宜万铁路齐岳山隧道 F11高压富水断层特征及工程对策

王 伟,苗德海

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 工程概况

受构造运动的影响,断层内一般岩体极其破碎,自稳能力极差,受高压水的作用,易塌方失稳,发生突水突泥,造成灾害,严重影响工程进展,并可能破坏区域环境,宜万铁路隧道工程穿越区域性大型断裂多达 20余处,齐岳山隧道穿越的 F11高压富水断层是其典型代表(图1)。

图1 齐岳山隧道F11断层段纵断面

齐岳山隧道是宜万铁路Ⅰ级高风险隧道,全长10528m,为单面下坡,在隧道左侧 30m处设置长10581m的贯通平行导坑,在线路右侧设置长 752m的斜井 1座;隧道最大埋深 670m,岩溶及岩溶水发育,区内发育有 3条暗河系统和 15条断层,其中 F11高压富水断层规模宏大,沿隧道长约 240余 m;得胜场暗河高于隧道约 220m,平行于 F11断层发育,受此暗河影响,隧道穿越F11断层时,暗河水可能被断层导入隧道,发生大规模突水突泥灾害,被国内隧道专家和同行公认为世界性难题。

2 F11断层的特征

2.1 工程地质特性

F11断层沿得胜场槽谷西侧分布,走向为 NE35°～45°,倾角 50°～ 70°,延伸达 45km,垂直切割线路,受多期构造运动作用,属区域性的压性断层,隧道穿越段断层宽约 253m。

断层发育在齐岳山背斜西北翼和箭竹溪向斜东南翼交界部位,处在嘉陵江组(T1j4)硬质可溶岩、角砾状灰岩与巴东组(T2b1)页岩、泥灰岩软质非可溶岩分界面附近,断层带由断层角砾岩、碎裂岩、断层泥等构成,局部可见角砾的圆化相象,胶结物以钙泥质为主,易被溶蚀。

主断层(DK365+102～DK365+333段)由泥质灰岩夹泥灰岩、断层泥等组成,岩性不均一,成分复杂,岩质软弱破碎,属于糜棱化散体结构,为Ⅵ级围岩;上盘(DK365+333～DK365+353段)为泥质灰岩夹钙质页岩、泥岩地段,节理裂隙发育,岩体较破碎,属于碎裂结构,为Ⅴ级围岩;下盘(DK365+085～DK365+102段)为灰岩夹泥质灰岩,裂隙较发育,岩性较软弱,属于块裂状结构,为Ⅳ级围岩。

2.2 水文地质特征

F11断裂带的水文地质特征具有分带性和不均一性,分为断层核心相对阻水带和断层边缘高压富水带;断层核心段(DK365+110～DK365+260)断层泥成分居多,形成相对隔水体;断层边缘带(DK365+260～DK365+350、DK365+090 ～ DK365+110)属碎裂、块裂结构,岩体破碎,特别是上盘富含高压水,实测水压达2.6MPa。

F11断层核心段(DK365+110～DK365+260)虽可溶岩成分多,但受压性构造作用,空隙率低、连通性差,地下水径流条件差、水中的 CO2含量低,缺乏岩溶的化学条件,降低了强岩溶的可能;断层上盘(DK365+260～DK365+350段)地下水虽迳流条件好,CO2含量高,但岩体多数为非(或弱)可溶岩石,也难产生强岩溶,因此,F11断层带内不存在强岩溶现象,主要为断层裂隙水。

F11断层上盘高压富水带是相对独立的强含水体,主要由地表降雨补给,受断层延长距离远的影响,对隧道补给量大,富水带内岩体渗透性能各向差异明显,竖向和沿构造走向连通性较好,局部存在宽张裂隙;同时,受断层核心相对阻水带的影响,上盘高压富水带与槽谷区近地表得胜场暗河水无直接关系,但若隧道开挖引起断层内大量介质流失,暗河水可能通过局部管道补给 F11断层,引发大规模突水突泥地质灾害。

2.3 岩体破坏特征

F11断层段在施工过程中,曾发生两次泥石流和一次坍方事件,均无人员伤亡,两次泥石流均处于断层上盘高压富水带内,坍方发生在断层核心带,情况如下。

(1)平导 PDK365+313掌子面泥石流(图2)

2009年 2月 25日,平导 PDK365+313掌子面进行超前探测时,受上盘高压富水带的影响,超前地质探孔发生涌水、喷砂石现象,最大涌水量达2000m3/h,并伴有轰鸣的响声,随即掌子面发生垮塌突涌水,瞬间最大流量约 50000m3/h,持续约 5min后稳定在1500m3/h左右,涌水初期为浑水,经过 2d后逐渐变清,破碎岩块等突出物淤塞平导约 374m,累计突出物量约10000m3。

图2 “+313”掌子面泥石流

(2)排水支洞 PSDK0+083掌子面泥石流(图3)

排水支洞位于平导和正洞之间,PSDK0+083掌子面处于断层上盘高压富水区,对应正洞里程为DK365+304,受地表强降雨影响(9h内降雨量达 66.6 mm),该掌子面超前探孔过程中,出现明显跳钻现象,2009年 6月 20日,随着掌子面强烈的轰鸣声,发生突涌水,并携带大量岩体碎块,初始涌水量达4200m3/h,水质浑浊,呈黄黑色,经过 3d后,该处涌水稳定在1000m3/h左右,水质变清,累计涌出破碎岩块1500m3。同时,平导 PDK365+313掌子面涌水量减小至 300m3/h左右。

图3 “+083”掌子面泥石流

(3)平导 PDK365+124掌子面塌方

2009年 2月 24日平导施工至 PDK365+124掌子面,揭示为泥质灰岩和断层泥,围岩松散破碎,呈糜棱化结构,受掌子面集中涌水点影响(水量约 30m3/h),发生坍塌,在拱顶以上形成一 8m×5m×3m(长 ×宽×高)的空洞。

分析上述泥石流和塌方发生的过程,F11断层段岩体破坏的主要原因是高压水对破碎围岩的渗透、推移破坏,特别是局部涌水对破碎围岩的掏空作用,导致断层内局部介质流失,引发泥石流或塌方,因此,针对F11断层上盘高压富水带,应尽量采取“排水减压、注浆加固”的措施,降低隧道周围的高水压,注浆加固围岩,为隧道安全、快速施工提供保障。

3 工程措施

分析F11高压富水断层工程水文地质特征,综合考虑施工安全、工期、经济等因素,F11断层采取“分水减压、注浆加固、加强支护、综合治理”的原则进行处理。

3.1 分水减压(图4)

为降低 F11断层上盘高压富水区迂回导坑段注浆施工难度,加快施工进度,利用平导 PDK365+313掌子面涌突水点进行分水降压;同时,为进一步实现 F11断层上盘高压富水区“分水减压”的目的,降低正洞超前注浆施工难度,确保施工安全,在 12号横通道内平导与正洞之间设置 100m长的高位排水支洞进行排水减压。

图4 分水减压平面示意(单位:m)

为确保隧道结构长期安全,平导(迂回平导)以及排水支洞均设置为透水支护结构,并在平导和排水支洞右侧预留钻孔孔口管,根据正洞水压力监测情况,必要时向正洞实施钻孔排水减压,确保正洞结构长期安全。

3.2 注浆加固

为防止富水断层中破碎围岩和断层泥在高压水作用下涌入隧道,发生大规模突水突泥,采用超前帷幕注浆预加固,降低地层的渗透系数,提高岩体的整体稳定性,达到开挖施工的安全要求。

3.2.1 注浆范围

图5 正洞注浆设计(单位:cm)

3.2.2 主要设计参数(表1)

注浆材料以硫铝酸盐水泥单液浆和普通水泥-水玻璃双液浆为主,超细水泥单液浆为辅;在断层泥等裂隙致密部位或局部补充注浆地段采取超细水泥单液浆;单液浆配比:水灰比(W∶C)为 0.6∶1～1∶1,水泥-水玻璃双液浆配比:水灰比 (W∶C)为 0.6∶1～1∶1,体积比 (C∶S)为 1∶0.3 ～1∶1。

图6 平导注浆设计(单位:cm)

表1 超前帷幕注浆主要设计参数

为准确掌握适宜的注浆参数,提高注浆质量,施工前应首先进行注浆试验,掌握浆液填充率、注浆量、浆液配合比、凝结时间、浆液扩散半径、注浆终压等参数,根据试验结果进行注浆参数和注浆量动态调整。

3.2.3 注浆工艺、顺序及控制方式

(1)采取前进式分段注浆工艺,分段长度 3～5m,采用孔口管法兰盘或水囊式止浆塞进行注浆施工,根据现场实际情况可适当调整。

(2)注浆顺序:先外圈孔再内圈孔,同圈孔应间隔跳孔进行注浆,对局部水量大的区域注浆完成后有针对性的进行补强注浆。

(3)注浆过程中采用“定压定量相结合,以定压为主”的控制方式,注浆终孔压力 6～8MPa,当单孔注浆长时间压力不上升时,定量控制,以 10%裂隙度计算单孔单段注浆量,以 2倍计算值进行控制。

3.2.4 效果检查与评定

直流电源作为辅助工作电源和稳定电压电源，在交流电源停电后，能继续为重要负荷供电，如医院、铁路、电厂等重要场所。直流系统的可靠、安全运行，直接影响重要场所的正常生产。本文将对实际应用较多电压等级的220V直流电源接地回来进行分析，并对接地后的处理进行叙述。

针对 F11高压富水断层的工程水文地质特点,超前注浆应起到堵水和加固地层的双重作用,必须严格注浆效果检查与评定,设计采用分析法、检查孔法和孔内成像等方法,具体如下。

(1)P-Q-t曲线分析法:P-t曲线呈上升趋势,Q-t曲线呈下降趋势,符合定压注浆结束标准,达到设计注浆压力时,注浆速度小于 5L/min。

(2)出水量与注浆量综合分析法:按钻孔注浆顺序绘制每个孔出水量和吸浆量时间分布直方图,钻孔出水量呈注浆减小趋势,地层吸浆量呈下降趋势,最终注浆堵水率应不小于 80%,后序孔吸浆量小于 5 L/min。

(3)检查孔法:按注浆孔的 10%选取,检查开挖轮廓线外 5～8m位置,出水量小于 2.0L/m◦min。

(4)孔内成像法:对检查孔静置 12h后,采用孔内成像检查,要求检查孔不坍孔、无缩孔,孔壁顺滑,自稳能力较强。

3.2.5 注浆设备

根据 F11高压富水断层工程水文地质特点,制约注浆效率的最大障碍是钻孔设备和注浆设备,必须采取移动方便、定位准确、功率高的钻孔设备以及流量大、效率高的注浆设备,通过现场试验,钻孔设备选择了日本矿研的 RPD-150C钻机、意大利卡萨 C6钻机、德国宝峨 KR805钻机;注浆设备选择了西安探矿 ZJB(BP)-30注浆泵、法国 TEC公司 PH15注浆泵,全面提高了超前注浆功效。

3.3 超前预支护

超前帷幕注浆加固施工完毕并经检查合格后,拱墙部位采用超前长管棚预支护,与隧道初期支护形成封闭的支护体系,防止围岩坍塌,确保隧道施工安全;管棚采用外径 φ108mm、壁厚 9mm的热轧无缝钢管,管棚间距 40～50cm;管棚不设工作间,外插角 6°,每循环管棚搭接长度不小于 5.0m,管棚注入硫铝酸盐单液浆,以提高支护刚度,对止浆墙和局部侵限的管棚段采用推进器将管棚顶至开挖轮廓线外;为确保注浆后开挖安全,掌子面布设 5～10根 φ42mm的玻璃纤维锚杆,进一步稳定掌子面。

3.4 支护结构

根据 F11断层工程水文地质特征,在排水支洞、平导(迂回导坑)均采用透水支护结构的情况下,改变了隧道周边原始的高水压渗流场状态,同时,超前注浆预加固降低了隧道周边围岩的渗透系数,减少了进入隧道内的地下水量,加之隧道结构自身设置的排导水系统,能尽快排走进入隧道内的地下水;在上述措施基础上,结合高水压隧道衬砌水压力计算的折减系数法,正洞按承受 1.0MPa外水压力进行设计,平导和正洞衬砌结构见图7。

图7 F11断层段隧道衬砌结构设计(单位:cm)

3.5 防排水系统

平导只设置排水系统,不设置防水板,即在二次衬砌背后环向每 3.0m设置φ50mm透水盲管1处,纵向在底板处设置通长 φ100mm加筋透水管,环向和纵向盲管与泄水孔连通,并引至墙脚,同时,在初期支护和二次衬砌上纵向每 3m在拱墙位置设置 6个 φ100mm的排水孔,确保排水顺畅。

正洞设置“半包”防排水系统,即在隧道拱墙初期支护与二次模筑衬砌之间设置复合式防水板,二次衬砌背后环向设置 φ50mm透水盲管,纵向间距 3.0m,纵向设置通长的 φ100mm加筋透水盲管,环向和纵向盲管与排水孔连通,排水孔纵向 3m设 1处,施工时不得堵塞盲沟。同时,在 F11高压富水断层两端设置阻水榫,进行分区防水,防止 F11高压水向两端窜流,影响隧道结构安全。

3.6 施工方法

平导采取短台阶或微台阶法施工,并设置临时仰拱及时闭合;正洞采取三台阶分部开挖法,每台阶及时设置临时仰拱封闭成环,施工中采用微振动控制爆破技术,尽可能的减少对注浆加固体的扰动,并加强初期支护的监控量测,二次衬砌适时紧跟。

3.7 安全性监测

为及时掌握隧道开挖过程中支护结构的受力状态,并验证支护结构的长期安全性,总结工程经验,完善设计分析理论,确保施工及运营安全,对F11断层段隧道结构进行了安全性监测,根据需要在平导PDK365+155和正洞 DK365+331、+315、+111里程设置了 4个监测断面,监测项目包括:二次衬砌外水压力、初期支护与围岩间的接触压力、初期支护与二次衬砌间的接触压力、初期支护和二次衬砌结构的内力等。

截至目前,平导 PDK365+155断面初期支护与围岩间接触压力最大为 142kPa,初期支护中型钢钢架最大应力为 105MPa;正洞 3个断面中二次衬砌外水压力最大为0.0412MPa,初期支护与二次衬砌间接触压力最大为 212.93kPa,初期支护内型钢钢架最大应力为 262.94MPa,初期支护与二次衬砌间接触压力最大为 86.75kPa,二次衬砌钢筋应力最大为 144.44MPa。

以上监测结果表明,目前各项监测数据均在可控范围之内,其中二次衬砌外水压力很小,初期支护承受围岩荷载较大,二次衬砌承受围岩荷载相对较小,但随着围岩应力和渗透水压力逐渐趋于稳定,支护结构的受力也将逐渐趋于平稳,为隧道安全、快速施工和长期运营安全提供了保障。

4 结论和体会

分析齐岳山隧道 F11高压富水断层突水突泥、坍塌的原因,根据 F11断层的工程水文地质特征,选取“分水减压、注浆加固、加强支护、综合治理”的处理原则,成功攻克了隧道穿越高压富水断层的世界性难题,实现了安全、快速施工,平均平导每月成洞 25m,正洞每月成洞 20m,为宜万铁路风险隧道的全部贯通提供了保障。

(1)高水压是造成隧道发生大规模突水突泥、坍塌等灾害的主要原因,处理时应遵照“排水减压”的原则,采取一切可能的措施降低隧道周边围岩内的水压力,降低隧道施工风险。

(2)超前帷幕注浆能改善围岩物性参数,提高围岩自稳能力,降低围岩渗透系数,减少地下水的渗流,是隧道开挖支护安全施工的重要保障,施工中必须严格控制注浆过程,确保注浆效果。

(3)在“排水减压”情况下,断层内超前注浆主要是为了加固破碎岩体,提高其自稳能力,保证隧道开挖支护过程中的安全,在能满足隧道施工阶段安全的条件下,注浆效果检查时检查孔出水量可以按照 2.0L/m◦min来控制,以加快注浆施工进度。

(4)在“分水减压”和注浆加固情况下,隧道结构承受的水压力可以大幅度折减,但具体折减规律和大小需要进一步深入研究和探讨;高压富水断层带隧道结构承受围岩应力场和地下水渗流场耦合作用影响,结构受力十分复杂,隧道应尽量采取近圆形的衬砌结构形式,并能承受一定的水压力,以确保长期安全。

(5)为及时掌握隧道开挖过程中支护结构的受力状态,动态调整支护参数,不断积累经验提高隧道穿越高压富水断层带的设计、施工水平,应进行衬砌外水土压力、初期支护与围岩间的接触压力、初期支护与二次衬砌间的接触压力、初期支护和二次衬砌结构的内力、隧底基础沉降等长期观测与监测。

(6)高压富水断层破碎带地下水来源一般由大气降雨补给,为减小处理难度,降低施工风险,隧道施工组织时应尽量避免在雨季施工。

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