特长隧道断层破碎带涌水治理研究

董自超，吉文军

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引 言

天台山隧道为分离式单向三车道公路隧道，左线长15 483 m，右线长15 560 m，隧道最大埋深973.16 m。从2019年1月下旬开始右线K161+600处掌子面出现涌水现象，随后进入断层破碎带集中涌水段，经过各项处治措施后顺利通过涌水段。经过实践形成的特长隧道断层破碎带涌水处治技术可为今后类似地质条件的施工提供参考。

1 工程地质概况及涌水原因分析

1.1 工程地质概况

天台山隧道地处秦岭山地区，区内相对高差大，气候垂直分异明显。区内雨量充沛，大部分地区年平均降雨量在700～1 500 mm以上。拟建隧道由北向南穿越近东西向秦岭主脊段，隧址区内地表水主要为位于狭窄沟谷内的溪流，多属季节性溪流，水位及流量受季节控制明显。

隧址区所在大地构造位于华北板块祁连-北秦岭褶皱带，分布地层主要为印支期侵入中粗粒黑云母花岗岩、黑云母角闪花岗岩、二长花岗岩。区内褶皱和断裂构造发育，受构造张拉、挤压、扭曲等作用影响，大中型断层和小、微型断层十分发育，且构造节理和风化节理十分发育，构造节理特点是规模较大，贯通性好，产状比较稳定，常与区域断层平行或伴生，节理面平直、张开度大，部分被晚期脉岩侵入。

1.2 涌水原因分析

隧址区在构造应力作用下，岩体变形破坏较强烈，由褶皱及断裂派生出来的各级节理裂隙发育，与浅表风化裂隙，共同构成节理裂隙系统，不同程度破坏了岩体的完整性。秦岭山区既有规模较大的断层，也有规模小但分布密集的节理，裂隙之间贯通性较好，为地下水赋存提供了充分的条件。山地区植被发育，水系密集，地下水接受大气降水补给充足，断层带普遍比较富水。

各围岩段地质结构、岩石性质相差不大，以构造破碎带、节理密集带为主要含水层，完整中-未风化岩层为相对隔水层。在掌子面开挖到涌出水段前围岩主要为微风化中粗粒黑云母花岗岩，围岩节理裂隙不发育，岩质坚硬，岩体完整，围岩自稳能力较好。

综合现场地质状况分析，本次涌水段位于受地质构造影响形成的次生断层破碎带，裂隙发育，出水裂缝处为全风化角砾岩夹层，成碎屑粉末状，个别部位裂缝较宽(宽度5～10 cm)。隧道开挖后，基岩裂隙水顺裂隙像隧道内排泄，因基岩裂隙密集带中的地下水具有承压性，造成短时间内涌水量较大。变形收敛量处于正常范围，无异常情况，围岩整体自稳能力较强。

2 涌突水处治措施

2.1 涌水过程

天台山隧道中段右线小里程1月11日开挖爆破后，掌子面K161+600处拱部沿围岩节理裂隙方向出现线状滴水，随洞身掘进出水点及水量沿隧道环向逐渐增加，至K161+585处掌子面左侧起拱线出现股状涌水，涌水量达150 m3/h，至K161+580时掌子面右侧距中线1 m、拱顶向下约1 m处出现股状突水，涌水量约为6 000 m3/h，此后掌子面暂停施工，施工单位组织排水。

2.2 洞内抽排水

天台山隧道3#斜井长2 km，正洞小里程方向已掘进2 km，排水管路共计4 km；正洞纵坡为1.65%，小里程方向为下坡，与斜井交叉口处高差为33.4 m，斜井交叉口距斜井洞口高差227.4 m，从掌子面向洞外排水管路阻力较大。

施工单位根据各处出水点涌水量测算，分别在掌子面、蓄水横洞和斜井交叉口处配置抽水泵，以克服排水距离远、扬程高的难题。共计在掌子面配置水泵6台；蓄水横洞处配置水泵1台；斜井交叉口处配置水泵4台。为减少管道铺设时间，将原斜井内钢制通风管道改建为排水管路。

2.3 超前预报

在涌突水发生后，通过超前地质预报和超前钻孔，可以探测掌子面前方地下水以及不良地质情况，确定裂隙发育段和裂隙发育度，从而判析前方地层在开挖后是否能够自稳，是否存在大量涌水、突泥的可能，作为制定下一步施工方案的依据。

对隧道右线掌子面K161+584.7处地质雷达检测成果综合分析得出如下主要推断结论。

(1)K161+584.7～K161+576：该段围岩强度与掌子面围岩强度基本一致变化不大，微风化花岗岩，岩体完整，节理裂隙稍发育，裂隙水淋雨状。围岩级别推断为Ⅲ级。

(2)K161+576～K161+571，该段围岩强度较掌子面围岩强度小幅度下降，此段有一个小的裂隙发育带，微风化花岗岩，节理裂隙发育，裂隙水可能股状发育。围岩级别推断为Ⅲ级。

(3)K161+571～K161+564，该段围岩强度较掌子面围岩强度小幅度下降，微风化花岗岩，岩体完整，节理裂隙稍发育，裂隙水可能淋雨状状发育。围岩级别推断为Ⅲ级。

对TSP法反射层位及物理力学参数成果分析表明，右线K161+592～K161+546段范围内横波速度有大幅降低，泊松比增大，岩石密度减小，推断该范围内节理裂隙相对较发育，地下水强烈发育，可能涌水。

综合目前各项预报结果，预判右线掌字面前方15～20 m范围内为次生断层破碎带，开挖时存出现突水的可能性较大，为本次重点处治段。

3 注浆堵水方案

施工中贯彻“堵水防漏”原则，按照“先探水、预注浆、后开挖、补注浆、再衬砌”的原则进行施工，并形成以下具体措施。

朝鲜的火锅以“酸菜白膘”为标准，以木炭煮食，熬的汤为海参汤。酸菜是冬季用盐水浸泡，滤干腌泡而成，而所用的白膘肉即是五花肉煮熟切成片或是蒸过一遍后去除油腻，吃时再配以血肠、蛤蜊等，朝鲜火锅的这种吃法虽说比较原始，但吃起来却很十分的爽口。

(1)对右洞掌字面进行周边超前预注浆，注浆范围为开挖轮廓线外5 m，注浆长度每次20 m，以减少前方周边裂隙及渗透系数，控制围岩涌水量；

(2)已开挖段出水点进行径向注浆封堵，加固范围为开挖轮廓线外5 m；

(3)在掌字面布置超前探水孔；

3.1 掌字面周边预注浆堵水

对右洞掌字面进行超前局部预注浆，注浆范围为开挖轮廓线外5 m，封堵基岩裂隙水，以及爆破震动可能引起的裂隙张开。

注浆孔长度为20 m，环向间距1.0 m，孔口设2 m长Φ127孔口管，沿两侧开挖轮廓线布设，外插角取5°～15°；注浆材料为水泥浆，水泥浆水灰比0.6∶1～3∶1(重量比)，注浆压力1.5～2.5 MPa，浆液配合比和注浆压力根据现场试验反馈结果适当调整。并在注浆起始处掌字面以C25喷射混凝土形成止浆墙，厚度30 cm。

3.2 已开挖段局部注浆堵水

在出水通道范围内，隧道开挖外轮廓线以外5 m，采用Φ50 mm×5 mm钢花管，布置间距纵环向均为120 cm，出水点注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥为425普通硅酸盐水泥，水灰比W/C=0.6～1.1，水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5，水玻璃浓度采用30～35Be′，最终压力0.5～1.0 MPa，注浆后，总出水量小于2 m3/h且一处出水量小于0.6 m3/h，即可结束注浆。

3.3 超前探水孔

每次超前探水段长30 m，探水孔要详细记录出水点位置、水量、水压等。探水孔孔径(终孔)为55 mm，钻孔外偏角为5°。根据超前钻孔探水的结果，分别采取不同的措施进行下一阶段工作。

3.4 其他措施

喷射混凝土加大速凝剂用量，在主裂隙处不喷射混凝土，使水流能集中于主裂隙进入环向排水半管；岩面大面积淋水段，应先用排水半管引排水，上覆铁丝网后再喷混凝土。初喷完成后，若还有渗漏水段，可适当加设直径100 mm半圆管排水；局部破碎段增加拱架支护，并根据拱架型号加厚喷射混凝土厚度。

涌水段范围内二次衬砌变更为55 cm C30钢筋混凝土结构，预留变形量按10 cm控制；原设计隧道暗洞防排水设计图中带注浆管橡胶膨胀止水条变更为中埋式橡胶止水带。

4 总 结

通过各项处治措施，掌子面顺利通过断层破碎带。后续对K161+580涌水段前后进行的监控量测结果显示均在沉降允许范围内，且初期支护表面无较大渗水。结果表明，本次断层破碎带处治措施是有效的。并得出以下结论：

(1)准确的超前地质预报是合理选择涌突水处理方式以及避免涌突水发生的必要条件，只有对掌子面前方围岩的完整性及富水程度有了充分了解，才能对如何处理做出正确的判断，做到保证施工安全、节省投资、加快施工进度。

(2)对围岩进行注浆，需根据围岩完整性和地下水发育情况确定，既可进行预注浆也可进行开挖后注浆。当围岩稳定性较好、地下水较小、施工安全容易保证时，可以采用开挖后注浆，这样既能节省投资又能加快施工进度，减少地下水的流失、保护生态环境。

(3)对于富水破碎围岩，待涌水量衰减到一定程度，及时对二次衬砌前的洞室进行开挖后周边注浆是加固围岩、减少地下水流失的一个有效的补充措施。