硬巖斷層破碎帶高壓涌水段防排水設計研究

劉二強

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣州510000）

1 引言

受復雜地質構造影響，在隧（巷）道布置時不得不穿越斷層、巖溶區或破碎帶等不良地質體。同時，在深部隧（巷）道的具體施工過程中，所面對的環境具有“高應力、高水壓、強擾動”（“二高一強”）的特點。斷層破碎帶巖體由松散、破碎且高度風化的弱膠結巖石組成，具有強度低、易于變形、透水性強等特征。在深部地下“兩高一強”地質環境影響下，斷層破碎區極易連通含水層，誘發變質量突水和圍巖失穩災害，造成人員傷亡事故。此外，地下水流失和污染還將對工程地區的生態環境造成危害[1]。

斷層破碎帶巖體在流水沖蝕作用下，破碎巖體中的細小固體顆粒從巖石骨架上剝落進入流體中，隨流體遷移流出，這一現象被稱為變質量滲流，將直接導致巖體孔隙率和滲透率增長，流體流速也隨之增大。變質量滲流現象普遍存在于各類巖土體介質中，對工程安全極具危害，很多學者對其開展了理論研究，認為滲水作用下巖體細小物質的遷移流失存在兩個階段，即沖蝕和突涌。沖蝕是指在水壓作用下，在不擾動圍巖顆粒的前提下，粒徑較小的顆粒體在一定的范圍內發生自由移動，引起細小物質重分布或流失，巖體局部滲透性會發生緩慢變化；隨著沖蝕作用的持續發展，細小物質不斷流失，導致滲透率快速增大，進而發生突涌災害。

深部長期應力作用會導致巖體體積壓縮和內部裂隙擴展發育。破碎帶巖體在長期應力作用下發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。

本文重點依托粵東地區某高速公路山嶺特長隧道的成功經驗，并對其進行總結。該隧道山體由巖漿巖構成，最大埋深740 m。發育蓮花山北東向斷裂帶、佛岡-豐良東西向斷裂帶、榕江斷褶構造帶- 桐子洋復向斜等三期構造帶及燕山期巖漿活動；地表溝谷縱橫、溪流發育，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。施工至預測的高壓富水段落時，進口右、左洞先后發生高壓涌水，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式帷幕預注漿，成功穿越該斷層，隧道襯砌結構及防排水體系進行了專門設計，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害影響因素分析

造成硬巖斷層破碎帶隧道高壓涌水災害的影響因素多且復雜，根據相關調研可知，主要有自然、水文地質、工程地質、設計及施工5 類因素，具體如表1 所示。

表1 硬巖斷層破碎高壓涌水災害影響因素

查閱大量國內相關文獻[2-4]，總結得出一些國內硬巖斷層破碎帶高壓涌水的典型案例，分別對這些事故的結果及處置措施做了總結，如表2 所示。根據已有的隧道破碎帶涌水案例可以得出以下經驗：

表2 硬巖斷層破碎帶高壓涌水案例

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

2）對一些穿越斷層破碎帶的隧道應提前做好預防措施，涌水量小的采用注漿堵水，破碎帶可以采取注漿固結；

3）為實現更準確探明地質情況，在對區域地質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計原則研究

3.1 基于現行規范確定的防排水設計原則

造成硬巖斷層破碎帶在高壓下出現涌水現象的原因多種多樣，無法僅僅依靠單一舉措進行解決。根據JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范》針對隧道防排水問題提出“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的設計原則，在設計過程中應做到對地表水和地下水的全面考慮，建立洞內和洞外二者之間統一有機的防排水系統。“防”就是要求襯砌、防水層結構具備足夠的防水儲備，避免地下水通過上述結構滲透進入洞內。“排”就是要求排水設施可以正常工作，能夠順暢地將襯砌背面、路面結構層下部的積水排出。“截”就是要求截斷地表水的傳播路徑，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隧道的影響程度；對于地下水則是采用導坑等降水設施將地下水盡可能地引至遠離隧道處。“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部。

3.2 分區設計的防排水原則

在硬巖斷層破碎帶的隧道施工過程中，由于大多數隧道處于地下，導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，多采用布設防水層包裹隧道橫縱斷面的措施，從而減小滲透問題出現的可能性。除此以外，在防排水設計的整個過程中，要提高對分區防排水設計的重視程度。同時，要做好澆筑工作，使防水層的效果最大化，減小滲透問題發生的可能性。

3.3 提升防排水設計的可維護性原則

在硬巖斷層破碎帶的高壓涌水防排水設計過程中，應不斷提升防排水設計的可維護性。第一，應建立可維護的防排水系統，這一系統應具備易于維修和養護的功能，只有整個防排水系統具備可維護功能，才能確保整個防排水工程在設計中得到不斷優化。第二，行業相關部門應結合已實施的防排水工程的設計和施工工作，在現有標準的基礎上，與時俱進對標準進行不斷更新和優化，為防排水設計工作提供更有力的支撐。同時，在開展防排水設計工作中，以國家標準為依據，不但有利于后續施工的便捷性和順暢性，而且可以最大化地保障整個防排水工程的各項功能，最大限度減輕隧道堵塞事故發生的可能性。第三，在防排水工程竣工后，應盡快做好疏通工作，對設計中明確的易滲水結構及時封堵，查明滲水源并采取針對性措施。

4 硬巖斷層破碎帶高壓涌水下防排水設計措施研究

4.1 防排水設計方案

首先，要提高對進洞之前的防排水設計的重視程度，設計人員在設計初期要對隧道有全面而詳細的勘探，充分了解這一地區的地質水文情況，根據現場提供的監測數據，對隧道圍巖和水源情況有充分的了解，結合監測數據和現場地形不斷優化防排水設計。其次，設計人員要加強與現場施工的聯系，在施工過程中，若涌水量較小，只需對地表簡單處理即可；若涌水量較大，特別是出現聚集涌水的情況時，設計人員應結合現場實際提出開縫、摩擦錨桿的措施，并給出具體的導水建議；最終，若發生大面積涌水的情形，可先將集中出水點用圓管導水，再采用類似樹枝狀的透水管，將散水流匯集后排出隧道，避免積水事故的發生。

4.2 涌水地段的防排水專項設計

1）加強初期支護設計，在設計中提高對初期支護的重視程度，加大混凝土層的厚度參數，提高對混凝土抗滲性能參數的要求，確保防排水工程的密閉性。

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

5 結語

本文依托粵東地區某高速公路山嶺特長隧道的成功經驗，分析了硬巖斷層破碎帶隧道高壓涌水災害的主要影響因素，結合某相關案例，對防排水設計方案進行了研究，得到以下結論：

1）對硬巖破碎帶涌水的國內外研究現狀做了總結，提出斷層破碎帶的形成是因為深部長期應力作用，其影響帶均較破碎且易成為地下水通道或富集區；

2）造成斷層破碎帶隧道突涌水災害的影響因素多且復雜，主要由自然、水文地質、工程地質、設計及施工5 項因素組成。