隧洞穿越区域断裂破碎带遇水处理措施

蔺凤林

（新疆水利水电勘测设计研究院,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新疆某输水隧洞工程位于阿尔泰山南坡剥蚀构造低山丘陵区,总地势北高南低,由北西向南东缓慢倾斜,海拔高程650 m～800 m,一般高差10 m～20 m,局部高差70 m,隧洞埋深32 m～105 m。钻爆段洞长6.80 km,其中经过区域性深大断裂226 m,该段为输水隧洞控制段重点工程。该段隧洞穿过泥盆系（D）和石炭系（C）两套地层。与工程有关的区域性断裂主要有科沙哈拉断裂（F7）,该断裂为区域性深大断裂,为晚更新世活动断裂,晚更新世以来活动速率在1.0 mm/a～1.2 mm/a。

该段隧洞沿线以古老地层的变质砂岩为主,未见有石灰岩、碳酸岩等地层形成的溶洞、暗河。隧洞岩体一般具有微透水～极微透水性,局部为弱透水性。表层的基岩裂隙水与下部基岩裂隙水水力联系微弱,隧洞洞身段围岩富水性属于水量贫乏区,一般洞段地下水活动状态为渗水到滴水。在区域性断裂带内和局部较大的次级断层带、密集裂隙内,地表水通过裂隙下渗到断层,活动状态以线状流水为主。与地表水相联系的洞段,地下水活动状态以线状流水为主。

2 隧洞渗水～线状流水特征

浅埋隧洞：岩石节理裂隙发育,岩体具有弱～中等透水性,基岩裂隙水与地表水及大气降水通过含水构造（断层、风化裂隙等）联系。隧洞施工初期渗水～线状流水量较大,经过一段时间的排泄,渗水～线状流水量逐渐减小或干涸,并随季节而变化。

深埋隧洞：岩体透水性一般为微透水～极微透水性,洞段富水性较差,隧洞渗水～线状流水一般发生在区域断裂及次级断层部位。隧洞开挖后,形成地下水排泄通道,初期渗水～线状流水量较大,经过排泄,渗水～线状流水量逐渐减小。地下水向隧洞排泄后补给困难,造成隧洞少水甚至干涸。

隧洞渗水～线状流水量是由静储水量和动储水量两部分组成。其中,静储水量是指隧洞开挖前实际存在于含水层中的地下水,其大小取决于含水层的厚度以及孔隙或裂隙的大小和数量。动储水量是指隧道开挖揭穿含水层以后,大气降水或者地表雪融水等通过裂隙下渗到隧道,成为渗水～线状流水量的一部分,其大小取决于含水围岩的范围、供水来源、流通条件[1-3]。

该隧洞受雪融水的动态补给影响不大,线状流水随时间和空间的变化表现主要为静储水量。根据开挖后隧道内出水量的观测统计,工程区沿线受断裂或节理裂隙影响的岩体内地下水量不丰富,大多属于贫水区（段）,局部属于弱富水区（段）,断层破碎带、节理裂隙带岩体内总体渗水～线状流水量不大。根据调查区工程地质条件,隧洞洞身段大多数处于新鲜岩体内,裂隙不发育,围岩为块状和厚层状,岩体完整,隧洞沿线地下水以基岩裂隙水为主,裂隙水渗出能力和水量有限。

3 渗水～线状流水处理措施

3.1 排水系统的施工

（1）进洞前,应采取相应的措施,做好隧洞顶部、隧洞洞口和辅助坑道口的地面排水系统,防止地表水的渗透。

（2）施工过程中,应及时观察和记录隧道的出水位置、水量、涌水情况、变化规律、供水来源和水质组成,不断改进防排水措施。

（3）隧洞两端洞口及辅助坑道洞口应及时做好排水系统；对于覆盖较薄和渗透性强的地层,地表积水应及早处理[4]。

（4）洞内顺坡排水,其坡度应与线路坡度一致；反坡排水,必须采取机械抽水[5]。

3.2 地下水处理原则

（1）对洞内地下水水量、水压、水质进行监测,并做好渗水量、出水点位置记录。

（2）隧洞渗水～线状流水处理遵循“以堵为主、限量排放”的处理原则,采取切实可靠的施工措施,在经过堵水、抽排水后使得掌子面的水不至于影响隧洞的正常掘进。

（3）根据地下水渗水量的不同,将本工程分为富水洞段、一般洞段、贫水洞段。其中,渗水量＞300 m3/h为富水洞段；100 m3/h≤渗水量≤300 m3/h为一般洞段；渗水量＜100 m3/h为贫水洞段。

（4）对渗水洞段,快速掘进,根据渗水监测情况适时进行封堵处理,以改善施工环境为主。

（5）对线状流水、射流及股状涌水洞段,以堵为主,要求堵水效果大于80%,堵水标准不得大于150 m3/（h·km）,不得出现线状流水。

（6）对富水洞段,当渗水量达到设计排水规模的60%时,需停工堵水。

3.3 地下水处理措施

3.3.1 洞壁出现集中渗水的处理措施

（1）隧洞洞壁潮湿、滴水时,可利用高压风将岩石表面的水吹干,随即用喷射混凝土直接将渗水点封堵[6]。

（2）洞内地下水沿裂隙呈线流、帘幕式线状流水或小股状涌水（Q≤10 m3/h）时,应根据具体情况,对岩石表面进行注浆,或者使用小导管沿隧道周边进行灌浆封堵。

（3）对于中等到大股状涌水（10 m3/h＜Q≤400 m3/h）,在岩石破碎、地下水发育的地段,宜采用注浆堵水后再喷射混凝土。对于集中出水点,可顺节理、裂隙、断层等设置排水花管,将水引到洞底。一般情况下,可顺帘幕式线状流水出露点打孔,压注速凝液或布袋注浆塞进行封堵。

（4）承包人应在各出水点做好标记,并建立专门文档记录,以便后期施作排水孔,衬砌完成后应尽快按设计要求施作永久排水孔。

（5）在隧道开挖过程中,当渗漏水面积较大时,应设置一定数量的排水孔,在排水孔内埋设塑料软管,将水集中到隧道底部,隧道表面应立即喷射混凝土进行封堵,喷射混凝土时要以排水孔为中心从四面向中间喷射。

（6）必要时根据现场实际情况由设计方指定增加全断面系统注浆。

3.3.2 超前加固堵水注浆

（1）在断层破碎带、裂隙密集软弱带或其他透水地层且洞身补给充足的地段,宜采用超前加固堵水注浆。为减少或隔断地下水渗流途径、减少施工突水、涌水的危险,对影响区范围采取全断面或局部深孔预注浆,对孔隙进行填充、堵塞,形成止水帷幕。

（2）注浆施工前应对注浆工作面进行封闭,加固止浆岩墙或施工现浇混凝土止浆墙,以防止在高压作用下裂隙水或浆液发生倒渗。止浆岩墙厚度一般为5 m～10 m,现浇混凝土止浆墙的厚度一般为1 m～3 m。当岩层稳定性较好时,可以仅设置止浆墙,但是应对掌子面进行封闭,以确保掌子面在注浆时不产生裂缝和隆起。混凝土喷层厚度一般为10 cm～15 cm,必要时铺设钢筋网并打设锚杆。

（3）前进式分段注浆适用于地质条件差或水压高的地段,先安装套管,随后每钻进5 m～7 m即开始注浆,注浆达到设计要求后随即进行下一阶段的钻孔注浆。止水帷幕注浆一般为劈裂注浆,注浆压力不应该太高,以达到设计注浆量为标准。初始注浆压力建议为静水压力的1.2～1.5 倍,一般最高注浆压力为静水压力的2～2.5 倍,注浆时间根据注浆量的注入速率灵活调整。

（4）注浆加固厚度范围一般为开挖轮廓线外为3 m～5 m[7]。

4 结论

输水隧洞穿越深大断裂渗水～线状流水会影响隧洞施工进程和施工安全,分析深大断裂渗水～线状流水特征并采取科学合理的治理措施对保证隧洞施工进程和施工安全具有重要的意义。通过对本工程隧洞掘进时的渗水～线状流水进行观测分析及治理可得出以下结论：

（1）隧道开挖后渗水～线状流水点分布多,说明隧道内岩体裂隙连通性好。

（2）在隧道开挖掘进过程中,渗水～线状流水量主要为静储水量。初期储水量很大,表现为渗水～线状流水,随时间推移,渗水～线状流水量逐渐下降。

（3）在施工过程中,由于断层破碎带围岩破碎软弱,裂隙密集,地下水丰富,透水性强,使得围岩长期浸泡,容易造成围岩和支护的坍塌或失稳。

（4）对渗水洞段,应根据渗水监测情况适时进行封堵处理；对线状流水及股状涌水洞段,以堵为主,不得出现线状流水；对富水洞段,当渗水量过大时,需停工堵水。

（5）对注浆地段需要进行监测,及时反馈信息,以便能更好地指导施工。对渗水～线状流水的地段记录水量、出水点、变化规律等,结果表明,本工程的治理效果明显。