特長(zhǎng)隧道斷層破碎帶涌水治理研究

董自超，吉文軍

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

天臺(tái)山隧道為分離式單向三車道公路隧道，左線長(zhǎng)15 483 m，右線長(zhǎng)15 560 m，隧道最大埋深973.16 m。從2019年1月下旬開始右線K161+600處掌子面出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，隨后進(jìn)入斷層破碎帶集中涌水段，經(jīng)過(guò)各項(xiàng)處治措施后順利通過(guò)涌水段。經(jīng)過(guò)實(shí)踐形成的特長(zhǎng)隧道斷層破碎帶涌水處治技術(shù)可為今后類似地質(zhì)條件的施工提供參考。

1 工程地質(zhì)概況及涌水原因分析

1.1 工程地質(zhì)概況

天臺(tái)山隧道地處秦嶺山地區(qū)，區(qū)內(nèi)相對(duì)高差大，氣候垂直分異明顯。區(qū)內(nèi)雨量充沛，大部分地區(qū)年平均降雨量在700～1 500 mm以上。擬建隧道由北向南穿越近東西向秦嶺主脊段，隧址區(qū)內(nèi)地表水主要為位于狹窄溝谷內(nèi)的溪流，多屬季節(jié)性溪流，水位及流量受季節(jié)控制明顯。

隧址區(qū)所在大地構(gòu)造位于華北板塊祁連-北秦嶺褶皺帶，分布地層主要為印支期侵入中粗粒黑云母花崗巖、黑云母角閃花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖。區(qū)內(nèi)褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育，受構(gòu)造張拉、擠壓、扭曲等作用影響，大中型斷層和小、微型斷層十分發(fā)育，且構(gòu)造節(jié)理和風(fēng)化節(jié)理十分發(fā)育，構(gòu)造節(jié)理特點(diǎn)是規(guī)模較大，貫通性好，產(chǎn)狀比較穩(wěn)定，常與區(qū)域斷層平行或伴生，節(jié)理面平直、張開度大，部分被晚期脈巖侵入。

1.2 涌水原因分析

隧址區(qū)在構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖體變形破壞較強(qiáng)烈，由褶皺及斷裂派生出來(lái)的各級(jí)節(jié)理裂隙發(fā)育，與淺表風(fēng)化裂隙，共同構(gòu)成節(jié)理裂隙系統(tǒng)，不同程度破壞了巖體的完整性。秦嶺山區(qū)既有規(guī)模較大的斷層，也有規(guī)模小但分布密集的節(jié)理，裂隙之間貫通性較好，為地下水賦存提供了充分的條件。山地區(qū)植被發(fā)育，水系密集，地下水接受大氣降水補(bǔ)給充足，斷層帶普遍比較富水。

各圍巖段地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)相差不大，以構(gòu)造破碎帶、節(jié)理密集帶為主要含水層，完整中-未風(fēng)化巖層為相對(duì)隔水層。在掌子面開挖到涌出水段前圍巖主要為微風(fēng)化中粗粒黑云母花崗巖，圍巖節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體完整，圍巖自穩(wěn)能力較好。

綜合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)狀況分析，本次涌水段位于受地質(zhì)構(gòu)造影響形成的次生斷層破碎帶，裂隙發(fā)育，出水裂縫處為全風(fēng)化角礫巖夾層，成碎屑粉末狀，個(gè)別部位裂縫較寬(寬度5～10 cm)。隧道開挖后，基巖裂隙水順裂隙像隧道內(nèi)排泄，因基巖裂隙密集帶中的地下水具有承壓性，造成短時(shí)間內(nèi)涌水量較大。變形收斂量處于正常范圍，無(wú)異常情況，圍巖整體自穩(wěn)能力較強(qiáng)。

2 涌突水處治措施

2.1 涌水過(guò)程

天臺(tái)山隧道中段右線小里程1月11日開挖爆破后，掌子面K161+600處拱部沿圍巖節(jié)理裂隙方向出現(xiàn)線狀滴水，隨洞身掘進(jìn)出水點(diǎn)及水量沿隧道環(huán)向逐漸增加，至K161+585處掌子面左側(cè)起拱線出現(xiàn)股狀涌水，涌水量達(dá)150 m3/h，至K161+580時(shí)掌子面右側(cè)距中線1 m、拱頂向下約1 m處出現(xiàn)股狀突水，涌水量約為6 000 m3/h，此后掌子面暫停施工，施工單位組織排水。

2.2 洞內(nèi)抽排水

天臺(tái)山隧道3#斜井長(zhǎng)2 km，正洞小里程方向已掘進(jìn)2 km，排水管路共計(jì)4 km；正洞縱坡為1.65%，小里程方向?yàn)橄缕拢c斜井交叉口處高差為33.4 m，斜井交叉口距斜井洞口高差227.4 m，從掌子面向洞外排水管路阻力較大。

施工單位根據(jù)各處出水點(diǎn)涌水量測(cè)算，分別在掌子面、蓄水橫洞和斜井交叉口處配置抽水泵，以克服排水距離遠(yuǎn)、揚(yáng)程高的難題。共計(jì)在掌子面配置水泵6臺(tái)；蓄水橫洞處配置水泵1臺(tái)；斜井交叉口處配置水泵4臺(tái)。為減少管道鋪設(shè)時(shí)間，將原斜井內(nèi)鋼制通風(fēng)管道改建為排水管路。

2.3 超前預(yù)報(bào)

在涌突水發(fā)生后，通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前鉆孔，可以探測(cè)掌子面前方地下水以及不良地質(zhì)情況，確定裂隙發(fā)育段和裂隙發(fā)育度，從而判析前方地層在開挖后是否能夠自穩(wěn)，是否存在大量涌水、突泥的可能，作為制定下一步施工方案的依據(jù)。

對(duì)隧道右線掌子面K161+584.7處地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)成果綜合分析得出如下主要推斷結(jié)論。

(1)K161+584.7～K161+576：該段圍巖強(qiáng)度與掌子面圍巖強(qiáng)度基本一致變化不大，微風(fēng)化花崗巖，巖體完整，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，裂隙水淋雨?duì)睢鷰r級(jí)別推斷為Ⅲ級(jí)。

(2)K161+576～K161+571，該段圍巖強(qiáng)度較掌子面圍巖強(qiáng)度小幅度下降，此段有一個(gè)小的裂隙發(fā)育帶，微風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水可能股狀發(fā)育。圍巖級(jí)別推斷為Ⅲ級(jí)。

(3)K161+571～K161+564，該段圍巖強(qiáng)度較掌子面圍巖強(qiáng)度小幅度下降，微風(fēng)化花崗巖，巖體完整，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，裂隙水可能淋雨?duì)顮畎l(fā)育。圍巖級(jí)別推斷為Ⅲ級(jí)。

對(duì)TSP法反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果分析表明，右線K161+592～K161+546段范圍內(nèi)橫波速度有大幅降低，泊松比增大，巖石密度減小，推斷該范圍內(nèi)節(jié)理裂隙相對(duì)較發(fā)育，地下水強(qiáng)烈發(fā)育，可能涌水。

綜合目前各項(xiàng)預(yù)報(bào)結(jié)果，預(yù)判右線掌字面前方15～20 m范圍內(nèi)為次生斷層破碎帶，開挖時(shí)存出現(xiàn)突水的可能性較大，為本次重點(diǎn)處治段。

3 注漿堵水方案

施工中貫徹“堵水防漏”原則，按照“先探水、預(yù)注漿、后開挖、補(bǔ)注漿、再襯砌”的原則進(jìn)行施工，并形成以下具體措施。

朝鮮的火鍋以“酸菜白膘”為標(biāo)準(zhǔn)，以木炭煮食，熬的湯為海參湯。酸菜是冬季用鹽水浸泡，濾干腌泡而成，而所用的白膘肉即是五花肉煮熟切成片或是蒸過(guò)一遍后去除油膩，吃時(shí)再配以血腸、蛤蜊等，朝鮮火鍋的這種吃法雖說(shuō)比較原始，但吃起來(lái)卻很十分的爽口。

(1)對(duì)右洞掌字面進(jìn)行周邊超前預(yù)注漿，注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，注漿長(zhǎng)度每次20 m，以減少前方周邊裂隙及滲透系數(shù)，控制圍巖涌水量；

(2)已開挖段出水點(diǎn)進(jìn)行徑向注漿封堵，加固范圍為開挖輪廓線外5 m；

(3)在掌字面布置超前探水孔；

3.1 掌字面周邊預(yù)注漿堵水

對(duì)右洞掌字面進(jìn)行超前局部預(yù)注漿，注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，封堵基巖裂隙水，以及爆破震動(dòng)可能引起的裂隙張開。

注漿孔長(zhǎng)度為20 m，環(huán)向間距1.0 m，孔口設(shè)2 m長(zhǎng)Φ127孔口管，沿兩側(cè)開挖輪廓線布設(shè)，外插角取5°～15°；注漿材料為水泥漿，水泥漿水灰比0.6∶1～3∶1(重量比)，注漿壓力1.5～2.5 MPa，漿液配合比和注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)反饋結(jié)果適當(dāng)調(diào)整。并在注漿起始處掌字面以C25噴射混凝土形成止?jié){墻，厚度30 cm。

3.2 已開挖段局部注漿堵水

在出水通道范圍內(nèi)，隧道開挖外輪廓線以外5 m，采用Φ50 mm×5 mm鋼花管，布置間距縱環(huán)向均為120 cm，出水點(diǎn)注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥為425普通硅酸鹽水泥，水灰比W/C=0.6～1.1，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.5，水玻璃濃度采用30～35Be′，最終壓力0.5～1.0 MPa，注漿后，總出水量小于2 m3/h且一處出水量小于0.6 m3/h，即可結(jié)束注漿。

3.3 超前探水孔

每次超前探水段長(zhǎng)30 m，探水孔要詳細(xì)記錄出水點(diǎn)位置、水量、水壓等。探水孔孔徑(終孔)為55 mm，鉆孔外偏角為5°。根據(jù)超前鉆孔探水的結(jié)果，分別采取不同的措施進(jìn)行下一階段工作。

3.4 其他措施

噴射混凝土加大速凝劑用量，在主裂隙處不噴射混凝土，使水流能集中于主裂隙進(jìn)入環(huán)向排水半管；巖面大面積淋水段，應(yīng)先用排水半管引排水，上覆鐵絲網(wǎng)后再噴混凝土。初噴完成后，若還有滲漏水段，可適當(dāng)加設(shè)直徑100 mm半圓管排水；局部破碎段增加拱架支護(hù)，并根據(jù)拱架型號(hào)加厚噴射混凝土厚度。

涌水段范圍內(nèi)二次襯砌變更為55 cm C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)留變形量按10 cm控制；原設(shè)計(jì)隧道暗洞防排水設(shè)計(jì)圖中帶注漿管橡膠膨脹止水條變更為中埋式橡膠止水帶。

4 總 結(jié)

通過(guò)各項(xiàng)處治措施，掌子面順利通過(guò)斷層破碎帶。后續(xù)對(duì)K161+580涌水段前后進(jìn)行的監(jiān)控量測(cè)結(jié)果顯示均在沉降允許范圍內(nèi)，且初期支護(hù)表面無(wú)較大滲水。結(jié)果表明，本次斷層破碎帶處治措施是有效的。并得出以下結(jié)論：

(1)準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是合理選擇涌突水處理方式以及避免涌突水發(fā)生的必要條件，只有對(duì)掌子面前方圍巖的完整性及富水程度有了充分了解，才能對(duì)如何處理做出正確的判斷，做到保證施工安全、節(jié)省投資、加快施工進(jìn)度。

(2)對(duì)圍巖進(jìn)行注漿，需根據(jù)圍巖完整性和地下水發(fā)育情況確定，既可進(jìn)行預(yù)注漿也可進(jìn)行開挖后注漿。當(dāng)圍巖穩(wěn)定性較好、地下水較小、施工安全容易保證時(shí)，可以采用開挖后注漿，這樣既能節(jié)省投資又能加快施工進(jìn)度，減少地下水的流失、保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

(3)對(duì)于富水破碎圍巖，待涌水量衰減到一定程度，及時(shí)對(duì)二次襯砌前的洞室進(jìn)行開挖后周邊注漿是加固圍巖、減少地下水流失的一個(gè)有效的補(bǔ)充措施。