硬巖斷層破碎帶高壓涌水段防排水設(shè)計(jì)研究

劉二強(qiáng)

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州510000）

1 引言

受復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響，在隧（巷）道布置時(shí)不得不穿越斷層、巖溶區(qū)或破碎帶等不良地質(zhì)體。同時(shí)，在深部隧（巷）道的具體施工過程中，所面對(duì)的環(huán)境具有“高應(yīng)力、高水壓、強(qiáng)擾動(dòng)”（“二高一強(qiáng)”）的特點(diǎn)。斷層破碎帶巖體由松散、破碎且高度風(fēng)化的弱膠結(jié)巖石組成，具有強(qiáng)度低、易于變形、透水性強(qiáng)等特征。在深部地下“兩高一強(qiáng)”地質(zhì)環(huán)境影響下，斷層破碎區(qū)極易連通含水層，誘發(fā)變質(zhì)量突水和圍巖失穩(wěn)災(zāi)害，造成人員傷亡事故。此外，地下水流失和污染還將對(duì)工程地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成危害[1]。

斷層破碎帶巖體在流水沖蝕作用下，破碎巖體中的細(xì)小固體顆粒從巖石骨架上剝落進(jìn)入流體中，隨流體遷移流出，這一現(xiàn)象被稱為變質(zhì)量滲流，將直接導(dǎo)致巖體孔隙率和滲透率增長，流體流速也隨之增大。變質(zhì)量滲流現(xiàn)象普遍存在于各類巖土體介質(zhì)中，對(duì)工程安全極具危害，很多學(xué)者對(duì)其開展了理論研究，認(rèn)為滲水作用下巖體細(xì)小物質(zhì)的遷移流失存在兩個(gè)階段，即沖蝕和突涌。沖蝕是指在水壓作用下，在不擾動(dòng)圍巖顆粒的前提下，粒徑較小的顆粒體在一定的范圍內(nèi)發(fā)生自由移動(dòng)，引起細(xì)小物質(zhì)重分布或流失，巖體局部滲透性會(huì)發(fā)生緩慢變化；隨著沖蝕作用的持續(xù)發(fā)展，細(xì)小物質(zhì)不斷流失，導(dǎo)致滲透率快速增大，進(jìn)而發(fā)生突涌災(zāi)害。

深部長期應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致巖體體積壓縮和內(nèi)部裂隙擴(kuò)展發(fā)育。破碎帶巖體在長期應(yīng)力作用下發(fā)生損傷變形是滲透特性變化的重要原因，易成為地下水通道或富集區(qū)。

本文重點(diǎn)依托粵東地區(qū)某高速公路山嶺特長隧道的成功經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行總結(jié)。該隧道山體由巖漿巖構(gòu)成，最大埋深740 m。發(fā)育蓮花山北東向斷裂帶、佛岡-豐良東西向斷裂帶、榕江斷褶構(gòu)造帶- 桐子洋復(fù)向斜等三期構(gòu)造帶及燕山期巖漿活動(dòng)；地表溝谷縱橫、溪流發(fā)育，由東向西孕育有建成多年才具備蓄水功能的飛泉水庫、黃棉湖水庫。沿洞身分布斷裂18 條、高壓富水段落1 段、富水段落5 段。施工至預(yù)測的高壓富水段落時(shí)，進(jìn)口右、左洞先后發(fā)生高壓涌水，掌子面最大涌水量33 000 m3/d，最大水壓4.8 MPa。通過采取全斷面前進(jìn)式帷幕預(yù)注漿，成功穿越該斷層，隧道襯砌結(jié)構(gòu)及防排水體系進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，效果較好。隧道掌子面涌水如圖1 所示。

圖1 隧道掌子面涌水

2 硬巖斷層破碎帶高壓涌水災(zāi)害影響因素分析

造成硬巖斷層破碎帶隧道高壓涌水災(zāi)害的影響因素多且復(fù)雜，根據(jù)相關(guān)調(diào)研可知，主要有自然、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、設(shè)計(jì)及施工5 類因素，具體如表1 所示。

表1 硬巖斷層破碎高壓涌水災(zāi)害影響因素

查閱大量國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)[2-4]，總結(jié)得出一些國內(nèi)硬巖斷層破碎帶高壓涌水的典型案例，分別對(duì)這些事故的結(jié)果及處置措施做了總結(jié)，如表2 所示。根據(jù)已有的隧道破碎帶涌水案例可以得出以下經(jīng)驗(yàn)：

表2 硬巖斷層破碎帶高壓涌水案例

1）以目前的勘探水平，一些不良地質(zhì)難以被探出，因此對(duì)于此類事故的處理方式都是以排為主，防、截、堵相結(jié)合的原則；

2）對(duì)一些穿越斷層破碎帶的隧道應(yīng)提前做好預(yù)防措施，涌水量小的采用注漿堵水，破碎帶可以采取注漿固結(jié)；

3）為實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確探明地質(zhì)情況，在對(duì)區(qū)域地質(zhì)情況充分掌握的前提下，考慮采用超前鉆探和超前物探的手段。

3 硬巖斷層破碎帶高壓涌水下防排水設(shè)計(jì)原則研究

3.1 基于現(xiàn)行規(guī)范確定的防排水設(shè)計(jì)原則

造成硬巖斷層破碎帶在高壓下出現(xiàn)涌水現(xiàn)象的原因多種多樣，無法僅僅依靠單一舉措進(jìn)行解決。根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》針對(duì)隧道防排水問題提出“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的設(shè)計(jì)原則，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)做到對(duì)地表水和地下水的全面考慮，建立洞內(nèi)和洞外二者之間統(tǒng)一有機(jī)的防排水系統(tǒng)。“防”就是要求襯砌、防水層結(jié)構(gòu)具備足夠的防水儲(chǔ)備，避免地下水通過上述結(jié)構(gòu)滲透進(jìn)入洞內(nèi)?！芭拧本褪且笈潘O(shè)施可以正常工作，能夠順暢地將襯砌背面、路面結(jié)構(gòu)層下部的積水排出?！敖亍本褪且蠼?cái)嗟乇硭膫鞑ヂ窂?，采用截水溝、排水溝等措施阻斷易于滲漏到地表的水體，盡可能地減輕這部分水體對(duì)隧道的影響程度；對(duì)于地下水則是采用導(dǎo)坑等降水設(shè)施將地下水盡可能地引至遠(yuǎn)離隧道處。“堵”就是要求采用多種多樣的措施，如注漿、噴涂等措施將地下水封堵在圍巖內(nèi)部。

3.2 分區(qū)設(shè)計(jì)的防排水原則

在硬巖斷層破碎帶的隧道施工過程中，由于大多數(shù)隧道處于地下，導(dǎo)致地下水無法通過自然排水方式排出。在具體施工中，為減輕地下水帶來的不利影響，多采用布設(shè)防水層包裹隧道橫縱斷面的措施，從而減小滲透問題出現(xiàn)的可能性。除此以外，在防排水設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，要提高對(duì)分區(qū)防排水設(shè)計(jì)的重視程度。同時(shí)，要做好澆筑工作，使防水層的效果最大化，減小滲透問題發(fā)生的可能性。

3.3 提升防排水設(shè)計(jì)的可維護(hù)性原則

在硬巖斷層破碎帶的高壓涌水防排水設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)不斷提升防排水設(shè)計(jì)的可維護(hù)性。第一，應(yīng)建立可維護(hù)的防排水系統(tǒng)，這一系統(tǒng)應(yīng)具備易于維修和養(yǎng)護(hù)的功能，只有整個(gè)防排水系統(tǒng)具備可維護(hù)功能，才能確保整個(gè)防排水工程在設(shè)計(jì)中得到不斷優(yōu)化。第二，行業(yè)相關(guān)部門應(yīng)結(jié)合已實(shí)施的防排水工程的設(shè)計(jì)和施工工作，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，與時(shí)俱進(jìn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不斷更新和優(yōu)化，為防排水設(shè)計(jì)工作提供更有力的支撐。同時(shí)，在開展防排水設(shè)計(jì)工作中，以國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，不但有利于后續(xù)施工的便捷性和順暢性，而且可以最大化地保障整個(gè)防排水工程的各項(xiàng)功能，最大限度減輕隧道堵塞事故發(fā)生的可能性。第三，在防排水工程竣工后，應(yīng)盡快做好疏通工作，對(duì)設(shè)計(jì)中明確的易滲水結(jié)構(gòu)及時(shí)封堵，查明滲水源并采取針對(duì)性措施。

4 硬巖斷層破碎帶高壓涌水下防排水設(shè)計(jì)措施研究

4.1 防排水設(shè)計(jì)方案

首先，要提高對(duì)進(jìn)洞之前的防排水設(shè)計(jì)的重視程度，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期要對(duì)隧道有全面而詳細(xì)的勘探，充分了解這一地區(qū)的地質(zhì)水文情況，根據(jù)現(xiàn)場提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)隧道圍巖和水源情況有充分的了解，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場地形不斷優(yōu)化防排水設(shè)計(jì)。其次，設(shè)計(jì)人員要加強(qiáng)與現(xiàn)場施工的聯(lián)系，在施工過程中，若涌水量較小，只需對(duì)地表簡單處理即可；若涌水量較大，特別是出現(xiàn)聚集涌水的情況時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際提出開縫、摩擦錨桿的措施，并給出具體的導(dǎo)水建議；最終，若發(fā)生大面積涌水的情形，可先將集中出水點(diǎn)用圓管導(dǎo)水，再采用類似樹枝狀的透水管，將散水流匯集后排出隧道，避免積水事故的發(fā)生。

4.2 涌水地段的防排水專項(xiàng)設(shè)計(jì)

1）加強(qiáng)初期支護(hù)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中提高對(duì)初期支護(hù)的重視程度，加大混凝土層的厚度參數(shù)，提高對(duì)混凝土抗?jié)B性能參數(shù)的要求，確保防排水工程的密閉性。

2）優(yōu)化二襯防水設(shè)計(jì)。提高二次襯砌耐久性要求，二襯的質(zhì)量與防排水工程防水效果的優(yōu)劣密切相關(guān)。在設(shè)計(jì)過程，可以考慮在混凝土中加入防水劑，提高混凝土的抗?jié)B能力；提出具體措施以避免混凝土板與板之間施工縫可能出現(xiàn)的滲水問題。

5 結(jié)語

本文依托粵東地區(qū)某高速公路山嶺特長隧道的成功經(jīng)驗(yàn)，分析了硬巖斷層破碎帶隧道高壓涌水災(zāi)害的主要影響因素，結(jié)合某相關(guān)案例，對(duì)防排水設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1）對(duì)硬巖破碎帶涌水的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了總結(jié)，提出斷層破碎帶的形成是因?yàn)樯畈块L期應(yīng)力作用，其影響帶均較破碎且易成為地下水通道或富集區(qū)；

2）造成斷層破碎帶隧道突涌水災(zāi)害的影響因素多且復(fù)雜，主要由自然、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、設(shè)計(jì)及施工5 項(xiàng)因素組成。