毗鄰水庫隧道斷層破碎帶限制性防排水注漿技術研究

肖海苑，羅發勝，李 彬

(保利長大工程有限公司，廣州 511431)

隧道涌突水災害是隧道施工常遇到的地質災害之一[1]，一旦發生便嚴重影響隧道施工進度，甚至釀成事故，導致重大財產損失和人員傷亡。若當隧道毗鄰水庫并穿過斷層破碎帶、且水庫與斷層破碎帶之間存在水力聯系時，隧道開挖有可能誘發涌突水事故發生，這對隧道施工將產生極其不利影響，會增加隧道施工極大難度；同時一旦發生隧道涌突水，水庫庫容水和地下水經由斷層破碎帶通過隧道排出，一方面會減少水庫庫容量，影響水庫正常蓄水，另一方面會導致地下水水位下降，極大影響隧址區周圍水文地質環境和生態環境，要加強工程預防措施，力求避免這種情況。

國內外學者針對隧道涌突水進行了大量研究，提出了毗鄰水庫下隧道涌突水的處治技術與措施。徐前衛等[2]通過有限元分析確定了預加固的必要性，并通過施工現場監測驗證了預加固方案的合理性。張強、賈文冬、常立軍等[3-5]就影響隧道施工及圍巖穩定性的因素諸多，通過方案優化，采取多種措施保證工程質量和施工安全。鄧海峰、王肖文、張紅衛、祝志義、柴國輝、康志鵬、李彬等[6-12]結合隧道近接或穿越水庫和隧道穿越強涌水大斷層的工程案例，提出了有效帷幕注漿技術。雷明林、王文章等[13-14]對隧道斷層破碎帶注漿加固技術進行了研究，提出了有效的加固技術措施。

注漿技術在處治隧道穿越強涌突水大斷層破碎帶時得到了較多應用。為保證斷層破碎帶圍巖的穩定性，不同學者[6-12]采取如分段漸進注漿技術、超前注漿技術等不同注漿技術進行加固處理，保證了施工的順利進行。張紅衛、祝志義等[8-9]分別探討了注漿施工的參數及其工藝，為后續注漿施工提供了經驗。王文章[14]介紹了注漿加固圍巖的原理。王全勝[15]采用不同方法得到了不同圍巖下的合理注漿范圍。

本文結合某隧道穿越毗鄰水庫下斷層破碎帶涌突水特點，開展毗鄰水庫隧道斷層破碎帶涌突水災害機理及限制性防排水注漿防治技術措施研究，確保隧道順利施工和安全運營，供相似地質情況下隧道的設計和施工參考。

1 毗鄰水庫下隧道斷層破碎帶涌突水機理

1.1 隧道涌突水概況

某特長隧道右洞長6 350 m，左洞長6 336 m，設計速度100 km/h，為雙向4車道高速公路隧道，單洞建筑限界凈寬11 m，隧底標高239 m～344 m，最大埋深約739 m。隧道穿過中低山地貌區，山體植被發育，水系發育，分布有2座水庫。其中一座水庫位于擬建隧道K91+000～K91+300段左側約440 m～550 m。該水庫壩頂高程約720 m，壩底高程約為686 m，最大蓄水深度約32 m，最大庫容約為25×104m3，為沿峽谷建造的狹長型微型水庫。該段隧道設計高程約為272 m～280 m，高程差約448 m。水庫與隧道位置關系如圖1所示。

隧道開挖至K91+160后，右線右側拱腰以下部位開始出現涌流狀出水；掌子面開挖至K91+166附近后，出水逐漸增大，出水范圍擴大至半個斷面，由右側向中部發展。在隧道周邊眼鉆孔時，拱頂偏右約1 m位置的鉆孔有壓力水噴出；掌子面開挖至K91+169后，約2/3掌子面較富水，多處出現涌流狀出水，原出水孔變為拱頂涌流狀出水。經初步測算，出水量約為450 m3/h。掌子面停止開挖，在掌子面右側拱腳以上約2 m處進行超前探水作業，超前鉆探在鉆入約16 m時，出現較大壓力水噴出，掌子面出水量大增，鉆入約17 m時，高壓水將超前水平鉆機頂翻，如圖2所示。因存在施工風險，左右洞施工人員全部撤離出洞外，經現場量測出水量約1 400 m3/h。

圖1 毗鄰水庫與隧道位置關系示意

圖2 隧道右洞K91+169超前水平鉆進探水

1.2 涌突水機理

1) F4-5斷層破碎帶是隧道涌突水通道

(1) 隧道圍巖

隧道進口淺埋段主要是坡殘積粉質粘土和全-強風化安山玢巖組成，局部為中風化巖，節理裂隙發育，遇水很容易軟化，開挖易變形坍塌。洞身段圍巖主要是中-微風化安山玢巖，巖質堅硬，Ⅳ級圍巖巖體破碎，自穩能力較差；Ⅲ級圍巖巖體較完整，具有較好的自穩能力。

(2) F4-5斷層特點

F4-5斷層破碎帶約以40°～50°角自北西向南東通過擬建隧道，并斜切山間池塘及水庫，如圖1所示。隧道K91+200處見F4-5斷層破碎帶出露，寬約6 m～10 m，傾向245°，傾角84°，在水庫北岸山溝見斷層破碎帶面，斷裂面傾向60°～90°，傾角為66°，上盤見寬約4 m的斷層破碎帶角礫巖，下盤巖石致密，主裂隙產狀為75°∠41°，次裂隙產狀為150°∠81°、220°∠83°。

(3) F4-5斷層導水性

前期地質勘察成果顯示：該斷層破碎帶為張性正斷層破碎帶，斷裂面多呈陡直狀，主要由輝綠巖脈、塊狀石英脈、斷層破碎帶角礫巖、碎裂巖、硅化破碎火山巖等組成，局部片理裂隙密集發育。路線勘察鉆孔XSZK21 在54 m～54.6 m、55.5 m～56.6 m、74.4 m～75 m 段分別揭露出斷層破碎帶。在247 m～248 m 揭露了F4-5斷層破碎帶，巖芯破碎，水蝕現象強烈，具黃鐵礦化并見有石英碎塊，F4-5斷層破碎帶揭露后，鉆孔漏水嚴重，孔內不返水，沖洗液漏失量約為 2 m3/h，靜止水位埋深約為 110 m(高程約為 720 m)，略高于水庫水面高程(約為 715 m)，表明F4-5斷層破碎帶與水庫存在水力聯系，鉆孔246 m 附近揭露的斷層破碎帶應為F4-5斷層破碎帶。連通試驗結果表明，F4-5斷層破碎帶為水庫與擬建隧道之間的導水通道。

2) 毗鄰水庫為隧道涌突水主要水源

隧道中的涌突水水流清澈，幾乎不含有泥砂等雜質，且涌突水量呈緩慢增大趨勢，可推測有充足的地下水補給。為確定毗鄰水庫是否為隧道涌突水的地下水補給水源，隧道涌突水期間對水庫蓄水位進行了連續觀測，發現水庫每d出現了大于1 m的水位下降，結合前期地質勘測的結論，可推斷水庫為隧道涌突水的主要水源，水庫與F4-5斷層破碎帶相連，為涌突水提供了充足的水源，造成地表水大量涌入隧道，形成隧道的涌突水。

3) 高水位及隧道開挖的擾動破壞

前期地質勘察說明，自然狀態下F4-5斷層破碎帶導水性差-中等。隧道開挖破壞了斷層破碎帶與掌子面之間的巖層，揭露了F4-5斷層破碎帶，為涌突水提供了排泄出口；同時在地下水的持續沖刷下，引起斷層破碎帶導水性的劇烈變化，改變了隧道圍巖層中的滲流場，成為擬建隧道與水庫間的重要導水通道。

隧道施工期間水庫水面高程約為715 m，與該段隧道設計高程272 m～280 m高差約為435 m～443 m，水頭差極大。高水壓更有利于地下水的滲流和沖刷，引起巖體裂隙展開和水道的疏通，加大F4-5斷層破碎帶段隧道涌突水事故的幾率。

F4-5斷層破碎帶段的隧道涌突水，不僅對隧道施工產生不利影響，增加隧道施工難度，還因水庫庫容水和地下水經由斷層破碎帶通過隧道排出，一方面會減少水庫庫容量，影響水庫正常蓄水；另一方面會導致地下水水位下降，影響隧址區周圍水文地質環境和生態環境變化。因此必須采用有效技術措施進行隧道涌突水的防治，從而確保隧道施工期間的安全和后期運營安全。

2 限制性防排水注漿方案

2.1 注漿圈層參數確定

限制性防排水注漿是采用注漿技術進行隧道圍巖注漿防滲加固處理，形成隧道襯砌結構外圍注漿圈層，通過調整注漿圈層的厚度Zg、圍巖滲透系數k2及注漿體滲透系數kg，控制隧道排水量及作用在襯砌上的外水壓力，避免因排水過度或襯砌外水壓力過大對生態環境和隧道結構安全造成影響。

假定隧道圓形孔洞處于含水層中，限制性防排水注漿圈層理論分析模型如圖3所示。其中，r0為隧道孔洞內徑，r1為襯砌外半徑，rg為注漿圈層外半徑，h0為隧道內徑r0處地下水水頭高度，h1、hg分別為半徑r1、rg處的水頭高度，H為地下水頭高度，r2為水頭高度H所在的半徑。

假設襯砌、注漿圈和圍巖均為各向同性均質體，地下水滲流滿足滲流連續性方程和Darcy定律。

滲流連續性方程柱坐標表達形式為：

(1)

根據Darcy定律，斷面流量v可表示為：

(2)

為了能夠對隧道每延米排水量Q、作用在襯砌上的外水壓力P1及作用在注漿圈層上的外水壓力Pg進行合理分析，消除不確定因素，保證計算的可靠性，作以下假度：1) 地下水為穩定流，且含水層及流體不可壓縮；2) 水只沿隧道徑向滲流；3) 水流以隧道軸線為對稱軸；4) 引入模型邊界條件，進行積分求解；5) 不考慮流速的影響，用襯砌、注裝圈以及圍巖邊界條件分別為：

(3)

圖3 圓形隧道簡化示意

由此可推導出隧道每延米排水量Q、作用在襯砌上的外水壓力P1和作用在注漿圈層上的外水壓力Pg：

(4)

P1=γwh1

(5)

Pg=γwhg

(6)

式中：k1為襯砌滲透系數；k2為圍巖滲透系數；kg為注漿圈滲透系數。

根據隧道地質勘探報告，圍巖、襯砌滲透系數如表1所示。為便于分析，圍巖滲透系數k2與注漿圈滲透系數kg的比值定義為注漿圈層滲透系數比n=k2/kg。假設隧道為圓形，隧道等效半徑取r0=6.0 m，襯砌外徑r1=6.5 m，隧道施工期間水庫水面高程約為715 m，該段隧道設計高程約為272 m～280 m，高差約為435 m～443 m，因此地下水頭高度H取440 m。

表1 滲透系數

根據限制性防排水注漿圈層理論分析模型、滲流連續性方程和Darcy定律推斷計算，并綜合本隧道地質勘探報告及現場實際情況，本隧道限制性防排水注漿圈參數為：注漿圈厚度Tg=8 m，滲透系數比n=70～100，注漿圈滲透系數kg=(1.4～2.0)×10-3m/d。

2.2 注漿材料配比

根據隧道地質勘查資料及超前預報(地質雷達和紅外探水)結果，綜合考慮注漿工藝和經濟效益等因素，注漿材料采用普通硅酸鹽水泥單液漿+HPC外加劑為主，水泥水玻璃雙液漿為輔。配比參數：水灰比(0.8～1)∶1，HPC摻量為15%～20%；水泥采用C42.5普通硅酸鹽水泥，水泥細度要求通過80 μm方孔篩的篩余量不大于5%；水玻璃濃度采用 30～45波美度。

2.3 超前帷幕注漿設計

1) 注漿設計流程

注漿設計流程如圖4所示。

圖4 注漿設計流程

2) 布孔

注漿孔布置時，遵循均勻布孔、梅花型布孔、兩圈孔、方便施工等原則。

3) 注漿段長及止漿巖盤、混凝土止漿墻厚度的確定

根據工程地質、水文條件和鉆機能力(效率)，為保證注漿質量，超前預注漿每一注漿段長度取為30 m～50 m。

為防止未注漿段地下水涌向工作面及下段注漿時跑漿，一般情況下，如工作面巖層較完整，可利用巖層作為止漿巖盤；若工作面巖層破碎，或地下水壓力較大，則除利用巖層作為止漿巖盤外，還須灌注混凝土墻作為止漿墻，保證注漿效果和節約注漿成本。

止漿巖盤厚度應根據巖石的抗剪強度和裂隙發育程度以及保證下段注漿有設置止漿塞的位置加以確定，防止在鉆進時孔口附近涌水而無法止漿。

止水巖盤厚度可參考下式確定：

(7)

式中：B為止水巖盤厚度，m；p0為注漿最大壓力，MPa；D0為注漿段毛洞寬，m；[J]為巖石的允許抗剪強度，MPa。

止漿巖盤厚度可以按公式(7)計算，考慮到F4-5斷裂帶和毗鄰水庫的影響，止漿巖盤厚度取為5 m。

4) 注漿帷幕厚度B1

注漿范圍的選取，須綜合考慮地質條件、水壓力、注漿效果、注漿成本和注漿工期等確定，一般正洞為5 m～8 m。根據現場情況分析，F4-5斷裂帶注漿帷幕厚度取為B1=8 m。

5) 注漿段長度

注漿段長度(L注)與地質條件、鉆機能力、注漿工藝有關。根據國內的施工現狀，一般取30 m～50 m，搭接長度(L留)可取帷幕厚度(B1)。F4-5斷裂帶帷幕注漿單循環帷幕注漿長度41 m，布設15 m、22 m、31 m、41 m共計4個終孔斷面。

6) 擴散半徑

在擴散半徑選取時，要選擇多數條件下可達到的數值，而不是平均值。擴散半徑的主要影響因素有注漿壓力、地層滲透能力、注漿時間、漿液等。

經驗值：中細砂層、粉質粘性土中0.5 m～0.8 m，中粗砂、砂卵石層中0.8 m～1.2 m，斷層破碎帶1.5 m～2 m。

7) 終孔間距

當采取單排(圈)孔時，注漿孔布孔間距為1.75倍擴散半徑rg；當采取多排(圈)孔時，采用梅花型等邊三角形布置，注漿孔布孔間距為1.5倍擴散半徑rg。隧道F4-5斷裂帶超前帷幕注漿設計如圖5所示。

單位：cm

8) 注漿壓力

注漿壓力是注漿施工中的重要參數，它關系到注漿施工的質量以及是否經濟。因此，正確確定注漿壓力與合理運用注漿壓力至關重要。

注漿壓力與巖層裂隙發育程度、涌水壓力、漿液材料的粘度和凝膠時間長短等有關，目前均按經驗確定。通常情況下，按如下經驗公式計算：

P′

(8)

P=P′ +(0.5～1.5)

(9)

式中：P為設計注漿壓力(終壓值)，MPa；P′為注漿處靜水壓，MPa。

9) 注漿量

在實際工程中，由于圍巖中裂隙走向多變而不易確定深度，同時注漿漿液擴散距離也會受圍巖中裂隙及圍巖介質的粘滯性的影響。因此，實際工程中注漿量確定經驗公式如下：

Q=Anα(1+β)

(10)

式中：Q為總注漿量，m3；A為注漿范圍圍巖體積，m3；n為圍巖孔隙率，%；α為漿液填充系數(0.7～0.9)；β為注漿材料損耗系數。

由式(10)可知，注漿量的大小主要取決于以下3點：隧道圍巖地質條件、選用的注漿方案和漿液材料類型。

10) 注漿結束標準

(1) 單孔注漿結束標準

實行注漿壓力和注漿量雙控標準，當注漿壓力達到設計要求的最低值后，若注漿速度大于30 L/min，則繼續注漿，并可適當提高注漿壓力；若注漿速度小于30 L/min，終壓且穩壓10 min后，則注漿結束。

(2) 全段結束標準

設計的所有注漿孔均達到注漿結束標準，無漏注現象。

3 注漿效果

根據上述限制性防排水注漿設計方案，隧道右線K91+169～K91+210段進行了限制性防排水注漿施工。隨著注漿施工的進行，斷裂破碎帶段隧道涌水量逐漸減小，涌突水水壓下降、水流流速變慢。注漿施工結果表明：

1) 注漿后進行全斷面開挖，掌子面比較干燥，可以看出明顯的漿脈，無明顯滲漏水現象。注漿取得了良好效果，有效減少了掌子面的涌突水量，防止了涌突水和坍塌事故的發生，使隧道順利通過了斷層破碎帶，確保了隧道掘進施工的順利進行和水庫正常蓄水及隧址區的生態環境。

2) 為保證施工安全，同時驗證注漿參數設計的合理性，對隧道施工現場進行監控量測，獲取注漿后K91+175、K91+200和K16+210的拱頂下沉和周邊收斂的監測結果，如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可以看出，隧道開挖后掌子面拱頂下沉和周邊收斂較小，圍巖比較穩定，注漿效果顯著。

圖6 拱頂下沉監測結果

圖7 周邊收斂監測結果

3) 注漿后通過對水庫庫面水位的觀察，水位沒有下降，相反略有上升，說明通過注漿，控制了地下水的排放，減少了對毗鄰水庫庫容的影響，避免了引發地表沉陷等地質災害和對當地生態環境的破壞，達到了預期目的。

4 結論

1) 斷層破碎帶導水性、涌突水水源及開挖擾動是隧道施工時涌突水事故的誘發因素，涌突水一旦發生不僅會對隧道施工產生不利影響，同時會影響水庫正常蓄水，導致地下水水位下降，極大影響隧址區周圍水文地質環境、生態環境、居民生活飲水。

2) 注漿是防治隧道涌水的有效措施之一，注漿圈厚度與注漿體滲透系數等對隧道的排水和作用于襯砌結構上的壓力有較大影響。根據注漿圈層理論及工程實際情況，限制性防排水注漿圈參數取為：注漿圈厚度8 m，注漿圈滲透系數控制在(1.4～2.0)×10-3m/d。

3) 根據隧道F4-5斷層破碎帶段現場情況，進行了超前帷幕注漿和防排水設計、施工?，F場施工證明，超前帷幕注漿取得了較好的涌突水防治效果，同時防排水效果良好，確保了隧道的順利施工和后期的安全運營以及水庫的安全蓄水和隧址區生態環境的安全。