富水岩溶隧道级围岩段涌水及注浆加固圈

企业技术开发２０１３年１月富水岩溶隧道IV 级围岩段涌水及注浆加固圈研究

周渊韬

（中铁十七局，山西太原030000）

收稿日期：2012-11-13

作者简介：

周渊韬（1982—），男，江西高安人，大学本科，工程师，主要从事土木工程施工技术工作。

摘

要：隧道涌水量预测是确保安全施工的重要环节。文章以某隧道IV 级围岩段为例，展开了富水岩隧道IV 级围岩段

涌水预测及注浆加固圈研究。

关键词：涌水量；预测；IV 级围岩段；加固圈；技术支持中图分类号：TU753

文献标识码：A

文章编号：1006-8937（2013）01-0004-02

Research on the IV degree rockmass section of water gushing

and groutingreinforcement loop in rich a water tunnel

ＺＨＯＵＹｕａｎ－ｔａｏ

（Ｔｈｅ１７ｔｈＢｕｒｅａｕｏｆＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ，Ｔａｉｙｕａｎ，Ｓｈａｎｘｉ０３００００，Ｃｈｉｎａ）

Abstract:Ｗａｔｅｒｆｌｏｗｆｏｒｅｃａｓｔｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｔａｇｅｆｏｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．ＴｈｅｐａｐｅｒｔａｋｅｓｏｎｅｔｕｎｎｅｌＩＶｄｅｇｒｅｅｒｏｃｋｍａｓｓｓｅｃｔｉｏｎａｓａｎｅｘａｍ－ｐｌｅ，ＬａｕｎｃｈｅｄＩＶｄｅｇｒｅｅｒｏｃｋｍａｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｕｎｎｅｌｗａｔｅｒｇｕｓｈｉｎｇｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｎｄｇｒｏｕｔｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｌｏｏｐｒｅｓｅａｒｃｈ．Keywords ：ｗａｔｅｒｆｌｏｅ；ｆｏｒｅｃａｓｔ；ＩＶｄｅｇｒｅｅｒｏｃｋｍａｓｓ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｌｏｏｐ；ｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔ

1隧道工程概况

某隧道在隧道开挖过程中经常碰到岩溶涌水现象，

隧道围岩以白云质灰岩为主，围岩破碎且富含水，岩溶发育很好。某隧道全长1170m ，其中V 级围岩有100m ，IV 级围岩有400m ，III 级围岩为670m ，为两车道分离式隧道，开挖方法为上下台阶法。本文重点探讨IV 级围岩段K25+620～K25+640段的隧道涌水量、最小注浆圈厚度等内容。

2

涌水量常规预测方法

2.1

经验公式法经验公式为：

Q S =L ×K ×H （0.676-0.06K ）

（1）

式中：

Q S 为隧道通过涌水地段的正常涌水量，m 3

/d ，K 为隧道围岩渗透系数，m/d ；L 隧道涌水段的计算长度，m ；H 为水头至隧道横断面等价圆中心的距离，m 。主要采用实际工程抽水、压水等实验资料来确定经验公式中的水文地质参数。2.2

地下水动力法

古德曼公式为：

Q 0=L 2πKH ln 4H （2）

式中：d 为隧道横断面等价圆的直径，m ；Q 0为隧道通

过涌水地段的最大涌水量，m 3/d ；K 、L 、H 的含义与公式（1）一样。

经验公式为：

Q 0=L （0.0255+1.9224×H ×K ）（3）

2.3

简易水均衡法

在确定研究范围内的大气降水量和计算范围内的地表补给面积，简易水均衡法计算的是平均涌水量，是考虑大气降水的全部或部分涌入隧道，其计算公式为：

Q cp =（1000·F ·a ·R ）/365

（4）

式中：Q cp 为隧道平均涌水量，m 3/d ；F 为计算范围内的地表补给面积，km 2；R 为在一定范围内的大气降水量，mm ；可以通过当地的气象局确定，α为大气降水入渗系数。2.4

裘布依理论公式裘布依理论公式为：Q S =LK H 2

-h

2

R-r

（5）

式中：R 为隧道涌水地段的引用补给半径，m ；h 为隧道内排水沟假设水深，m ；r 为隧道洞身横断面等价圆的半径，m ，Q S 、K 、L 、H 的含义与公式（1）一样。2.5

数值模拟预测

数值模拟在地下水离散模型模拟等方面具有无法代替的地方。本文借助FLAC3D 对某隧道渗流场进行研究分析，对某隧道涌水量进行预测，同时对IV 级围岩最小注浆加固圈进行研究。

3

Ⅳ级围岩段数值计算分析

3.1

计算说明

企业技术开发TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF ENTERPRISE

第３２卷第１期Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．１

２０１３年１月

Ｊａｎ．２０１３

第３２卷第１期表2各方法计算出的涌水量结果对比表

水均古德曼经验裘布依

数值模实际涌名称衡法公式公式

公式拟法水量（Q S ）m 3/d m 3

/d （Q 0）m 3/d m 3/d m 3/d m 3/d 某隧道

K25+620～240

1620

952

285

270

274

K25+640

采用FLAC3D 数值计算软件进行计算，隧道开挖方法为上下台阶法。隧道断面如图1所示，将模型尺寸取为60m ×60m ×20m （高×宽×长），计算模型如图2所示，位移边界条件为左右面固定、

前后面固定、底面固定。V 级围岩初始渗透系数取8×10-10，m/Pa ·s ，IV 级围岩初始渗透系数取8×10-11，m/Pa ·s ，水位高度为30m ；注浆区域采用III 级围岩来模拟，具体围岩参数见表1。鉴于水质具有弱腐蚀性，计算过程中不考虑水化学作用。

图1

某隧道断面图

图2

计算模型图表1围岩参数表

围岩级别特性参数

Ⅲ级围岩bulk=6.7GPa ，shear=11.1GPa ，friction=45°，（注浆区域）cohesion=1.2MPa ，tension=2.1MPa ，γ=2400kg/m 3

bulk=2GPa ，shear=2.1GPa ，friction=30°，

cohesion=0.6MPa ，tension=1.1MPa ，γ=2200kg/m 3

bulk=0.71GPa ，shear=0.33GPa ，friction=25°，

cohesion=0.2MPa ，tension=0.1MPa ，γ=2000kg/m 3

Ⅳ级围岩

Ⅴ级围岩

3.2Ⅳ级围岩段流固耦合数值计算结果分析3.2.1

Ⅳ级围岩段涌水量分析

探讨了IV 级围岩段K25+620～K25+640段的隧道涌水

量，计算方法和前面一样，涌水量矢量图，如图3所示。

根据不同时步的涌水量，得出平均涌水量为Q=11.25m 3/h ，约270m 3/h 。理论计算结果与数值计算结果对比分析见表2。

用简易水均衡法对某隧道IV 级围岩K25+620～K25+640段涌水量进行计算，本段围岩入渗系数取0.1；大气降雨量取1130mm ，计算得出涌水量为Q cp =240m 3/d 。

3.2.2Ⅳ级围岩最小注浆加固圈分析

为了研究IV 级围岩下最小注浆加固圈的厚度，以控制流量Q=2.5m 3/m ·d 为标准，当注浆后的渗流量不超过控制渗流量时，则认为该渗流量下的注浆圈为IV 级围岩中最小注浆加固圈。

在IV 级围岩中，当隧道岩体注浆加固圈的厚度为1m 、2m 、3m 、4m 时，分别计算出岩体的涌水量，并得出涌水矢量图，如图4所示。

图4Ⅳ级围岩注浆加固的涌水矢量图

（c ）注浆加固圈为3m

（d ）注浆加固圈为4m

（a ）注浆加固圈为1m （b ）注浆加固圈为2m

从图4可以得出涌水量随着注浆范围图3涌水量矢量图

（b ）Step=100，Q=15m 3/h

（d ）Step=10000，Q=2m 3/h

（a ）Step=10，Q=22m 3/h

（c ）Step=1000，Q=6m 3/h （下转第8页）

周渊韬：富水岩溶隧道ＩＶ级围岩段涌水及注浆加固圈研究

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