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，然而挖掘作業面經常會出現地下水涌出問題，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，沿山脈走向發育有寬數十米～數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一排泄通道。

1.2 地質構造

隧址區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

測量區域的地表水大部分是山間溝水，水量并不大，降雨季節溝中水量顯著增多，大多為2～3L/s，地表水不發達，流量伴隨季節而變化。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，依據隧道所在地區巖性特點、水力特點、水理情況、地下水儲存環境，可以把隧道建設區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，當斷層規模大、地表水系發育、切穿多個含水層并與之產生水力聯系時，破碎帶儲水能力就會相當可觀，隧道開挖會發生強涌水病害。

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滄浪鋪組粉砂質頁巖、粉砂巖，開挖后，隧道發生強涌水。自日涌水發生后，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

洞內發生用水后對地表溪流、泉點進行調查發現：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，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。

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。依據地質整體研判，在掌子面前面具有高壓富水區、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。可以細分為掘進后局部注漿、局部超前預注漿等類型，應當依據真實情況選擇。

4.2 注漿方案初選原則

根據超前預測預報資料，預測掌子面前方具有壓力較高的水量較大的區域，并且依據探孔資料可知，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，根據超前地質預報、現場實際情況及結合隧道洞身巖性決定設置止漿墻的厚度，為后續處理提供安全保障。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。

根據現場測得最大靜水壓力確定注漿加固圈厚度。設計根據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在設計數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，依據地質狀況進行選擇和調整。

4.3 注漿設計參數

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

（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、巖溶發育特點等有關材料與系數。

（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定狀況，如果無法保持穩定，進行預注漿，如果能夠維持穩定，則實施挖掘作業。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，應當依據現場真實狀況對漿液配制比與凝膠時長進行調節。

（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、注漿量等數據。

（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。

（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，埋設穩固，且有有效的止漿設備。

（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。