隧道穿越強涌水大斷層對地表失水影響及堵水措施

徐學淵，索朗，劉熙

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

0 引言

在地下水位處于高位并且地質條件富水的狀況下，進行隧道項目掘進時，經常對地下水使用止水、降水等管控措施。雖然采取了一些措施，然而挖掘作業(yè)面經常會出現(xiàn)地下水涌出問題，地層由于水分的缺少而難以避免地下沉。因此，在富水地層中進行非降水隧道開挖施工時，需要采取更多的堵水措施[1]。

1 案例環(huán)境條件

1.1 地形地貌

大坪地隧道位于楊林盆地北東側，由北東向南西由寨子村穿越一系列條形低中山至大刀地南東側山坡，山脈走向呈北東～南西向，沿山脈走向發(fā)育有寬數(shù)十米～數(shù)百米的長條形山間溝谷地貌，溝谷底部較平緩開闊，坡麓自然斜坡較陡，地表沖溝為地表水和地下水統(tǒng)一排泄通道。

1.2 地質構造

隧址區(qū)南北向控制性斷裂為著名的小江活動斷裂，并分為東西兩支，小江斷裂在其發(fā)展過程中曾經歷了張、壓、扭的不同力學性質轉化。隧道穿越的小江斷裂東支由6 支大致平行或分支復合的逆沖斷層組成的沖斷構造帶，其中普家屯～哈螃溝大斷層破碎帶寬、富水性強，是隧道開挖發(fā)生突水涌泥工程地質問題的控制性斷層。

1.3 水文特征

1.3.1 地表水

測量區(qū)域的地表水大部分是山間溝水，水量并不大，降雨季節(jié)溝中水量顯著增多，大多為2～3L/s，地表水不發(fā)達，流量伴隨季節(jié)而變化。隧道于DK1104+420處穿過沿普家屯—哈螃溝大斷層，地表為一水溝，測繪時為雨季，流量6500m3/d。沿溝槽呈帶狀分布一系列泉點，為村民飲用和灌溉均使用泉水，地表調查共找到6 個泉點（編號SH1～SH6），SH1 和SH5 泉點位于斷層破碎帶內，SH6 距隧道超過3km，標高較低。水量最大的SH4 號泉點流量約172m3/d，該泉點供春雷山泉水公司取水和林家村飲用，泉水公司日產700 桶18.9L的桶裝水。

1.3.2 地下水

隧道從各種時期形成的地層中穿過，依據(jù)隧道所在地區(qū)巖性特點、水力特點、水理情況、地下水儲存環(huán)境，可以把隧道建設區(qū)域地下水分為第四系松散孔隙水、基巖裂隙水和斷層構造水3 種類型，第四系松散孔隙水、基巖裂隙水水量小，對隧道開挖影響較小，富水斷層構造水是隧道開挖突泥涌水的主要工程地質問題。

1.3.3 大斷層強涌水

受小江斷裂影響，隧址區(qū)巖體破碎，斷層帶的巖體更為破碎，多為斷層角礫、斷層泥等，松散的巖塊具有良好的儲水性和導水性，當斷層規(guī)模大、地表水系發(fā)育、切穿多個含水層并與之產生水力聯(lián)系時，破碎帶儲水能力就會相當可觀，隧道開挖會發(fā)生強涌水病害。

大坪地隧道洞身主要為軟質巖，受構造影響，巖體極破碎，容易出現(xiàn)坍方，以普家屯～哈螃溝大斷層段為甚，該段下穿溝槽，斷層長期受水浸泡，極其容易出現(xiàn)突水突泥和坍方[2]。

2 隧道開挖涌水及地表水漏失

2.1 隧道開挖涌水

2013 年2 月大坪地隧道2# 斜井小里程施工至D1K1104+598，揭示地層巖性為寒武系下統(tǒng)滄浪鋪組粉砂質頁巖、粉砂巖，開挖后，隧道發(fā)生強涌水。自日涌水發(fā)生后，測定洞內涌水量約為6500m3/d，約一周后水量衰減至約5200m3/d。自涌水發(fā)生以來，線路右側股狀水顏色一直為黃色，有渾濁物，但線路左側水平鉆孔內流水為清水。

2.2 地表水漏失

洞內發(fā)生用水后對地表溪流、泉點進行調查發(fā)現(xiàn)：地表溪溝斷流，林家村老黑龍水源點（SH4）水量逐漸減小，于21 日完全干涸，春雷礦泉水廠停產；徐家村水塘水源點（SH5）自涌水后至2 月27 日水量一直平穩(wěn)，2月27 日—3 月2 日，水塘水位下降4cm，其余3 個水源點（SH1～SH3）未受影響，水量平穩(wěn)。

3 失水原因分析

結合隧道開挖和地表調查，隧道洞身D1K1106+000—D1K1104+100 段為寒武系下統(tǒng)滄浪鋪組粉砂質頁巖、粉砂巖，地表在D1K1104+940 附近穿越老東山擠壓破碎帶，根據(jù)施工于D1K1104+800 揭示該擠壓破碎帶寬約2m，隧道小里程端DK1104+020 將穿越普家屯—哈螃溝大斷層，老東山擠壓破碎帶與普家屯—哈螃溝大斷層在馬龍縣取水點附近相交，形成一楔形儲水構造，含水體主要為寒武系砂巖，普家屯—哈螃溝斷層為一壓性逆沖斷層，斷在志留系和寒武系之間，寒武系逆沖在志留系地層上面，上盤靠近斷層帶已經糜棱化或泥化，斷裂帶本身不富水，斷層附近出露的泉點SH4、SH5、SH6，均位于楔形體內，斷層上盤（楔形體）的砂巖受構造影響，巖體破碎，裂隙發(fā)育，富水，楔形體在馬龍縣取水點附近收口，地下水受阻后排泄不完，從該處冒出，線路附近幾個大的泉點排泄系統(tǒng)均相同，由南西往北東排泄[3]。

4 堵水處理措施

4.1 注漿方式

漿液灌注大致有以下3 種方式。

第一種，超前預注漿。依據(jù)地質整體研判，在掌子面前面具有高壓富水區(qū)、有較高突涌水概率，亦或水壓處于較低水平然而圍巖不牢固、巖體架構不穩(wěn)定、挖掘會致使巖壁不牢固導致涌水的情況時，使用超前帷幕漿液灌注方式。

第二種，掘進后全斷面徑向漿液灌注。依據(jù)超前探水和地質整體研判結論，若巖體比較齊整、巖體架構能夠確保挖掘安全、水壓數(shù)值不高、水量恰當，采用掘進后對洞周邊巖體徑向灌注漿液的方式。

第三種，局部注漿?？梢约毞譃榫蜻M后局部注漿、局部超前預注漿等類型，應當依據(jù)真實情況選擇。

4.2 注漿方案初選原則

根據(jù)超前預測預報資料，預測掌子面前方具有壓力較高的水量較大的區(qū)域，并且依據(jù)探孔資料可知，若掌子面涌水總量在每小時10m3以上，或者掌子面涌水總量盡管每小時在10m3以下，然而特殊探水孔的出水量超過2m3/h，應當采取預處理措施，根據(jù)超前地質預報、現(xiàn)場實際情況及結合隧道洞身巖性決定設置止?jié){墻的厚度，為后續(xù)處理提供安全保障。注漿方案選擇如圖1 所示。

圖1 注漿方案選擇

超前探孔單孔出水量大于3m3/h，判定有局部突水可能，則采取超前局部注漿；超前探孔有2/3 孔滿孔且總出水量大于15m3/h，判定全斷面出水量大于15m3/h，判定全斷面有突泥涌水可能，則采取超前帷幕漿液灌注方式[4]。

（1）依據(jù)超前探孔有關信息，若掌子面前面大范圍出水，并且總涌水量在10m3/h 以上，采用全斷面超前帷幕漿液灌注方式。漿液灌注加固圈應當參考第四強度理論確定具體的厚度，如式1 所示。

式中：E——注漿加固圈計算厚度，m；R——隧道毛洞半徑，m；P——最大靜水壓力值，MPa；σ——注漿加固體綜合強度抗壓，MPa。

根據(jù)現(xiàn)場測得最大靜水壓力確定注漿加固圈厚度。設計根據(jù)探孔反饋的水壓信息，對加固圈厚度、注漿孔布置隨時進行調整，以保證更有效地注漿堵水并節(jié)約投資。

所有的帷幕注漿操作，漿液灌注段落長度通常在25～27m，若長度過長，則漿液灌注孔長度增大，施工不便，會導致施工效率低下。

（2）掌子面涌水總量盡管在10m3/h 以下，然而部分探水孔的出水量超過2m3/h，應當采用超前局部預注漿方式。

（3）巖體無缺失、局部出水的情況下，只對出水位置進行局部漿液灌注。

（4）漿液灌注后流量依舊超出排水量、漿液灌注固結圈整體滲透系數(shù)在設計數(shù)值以上亦或依舊有部分出水點的情況下，進行補注漿操作。

實際的注漿方式，依據(jù)地質狀況進行選擇和調整。

4.3 注漿設計參數(shù)

（1）漿液擴散半徑按2.5m 考慮。

（2）注漿孔布置如下。

漿液有效注入范圍根據(jù)不同的情況采取不同的加固范圍，每一循環(huán)長度27m，對于不同的水壓對應不同的止?jié){巖盤，當預（實）測水壓大于1.5MPa 時，開挖20m，留7m 作為止?jié){巖盤；當預（實）測水壓為1.0MPa～1.5MPa 時，開挖21m，留6m 作為止?jié){巖盤；當預（實）測水壓為0.5MPa～1.0MPa 時，開挖23m，留4m 作為止?jié){巖盤；當預（實）測水壓小于0.5MPa 時，開挖24m，止?jié){巖盤留出3m；漿液灌注孔底部間隔距離為3m，周圍帷幕注漿確定三環(huán)，封堵鉆孔設定為一環(huán)。

（3）注漿壓力。設計漿液灌注壓力為實際水壓力的2～3 倍。

4.4 注漿材料

注漿材料使用水泥水玻璃雙液漿，配制比根據(jù)實際地質情況及注漿的不同時段試驗確定。

4.5 注漿完成指標

（1）單孔完成指標。漿液灌注壓力逐漸增高到設計標準，且持續(xù)灌注10min 以上；注漿完畢后漿液灌進量在20L/min 以下；檢查孔涌水量在0.2L/min 以下；檢查孔鉆取巖芯，漿液充分填充。

（2）全段完成指標。全部的漿液灌注孔都應當滿足單孔完成要求，不存在漏漿問題；注漿后涌水量在1m3/d以下；漿液有效注入范圍大于設計值；預估巖體在灌入漿液后能夠在掘進施工時維持洞壁穩(wěn)固。

4.6 注漿施工流程

（1）在水量較大的施工段使用超前地質勘測等方式后，得到如綜合滲透率、巖體抗壓性能、水壓、裂隙率、圍巖等級、涌水量、巖溶發(fā)育特點等有關材料與系數(shù)。

（2）選擇注漿方式。預估存在突水突泥概率，采用超前預注漿的方式：漿液灌注后，評估掘進后圍巖自身穩(wěn)定狀況，如果無法保持穩(wěn)定，進行預注漿，如果能夠維持穩(wěn)定，則實施挖掘作業(yè)。挖掘后查看水量、水壓與要求一致與否，如果與要求不符，則采用掘進后徑向注漿方式。預估掘進后圍巖有自身穩(wěn)定性能，并且水壓不高、水量也不大，采用開挖后灌注漿液的方式，依據(jù)巖體綜合滲透率的高低，設定注漿范圍與滲透率。

（3）在灌注漿液時，應當依據(jù)現(xiàn)場真實狀況對漿液配制比與凝膠時長進行調節(jié)。

（4）注漿效果評判，達到單孔和全段結束標準。

4.7 注漿工藝要求

（1）漿液灌注前，在近似地質狀況下的巖層實施注漿實驗，基本了解漿液配制比、凝膠時長、注漿最終壓力、注漿量等數(shù)據(jù)。

（2）應科學確定孔口位置，和設計要求的偏差不超過5cm，偏角也應當達到設計標準，每鉆進一段，便進行一次檢查，第一時間修正，孔底部位置偏差應當在30cm以內。

（3）漿液灌注孔的開孔直徑應當在108mm 以上，終孔直徑應當≥90mm。

（4）鉆孔與漿液灌注都應當采用先外部后內部的方式，同個圈孔分開作業(yè)。

（5）周圍帷幕注漿孔可選擇前進式，也可選擇后退式，如果對孔進行封堵，應當選擇后退式。

（6）孔口位置配備3m φ108mm 漿液灌注管，埋設穩(wěn)固，且有有效的止?jié){設備。

（7）一個孔段的漿液灌注施工通常應一次性完成，中間不可中斷，應當盡可能防止由于水、電、機器等方面的因素導致灌注無法連續(xù)完成。對于間歇性漿液灌注，應當在對鉆孔進行徹底清潔后再進行灌注[5]。

5 結語

綜上所述，在小斷面隧道施工中所面臨的難題之一是水的問題，水不僅影響工作面的安全，同時也對地面構筑物及地表有一定的威脅，如何在隧道穿越強涌水大斷層時減少地表失水影響是施工的關鍵。通過文章的分析及實踐證明，在富水巖層采用徑向注漿注漿堵水技術是行之有效的，不但保證了支護與襯砌的高效率施工，并且減小了地下水與地表水流失的程度，對全線其他標段起到了一定的借鑒作用。