隧道富水断层破碎带突涌水灾害整治措施

宗 辉，匡渝阳

(1.浙江交工金筑交通建设有限公司,浙江 杭州 310000；2.常山安欣建设有限公司,浙江 衢州 324000；3.浙江大重建设有限公司,浙江 杭州 310021)

1 工程概况

延庆至崇礼高速公路河北段棋盘梁特长隧道起点位于赤城县炮梁乡砖楼村北，终点位于崇礼县棋盘梁村东，环保要求高，施工难度大，为重点控制工程。隧道是一座分离式隧道，左洞全长为5 874 m，右洞全长为5 898 m，标段左洞起点桩号为K87+850，终点为K89+318，标段右洞起点桩号为K87+288，终点桩号为K89+200。隧道由浅埋段和深埋段组成，隧道最大埋深为287 m，隧道洞室净空为11 m×5.5 m，支护结构为复合式衬砌结构，初期支护采用锚喷支护，系统锚杆采用22 mm砂浆锚杆，杆体长3.0 m，间距1.0 m梅花形布置，喷射混凝土采用C35混凝土，厚度为35 cm。

该隧道K88+750右侧地表有一水沟，与右洞之间平面最近距离约为54 m，水沟标高约为1 800 m，距离隧道右洞拱顶约为227 m。水沟将流过第一条断层地表，可能对第一条断层进行地表水体补给。

1.1 工程地质

隧道穿越地层主要以花岗岩为主，局部夹杂淤泥，围岩稳定性一般，隧道围岩级别主要为Ⅳ级围岩。根据前期地质调查结果可得，该隧道穿越两条断层破碎带，在断层带上方有具有水沟和地下水源补给，具有隧道发生涌水、滑坡、崩塌发生的基本条件，在施工过程中易发生涌突水现象。隧道共具有两条破碎带，第一条破碎带位于右洞隧道K88+789～K88+803处，断层破碎带宽约14 m，破碎带内为灰黄色、灰白色岩块夹泥，呈含角砾粉质黏土状，部分碎石状或碎块镶嵌状，两侧围岩较破碎，完整性差。第二条破碎带位于左洞K89+002～K89+014处，断层破碎带宽约12 m，破碎带内为灰黄色、灰白色岩块夹泥，呈含角砾粉质黏土状，部分碎石状或碎块镶嵌状。两侧围岩较破碎，完整性差。

2 隧道突涌水现场实测分析

2.1 突涌水实测分析

由于隧道周边环境较复杂，开挖掘进采用单向掘进，在掌子面开挖到桩号K88+790处，出现一道V字形断层，断层泥沙夹杂碎石。此时在掌子面左侧区域，新生一个面状4 m×10 m出水区域，产生一个串珠状出水带，此时位于第一条断层。该处涌水稳定流量约20 m3/h，并且与大气降水没有明显关联，呈现稳定的基流量，涌出水为清水，不含泥沙。根据开挖地质情况分析，该处支护上方基本被软弱充填物覆盖，地下水沿着初期支护较为薄弱的环节涌出。为防止突水涌泥的进一步发展，立即对掌子面喷射混凝土加固，开挖临时排水设施引排涌水。监控量测是新奥法设计理论核心，是施工的重要组成部分，必须将现场监控量测项目在施工中认真实施。隧道开工前，要根据设计要求，量测对出水点涌水量实测值进行了检测，检测数据如表1所示。

表1 出水点涌水量实测值(2019)

通过图1所示，为了减少隧道断层破碎带的涌水量，提高了注浆堵水的质量。合理安排施工顺序即节省了时间又节省了施工成本。本项目隧道采用调整注浆材料、优化施工工艺、提升设备性能等方法，将隧道破碎断层带涌突水发生概率降至10%以下。使工程质量、施工效率、施工进度上升了一个新的台阶，得到了项目领导及各界同行的肯定，为后续项目施工找到了依据。

图1 各出水点涌水量实测值

2.2 突涌水成因分析

(1)围岩条件因素

根据隧道开挖过程中所揭示的掌子面围岩状况可得，掌子面中间靠上位置出现有压水流，导致空腔的出现，底板靠近掌子面处有冒水。这是因为根据前期的地质调查涌水突泥处位于第一个断层地段，该断层倾角为40°，断层宽14 m，岩层主要为灰白色岩块夹泥。而且断层地段岩石节理发育，裂隙较多，形成了良好的水、泥和沙石运输通道。当隧道洞身经过时易造成地下水系统的失衡，导致地下水携带着泥沙通过裂隙进入隧道内，形成突水涌泥的情况，这是导致突泥涌水的重要原因之一。

(2)地形条件

在隧道施工期间大气降水没有发生，所以可以排除大气降水的因素。由隧道所处地形位置图可得，第一条断层破碎带上方存在一个水沟，受到地下水和地表水的水源补给，导致断层破碎带出现富水、滑塌的状况。随着隧道的开挖对断层中裂隙水系造成扰动，地表水和地下水源源不断的进行补给进入隧道，进而导致了隧道涌水持续的进行。在长期的自然演变过程中，局部节理裂隙发育且缺少向外连通区段，富集了大量的水源，也进一步导致了涌水的持续进行。因此，地下水的汇集和地表水的存在也是隧道持续涌水的主要因素之一。

(3)埋深高地应力原因

隧道右线在K88+789～K88+803、左线在K89+002～K89+014附近开始穿越地质破碎带，围岩开始变差，并在2019年4～8月先后发生四次中等规模塌方及多次小型规模塌方，塌方发生前，均进行了相关衬砌段落的加强，但地质原因复杂，塌方体普遍呈现碎块状松散体，且形成明显了塌腔，个别塌方段落伴随有泥石流状地质体流出。这四处塌方中，前两处基本一起发生，后两处发生时间也非常接近，因此分别在不同的时间段导致开挖工作无法开展，开挖进尺陷入僵局，引起了各方领导的高度重视。

3 整治方案

3.1 地质雷达预测

(1)隧道施工要加强地质工作，以达到地质预测预报的目的。常规地段要实施跟踪地质调查，不良地质地段要进行超前地质预报。地质预测预报要作为必备工序纳入施工组织管理。

(2)跟踪地质调查与超前地质预报，要达到下列主要目的。

①在施工前期地质勘察成果的基础上，进一步查明掌子面前方一定范围内围岩的地质条件，进而预测前方的不良地质以及隐伏的重大地质问题。

②为信息化设计和施工提供可靠依据。

③降低地质灾害发生的风险。

④为编制竣工文件提供可靠的地质资料。

(3)隧道施工前要根据设计文件的地勘资料，编制地质预报方案和实施大纲，并报有关部门审查和批准后执行。

(4)跟踪地质调查与超前地质预报要配备专业技术人员和设备。

(5)地质预报、信息化设计和信息化施工是一个有机的整体，各方要协调一致，紧密配合，既为量测作业创造条件，又避免因抢工程进度而忽视量测工作。同时要做到信息传递顺畅，反馈及时，快速决策处理。

(6)现场照明、通风等作业条件良好，满足正常预报作业需要。

该隧道掌子面K89+002到前方K89+014探地雷达100 MHz屏蔽天线Wiggle图与Scan图探测成果。

3.2 超前探孔排水减压

根据超前地质预报可得前方存在富水带，采用钻机按照前进方向对掌子面进行钻孔，钻孔深度15 m，钻孔直径为Φ150 mm。钻孔可以作为减压排水孔，对于降低水压具有良好的效果；另一方面钻孔还可以探明前方地质状况，是否存在较大的空腔和暗流。

3.3 超前注浆加固

根据超前地质预报和掌子面揭示的围岩地质状况，可得掌子面前方岩体破碎，出现富水溶腔，随着开挖的进行易加重突涌水现象。为保证施工过程中的安全首先调整施工，加强支护参数。首先，在涌水区域加强支护参数，缩减每榀拱架间的间距，涌水范围内围岩拱部范围内采用φ22 mm超前锚杆预加固，加固拱部软弱岩体，并采用网格状沿着隧道周边布置注浆孔，注浆材料采用马丽散。施工时应根据岩石节理面产状使锚杆垂直于岩面，按照“打一个钻孔注死一个钻孔”的思路来实施。控制马丽散注浆流速5 L/min左右，马丽散注浆孔梅花形布置如图8所示，孔间距3 m，孔深3 m，注浆封孔器设于0.5 m深度处，1.0 m后设花管。马丽散注浆终结控制标准：(1)注浆终压为2～3 MPa，在单孔注浆达到控制标准前持续注浆，不得间断。(2)面状出水区域只有导水管排水，他处无明显出水。(3)马丽散浆液完全固化后初期支护变形减小并且趋于稳定。事实证明通过周边注浆+超前锚杆加固可很好的控制突涌水现象。

3.4 空腔回填

脱空回填处理，回填采用同标号C35混凝土泵送回填，确定回填所需混凝土方量，回填分批进行，单次回填高度不超过50 cm，设置两道泵送管脱空处预留排水管。同时仰拱施工时预留60 cm×60 cm排水管道与中排沟相连形成排水通道，二衬施工时侧墙增加一处沉沙池壁厚度与二衬厚度一致，沉沙池较中排沟沟底低1.5 m以沉淀泥沙。

4 结 论

(1)延庆至崇礼高速公路河北段棋盘梁特长工程穿越断层时出现小规模的突涌水、滑坡、崩塌现象，主要是因为断层地段岩石节理裂隙发育，为地下水和沙石提供了运输通道。而且断层上方地表面地下水的汇集和地表水沟的存在也导致了隧道掌子面持续涌水。

(2)针对延庆至崇礼高速公路河北段棋盘梁特长隧道的突涌水现象采取了钻孔排压和超前锚杆以及周边注浆等措施，取得了良好的整治效果，可为类似工程提供经验。

(3)在穿越断层地带时要做好超前地质预报探明前方地质和并采用超前锚杆结合马丽散注浆材料对隧道周边进行环向注浆。