隧道断层破碎带涌水的综合治理

隧道断层破碎带涌水的综合治理

李小勇

(京福闽赣铁路客运专线有限公司,福建 福州 350000)

摘 要：在隧道施工中，涌水现象时有发生，特别是在岩体破碎、节理特别发育、透水性较好的富水区施工，其情况尤为严重，安全隐患巨大。三清山隧道通过F1断层破碎带、强富水区，下穿河道，施工过程中采取超前地质预报、周边预注浆和加强支护等措施；为防止隧道断层段洞顶地表河流的水直接流向隧道洞内，在洞顶地表沟谷采用浆砌片石铺砌处理。有效的控制了掌子面涌水，保证了隧道施工的进度和质量，取得了良好的经济效益和社会效益。为同类隧道断层破碎带的涌水整治提供一定的参考。

关键词：涌水；断层破碎带；超前地质预报；超前周边预注浆

1 工程概况

三清山隧道全长11 850 m，是京福客专控制性重点工程。该隧道位于江西省上饶、德兴市境内。最大埋深681 m。三清山隧道设山坑及杨家坪斜井两座，斜井长度分别为510 m及1 160 m，其中三清山隧道进口施工正线2 240 m，山坑斜井施工正线3 100 m，杨家坪斜井施工正线3 780 m，三清山隧道出口施工正线2 730 m。

DK430+212～DK430+182段为F1断层破碎带及其影响带，断层构造特征以挤压断裂带和裂隙带为主，其中F1断层产于燕山期(γ52-3b)中，EH-4低阻异常带，与线路交于DK430+212～DK430+182附近，和线路走向夹角约300°，断层产状为1 200∠800 ，宽度约200 m。此段隧道埋深较大，洞身围岩岩性蚀变严重，断层段最小埋深205 m，最大埋深278 m。岩性主要为花岗岩，岩质较硬，岩体较破碎，节理较发育。地下水主要为构造裂隙水、较发育，估算最大涌水量约为4 175 m3/d,属强富水区，隧道通过含水体地段的正常涌水量为1 115.2 m3/d。施工时须加强超前地质预报工作，加强支护及防排水措施。综合判定为Ⅳ级围岩。

2 涌水情况发生及原因分析

2012年9月30日下午四时，三清山隧道出口上台阶开挖至DK430+211处时，出渣完成后，晚上6点30分发现掌子面有一处涌水，开始时出水直径大约在?60 mm左右，但至晚上8点10分，上台阶线路右侧拱顶处出水直径变为?150 mm，随后出水口水量不断增加，经检测估算最初流量为150 m3/h，涌水处形成一条长10.2 m、宽1.5～2.5 m、向洞顶地表延伸深度超过60 m的一条裂隙，经水流不断冲刷后有继续扩大的趋势。2012年10月1日上午测算出水口流量为150 m3/h，下午测算出水口流量为188 m3/h;2012年10月2日上午测算出水口流量为217 m3/h，日出水量为5 200 m3/ d，已超过设计的4 175 m3/d，根据后续测算10月8日达到最大流量6 500 m3/d[1]。

据设计对洞顶进行地质钻孔取芯及隧道掌子面进行超前水平地质钻孔并结合TSP超前地质预报、地质雷达超前预报等地质探测手段，对塌方段进行地质验证，与设计提供地质情况基本吻合。开挖揭示，DK430+212掌子面岩性主要为花岗岩，掺杂有萤石成分，岩质属于强风化和全风化，岩体破碎，节理特别发育，透水性较好。地下水主要为构造裂隙水、特别发育，属强富水区。可判断此段属断层破碎带，由于爆破振动，造成岩层坍塌从而引起涌水、涌泥现象。隧道上方与河道成30°交角，交汇长度约42 m，可判断河道水量对隧道洞顶断层破碎带裂隙水有一定的补充。

3 处理措施

(1)施工过程中严格遵守超前地质预报与超前地质钻孔先行的原则，探明前方地质情况方可开挖掌子面。超前地质钻孔孔数不少于3孔。

(2)DK430+212～DK430+182段采用5 m超前周边预注浆堵水加固。开挖25 m时再次采用超前地质钻探明前方地质情况，注浆工艺采取后退式分段自上而下注浆。

(3)DK430+212～DK430+182段采用Ⅴb型复合式衬砌；I22a型钢钢架加强支护，纵向间距0.6 m/榀；超前支护采用超前双层小导管，小导管?50 mm，壁厚5 mm,单根长度5 m;采用三台阶临时仰拱法施工[2]。

(4)为了使施工期间和隧道通车运营后，防止隧道断层段洞顶地表河流的水直接流向隧道洞内，在隧道断层洞顶地表沟谷采用浆砌片石铺砌处理。

4 现场实施

4.1 超前地质预报

在掌握预设计地质资料的基础上，采用地面预报和洞内超前预报相结合的模式，主要以洞内超前预报为主，对未开挖地段进行地质预测和分析，采集各种水文、地质、变形、应变等信息，及时进行信息反馈，以确定合理的支护参数，制定合理的施工方法。洞内超前预报主要通过全断面地质素描、TSP203地质超前预报系统、地质雷达、超前钻孔等手段进行；洞顶地表通过高密度电法及地质补勘钻探手段进行超前地质预报。

4.2 围岩注浆

为确保断层破碎区域的施工安全、改良洞周围岩条件以及为减少地表水下渗，里程DK430+212～DK430+182段采用5 m超前周边预注浆堵水加固。

4.2.1 注浆孔布置方式

注浆孔按浆液扩散半径2 m布设，孔底间距3 m布置，每一循环共设4环98个注浆孔，具体布置见图1。

4.2.2 注浆材料

注浆材料以普通水泥浆液(水灰比1∶1)为主，对局部严重出水点附近可根据止浆试验情况采用水泥—水玻璃双液浆。水灰比：0.5～1.0(重量比)，水玻璃浓度35Be’，水泥浆与水玻璃体积比1∶1，缓凝剂(Na2HPO4)掺量为2%，水泥采用425号硅酸盐水泥。

4.2.3 注浆压力

图1 三清山5 m超前周边预注浆实际布孔样图(单位：cm)

注浆压力按1～1.5 MPa控制。

4.2.4 注浆效果检查

注浆完成后，每延米隧道涌水量≯2 m3/24 h，则判断注浆达到效果，否则应进行补注浆。

4.3 超前预支护施工

DK430+212～DK430+182段为F1断层破碎带及其影响带。为了安全的穿过此破碎带，设计在该段采用双层小导管预支护。施工工艺如下:

(1)小导管采用?50 mm的热轧无缝钢管，管长5 m，壁厚4 mm，小导管上钻?8 mm孔眼，梅花形布置，间距15 cm，尾部30 cm不设压浆孔。

(2)在钻孔前，先喷砼将开挖面封闭，以防止碎石掉落及注浆时掌子面漏浆。

(3)测量放样，在设计孔位上做好标记，然后用风枪钻孔，孔径需较管径大20 mm，钻孔外插角应控制在15°左右,具体注浆钻孔见图2。

图2 注浆钻孔剖面图(单位：cm)

(4)将小导管插入钻孔，外露10 cm，以便连接注浆管并用锚固剂将小导管周围空隙封堵严实。拱部环向间距40 cm，纵向间距2.4 m，保持1 m的搭接长度。

(5)注浆前先冲洗管内积物后再注浆，浆液先稀后浓，顺序是由下而上向小导管内注浆，注浆泵压力选用2.0 MPa以上。小导管注浆压力严禁超过允许值，以防压裂工作面，同时还要控制注入量，若孔口压力已达到规定值，或达到设计注浆量，可结束注浆。为加速注浆，可在小导管前安设分浆器，一次可注入3～5根小导管。配置的浆液应在规定时间内注完(见图3)。

图3 注浆施工

4.4 洞身开挖及初期支护

4.4.1 洞身开挖

隧道开挖按新奥法原理进行施工，在施工中严格遵循“管超前，严注浆，短进尺，弱爆破，强支护，早封闭，勤测量”的施工原则。开挖段采用控制爆破技术，施工过程中加强检测，密切注意围岩变化，并及时调整爆破参数，随挖随护。

4.4.2 初期支护

(1)喷射混凝土施工在对有涌水、渗水或潮湿的岩面喷射前应按不同情况进行处理：大股涌水宜采用注浆堵水后再喷射混凝土。小股水或裂隙渗漏水宜采用岩面注浆或导管引排后再喷射混凝土。大面积潮湿的岩面宜采用粘结性强的混凝土，如添加外加剂、掺合料以改善混凝土的性能。

(2)钢筋网片采用Ⅰ级?8 mm钢筋焊制，在钢筋加工场内集中加工。先用钢筋调直机把钢筋调直，再截成钢筋条，钢筋网片尺寸根据拱架间距和网片之间搭接长度综合考虑确定。钢筋焊接前要先将钢筋表面的油渍、漆污、水泥浆和用锤敲击能剥落的浮皮、铁锈等清除干净；加工完毕后的钢筋网片应平整，钢筋表面无削弱钢筋截面的伤痕。按图纸标定的位置挂设加工好的钢筋网片，钢筋片随初喷面的起伏铺设，绑扎固定于钢架后，再把钢筋片焊接成网，网片搭接长度为1～2个网格。

(3)由于该段围岩破碎，里程DK430+212～DK430+182段衬砌结构类型采用“Ⅴb型”，采用钢架I22a工字钢(间距0.6 m/榀)加强支护。

4.5 洞顶河道铺砌

在隧道断层洞顶地表沟谷采用浆砌片石铺砌处理，沟谷铺砌长度350 m，铺砌厚度80 cm，铺砌宽度结合沟谷宽度而定(平均宽度约11 m)，铺砌高度1.5 m。如图4所示。

图4 河道铺砌

5 结束语

针对隧道经过断层破碎带的地质特点采取超前小导管、围岩超前周边注浆等措施，对围岩进行加固，确保施工掘进过程中围岩及破碎带的岩性稳定；针对外在河流水的因素采取洞顶河道地表铺砌，隔断了河道水量对洞内裂隙水的影响，确保裂隙水不受外界影响，水压重新分布并平衡，有效控制了掌子面的涌水，保证了隧道施工的进度和质量。确保了安全顺利地通过断层破碎带区域，为类似工程施工提供有益借鉴。

参考文献

[1]王振宇，陈银鲁，刘国华，等.隧道涌水量预测计算方法研究[J].水利水电技术,2009(07):41-44

[2]梅志荣，张军伟，李传富.铁路长大隧道建设中地下水防治有关问题研究进展[J].铁道工程学报，2009(09)：78-82

On the Comprehensive Harnessing of the Water Gushing in the Fault and Fracture Zone of a Tunnel

LI Xiaoyong

(The Jingfumin'gan Passenger-Oriented Railway Co. Ltd.,Fuzhou 350000,China)Abstract: In the course of the construction of a tunnel,the phenomena of water gushing often happen,especially in the course of the construction of projects located in the broken rock,joint-developed or well permeable water-rich areas,where it is even more serious with greater potential accidents existing. As the Sanqingshan Tunnel goes through the F1 fault fracture zone,which is much water-rich,and under-crosses a river,the measures of the advanced geological forecast,advanced surrounding pre-grouting and the strengthened supporting are taken in the course of the construction.In order to prevent the ground-surface-river water from directly flowing into the tunnel roof through the fault section of the tunnel,the river valley at the top of the tunnel is treated with mortar rubble,owing to which the water gushing at the work face is effectively controlled,and the tunneling progress and good quality of the tunnel is ensured,with fine economic and social benefits achieved.The paper may serve as a useful reference for the harnessing of water gushing of other similar tunnels in broken fault fracture areas.

Key words：tunnel; water gushing;fault and fracture zone;advanced geological prediction;advanced surrounding pre-grouting

收稿日期：2016-10-08

作者简介：李小勇(1971—)，男，工程师，主要从事土木工程施工技术管理工作。[e-mail]

DOI：10.13219/j.gjgyat.2017.01.014

中图分类号：U455.49

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2017)01-0054-04