某隧道底板大規(guī)模突水原因分析與處治技術(shù)

焦　雷, 鄒　翀, 徐海廷

(中鐵隧道勘測設(shè)計研究院, 河南 洛陽　471009)

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某隧道底板大規(guī)模突水原因分析與處治技術(shù)

焦雷, 鄒翀, 徐海廷

(中鐵隧道勘測設(shè)計研究院, 河南 洛陽471009)

摘要：某隧道在穿越破碎鹽溶角礫巖與完整石膏夾層接觸帶時，由于充足的地表水源和良好的補給通道，引發(fā)隧道底部3 800 m3/h的大規(guī)模突水，給周邊環(huán)境和施工安全造成嚴重破壞和威脅。如何有效的處治隧道底部如此大的突水，控制施工風(fēng)險和保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定成為最關(guān)鍵的技術(shù)問題。經(jīng)過多種方案對比研究，通過“先引后堵、先徑向加固再底板封堵、先易后難局部集中處理”的總體步驟，實現(xiàn)了隧道底部突水由快速流動狀態(tài)到相對靜止狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，為隧道底部注漿堵水提供施作條件，再通過徑向注漿和深孔底板注漿降低圍巖的滲透系數(shù)和提高隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，控制地下水流失，不給通車運營留下質(zhì)量和安全隱患。

關(guān)鍵詞：隧道； 底板突水； 原因分析； 深孔底板注漿

0引言

隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā)展，深長隧道的修建越來越多，隧道遇到突水問題也日益增多，而斷層破碎帶突水在隧道突水中占的比例很大。隧道突水對施工安全和周圍環(huán)境影響很大，甚至?xí)绊懙剿淼篮笃谶\營。因此分析隧道突水原因，根據(jù)突水的關(guān)鍵因素探討突水處治技術(shù)顯得非常重要。隧道突水是由于隧道的掘進破壞了含水層結(jié)構(gòu)，使水動力條件和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生改變，以致地下水體所儲存的能量以流體(有時有固體物質(zhì)伴隨)高速運移形式瞬間釋放而產(chǎn)生的一種動力破壞現(xiàn)象。

現(xiàn)有關(guān)于隧道大規(guī)模突水的處治方法，一種是采取排的方式，通過排水后，帶水開挖通過，另一種是采取注漿堵水和加固后開挖通過。排水的方式對于高壓富水斷層而言，由于水量大水壓高易出現(xiàn)較大的涌泥突水事故，且對生態(tài)環(huán)境影響較大。堵水技術(shù)一般采用凍結(jié)法和帷幕注漿加固法。文獻[1-2]認為隧道的突涌水不僅嚴重危及隧道施工的安全，影響隧道施工的進度，而且常常會使隧道建成后運營環(huán)境惡劣，地表環(huán)境惡化，給人們的生產(chǎn)和生活造成重大的損失。文獻[3]認為凍結(jié)法適用于準靜態(tài)水，不適用于動態(tài)水，泄能降壓法可控性差，易引起巨大的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，帷幕注漿加固法存在注漿盲區(qū)，加固效果較差，在高壓富水地段開挖風(fēng)險較大。文獻[4-5]結(jié)合工程實踐，介紹了傳統(tǒng)的突水、突泥斷層隧道施工技術(shù)，如凍結(jié)法、泄能降壓法和帷幕注漿加固法。文獻[6-7]提出特大突涌水的處理原則為“先易后難、先引后堵、先頂拱后邊墻再底板、局部集中處理”。文獻[8-9]分析高風(fēng)險隧道涌水的原因及其與斷層破碎帶圍巖、地下水、地質(zhì)構(gòu)造之間的聯(lián)系，提出相應(yīng)的工程對策。文獻[10-11]對巖溶隧道突水進行動態(tài)風(fēng)險評估，并根據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，對突水治理方案進行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，確定治理區(qū)段與治理方案。文獻[12]提出超前地質(zhì)探測與水文監(jiān)測是制定治水方案的基礎(chǔ)，超前預(yù)注漿減壓，限量、限時排放是治水施工的關(guān)鍵。文獻[13-14]介紹了中天山隧道高水壓富水區(qū)的地下水控制，施工中采取了“注漿減排、降水降壓”的處理方案，取得了預(yù)期的注漿堵水效果。傳統(tǒng)的隧道突水處治方法往往很難兼顧施工作業(yè)難度和周邊環(huán)境保護，如何做到兩者兼顧，已成為隧道突水治理亟待解決的重要技術(shù)難題。

本文通過分析隧道底板大規(guī)模突水的原因，并根據(jù)該工程地質(zhì)特點和涌水情況，通過多種堵排措施結(jié)合，實現(xiàn)了隧道底部突水由快速流動狀態(tài)到相對靜止狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，安全環(huán)保且高質(zhì)量地對隧道富水斷層破碎帶區(qū)段隧道底板突水進行了處治，以期為隧道大規(guī)模突水的處治提供了借鑒。

1工程概況及地質(zhì)狀況

圖1涌水段地質(zhì)縱斷面圖

Fig. 1Geological profile of water gushing section

某公路隧道為雙線隧道，設(shè)計速度80 km/h，全長8 168 m，最大埋深680 m。穿越背斜西翼的T2l地層，巖性主要為薄-中厚層狀的泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖等，在K107+685～+755段可能局部含有石膏，局部夾鹽溶角礫巖。地表發(fā)育溶蝕槽谷、洼地、落水洞和溶洞等，隧道內(nèi)有巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，可能出現(xiàn)大小不一的溶洞、溶隙。受F1斷層影響，層間擠壓較嚴重，巖層褶曲發(fā)育，巖體較破碎-破碎。地下水發(fā)育，隧道內(nèi)多出現(xiàn)股狀涌水，遇大水的溶蝕通道或溶洞區(qū)可能會出現(xiàn)突水，局部段拱部圍巖穩(wěn)定性較差，涌水段地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

2隧道底板突水過程及原因分析

2.1隧道底板突水過程

1)開挖揭示地質(zhì)情況。K107+548～+700段拱部巖性以鹽溶角礫巖為主，并夾雜泥灰?guī)r及石膏。巖層總體上擠壓揉皺現(xiàn)象嚴重，圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差。K107+640～+700段拱部地下水發(fā)育，存在多處出水點，表現(xiàn)為淋雨狀，出水量約200 m3/h。K107+556仰拱底部及K107+600處均有1 m厚含泥灰?guī)r的石膏夾層，石膏夾層完整，其上、下層均為破碎鹽溶角礫巖，石膏夾層產(chǎn)狀以N28°E/15°NW從K107+556處底部逐漸向大樁號方向過渡，鹽溶角礫巖與完整石膏層接觸面多有股狀水流出。根據(jù)K107+556及K107+554處豎直取芯鉆孔顯示，隧底以下5～11 m鉆進速度慢，取芯率低，圍巖的穩(wěn)定性差。

2)涌水情況及影響。2013年9月24日01:00，下臺階開挖至K107+587，出渣完畢，K107+565～+600段底板突發(fā)14處冒水，水質(zhì)呈褐黃色，含泥量高，有滑手感，隨后水量逐漸增大，水溫為19 ℃，新增涌水量為1 450 m3/h。新的涌水發(fā)生后，原K107+556處底部右側(cè)涌水點水量明顯變大，水質(zhì)呈褐黃色，呈間斷性涌出，涌水高度時高時低，最高時高出水面15 cm。08:00，各涌水點水質(zhì)較之前略微變清，呈現(xiàn)灰黃色。至26日，水質(zhì)逐漸變清，K107+556、K107+570和K107+574分別存在3處、2處和1處涌水點，其余位置涌水點均已消退。27日測定底部涌水量為3 800 m3/h。

2.2隧道底板涌水成因分析

1)涌水點距離區(qū)域性F1逆沖斷層及其影響帶不足200 m，而F1斷層是橫穿隧道的良好過水通道，地表巖溶地貌特征明顯。涌水段位于F1斷層的強烈褶皺帶，該范圍內(nèi)巖體破碎、裂隙發(fā)育，隧道開挖揭示賦存于斷層影響帶內(nèi)的裂隙(溶隙、溶縫)巖溶水導(dǎo)致涌水發(fā)生，水文監(jiān)測資料顯示洞內(nèi)涌水與隧道南側(cè)沿F1斷裂分布的地表水體有較明顯的水力聯(lián)系，因此洞內(nèi)涌水可能主要來源于隧道南側(cè)巖溶地下水補給。

2)根據(jù)隧道圍巖揭露情況，涌水部位為破碎鹽溶角礫巖與完整石膏夾層接觸帶，破碎鹽溶角礫巖具有良好的透水條件，隧道開挖改變了原有的地下水運移途經(jīng)，地下水因重力作用向隧道最薄弱環(huán)節(jié)(隧底部分的接觸帶)集中遷移，當其上石膏夾層不足以克服地下水壓力時便隨之發(fā)生涌水現(xiàn)象。

3)涌水初期為褐黃色帶乳白色，而后水質(zhì)逐漸變清，初期顏色渾濁主要為疏導(dǎo)溶隙水時帶出溶隙內(nèi)的黃泥、砂、過飽和CaCO3沉淀物和破碎帶巖屑所致，洞內(nèi)涌水非地下巖溶管道水。

3隧道底板大規(guī)模突水處治技術(shù)

3.1隧道底板突水治理方案對比

根據(jù)隧道開挖后底部涌水的情況，初步擬定了3種方案。方案1為引排方案，在隧道底部設(shè)置排水管將水引至中央排水溝； 方案2為堵水方案，周邊帷幕注漿和底部注漿相結(jié)合，局部漏水處進行補充注漿； 方案3為排堵結(jié)合方案，底部涌水引排，加徑向注漿和底部封閉后的底板深孔注漿。3種方案對比如表1所示，根據(jù)3種方案的優(yōu)缺點，最終選擇了方案3。

3.2隧道底板大規(guī)模突水處治

3.2.1本方案總體思路

根據(jù)該斷層帶工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，結(jié)合現(xiàn)場大規(guī)模突水情況，采用涌水引排、底板封閉將隧道底部涌水由快速流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變成相對靜止狀態(tài)，為隧道底部注漿堵水提供施作條件，通過徑向注漿和深孔底板注漿分別降低圍巖的滲透系數(shù)和提高隧道底部圍巖穩(wěn)定性，控制地下水流失，保證工期履約，且不給通車運營留下質(zhì)量和安全隱患。

3.2.2突水處治步驟

1)中央排水溝處理、涌水點引排。在引排處理前，應(yīng)先將隧道涌水段底部和中央水槽內(nèi)的虛渣清除，如圖2所示。在涌水帶前部5 m處底部設(shè)置截水溝，將前方流水截斷，并在遠離涌水點一側(cè)的邊墻設(shè)置φ200 mm排水鋼管，架空高度80 cm，保證涌水帶前方掌子面的水均從排水管內(nèi)排出； 在涌水點處安裝帶閥門孔口管，連接排水軟管架空引出，保證澆筑混凝土?xí)r不被水稀釋； 緊貼前部隧道涌水帶邊緣施作1.5 m厚立面混凝土止?jié){墻，止?jié){墻頂面與隧道開挖上臺階齊平； 加工2個Ⅰ18工字鋼架和1塊材質(zhì)為Q235鋼、厚40 cm的鋼板組成防水閘門，工字鋼架和鋼板尺寸與中央水槽尺寸一致，鋼板平整度應(yīng)滿足閘門的安放要求，加工完成后，將2個工字鋼架并排固定安裝在水槽內(nèi)，并預(yù)留擋水槽，厚度為鋼板的厚度。

圖2　中央排水溝處理及涌水點引排示意圖

Fig. 2Treatment for central drainage ditch and drainage of water gushing point

2)底板混凝土施作。在中央水槽內(nèi)沿水面設(shè)立混凝土模板，模板底部緊貼水面，在中央水槽兩側(cè)隧道底部設(shè)立混凝土模板，并將涌水點處的水通過管路引入中央排水溝； 在中央水槽中心線上每隔3 m預(yù)埋φ108 mm孔口管和φ42 mm小導(dǎo)管，孔口管和小導(dǎo)管間距30 cm，其中孔口管底部緊貼水面，小導(dǎo)管插至底部，孔口管和小導(dǎo)管安裝如圖3所示； 在底板混凝土的底部，沿橫向每隔3 m布設(shè)1道橫向Ⅰ18工字鋼，工字鋼兩頭須嵌入圍巖30 cm或與初支剛架焊接，并加固牢靠，避免注漿引起抬升，影響注漿效果； 由隧道前部止?jié){墻向后部一次性澆筑C30混凝土，厚度70 cm。

圖3　預(yù)埋孔口管、小導(dǎo)管

3)拱墻徑向注漿加固。由于該段地層破碎，透水性強，為了避免底部涌水封堵后水壓力上升，引起隧道拱頂及邊墻出現(xiàn)滲漏水，對隧道涌水段拱部及邊墻范圍內(nèi)進行徑向注漿加固。徑向注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，加固段長度為60 m(K107+550～+610)，徑向注漿孔采取風(fēng)鉆鉆孔，孔徑φ50 mm，孔深5 m，并安設(shè)長2 m的φ42 mm(壁厚3.5 mm)鋼管作為孔口管進行注漿。徑向注漿參數(shù)見表2。

表2　徑向注漿參數(shù)表

4)底板封堵。待隧道底部混凝土養(yǎng)護7 d后，在涌水點位置附近及加固區(qū)域鉆深孔，安裝孔口管排水。在薄弱位置鉆孔，進行注漿加固，并將原出水孔注漿封堵，必要時可先在原涌水點附近鉆部分淺孔，對薄弱區(qū)域進行注漿加固。待底排水孔施作完畢，涌水點和薄弱位置加固處理結(jié)束后，關(guān)閉防水閘門，使水溝形成相對靜水狀態(tài)，然后由閘門處開始依次通過預(yù)埋管向水槽內(nèi)灌注混凝土，將水槽內(nèi)的水逐步擠出，并通過小導(dǎo)管孔底注漿將水槽區(qū)地層加固密實。

5)底板深孔徑向堵水注漿。待底板混凝土強度達到設(shè)計要求后，開始施作底板深孔徑向注漿。底板深孔注漿徑向加固范圍為開挖輪廓線外10 m，縱向加固范圍為60 m(里程與徑向注漿相同)，開孔孔口環(huán)向間距0.9 m，縱向間距為2 m，呈梅花形布置，深孔注漿斷面如圖4所示。

圖4　底板深孔注漿斷面圖(單位： cm)

①注漿設(shè)計參數(shù)。注漿設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3　注漿設(shè)計參數(shù)表

注： 現(xiàn)場注漿施工根據(jù)情況進行漿液種類和配比的選擇調(diào)整。

②注漿順序。注漿首先在涌水點周圍按照“由遠及近、由外至里、由無水至有水”的原則進行，層層縮小注漿圈，最后在集中出水口處頂水注漿； 后續(xù)注漿按“無水向有水、先兩端后中間、由外及里、由上到下、間隔跳孔”的原則進行，以達到控域注漿、擠密加固的目的。

③鉆孔注漿施工。先用鉆機開孔深2 m、φ130 mm的鉆孔，中央排水溝處安設(shè)固結(jié)長度2.5 m的φ108 mm鋼管孔口管，采用麻絲+錨桿固定，其兩側(cè)孔口管安設(shè)固結(jié)長度2 m的φ108 mm鋼管孔口管，采用麻絲+速凝高強水泥系材料固定； 通過孔口管鉆φ90 mm注漿孔，采取前進式分段注漿工藝進行鉆孔注漿施工，注漿分段長度3～5 m(根據(jù)鉆孔情況可現(xiàn)場調(diào)整)。底板鉆孔注漿分3個階段進行，注漿施工順序如圖5所示。

圖5　注漿施工順序圖

該地層中的水量大，且處于開放狀態(tài)，而雙液漿漿材具有明顯的抗分散性能，能夠有效控制漿液的擴散范圍，避免漿液被水稀釋分散，對該地層具有較好的堵水效果。

針對中央水槽附近的淺層散水較多的注漿孔，采用Deneef聚氨酯類化學(xué)注漿材料進行注漿，具有較好的堵水效果。

3.3注漿堵水期間的監(jiān)控量測

因隧道底部涌水的封堵會造成初期支護背后圍巖壓力增大，在注漿堵水過程中進行了拱頂下沉、水平收斂和底板隆沉(變形)監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明： 支護結(jié)構(gòu)變形很小，拱頂下沉最大為4.25 mm，水平收斂最大為3.5 mm，說明在注漿堵水期間圍巖結(jié)構(gòu)安全； 底板最大隆起為2.45 mm，底板結(jié)構(gòu)也處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4涌水段處治的效果

經(jīng)過上述方案的注漿施工，注漿段涌水量由處治前的3 800 m3/h減少到處治后的150 m3/h左右，經(jīng)鉆孔取芯檢查及施工開挖檢查，取得了明顯的效果。初期支護表面有少量漏水點，但無線流情況，且單個漏水點的最大漏水量小于10 L/d，單個濕漬或水膜覆蓋面積小于0.3 m，平均滲透量小于2.5 L/(m·d)，任意100 m防水面積的滲水量小于5 L/(m·d)，滿足限量排放標準，達到了預(yù)期效果。

4結(jié)論與體會

通過該工程實踐，可以得出如下結(jié)論： 1)底部涌水處理的總體處理步驟為“先引后堵、先徑向加固再底板封堵、先易后難局部集中處理”。2)對于遇到的大流量涌水，必須先考慮排水通道，不能貿(mào)然采取“堵”的方法。只有保證大流量涌水具有暢通的排泄通道后，才能給大流量涌水的處理創(chuàng)造條件。3)對于隧道底部快速流動的涌水可通過本文所述的底部涌水處理方法降低涌水的流動速度，為后續(xù)注漿堵水提供條件。4)采用拱腳以上徑向注漿和底板深孔堵水注漿2種加固方法相結(jié)合的方式，有效消除了前期隧道開挖過后遺留的涌水隱患。

相比已有的“堵”、“排”方法，本隧道富水斷層突水的處治技術(shù)發(fā)揮兩者優(yōu)點，將2種工法更好地組合起來，根據(jù)地質(zhì)條件和突水原因，采取分步處治突水的方法，逐步降低風(fēng)險，保證了高壓富水斷層處治過程的安全環(huán)保和施工質(zhì)量，解決了隧道大規(guī)模突水處治的難題。

下一步應(yīng)在注漿動態(tài)設(shè)計、注漿標準精細化、分步降壓堵水標準化作業(yè)等方面深入研究，進一步提升高壓富水斷層施工技術(shù)水平。

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我國自主研制的首批雙護盾TBM在成都完成總裝調(diào)試并成功下線

2016年1月10日，我國自主研制的首批雙護盾TBM在成都完成總裝調(diào)試并成功下線。該雙護盾TBM整機集成技術(shù)、硬巖環(huán)境下高效破巖的刀盤刀具設(shè)計、不良地質(zhì)條件下的應(yīng)急處理設(shè)計等技術(shù)已經(jīng)達到世界先進水平，標志著我國TBM研制正在實現(xiàn)中國“智”造，也標志著我國全斷面巖石掘進機(TBM)的研發(fā)和應(yīng)用邁入了新的里程碑。

特殊的地質(zhì)條件對設(shè)備提出了更高的要求。該臺雙護盾TBM開挖直徑5.48 m，設(shè)備全長415 m，主機采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鉸接式撐靴結(jié)構(gòu)，主機更穩(wěn)定可靠，內(nèi)部空間更大，有針對性地進行了硬巖環(huán)境下高效破巖刀盤設(shè)計、不良地質(zhì)條件下的防卡功能設(shè)計、不良地質(zhì)條件下的應(yīng)急處理能力設(shè)計、物料快速輸送能力設(shè)計等，整機適應(yīng)能力強，能夠根據(jù)地質(zhì)情況、施工進度靈活選用不同的掘進模式，實現(xiàn)TBM不間斷連續(xù)掘進。

該盾構(gòu)將用于蘭州市水源地建設(shè)工程項目，從劉家峽水庫向蘭州市供水，輸水隧洞主洞為壓力引水隧洞，全長31.57 km。蘭州市水源地建設(shè)工程項目TBM施工洞段長24.4 km，最大埋深918 m，施工距離長，巖石硬度高，沿線地層多變，地質(zhì)情況十分復(fù)雜。設(shè)備下線之后將在蘭州市水源地建設(shè)工程項目中大顯身手。

(摘自 隧道網(wǎng) http://tunnelling.cn/PNews/NewsDetail.aspx?newsId=135382016-01-12)

Analysis on Causes of Large-scale Water Gushed

from Tunnel Floor and Countermeasures

JIAO Lei, ZOU Chong, XU Haiting

(Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China)

Abstract:A large-scale water gushed from tunnel floor due to the ample water supply on the ground surface during the construction of a tunnel crossing the contact zone between fracture evaporite solution breccia and complete gypsum layer, which brought serious destructions and threatens to the surrounding environments. As a result, some effective measures have to be took to control water gushing. In this paper, comparison and contrast is made among several grouting methods. With the treating principle of “drainage first and then sealing, radial grouting reinforcement first and then tunnel floor sealing, and centralized treatment of local part”, the water gushing speed is slowed down, the surrounding rock permeability coefficient is reduced, the tunnel structure stability is improved and the ground water is brought under effective control by using radial grouting and deep-hole grouting.

Keywords:tunnel; water gushed from tunnel floor; cause analysis; deep-hole grouting

中圖分類號：U 455.49

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)01-0086-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.013

作者簡介：第一 焦雷(1985—)，男，河南洛陽人，2010年畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué)，巖土工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事隧道與地下工程的科研和設(shè)計工作。E-mail: jiaolei159@126.com。

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(2013CB036000)

收稿日期：2015-09-18; 修回日期： 2015-11-27