高寒山区赛里木湖隧道穿越断层涌水带处治技术研究

崔景川，刘开之，彭文波

(1.中国交建总承包经营分公司，北京 100088；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

长大公路隧道常因地质地形原因要穿越断层破碎带，这就使隧道在开挖时容易造成涌水突泥，存在重大的安全和质量隐患，而且在隧道施工过程中，由于岩层破碎、含水量大，极易造成隧道内的坍塌。开展快速、安全、经济的隧道断层破碎带处治技术研究，已成为高等级公路建设亟待解决的关键问题[1～5]。从已有研究成果和现场积累的经验来看，目前隧道穿越断层施工过程主要从加强超前预报，超前加固及支护，适时施做二次衬砌，辅助措施等方面来控制。从目前的实施效果来看，采用以上措施都会取得一定的效果，但由于隧道工程的隐蔽性以及地质条件的复杂性，使得相关技术的应用仍具有片面性[6～15]。天山地区具有海拔高、温度低、岩体破碎、构造复杂的特点、不良地质发育，在这种特殊的自然地理环境下修建高速公路隧道，没有可资借鉴的工程实例。以前在内地高速公路隧道建设中取得的设计、施工技术经验，需要结合天山地区的情况，因地制宜研究出一套适用于新疆天山地区高速公路隧道修建的核心技术，才能更加高效的指导隧道安全、快速、节约地施工。本文结合赛里木湖隧道断层破碎带的实际情况，提出了综合施工方案，并通过现场试验详细分析了实施效果，研究成果可为类似成果提供理论指导。

1 工程概况

赛里木湖隧道位于赛里木湖南岸，隧道为分离式双向四车道隧道，上行线长1827 m，下行线长1802 m。隧道区地质条件非常复杂，具有浅埋、地质条件差、断层影响带范围广、涌水量大等难点。隧道共要经过3条断层：库松木契克断层(F1-1)穿越赛里木湖隧道进口段，在YK574+320附近与路线大角度相交，断裂带为断层角砾岩及断层泥，颜色混杂，宽约20 m；松树头断裂(F1-2)，在YK574+680附近与线路大角度相交，断裂带较破碎；F1-3断裂，在YK574+794附近通过，断裂带岩体受挤压较破碎。F1-1断层处隧道与赛里木湖纵剖面关系示意图见图1。

图1 F1-1断层处隧道与赛里木湖纵剖面关系示意/m

断裂中对隧道施工影响最大的是库松木契克断层(F1-1)，隧道开挖中随着局部径流条件的改变，赛里木湖对隧道影响加大，在施工过程中围岩稳定性极差，出现了大面积的涌水、突泥现象。赛里木湖隧道单洞开挖80 m后涌水量就超过200 m3/h，且进口端为单向下坡，因此对涌水的处理难度很大。

2 超前地质预报

选择超前地质预报的方法一般根据工程所在地的地质环境特点，比较各种地质预报方法的优缺点，依照“长、中、短相结合”的原则进行。赛里木湖隧道穿越断层破碎带时，参考设计地质情况，长距离的地质预报采用高密度电法。该方法适合赛里木湖这类埋藏深度水，围岩破碎富水的隧道。中距离的地质预报选用超前地质钻孔的方法进行，该方法具有直观、准确的特点。短距离的地质预报拟采用地质雷达、超前探孔与地质素描相结合的方法。

2.1 高密度电法

高密度视电阻率法是一种阵列勘探方法，也称自动视电阻率系统，是直流电法的发展，其功能相当于四极测深与电剖面法的结合。该方法对围岩的含水情况特别敏感，围岩破碎含水，其视电阻率明显降低，完整、坚硬岩土的视电阻率明显高于断层带或破碎带和富水带围岩的视电阻率。赛里木湖隧道F1-1断层处采用高密度电法进行超前地质预报，预报结果表明：围岩为中厚层石灰岩，弱风化，节理裂隙发育，无填充物，围岩整体稳定性较好，但该地段地下水量有明显增多趋势，水质清澈，一般在开挖钻孔后呈喷射状涌出，水平喷射距离达2～2.5 m，但在随后1～2 h后衰减，呈股状涌出，水量基本稳定下来，现在左右线涌水量估算在12000～15000 m3/d范围。

2.2 超前水平钻

超前水平地质钻探预报是目前施工预报最有效方法之一。钻孔主要布置在开挖面及其附近，既可在超前导洞内布置钻孔，也可在主洞工作面上进行钻探。赛里木湖隧道在施工到富水断层带时采用超前水平地质钻法进行了地质预报。

根据钻进速度、钻压变化情况及钻碴成份判断，前方围岩的性质同目前掌子面近似，属中硬质灰岩；根据转速、卡钻现象判断，前方围岩为中厚层产状、弱风化、节理裂隙发育但无泥质填充物；地下水比较丰富，以裂隙水为主，承压特征不明显，钻进结束后测孔口涌水量为23.5 L/(m·min)，钻孔2 h后测涌水量为13.1 L/(m·min)，4 h后测涌水量为12.9 L/(m·min)，其后无明显衰减(图2)。

图2 现场钻孔岩芯与涌水

2.3 地质雷达探测

地质雷达是利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置的电磁技术。赛里木湖隧道全程采用地质雷达进行探测，其预报准确度达到80%以上。

2.4 超前探孔与地质素描

在进入断层影响带的施工过程中，采用超前探孔和地质素描对前方3～5 m的地质情况进行预判，根据这些钻孔的钻进速度、是否卡钻、岩粉颜色、出水情况等判断前方3～4 m范围的围岩情况，以便及时采取措施。地质素描是对开挖面的地质情况如实而准确的反映。素描的主要内容包括地层岩性、构造发育情况(含断层、贯穿性节理、夹层或岩脉)、地下水的出水状态、围岩的稳定性及初期支护采用的方法等。

3 隧道穿越断层破碎带施工方案

为了保证隧道能顺利通过库松木契克断层(F1-1)，结合赛里木湖隧道施工现场涌水实际情况，经比选研究，选用周边超前帷幕注浆+加密加长超前小导管支护+型钢钢架及锚网喷支护+径向注浆的综合施工方案。即首先采用周边深孔超前注浆对开挖轮廓线外5 m范围进行注浆堵水，固结围岩，开挖前在拱部120°范围内施作φ42超前小导管，上台阶采用留核心土环形开挖法施工，严格控制每循环开挖进尺在60 cm之内，及时架设型钢钢架，配合锚网喷支护。下台阶分左右两侧交替开挖支护，及时封闭成环。在初期支护完成后，对于没有采用帷幕注浆堵水的断层影响段采用径向注浆对周边围岩进一步注浆堵水，确保长期运营中的堵水效果。

3.1 周边超前帷幕注浆

周边超前帷幕注浆是通过布置一些注浆孔，然后注入按照一定比例配置而成的浆液，浆液渗透到破碎围岩孔隙中，使得周边破碎岩体固结成具有一定强度的结石体，在隧道周边以及掌子面前方形成一个加固区，切断地下水的流动线路，从而达到固结围岩和止水的目的。

3.1.1 注浆加固范围与扩散半径

一般来讲，注浆加固范围在隧道掌子面以及开挖轮廓线外(0.5～1.0)D(D为隧道开挖宽度)，此次注浆设计方案加固范围为开挖轮廓线外5 m。浆液扩散半径都是根据施工经验取值，此次设计方案取浆液扩散半径为1.5 m。

3.1.2 注浆压力

注浆压力与地层的破碎程度、强度、初始应力以及打孔位置的准确性密切相关，在现场施工中很难确定一个明确的压力值，只能在注浆过程中通过现场试验和经验来逐步调整，本次注浆采用逐步提高注浆压力保证注浆终压大于孔内静水压力1～1.5 MPa。

3.1.3 注浆孔布置

周边帷幕超前注浆一次注浆长度为35 m，每次开挖28 m，留7 m作为下一循环注浆止浆盘用，孔径75 mm，孔口管长L=3 m，管径95 mm，壁厚5 mm。注浆孔共6环，上半断面每环之间间距60 cm，下半断面逐渐缩小至50 cm，孔口环向间距60 cm。施工前对每一个注浆孔进行编号，计算好钻孔位置和方向，准确测出放孔口位置。注浆孔布置纵剖面见图3。

图3 注浆纵剖面孔位示意/cm

3.1.4 注浆材料

该隧道的断层破碎带按注浆机理划分属于充填注浆，根据前期局部注浆堵水经验掺加适量速凝剂的水泥浆。

3.2 加密加长超前小导管支护

超前小导管注浆可使浆液注入软弱破碎围岩裂隙中，经过一定时间的固结作用，将原来破碎的围岩重新形成具有一定自稳能力的“固结体”，增强软弱、松散围岩的稳定性，有利于隧道开挖与初支系统尚未发挥作用这段时间内围岩不至失稳破坏。该隧道实际施工中，小导管选用φ42热扎无缝钢管，壁厚3.5 mm，长度5 m，沿隧道开挖轮廓线120°范围布设，按照纵向间距1.5 m，环向间距30 cm，外插角6°来安设，超前小导管横断面示意图见图4。

图4 超前小导管横断面示意/cm

3.3 型钢钢架及网喷支护

断层破碎带围岩具有强度低、稳定性差等特点，隧道开挖后，由于水平地应力大使得围岩向临空面挤压现象严重，围岩会发生大的变形及位移。掌子面开挖后，大面积暴露的岩体在空气和水分的潜蚀作用下迅速风化潮解，围岩稳定性进一步变差。因此，穿越断层破碎带时，初次支护结构一定要满足支护及时快速发挥作用和能提供足够的承载力保证支护强度两方面的要求。型钢作为隧道初次支护主要的受力结构，具有承载力强，伸缩性良好，发挥作用快等特点。在掌子面开挖后，型钢钢架及网喷混凝土紧跟开挖工作面施工，及时封闭掌子面提供支护抗力，确保隧道开挖顺利进行。这样加密加长的小导管、型钢钢架加上锚喷网形成一个稳固的综合支护体系，对于提高围岩稳定性，抑制围岩变形有良好的效果。

3.4 径向注浆堵水

对于采用周边超前帷幕注浆隧道开挖后仍然有大面积的渗水或围岩强度较低时，采用径向注浆堵水进一步加固围岩。径向注浆堵水选用管材为φ42热扎无缝钢管，壁厚3.5 mm，长度5 m，按照纵向间距1 m，环向间距60 cm(外间距约108 cm)，每环60根来布设，施工示意图见图5。

图5 全断面径向注浆示意/cm

4 支护可靠性和围岩稳定性评价

4.1 监控量测实施方案

为了分析穿越断层破碎带技术方案的合理性，分别选取断层主带的A断面(YK574+340)和断层影响带的B断面(YK574+600)进行了初期支护收敛、拱顶下沉、初期支护围岩压力、混凝土应力等监测，监测断面测点布置图见图6。

图6 监测断面测点布置

4.2 围岩变形量测结果与分析

断面A位移随时间变化曲线见图7，A、B两断面的位移量测结果见表1。

表1 A、B两断面位移量测结果

图7 断面A位移-时间曲线

从图7可以看出，断层主带A断面自上台阶开挖至仰拱施工完成围岩变形作用显著，拱顶下沉值始终大于水平收敛值；仰拱施工完后水平收敛两条测线监测值相差不大，这说明施工仰拱使初期支护封闭成环，拱脚处因应力集中产生的巨大水平推力可以顺势传递到仰拱，有效改善了初期支护的受力形式，仰拱封闭时位移占实测位移的比例大都在70%以上。因此，断层破碎带仰拱应超前施工使支护结构及早成环有利于保持围岩稳定。

从表1可看出，断层主带A断面的拱顶下沉以及两条测线水平收敛的累计变形和最大变形速率均大于断层影响带B断面，这说明断层主带围岩变形量较断层影响带大。从数值上来看，两个断面拱顶下沉累计变形最大为13.82 mm,没有超过公路隧道施工规范的相关规定，拱顶下沉的最大变形速率1.5 mm/d也在规范允许的范围之内，这反映出采用周边超前帷幕注浆+加密加长超前小导管支护+型钢钢架及锚网喷支护+径向注浆综合施工方案穿越库松木契克断层(F1-1)达到了预期效果，有效控制了围岩的变形。

4.3 支护应力量测结果与分析

4.3.1 初期支护压力

A、B断面初期支护压力分布见图8。

图8 初期支护压力分布/MPa

从图8可以看出，A断面初期支护压力值在各监测点处均明显大于B断面，这说明断层破碎带围岩承载力低，作用在初期支护上的压力值大，在穿越断层带时需提高支护强度来确保支护结构安全。A、B监测断面初期支护压力最大值都出现在左侧拱肩处，这反映出断层带围岩性状不一，经常会出现隧道承受偏压荷载状况，在围岩较差部分容易形成压应力集中区,恶化隧道荷载形式。总体来看，围岩压力量值不大，这也体现了本文处治方案效果明显。

4.3.2 初期支护应力

A、B断面初期支护混凝土应力分布见图9。

图9 初期支护混凝土应力分布/MPa

从图9可以看出，断面A初期支护混凝土应力最大值出现在拱顶处，最大值为1.05 MPa，这与断层带顶部围岩产生压应力集中相符。右侧拱肩处混凝土压力出现负值，是由于隧道承受偏压荷载左侧的围岩压力大于右侧的围岩压力使得整个支护结构向左侧发生倾斜，右侧混凝土因此承受拉应力，但该值并未超过C20喷射混凝土的抗拉强度，初期支护结构安全。断面B初期支护混凝土应力分布相对比较均匀，最大值出现在隧道拱顶处。总体来看，初期支护内力量值不大，这也体现了本文处治方案效果明显。

5 结 语

本文针对高寒山区赛里木湖隧道穿越断层破碎涌水带出现了大面积的涌水、突泥现象，通过现场试验分析得出以下结论：

(1)针对赛里木湖隧道断层破碎涌水带的实际情况，为提高围岩强度，降低围岩的透水性能，预防突水涌泥灾害,提出了周边超前帷幕注浆+加密加长超前小导管支护+型钢钢架及锚网喷支护+径向注浆的综合施工方案。通过该方案的实施，解决了断层破碎带易塌方、施工难以推进的问题，防止了涌水突泥灾害的发生。

(2)现场净空收敛与拱顶下沉监测结果表明，方案实施后隧道断面净空收敛和拱顶下沉稳定速度较快，变形最大值与最大速率均在公路隧道施工规范允许范围之内。

(3)应力量测结果表明，综合方案实施后，围岩压力量值不大，初期支护内力较小，表明本文提出的处治方案效果明显。