过富水断层隧道地下水处治技术

冀 荣 华

(中铁十七局集团第一工程有限公司，山西 太原 030032)



过富水断层隧道地下水处治技术

冀 荣 华

(中铁十七局集团第一工程有限公司，山西 太原 030032)

通过理论分析和现场调研的手段，并结合鸡公山隧道的实际情况，提出了“先加固、后封堵、先分流减压、后逐步收口”的地下水处治原则，据此确定了相关工艺参数、设备及质量标准，为断层破碎带内大流量、高水压和环境地下水丰富条件下施工积累了经验。

隧道，断层，地下水，质量控制

1 工程概况

西部山区大量建设的高速公路及铁路工程桥隧比例较高，部分线路甚至超过了90%[1]，且煤层、断层、岩溶等不良地质条件十分常见，是隧道施工控制性工程[2]。

毕都高速鸡公山隧道区位于纳雍县龙场镇与勺窝乡交界地段，右线起讫里程YK131+310～YK134+295，长2 985 m，其中Ⅲ级围岩80 m，Ⅳ级围岩1 790 m，Ⅴ级围岩1 120 m，主要集中在隧道进出口段，其中在隧道里程YK131+620～YK131+795区间内发育了F1断层，该断层地表处存在一处典型的山体凹地，是地表水汇集渗流至地下的重要通道。F1断层走向与线路夹角约为50°，倾角约76°，隧道通过断层区间长度共约175 m(见图1)，该区段内围岩破碎，掌子面开挖至里程YK131+590附近时，隧道整体出水量出现了显著增加(见图2)。

隧道过断层带出现大量出水甚至涌水在隧道施工过程中十分常见，地下水不仅引起施工困难[3,4]，也对后期结构的受力带来不利影响[5,6]，因此，对地下水的处理就显得非常重要，良好的处理措施在技术上和经济上的效益明显。许多隧道工程在施工过程中都采取了各种有利于封堵或疏导或两者结合的手段对各种过断层隧道涌水进行了处理，杨会军等[7]分析了新七道梁隧道渗涌水情况,提出地下水渗流以静储量为主时,采用以排为主的方式,地下水渗流以动储量为主时,采用以堵为主的方式，并提出了相应的处理措施。王建宇等[8]认为山岭隧道地下水处理应同时满足控制地下水排放流量和消减作用在衬砌结构上的水压力荷载两个要求，地下水水头大于60 m的隧道应在衬砌中设置合理的排水口；地下水排放流量应主要通过围岩注浆方式封堵。王靖华[9]认为断层带高水头区隧道单纯堵水效果有限，超前钻孔引排水可以减少掌子面前方水头压力，可提高施工效率及结构安全性。

已有的研究成果表明，断层带高水头隧道地下水的处理应当排堵结合，单纯排水靠二衬防水并不合理；仅采取堵水措施在施工上存在难度高，不经济的问题。针对鸡公山隧道的实际情况，提出了一系列适用于本隧道断层破碎带围岩条件差、出水量大、水压高、环境地下水异常丰富条件下的山岭隧道地下水处理措施。

2 地下水处理总体思路研究

地下水在揭露前通常处于静止或者相对静止状态，因而采用帷幕注浆的方法可以在一定范围内形成不透水帷幕，具备较为优秀的防渗性。然而超前止水帷幕灌浆周期长，容易导致隧道后期施工出现延误，一般只在地下水对隧道施工安全构成威胁时才予以采用，鸡公山隧道断层中也存在较为丰富的地下水，但整体而言并不会对施工安全造成重大威胁，因此对地下水采取先揭露再封堵的处理措施是较为高效的手段。

地下水揭露后容易出现集中涌水段，大出水段处理是综合、系统工程，必须综合考虑施工场地、环境、区域水文地质情况，其处理主要流程为“先表面封堵次大流量的出水点、段，再深层加固围岩形成一定厚度均一防渗固结圈,最后对集中涌水点进行封堵”。鸡公山隧道断层带涌水处理施工主要遵循的原则和处理思路如下：

1)总体按照“先易后难、先引后堵、先拱后墙再底板、局部集中处理；兼顾其他部位，系统处理，综合治理”的思路进行处理。

2)对于少部分集中出水量较大且出水压力较高的部位按照“先疏后堵，深排浅堵、远排近堵、择机收口”的思路和顺序。

先疏后堵：对于大流量出水点，应当有序设置分压排水点，待原出水点压力降低至一定程度时，封堵该出水口。

深排浅堵、远排近堵：对于预设的分流减压孔按先封堵浅层排水孔和距离原出水口近的出水孔，让水流再次改道和束流由深层排水孔和距离原出水口远的排水孔进行排放。

择机收口、局部加固：在完成围岩系统加固，确认围岩安全后，择机对剩余排水孔进行封堵或可控排放，最后对相对薄弱环节局部加固，完成施工。

3 地下水处理工艺流程研究

根据地质资料可以确定，隧道断层带岩层孔隙率高，地下水丰富，在隧道开挖揭露后出现了较为集中的出水点，且流量较为稳定。此类出水点形成原因在于断层带本身是良好的储水点，且与周围地下水富集区域相连通，在隧道开挖逐渐穿过断层带时，地下水渗流平衡被打破，地下水首先从围岩较为薄弱的区域流出，所形成的出水点流量大，压力大。对此类水的处理较为复杂，每个出水点均有其特殊性，需采用综合手段及多种工艺进行处理，其总的处理原则是“先加固、后封堵、先分流减压、后逐步收口”。这便是大水封堵处理前需进行边顶拱表面封堵和全洞段系统高压固结的原因。拟定该底板岩溶管道水的总体处理思路为“先探后堵、由浅入深、截断来源、堵排结合、择机封堵”。其主要施工步骤为：物探及钻探→分流引排施工→封堵主通道→随机加固→由近而远封堵分流引排孔→封闭。

3.1 集中涌水封堵灌浆参数设计

1)灌浆压力的确定。

a.边墙以上部位灌浆压力的确定。

由于高压水被揭露后，其压力都有不同程度的衰减或设置减压分流孔后，压力一般在2 MPa以内，但不低于1.5 MPa，属于低压灌浆。因此，灌浆压力原则上为涌水压力的2倍～3倍，但为了保证围岩的稳定，初定灌浆压力为3.0 MPa，并根据灌浆实际情况酌情调整。

b.底板灌浆压力确定。

经验计算公式为：

P=p0+p×D。

计算的灌浆压力值由岩石的密度和岩性决定。

其中，p0为表层地层允许的压力；p为岩石每增加1 m孔深，其允许增加的压力；D为灌浆段顶以上的岩石厚度。若有压重，灌浆压力可以提高为：

P=k×r×h+p0+p×D。

其中，k为灌浆方法系数，可选1～3；h为压重层厚度；r为压重层的容重。

与此同时，应根据采用的不同灌浆方法在表1中选取P值，若采用自下而上分段灌浆法，P宜取较小值。灌浆根据情况选用纯水泥浆、水泥—水玻璃双液浆、特种堵水浆液。

表1 p0,P与岩石类别取值表 MPa

2)浆液比级：水泥基浆的比级仅采用两级0.8∶1,0.5∶1，特种浆液使用0.5∶1比级添加堵水专用材料。

3)变浆原则：一般情况不出水和出水较小的孔段灌浆，变浆原则采用DL/T 5148—2001灌浆规范所述原则进行变浆，变浆达到0.5∶1浆液，灌注未出现异常情况的孔段不作限流。若灌注出现异常情况的孔段，首先采用0.5∶1的浓浆灌注，视情况采用水泥—水玻璃双液浆或特种堵水材料进行灌注；针对出水较大的孔段，首先采用0.5∶1的浓浆灌注，视情况再采用特种浆液材料灌注。

4)结束标准：水泥基浆灌注结束标准：在最大注入压力下，吸浆量不大于1.0 L/min，继续灌注10 min即可结束；水泥—水玻璃双液灌浆和特种材料灌浆结束标准：在最大注入压力下，注入量小于1 L/min，即可结束，避免管路堵塞。

5)封孔：每孔灌浆结束后，采用全孔灌浆封孔法进行浓浆封孔。

3.2 钻孔设备与工艺

1)钻孔设备：钻孔设备的选择根据出水量、出水压力、地层情况及钻孔类型与现场施工条件进行合理配置。大涌水封堵多使用岩石电钻、地质钻(150和300型)。

2)钻孔工艺：a.结合出水构造现场布置钻孔，其孔间隔距离一般在0.5 m～2 m范围布置。b.钻孔作业过程中必须注意：孔深一般控制在2 m～6 m，集中高压大流量涌水处理孔深达20 m，具体因实际情况而定，要求穿过出水构造，其钻孔方向要与出水构造大角度相交。当富水区水流过大，必须事先钻减压分流孔，孔径要大。c.孔口管安装，孔口管规格至少备用三种型号及以上，其管长控制在1 m～5 m、管径32～200。孔口管可采取双液浆或纯水泥浆或麻丝等方式固定。

3.3 灌浆设备选型与灌浆工艺

1)堵水灌浆设备选型的原则。

设备应满足灌浆设计压力的要求。灌浆规范规定：机械的额定工作压力应大于设计最大灌浆压力的1.5倍，选取适合不同灌浆压力要求的灌浆泵且压力波动范围宜小于灌浆压力的20%。

设备的排浆量应满足围岩的最大注入率的要求。

设备轻便，拆卸运输安装简单，机械运行安全、可靠、稳固，能够满足各类灌浆材料，包括：砂、惰性材料、双液灌浆等。

2)钻灌设备。

a.钻灌台架。

鸡公山隧道过断层带出水量大，且断层带与周围环境富水区域连通性好，并且与其他工序平行施工，干扰较大，在保证灌浆质量的基础上，减小施工干扰，提高施工效率是保证进度的关键。拟采用钻灌台车进行钻孔灌浆作业。钻灌台车是根据隧洞灌浆特点设计的简易专用台车，有以下优点：可分解后运输进洞安装；铺设钢轨，可沿轴线移动；台车两边设升降平台，可方便钻不同高度的钻孔；龙门架方便车辆出入；设专用位置固定灌浆设备及监测设备。

b.钻孔灌浆设备。

国产分体钻灌设备配合钻灌台架使用，主要包括如下设备：岩石电钻(或潜孔钻机)：设备轻便，结构简单，易于搬迁和维护。安装在钻灌台车上使用，功效较低，但一个台车上可安装8台～10台同时使用。

高压灌浆泵：设备轻便，结构简单，易于搬迁和维护。安装在钻灌台架上使用。

钻灌设备的适用条件：回填灌浆；灌浆压力不高于10 MPa的破碎围岩固结灌浆；灌浆压力不高于10 MPa防渗固结灌浆；在不安装专用钻孔灌浆封闭装置的条件下，涌水压力不大于3 MPa的固结灌浆。根据本工程情况，大部分洞段将采用此类钻灌设备。

阿特拉斯(atlas)多功能液压钻机：该设备能在高压大流量的情况下安全钻进，并结合止水装置能够一次性完成灌浆。

适用条件：所有工况的钻孔灌浆，但考虑设备使用的经济性及对其他工序的影响，多功能液压钻机作为国产设备的补充，可用于灌浆压力10 MPa～25 MPa的固结灌浆。

c.制浆站的设置和浆液的供应。

表2 临时制浆站主要设备配置表

在进行地下水封堵灌浆施工时，在工作面附近搭设临时制浆站、灌浆站和加工车间等，临时制浆站布置在洞侧边，宽度不超过4 m。临时制浆站的搭建一般包括水泥平台、送浆站、值班房等。

临时制浆站采用袋装水泥，制浆时拆包。根据工作点需要的比级及浆液类型制浆。临时制浆站的主要设备配置如表2所示。

4 封堵灌浆质量控制及主要安全技术措施

堵水灌浆质量控制要点有两点：钻孔布置的有效性、集中出水口及裂隙封堵。

1)钻孔布置：开孔孔位与钻孔方向需根据地质构造、裂隙通道走向的具体情况而设置，钻孔布置的合理性是影响封堵灌浆质量的关键。故针对每个集中出水点需根据情况仔细设计钻孔布置。首先根据开挖的情况判断分析地质构造，再根据初步分析的结果布置勘探孔，勘探孔需取芯，根据勘探孔的结果确认地质构造、来水裂隙通道的分布和走向，从而布置钻孔。

2)集中出水口及裂隙封堵：集中出水口及裂隙封堵的好坏直接影响浆液有效灌入和灌后结石强度，对集中出水口的封堵拟采用先进的模袋灌浆技术和索囊灌浆技术进行封堵。

5 结语

鸡公山隧道通过F1断层区段存在围岩条件差、出水量大、环境地下水异常丰富的情况，给施工带来了极大的困难。本文通过理论分析和现场调研，分析了高渗透性地层中高水头地下水在揭露后的运动特点，根据鸡公山隧道的实际情况，提出了“先加固、后封堵、先分流减压、后逐步收口”的处理原则。基于所提出的处理原则，对集中涌水封堵参数、设备选型及工艺等问题进行了分析，确定出了相关的关键技术参数。最后结合本隧道现场施工情况，提出了封堵灌浆质量标准及相关安全措施。基于鸡公山隧道F1断层地下水治理的技术可对其他类似隧道施工提供有利参考。

[1] 代永辉.高桥隧比公路项目投资估算控制要点[J].西南公路,2012(2):63-65.

[2] 曹智纲.不良地质隧道施工技术[J].工程技术(全文版)，2010(5)：54-55.

[3] 杨赛舟.地下水对隧道施工的不良影响综述[J].建筑工程技术与设计,2014(6)：89.

[4] 张立辉.试论地下水对山岭隧道施工的影响及对策[J].工程建设标准化,2014(10)：46.

[5] 信春雷.不同防排水模式对山岭隧道衬砌水压力影响关系研究[D].成都：西南交通大学,2011.

[6] 高新强.高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究[J].岩石力学与工程学报,2007(5):1080-1081.

[7] 杨会军,李丰果.深埋长大隧道地下水处理技术[J].矿产勘查,2006,9(3):63-65.

[8] 王建宇,郑 波.隧道工程高水头地下水的处治[J].现代隧道技术,2013,50(1):46-52.

[9] 王靖华.断层破碎带下穿燃气管隧道围岩变形控制及管道保护技术研究[D].成都：西南交通大学,2011.

Water inflow treatment technology for tunneling through fault zone of rich groudwater

Ji Ronghua

(CR17BGNo.1EngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030032,China)

After a principle of “plugging after strengthening, bypass flow for pressure reduction, sealing off step by step”, the parameters of construction process, equipment and quality standard were determined, with theoretical analysis and field investigation based on the situation of Jigongshan tunnel, it has accumulated some construction experience for fault-fracture zone with large flow, high water pressure and rich underground water.

tunnel, fault zone, groudwater, quality control

1009-6825(2017)07-0172-03

2016-12-19

冀荣华(1983- )，男，工程师

U453.61

A