1。

表1 标准岩样制备

将岩样各分为3组，每组各3个。第一组不做任何处理，记为天然状态组。第二组进行饱和处理，利用自然浸水法使土体达到完全饱和状态。第三组作完全烘干处理。随后采用30 kN电液伺服岩石力学试验机进行巴西劈裂、单轴压缩试验，以200 N/s加载速度控制。

2.2 实验结果及分析

2.2.1单轴压缩力学特征分析

3种含水状态下岩样单轴抗压试验结果见表2。

表2 单轴压缩力学指标

试验结果表明，由于岩石在垂直横截面的方向上受到荷载作用，岩石轴向受到压缩、横向发生扩张，岩体出现近似平行于轴线的主裂隙，岩石试样整体失去承载能力。取每组测试数据均值作为本次实验最终力学参数指标。岩石在不同含水状态下(干燥、天然、饱和)的弹性模量、峰值应力存在显著差异且随着饱水程度不断提高，围岩的极限抗压强度呈逐渐降低趋势。干燥状态下岩石的极限抗压强度为135.64 MPa，岩石饱水后的极限抗压强度仅为83.57 MPa，在岩体由天然状态步入饱水状态时，强度衰减率曲线出现拐点，衰减率大幅增长，饱水后的岩体较饱水前相比强度降低了38%，弹性模量衰减速率高达27%，软化系数为0.62，为亲水性软岩，围岩弹性模量及衰减规律图见图3。

图3 围岩弹性模量及衰减规律

由图3可见，当岩溶隧道穿越富水区域时富水软岩隧道围岩亲水性强，围岩岩溶裂隙节理强烈发育，在地下水的“水-岩”效应下，围岩具有显著的遇水软化特征，加剧了地下水对隧道支护的变形与破坏，严重影响隧道结构安全稳定。

2.2.2巴西劈裂力学特征分析

岩石抗拉强度是评价其力学性质的指标之一，也是体现隧道拉应力破坏的重要参数。通过间接劈裂试验得到3种含水状态下试样极限抗拉强度，结果见表3。

表3 巴西劈裂力学指标

由表3可见，富水岩溶区域围岩抗拉强度普遍较低，天然状态下抗拉强度为8.00～9.10 MPa，平均值为9.00 MPa；饱水状态下抗拉强度为4.41～4.63 MPa，平均值为4.5 MPa，抗拉强度软化系数为0.45。

围岩抗拉强度及衰减规律曲线图见图4。

图4 围岩抗拉强度及衰减规律曲线

从图4中岩样破坏形态图可以看出，岩样沿直径方向产生贯通裂隙直至破坏，裂纹沿着受力方向穿过圆盘中心。

由图4还可见，其测试值结果部分离散，证实岩石对地下水产生的力学响应显著，且岩石强度衰减速度与含水状态关系复杂，当岩石从干燥状态转至自然状态下，其抗拉强度降低值仅为0.9 MPa，而当岩样由天然状态转变为饱水状态，极限抗拉强度降低4.5 MPa，削弱幅度达50%。综上所述，富水岩溶区域围岩受软弱结构体控制，其抗拉强度较差，遇水后岩体结构变得松散，当隧道受到施工扰动后，岩体易沿层理、裂隙、夹层产生大范围滑移与变形，进而在宏观上表现为隧道富水区施工中多发拱顶掉块、滑坡等大变形破坏。

3 病害整治方案及实施效果

岩溶隧道富水围岩遇水强度弱化效应明显，不仅严重影响施工支护的安全稳定性，还对隧道后续运营安全及经济效益构成潜在威胁。根据以上围岩遇水软化机理分析结合室内试验结果，采用“超前预注浆+径向注浆”的联合支护手段[8]，对围岩进行注浆，形成轴向、径向防渗加固圈，从而提高围岩的承载能力，同时增强围岩的抗渗流能力，防止围岩进一步软化。

3.1 超前周边预注浆

超前轴向注浆按开挖方向以隧道为中心呈伞状布置，现场注浆范围为隧道开挖轮廓线外5 m，注浆管直径90 mm，长度13～25 m不等。每一循环设置4环注浆孔，注浆长度为30 m，开挖25 m，预留5 m止浆岩盘。

注浆孔注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆水灰比为0.8∶1～1∶1，水玻璃模数2.6～2.8，注浆压力为0.5～1.5 MPa，钻进过程中遇涌水或因岩层破碎造成卡钻时，停止钻进，进行注浆、扫孔后再行钻进，超前注浆纵断图见图5。

图5 超前预注浆纵断图(单位：cm)

3.2 径向防渗注浆工艺

采用径向注浆的方式对掌子面全断面进行全孔一次钻进注浆加固，孔口环向间距为150 cm，纵向间距250 cm交错布置，孔口管采用直径42 mm，壁厚4 mm的钢花管，管长1 m。注浆压力0.5～1.0 MPa，水泥浆液水灰比为1∶1，径向防渗注浆示意图见图6。

图6 径向防渗注浆示意图(单位：cm)

3.3 实施效果验证

富水岩溶隧道采用“超前轴向预注浆+径向防渗固结注浆”的全断面帷幕注浆堵水加固工艺，后紧跟初支与二衬等处治措施，通过现场观察与开挖验证，隧道表面干燥无水渗透，区段内围岩中可见大块水泥结石，注浆效果图见图7。

图7 注浆效果

由图7可见，注浆手段使得浆液与破碎围岩固结成一整体，提高了围岩整体承载能力，并共同抵御岩溶水渗流作用，防止围岩进一步软化。这说明该整治方案能够有效保障隧道穿越富水岩溶区域的施工安全，以及隧道后续运营安全。

4 结语

富水岩溶隧道地质结构软弱多变、地下水构造系统复杂、围岩稳定性差、支护困难，常常遭遇大变形等地质不良灾害，严重威胁隧道施工与运营安全。通过开展不同含水状态下岩石的室内软化试验，研究富水岩溶隧道围岩在地下水作用下力学软化特性，得到主要结论如下。

1)富水岩溶隧道工程中复杂多变的岩溶地质及水文构造系统是影响隧道安全高效施工的环境因素。地下水软化效应是导致富水岩溶隧道围岩强度不断衰减，稳定性大幅降低，进而诱发隧道产生大变形灾害的主要原因。

2)随着岩石的含水程度不断提高，岩石的抗拉与抗压力学强度都呈现干燥状态>天然状态>饱和状态的分布规律，且随着饱水度越高，其衰减速率呈折线性增长，在岩石由天然状态转变为饱水状态时，其力学性质衰减趋势更显著，极限抗压强度衰减幅度高达24%，抗拉强度衰减高达50%。岩溶隧道穿越富水区时应探明掌子面前方围岩富水情况，尽量减轻对围岩的施工扰动，以确保作业安全。

3)采用“超前预注浆+径向防渗注浆”的围岩全帷幕加固技术，在掌子面前方形成轴向与径向的正交型防渗固结网络。经现场验证，该措施能有效封堵地下水与围岩裂隙，极大程度地降低了水的软化影响，提高围岩的承载及抗渗能力，实现了富水软岩隧道安全高效作业。