矿山法城市隧道渗流场演变成果

谷对岭主线与匝道分叉隧道位置最大开挖断面宽度约30 m,有上下立交隧道,分叉隧道位置恰好有F7断层通过,且F205-2断层与隧道洞身呈小角度相交,断层往深圳水库方向延伸进入库区下方,若成为导水通道将会对隧道结构造成重大影响,故选取该区域BXK1+350里程段进行研究。

F7断层属压扭性质断层,为探索构造带破碎岩体渗透特性,在谷对岭北线隧道分叉位置布置一组抽水试验,抽水主孔为ZCK1,观测孔为ZCK1-1—ZCK1-4,观测孔距离主孔为10～15 m,对抽水主孔和观测孔进行钻孔取样(见图5.32),并对主孔进行钻孔电视现场测试,如图5.33所示。

图5.32　抽水孔岩样

根据抽水主孔(ZCK1)岩样和孔内电视摄像(见图5.34)成果,分析钻孔的倾向、倾角等数据,得到裂隙等密图[见图5.35(a)]、倾向玫瑰图[见图5.35(b)]、走向玫瑰图[见图5.35(c)]、倾角直方图[见图5.35(d)]。由图5.35可知,裂隙走向以北东向为主,倾向以南东向为主,倾角以60°～70°为主。

图5.33　抽水试验钻孔电视测试现场图

图5.34　抽水主孔(ZCK1)孔内电视摄像

图5.35　抽水主孔(ZCK1)倾角、倾向分析图

经过钻孔取样、物探以及抽、注水试验(见图5.36)结果分析,F7断层带岩体呈现碎裂、碎斑结构,且具有角砾岩化或糜棱岩化特征,显示岩体在长期地质演变中承受过较强烈的挤压作用,构造挤压作用除使岩体破碎外,同时也具有挤压密实作用,其形成的糜棱岩、角砾岩等岩体中的绿泥石微细颗粒物质总体上不利于导水;而周围的F205-1北西向断裂带的活动特征是早期具张性,后期具压扭性(挤压、剪切作用),后期压扭活动形成的挤压作用结果同样形成不利于水库方向地下水渗流的挤压带。

图5.36　抽、注水试验图

采用Visual-modflow软件进行模拟复杂水文条件时,通常依靠改变其水力参数实现。依据上述水文地质条件分析结果,F7断层带具有一定的阻水性,并未形成贯通的地下水渗流通道。根据王博等[182]对数值计算中断层参数设置的研究,本次计算对不同含水地层的计算参数取值见表5.5,其余围岩-支护体系参数见表5.5。

表5.5　不同含水地层计算参数表

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为分析注浆加固前后隧道渗流场的演变规律,模拟隧道主线(北线、南线)和匝道(北线匝道、南线匝道)开挖完成时,隧道结构分别处于毛洞状态(工况一)、施作初衬+注浆圈状态(工况二)和施作初衬+二衬+注浆圈状态(工况三),并对其横断面渗流场随时间演变过程进行研究。

1)工况一隧道横断面渗流场演变

模拟隧道主线(北线、南线)和匝道(北线匝道、南线匝道)均开挖完成,未设置任何有效支护措施,对洞室处于毛洞状态下的横断面渗流场进行分析。

如图5.37所示,隧道毛洞状态下横断面渗流场规律较为明显。隧道开挖后,周边地下水流向存在明显变化,隧道上部地层及下部大范围地层内的地下水均呈现涌入隧道内的趋势,其原因是隧道并未设置任何支护,也未采取注浆加固等相关措施,地下水随时间推移在隧道周围形成贯穿通道导致影响范围较大。但是,由于F6,F7压扭性断层带的存在[见图5.37(a)],切断了两侧地下水体和隧道之间的水力联系,地下水沿阻水性较强的断层流动并未见穿透该断层带,离断层较远区域,地下水主要由残丘、斜坡向冲沟等低洼处排泄。由地下水位的变化可知,隧道结构上方的地下水位从开挖后随时间逐渐下降,且正上方大于两侧,形成不规则降水漏斗,其最大降幅可达8 m,而F7断层带至水库下游区域,无论是地下水流向还是水头均未发生明显变化,进一步显示出压扭性断层形成的局部隔水效应。

图5.37　BXK1+350里程段横断面渗流变化图(工况一)

2)工况二隧道横断面渗流场变化

为与毛洞状态下的渗流特征进行对比,现对洞室处于施作初衬+注浆圈下的横断面渗流场进行分析。

如图5.38所示,隧道开挖完成并在施作初衬+注浆圈状态下,横断面渗流变化与毛洞状态有明显不同,仅隧道上部地层有地下水流向隧道内的趋势,表明较为完善的防水体系(初衬及加固圈)对保持地下水稳定起到显著作用,使隧道开挖对渗流场的影响范围大幅度减小。F6断层带处于深圳水库与隧道之间水力联系发达地段,从计算结果来看,其阻水效应仍十分明显,而对于F7断层带附近的渗流场,并未表现出明显的阻隔作用,其原因是谷对岭地区与水库下游之间的水力联系并不大,加之已施作初衬和注浆圈,进一步降低了对渗流场的影响,故断层带附近变化幅度有限。由地下水位的变化可知,隧道结构上方地下水位从开挖后随时间逐渐下降,且正上方大于两侧,因影响范围较小,形成较为规则的降水漏斗,故其最大降幅接近4 m。

图5.38　BXK1+350里程段横断面渗流变化图(工况二)

3)工况三隧道横断面渗流场变化

模拟隧道主线(北线、南线)和匝道(北线匝道、南线匝道)开挖完成,并已施作初衬+二衬+注浆加固圈,对隧道及其周围渗流场横断面变化进行分析。

如图5.39所示,隧道开挖完成并施作完整的防水系统(注浆圈+初衬+二衬),横断面渗流场接近初始渗流状态,仅隧道上部地层有地下水流向隧道内的趋势,表明完善的防水体系对保持地下水稳定作用明显,将隧道开挖对渗流场的影响控制到最低程度,且随着时间推移,其影响范围并未出现增大,表明注浆加固已对隧道围岩中的裂隙进行了较为有效的填充,配合衬砌自防水效应,起到良好的保护地下水环境的作用。由地下水位的变化可知,隧道结构上方地下水位从开挖后随时间逐渐下降,形成较为规则的降水漏斗,其最大降幅约2 m。而F6和F7断层带附近的渗流场,无论地下水流向还是地下水位,都与初始渗流场相近。

图5.39　BXK1+350里程段横断面渗流变化图(工况三)

综上可知,F6断层带位于深圳水库和隧道之间水力联系较多的区域,无论隧道结构及围岩防水措施效果如何,该断层均表现出显著的阻水效果,地下水沿压扭性断层流动但并未明显渗透过断层带,切断了水库方向地下水体和隧道之间的水力联系;而F7断层带位于隧道与水库下游之间,该区域地下水并不丰富,F7断层带仅在隧道涌(排)水量较大时表现出较强的阻(隔)水作用,而随着隧道结构及围岩防水效果的提高,其渗流场逐渐接近初始渗流状态。