大斷面隧道高壓富水變質(zhì)巖地層及構(gòu)造帶災(zāi)害處理技術(shù)——以舊堡隧道為例

孟慶余， 蘇　江， 方　偉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津　300251)

?

大斷面隧道高壓富水變質(zhì)巖地層及構(gòu)造帶災(zāi)害處理技術(shù)
——以舊堡隧道為例

孟慶余， 蘇江， 方偉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津300251)

摘要：舊堡隧道地處區(qū)域性構(gòu)造交匯部位，地層為古老的太古界變質(zhì)巖，巖石因受多期地質(zhì)構(gòu)造運動作用，斷裂構(gòu)造極為發(fā)育。隧道地下水發(fā)育且部分地段存在承壓水，在施工過程中，針對掌子面突水涌碴、開挖面坍塌，采取架設(shè)臨時仰拱和臨時擋墻措施，加固繞避； 針對初期支護(hù)大變形、二次襯砌開裂等情況，采取超前注漿、超前大管棚和雙層初期支護(hù)等措施，確保隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全； 針對隧道地下水發(fā)育情況，采用排水型防水板、邊墻增設(shè)碎石盲溝并增加泄水洞等措施，確保隧道運營安全。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道； 承壓水； 突水涌碴； 大變形； 泄水洞

0引言

伴隨著隧道工程建設(shè)的不斷發(fā)展，工程中所遇到的技術(shù)難題也越來越多[1]。近年來，在大斷面高壓富水變質(zhì)巖隧道建設(shè)過程中，由于地質(zhì)多期構(gòu)造影響等多種因素相互疊加引起隧道突水涌碴及發(fā)生大變形的情況屢見不鮮，給隧道施工安全帶來了嚴(yán)重影響。目前，國內(nèi)外對大斷面高壓富水變質(zhì)巖隧道已有一定研究，許再良等[2]、葉少敏[3]和林明達(dá)等[4]通過對雁門關(guān)隧道區(qū)域內(nèi)太古界片麻巖地層特性的分析，提出了針對性的工程措施； 但是，目前的研究大部分針對高地應(yīng)力軟巖隧道的變形機制及控制措施[5]和非可溶巖隧道突涌情況的處理措施[6]，對于高壓富水變質(zhì)巖地層大變形及突水涌碴處理措施的研究相對較少。

本文對舊堡隧道設(shè)計和施工中出現(xiàn)的主要工程難題和應(yīng)對措施進(jìn)行了總結(jié)，有助于進(jìn)一步認(rèn)識經(jīng)多期構(gòu)造作用的富水古老變質(zhì)巖地層中隧道工程技術(shù)的關(guān)鍵所在。

1隧道概況

舊堡隧道是張家口至集寧鐵路最長的隧道，位于張家口以東，起訖里程為DK25+270～DK34+855，全長9 585 m(見圖1和圖2)。隧道縱坡為7.6‰與7.4‰的單面上坡，最大埋深約為493 m，采用單洞雙線隧道斷面，預(yù)留200 km/h條件，雙層集裝箱限界[7]，軌上凈空為88.29 m2。

隧道洞身范圍為太古界馬市口組(Arm)麻粒巖、磁鐵石英巖和太古界下白窯組(Arx)淺粒巖，局部可見基性輝綠巖脈及酸性花崗偉晶巖脈侵入。經(jīng)取巖樣測試，麻粒巖及淺粒巖的單軸飽和抗壓強度多數(shù)在65～125 MPa，個別小于30 MPa，小于60 MPa的多為存在沿節(jié)理面破裂導(dǎo)致，經(jīng)綜合判定，麻粒巖及淺粒巖為極硬巖[8]。

圖1　舊堡隧道縱斷面圖(單位： m)

圖2　舊堡隧道平面位置圖

2主要工程難題

2.1隧道位于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶

隧道位于陰山東西復(fù)雜構(gòu)造帶，在地質(zhì)歷史上經(jīng)歷了3期較明顯的構(gòu)造運動，分別為前震旦紀(jì)、中生代及新生代構(gòu)造運動。多期構(gòu)造運動的疊加造成地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，從而表現(xiàn)為節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。隧道經(jīng)過大小13處斷層，其中F3斷層構(gòu)造走向接近隧道軸線，夾角約30°，使得隧道施工難度增大[8-10]。

2.2部分圍巖特征在開挖前后具有極大差異

舊堡隧道地處區(qū)域性構(gòu)造交匯部位，通過的主要地層巖性為古老的太古界變質(zhì)巖(麻粒巖、淺粒巖)，因受多期地質(zhì)構(gòu)造運動作用，斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，且?guī)r漿活動強烈，隧道通過1條大斷裂(F3)、12條較大斷裂及大量巖漿侵入巖體、巖脈，地質(zhì)條件復(fù)雜。施工揭示地層普遍發(fā)育小斷層糜棱巖化破碎帶、節(jié)理密集帶和3組以上結(jié)構(gòu)面，將巖體切割成碎石狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面多擦痕鏡面和動力變質(zhì)礦物，局部含泥化夾層，花崗巖和輝綠巖巖脈大量穿插，并可見熱液蝕變礦物，圍巖自穩(wěn)性差，在普遍發(fā)育具有承壓性的地下水作用下，結(jié)構(gòu)面填充物極易軟化流失，誘發(fā)圍巖變形失穩(wěn)，多次發(fā)生圍巖坍塌和小規(guī)模泥夾碎石流。

該隧道太古界變質(zhì)巖多為副變質(zhì)巖，由于原巖成分的差異及多期構(gòu)造運動的影響，致使構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育程度不同，加之多期巖脈的侵入和斷裂的切割阻隔作用，造成了部分地段和層位含水、部分地段和層位隔水的構(gòu)造，形成了承壓含水層。賦存于斷層及影響帶中的構(gòu)造裂隙水，沿斷層帶(張性斷層)及影響破碎帶呈帶狀分布。由于斷層的影響，導(dǎo)致巖石的松散度、孔隙度增大，富水性發(fā)生改變，使其由不含水變?yōu)楹?/p>

本區(qū)變質(zhì)巖以麻粒巖主，多為硬質(zhì)巖，一般情況下隧道圍巖以Ⅱ、Ⅲ級為主； 但由于復(fù)雜構(gòu)造背景、施工開挖和地下水等綜合因素作用，開挖后發(fā)現(xiàn)部分圍巖(巖脈)節(jié)理面光滑，有蠟狀填充物，填充物遇空氣后自然崩解；部分圍巖受構(gòu)造影響強烈，手掰易碎。綜合以上因素，隧道圍巖表現(xiàn)出軟巖大變形等特性。

2.3地下水豐富且具有承壓性

該隧道地下水發(fā)育，多數(shù)地段具有承壓性或部分承壓性，地下水總體流向為自北向南，勘察地質(zhì)鉆孔承壓水從地下噴出地面約2 m。隧道正常涌水量為16 013 m3/d，最大涌水量為61 157 m3/d。該區(qū)域地下水主要賦存于基巖的節(jié)理裂隙及斷層影響帶中，而承壓水主要賦存于F3斷層兩側(cè)影響帶中。由于受斷層影響，承壓水含水層的位置呈現(xiàn)多層的特征，其連通性很不均一。地面至隧道標(biāo)高共存在7層承壓水，即7個含水層和7個隔水層交替分布。

2.4變形具有延遲特征，控制難度高

在多數(shù)發(fā)生變形地段，掌子面的地下水表現(xiàn)為剛開挖時比較干燥或水量很小，變形也很小，5～20 d以后地下水水量開始增大，初期支護(hù)開始變形，有些變形嚴(yán)重的地段，鋼架會被壓扭。經(jīng)分析認(rèn)為隧道位于相對阻水地段，隧道開挖后，受應(yīng)力釋放、震動和風(fēng)化等多種因素影響，使得裂隙張開，地下水流動形成通道，在地下水作用下，極易產(chǎn)生變形、掉塊等現(xiàn)象。隨著地下水的滲漏和侵蝕，圍巖整體強度迅速下降，一旦變形過大，就會難以控制。

3應(yīng)對措施

3.1承載結(jié)構(gòu)破壞，先加固并通過，隨后處理

在隧道施工過程中，隧道多次出現(xiàn)大變形，嚴(yán)重侵限最大超過1.0 m。2010年11月4日，對DK29+389～+424段制定了設(shè)置擋墻及注漿方案。

根據(jù)施工開挖及超前鉆探推斷，在DK29+389右側(cè)地層(垂直洞身方向)，0～15.5 m為構(gòu)造破碎帶，巖體呈土狀，遇水呈泥狀，為斷層泥，具有糜棱巖化作用； 15.5～25.0 m為破碎的麻粒巖、花崗巖夾泥，呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)； 25.0 m以后為麻粒巖夾花崗巖侵入體，巖體破碎，多呈碎塊狀及角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)，為富水地層。在DK29+418處右側(cè)地層(垂直洞身方向)，0～7.5 m為構(gòu)造破碎帶，巖體呈土狀，遇水呈泥狀，為斷層泥，具有糜棱巖化作用； 7.5～17.0 m為破碎的麻粒巖、花崗巖夾泥，呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)； 17.0 m以后為麻粒巖夾花崗巖侵入體，巖體破碎，多呈碎塊狀及角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)，為富水地層(見圖3和圖4)。

圖3　地質(zhì)情況橫剖面圖(單位： cm)

Fig. 3Cross-section showing geological conditions of Jiubao tunnel (cm)

圖4　地質(zhì)情況平面圖

根據(jù)施工臺階情況，在DK29+389～+408段中臺階設(shè)置了2層擋墻(見圖5)，在DK29+408～+418段中臺階設(shè)置1層擋墻，在DK29+418～+424段中臺階設(shè)置1層型鋼混凝土。對DK29+387～+424段進(jìn)行超前注漿加固，右半邊設(shè)置大管棚，在管棚的保護(hù)下進(jìn)行開挖和支護(hù)。

但由于水壓較大，DK29+424～+420段于2010年11月30日晚開始從擋墻頭(大里程端DK29+424)縫隙涌水，涌水量達(dá)到40 m3/h，DK29+424處注漿止?jié){墻開裂，裂縫寬度達(dá)15 cm。根據(jù)現(xiàn)場情況，注漿工作暫停，待水量穩(wěn)定后，重新加固了擋墻，并注漿加固。從左側(cè)向前繼續(xù)開辟了掌子面，隧道貫通后再處理本段擋墻部分，縮短了貫通時間。

圖5　DK29+389～+408斷面圖(單位： cm)

3.2鋼拱架扭曲、折斷，套拱加固

經(jīng)過對現(xiàn)場圍巖變更情況以及扭曲變形情況的統(tǒng)計得知，隧道右側(cè)是出現(xiàn)問題的主要部位，鋼架變形嚴(yán)重，從DK29+376～+391段右側(cè)變形看，平均變形1.0 m，最大變形達(dá)到1.88 m。

現(xiàn)場根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果及施工過程中的研究分析，對隧道施工方案及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整。通過超前地質(zhì)預(yù)報對前部圍巖進(jìn)行預(yù)測，在預(yù)計有大變形段落采取了徑向注漿加固圍巖、套拱加固和雙層初期支護(hù)等措施[11-14]。雙層初期支護(hù)隧道襯砌參數(shù)見表1。

表1雙層初期支護(hù)(套拱)隧道襯砌參數(shù)

Table 1Lining parameters of tunnel with double primary support layers(umbrella arch)

圍巖初期支護(hù)噴混凝土厚度/cm格柵間距/m二次襯砌拱墻仰拱Ⅴ承壓拱墻,初層33、二層27初層Ⅰ25、全環(huán)0.660cm65cm仰拱33二層Ⅰ20、全環(huán)0.6主筋?25@100主筋?25@100

3.3水壓過大，泄水降壓

針對舊堡隧道高水壓段落圍巖變形嚴(yán)重、施工困難的情況，為了達(dá)到泄水降壓、保證施工及運營期間結(jié)構(gòu)安全的目的，除超前泄水外，在DK29+365～+401段設(shè)置永久和臨時結(jié)合的泄水洞，以確保施工及運營期間的穩(wěn)定、安全。為降低水壓力，隧道拱墻采用排水型防水板，邊墻設(shè)置環(huán)向碎石盲溝，底部初期支護(hù)外側(cè)設(shè)置粗鋼管，鋼管上設(shè)置泄水孔以排出順環(huán)向排水板以及片石盲溝匯集的地下水，以減小水壓[15]。

泄水洞設(shè)置在隧道DK29+365右側(cè)，終點里程為DK29+401。導(dǎo)洞與線路方向呈30°向前延伸，保證隧道正洞與導(dǎo)洞毛洞之間有10 m的凈距離。洞內(nèi)采用1%的縱向坡度，比正洞坡度(7.6‰)稍大，以便于排水(見圖6)。

泄水洞的實施，起到了較好的排水泄壓作用，在導(dǎo)洞泄水降壓的輔助下，本段襯砌得以順利施作。2011年10月25日，在北京召開了“舊堡隧道永久泄水方案專家論證會”，經(jīng)過5年多的施工以及半年多的運營觀測，實測隧道總水量穩(wěn)定在8 000 m3/d，泄水洞水量穩(wěn)定在800 m3/d，水壓在0.03～0.14 MPa，運營期間襯砌結(jié)構(gòu)安全。

圖6　泄水洞平面設(shè)計圖(單位： cm)

3.4掌子面涌碴，加固處理

隧道涌碴表現(xiàn)為破碎圍巖在地下水和自重作用下，從掌子面以及初期支護(hù)后邊迅速涌出，與突水突泥危害性相比較小； 但在高水壓作用下對于成功施作的初期支護(hù)仍然造成一定破壞，需要加強超前支護(hù)，穩(wěn)定掌子面。主要處理方法如下： 1)超前泄水； 2)通過超前大管棚及小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)與注漿加固； 3)涌碴出現(xiàn)后應(yīng)迅速封閉掌子面，并對涌碴形成的空穴進(jìn)行回填； 4)超前注漿加固，為后續(xù)施工創(chuàng)造條件。

4結(jié)論與體會

從舊堡隧道施工過程中所表現(xiàn)出的特殊情況以及采取的應(yīng)對措施，進(jìn)一步認(rèn)識了古老變質(zhì)巖體和地下水的復(fù)雜性及其對工程的影響，同時也積累了一些實踐經(jīng)驗，對同類地質(zhì)條件下工程建設(shè)，特別是對隧道的開挖、支護(hù)具有實際的指導(dǎo)作用，對降低工程安全風(fēng)險也有重大借鑒意義。

1)變質(zhì)巖具有獨特的工程特性，特別是在地下水及大斷面施工的共同作用下，圍巖的穩(wěn)定性所受影響尤其明顯。大跨度和施工引起的強烈快速卸載作用，使原來處于潛在張裂狀態(tài)的層狀結(jié)構(gòu)為主的巖體發(fā)生明顯的剪切破壞，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制工序和工藝以減少擾動。

2)對圍巖表現(xiàn)出的“假象”應(yīng)予以關(guān)注，其在開挖后的一段時間都表現(xiàn)出明顯的硬質(zhì)圍巖特征，與勘察期間通過鉆探、物探等手段獲得的信息一致； 但是隨著時間的推移，裂隙張開，地下水對圍巖的影響增大，則表現(xiàn)出軟巖大變形的特性。

3)在隧道施工中，當(dāng)遇到難度較大、正面處理比較困難的情況時，有必要采取“先加固并通過，隨后處理”的措施，以保證工程順利進(jìn)行。

4)對于經(jīng)多期構(gòu)造運動影響變質(zhì)巖的勘察是一個較新的課題，如何在勘察初期準(zhǔn)確預(yù)判隧道通過時地層特殊性，需要進(jìn)行專門研究，也是確定針對性措施以及合理控制工程風(fēng)險的關(guān)鍵所在。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]李國良，劉志春，朱永全.蘭渝鐵路高地應(yīng)力軟巖隧道擠壓大變形規(guī)律及分級標(biāo)準(zhǔn)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2015,52(1): 62-68.(LI Guoliang,LIU Zhichun,ZHU Yongquan. On the large squeezing deformation law and classification criteria for the Lanzhou-Chongqing railway tunnels in soft and high geostress rocks[J].Modern Tunnelling Technology,2015,52(1): 62-68.(in Chinese))

[2]許再良,孫元春.雁門關(guān)鐵路隧道擠壓變形問題分析[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報,2014,33(增刊2): 3834-3839.(XU Zailiang，SUN Yuanchun.Tunneling in squeezing ground conditions: With a case study of Yanmenguan Railway Tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(S2): 3834-3839.(in Chinese))

[3]葉少敏.雁門關(guān)隧道變形控制技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報,2014(8): 68-71,77.(YE Shaomin. Defomation control technique for the Yanmenguan Tunnel[J].Journal of Railway Engineering Society,2014(8): 68-71,77.(in Chinese))

[4]林達(dá)明,尚彥軍,陳明星,等.雁門關(guān)隧道大變形突泥段地質(zhì)結(jié)構(gòu)與力學(xué)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,31(增刊1): 2751-2757.(LIN Daming,SHANG Yanjun,CHEN Mingxing,et al.Geological structures and mechanical analysis of large-deformation mud bursting section in Yanmengguan Tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(S1): 2751-2757.(in Chinese))

[5]關(guān)寶樹.軟弱圍巖隧道變形及其控制技術(shù)[J].隧道建設(shè),2011,31(1): 1-17.(GUAN Baoshu. Deformation of tunnels with soft surrounding rocks and its control[J].Tunnel Construction,2011,31(1): 1-17.(in Chinese))

[6]陳禮彪,劉泉聲,張國華,等.非可溶巖隧道突涌災(zāi)害預(yù)測研究及工程應(yīng)用[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報,2014,33(4): 786-796.(CHEN Libiao,LIU Quansheng,ZHANG Guohua, et al.Prediction of inrush disaster in non-soluble rock tunnel and its engineering application[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(4): 786-796.(in Chinese))

[7]新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定: 鐵建設(shè)[2005]285號[S].北京: 中國鐵道出版社,2005.(Interim provisions for new 200 km/h passenger railway line: Rialway construction[2005]No. 285[S].Beijing: China Railway Publishing House,2005.(in Chinese))

[8]李翔,劉占峰.張集鐵路舊堡隧道斷層破碎帶初期支護(hù)大變形原因分析及治理措施[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2014,58(5): 109-112.(LI Xiang,LIU Zhanfeng.Reason analysis and treatment measures of large deformation of primary support of Jiubao Tunnel on Zhangjiakou-Jining Railway when passing through fault fracture zone[J].Railway Standard Design,2014,58(5): 109-112.(in Chinese))

[9]張梅,肖廣志,趙西民,等.張集鐵路舊堡隧道F3斷層帶突水突泥處治技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2011,48(4): 1-5.(ZHANG Mei,XIAO Guangzhi,ZHAO Ximin,et al. Water and mud outburst treatment for F3 fault of the Jiubao Tunnel on Zhangjiakou-Jining Railway[J].Modern Tunnelling Technology,2011,48(4): 1-5.(in Chinese))

[10]和萬春,雷軍,韓現(xiàn)民,等.舊堡隧道富水?dāng)鄬訋О踩┕ぜ夹g(shù)[M].北京: 人民交通出版社,2012.(HE Wanchun,LEI Jun,HAN Xianmin, et al. Construction technologies for water-rich fault section of Jiubao Tunnel[M]. BeiJing: China Communications Press,2012.(in Chinese))

[11]鐵路隧道設(shè)計規(guī)范: TB 10003—2005[S].北京: 中國鐵道出版社,2005.(Code for design of railway tunnel: TB 10003—2005[S].Beijing: China Railway Publishing House,2005.(in Chinese))

[12]王建宇. 隧道工程的技術(shù)進(jìn)步[M].北京: 中國鐵道出版社,2004.(WANG Jianyu. Technological progress of tunnel engineering[M].Beijing: China Railway Publishing House,2004.(in Chinese))

[13]關(guān)寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M].北京: 人民交通出版社,2011.(GUAN Baoshu,ZHAO Yong. Construction technologies for soft surrounding rock tunnel[M].Beijing: China Communications Press,2011.(in Chinese))

[14]張民慶,彭峰.地下工程注漿技術(shù)[M].北京: 地質(zhì)出版社,2008.(ZHANG Minqing，PENG Feng. Grouting technologies for underground engineering [M].Beijing: Geological Publishing House,2008.(in Chinese))

[15]豐明海,何振寧.鐵路隧道施工中圍巖變形失穩(wěn)工程地質(zhì)問題[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2015,22(4): 677-683.(FENG Minghai，HE Zhenning. Engineering geological problems of deformation and destabilization of surrounding rocks in railway tunnel construction[J].Journal of Engineering Geology,2015,22(4): 677-683.(in Chinese))

Countermeasures for Disaster of High-pressured Water-rich Metamorphic Strata and Tectonic Zone of Jiubao Large Cross-section Tunnel

MENG Qingyu, SU Jiang, FANG Wei

(TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300251,China)

Abstract:Jiubao tunnel is located in the junction of regional tectonic whose main strata is old archaeozoic metamorphic rocks. The fault structure is developed well due to the geological structural movement. The groundwater is rich; and there is confined water in partial sections. Technologies, such as the temporary inverted arch, the temporary retaining wall, strengthening and avoidance are used so as to solve the water inrush and collapse of tunnel face. In order to guarantee the safety of tunnel lining structure, advance grouting, advance pipe roof and double primary support layers are adopted. In light of the rich groundwater, the drainage-type waterproofing plate, additional macadam blind drains and increasing drainage holes are adopted to guarantee the running safety of the tunnel.

Keywords:railway tunnel; confined water; water inrush; large deformation; drainage hole

中圖分類號：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)03-0315-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.011

作者簡介：第一 孟慶余(1976—)，男，吉林松原人，2001年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事隧道及地下工程管理、設(shè)計及咨詢工作。E-mail: sdsmengqingyu@126.com。

收稿日期：2015-08-13; 修回日期： 2015-09-28