隧道穿越强涌水大断层对地表失水影响及堵水措施

徐学渊，索朗，刘熙

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

0 引言

在地下水位处于高位并且地质条件富水的状况下，进行隧道项目掘进时，经常对地下水使用止水、降水等管控措施。虽然采取了一些措施，然而挖掘作业面经常会出现地下水涌出问题，地层由于水分的缺少而难以避免地下沉。因此，在富水地层中进行非降水隧道开挖施工时，需要采取更多的堵水措施[1]。

1 案例环境条件

1.1 地形地貌

大坪地隧道位于杨林盆地北东侧，由北东向南西由寨子村穿越一系列条形低中山至大刀地南东侧山坡，山脉走向呈北东～南西向，沿山脉走向发育有宽数十米～数百米的长条形山间沟谷地貌，沟谷底部较平缓开阔，坡麓自然斜坡较陡，地表冲沟为地表水和地下水统一排泄通道。

1.2 地质构造

隧址区南北向控制性断裂为著名的小江活动断裂，并分为东西两支，小江断裂在其发展过程中曾经历了张、压、扭的不同力学性质转化。隧道穿越的小江断裂东支由6 支大致平行或分支复合的逆冲断层组成的冲断构造带，其中普家屯～哈螃沟大断层破碎带宽、富水性强，是隧道开挖发生突水涌泥工程地质问题的控制性断层。

1.3 水文特征

1.3.1 地表水

测量区域的地表水大部分是山间沟水，水量并不大，降雨季节沟中水量显著增多，大多为2～3L/s，地表水不发达，流量伴随季节而变化。隧道于DK1104+420处穿过沿普家屯—哈螃沟大断层，地表为一水沟，测绘时为雨季，流量6500m3/d。沿沟槽呈带状分布一系列泉点，为村民饮用和灌溉均使用泉水，地表调查共找到6 个泉点（编号SH1～SH6），SH1 和SH5 泉点位于断层破碎带内，SH6 距隧道超过3km，标高较低。水量最大的SH4 号泉点流量约172m3/d，该泉点供春雷山泉水公司取水和林家村饮用，泉水公司日产700 桶18.9L的桶装水。

1.3.2 地下水

隧道从各种时期形成的地层中穿过，依据隧道所在地区岩性特点、水力特点、水理情况、地下水储存环境，可以把隧道建设区域地下水分为第四系松散孔隙水、基岩裂隙水和断层构造水3 种类型，第四系松散孔隙水、基岩裂隙水水量小，对隧道开挖影响较小，富水断层构造水是隧道开挖突泥涌水的主要工程地质问题。

1.3.3 大断层强涌水

受小江断裂影响，隧址区岩体破碎，断层带的岩体更为破碎，多为断层角砾、断层泥等，松散的岩块具有良好的储水性和导水性，当断层规模大、地表水系发育、切穿多个含水层并与之产生水力联系时，破碎带储水能力就会相当可观，隧道开挖会发生强涌水病害。

大坪地隧道洞身主要为软质岩，受构造影响，岩体极破碎，容易出现坍方，以普家屯～哈螃沟大断层段为甚，该段下穿沟槽，断层长期受水浸泡，极其容易出现突水突泥和坍方[2]。

2 隧道开挖涌水及地表水漏失

2.1 隧道开挖涌水

2013 年2 月大坪地隧道2# 斜井小里程施工至D1K1104+598，揭示地层岩性为寒武系下统沧浪铺组粉砂质页岩、粉砂岩，开挖后，隧道发生强涌水。自日涌水发生后，测定洞内涌水量约为6500m3/d，约一周后水量衰减至约5200m3/d。自涌水发生以来，线路右侧股状水颜色一直为黄色，有浑浊物，但线路左侧水平钻孔内流水为清水。

2.2 地表水漏失

洞内发生用水后对地表溪流、泉点进行调查发现：地表溪沟断流，林家村老黑龙水源点（SH4）水量逐渐减小，于21 日完全干涸，春雷矿泉水厂停产；徐家村水塘水源点（SH5）自涌水后至2 月27 日水量一直平稳，2月27 日—3 月2 日，水塘水位下降4cm，其余3 个水源点（SH1～SH3）未受影响，水量平稳。

3 失水原因分析

结合隧道开挖和地表调查，隧道洞身D1K1106+000—D1K1104+100 段为寒武系下统沧浪铺组粉砂质页岩、粉砂岩，地表在D1K1104+940 附近穿越老东山挤压破碎带，根据施工于D1K1104+800 揭示该挤压破碎带宽约2m，隧道小里程端DK1104+020 将穿越普家屯—哈螃沟大断层，老东山挤压破碎带与普家屯—哈螃沟大断层在马龙县取水点附近相交，形成一楔形储水构造，含水体主要为寒武系砂岩，普家屯—哈螃沟断层为一压性逆冲断层，断在志留系和寒武系之间，寒武系逆冲在志留系地层上面，上盘靠近断层带已经糜棱化或泥化，断裂带本身不富水，断层附近出露的泉点SH4、SH5、SH6，均位于楔形体内，断层上盘（楔形体）的砂岩受构造影响，岩体破碎，裂隙发育，富水，楔形体在马龙县取水点附近收口，地下水受阻后排泄不完，从该处冒出，线路附近几个大的泉点排泄系统均相同，由南西往北东排泄[3]。

4 堵水处理措施

4.1 注浆方式

浆液灌注大致有以下3 种方式。

第一种，超前预注浆。依据地质整体研判，在掌子面前面具有高压富水区、有较高突涌水概率，亦或水压处于较低水平然而围岩不牢固、岩体架构不稳定、挖掘会致使岩壁不牢固导致涌水的情况时，使用超前帷幕浆液灌注方式。

第二种，掘进后全断面径向浆液灌注。依据超前探水和地质整体研判结论，若岩体比较齐整、岩体架构能够确保挖掘安全、水压数值不高、水量恰当，采用掘进后对洞周边岩体径向灌注浆液的方式。

第三种，局部注浆。可以细分为掘进后局部注浆、局部超前预注浆等类型，应当依据真实情况选择。

4.2 注浆方案初选原则

根据超前预测预报资料，预测掌子面前方具有压力较高的水量较大的区域，并且依据探孔资料可知，若掌子面涌水总量在每小时10m3以上，或者掌子面涌水总量尽管每小时在10m3以下，然而特殊探水孔的出水量超过2m3/h，应当采取预处理措施，根据超前地质预报、现场实际情况及结合隧道洞身岩性决定设置止浆墙的厚度，为后续处理提供安全保障。注浆方案选择如图1 所示。

图1 注浆方案选择

超前探孔单孔出水量大于3m3/h，判定有局部突水可能，则采取超前局部注浆；超前探孔有2/3 孔满孔且总出水量大于15m3/h，判定全断面出水量大于15m3/h，判定全断面有突泥涌水可能，则采取超前帷幕浆液灌注方式[4]。

（1）依据超前探孔有关信息，若掌子面前面大范围出水，并且总涌水量在10m3/h 以上，采用全断面超前帷幕浆液灌注方式。浆液灌注加固圈应当参考第四强度理论确定具体的厚度，如式1 所示。

式中：E——注浆加固圈计算厚度，m；R——隧道毛洞半径，m；P——最大静水压力值，MPa；σ——注浆加固体综合强度抗压，MPa。

根据现场测得最大静水压力确定注浆加固圈厚度。设计根据探孔反馈的水压信息，对加固圈厚度、注浆孔布置随时进行调整，以保证更有效地注浆堵水并节约投资。

所有的帷幕注浆操作，浆液灌注段落长度通常在25～27m，若长度过长，则浆液灌注孔长度增大，施工不便，会导致施工效率低下。

（2）掌子面涌水总量尽管在10m3/h 以下，然而部分探水孔的出水量超过2m3/h，应当采用超前局部预注浆方式。

（3）岩体无缺失、局部出水的情况下，只对出水位置进行局部浆液灌注。

（4）浆液灌注后流量依旧超出排水量、浆液灌注固结圈整体渗透系数在设计数值以上亦或依旧有部分出水点的情况下，进行补注浆操作。

实际的注浆方式，依据地质状况进行选择和调整。

4.3 注浆设计参数

（1）浆液扩散半径按2.5m 考虑。

（2）注浆孔布置如下。

浆液有效注入范围根据不同的情况采取不同的加固范围，每一循环长度27m，对于不同的水压对应不同的止浆岩盘，当预（实）测水压大于1.5MPa 时，开挖20m，留7m 作为止浆岩盘；当预（实）测水压为1.0MPa～1.5MPa 时，开挖21m，留6m 作为止浆岩盘；当预（实）测水压为0.5MPa～1.0MPa 时，开挖23m，留4m 作为止浆岩盘；当预（实）测水压小于0.5MPa 时，开挖24m，止浆岩盘留出3m；浆液灌注孔底部间隔距离为3m，周围帷幕注浆确定三环，封堵钻孔设定为一环。

（3）注浆压力。设计浆液灌注压力为实际水压力的2～3 倍。

4.4 注浆材料

注浆材料使用水泥水玻璃双液浆，配制比根据实际地质情况及注浆的不同时段试验确定。

4.5 注浆完成指标

（1）单孔完成指标。浆液灌注压力逐渐增高到设计标准，且持续灌注10min 以上；注浆完毕后浆液灌进量在20L/min 以下；检查孔涌水量在0.2L/min 以下；检查孔钻取岩芯，浆液充分填充。

（2）全段完成指标。全部的浆液灌注孔都应当满足单孔完成要求，不存在漏浆问题；注浆后涌水量在1m3/d以下；浆液有效注入范围大于设计值；预估岩体在灌入浆液后能够在掘进施工时维持洞壁稳固。

4.6 注浆施工流程

（1）在水量较大的施工段使用超前地质勘测等方式后，得到如综合渗透率、岩体抗压性能、水压、裂隙率、围岩等级、涌水量、岩溶发育特点等有关材料与系数。

（2）选择注浆方式。预估存在突水突泥概率，采用超前预注浆的方式：浆液灌注后，评估掘进后围岩自身稳定状况，如果无法保持稳定，进行预注浆，如果能够维持稳定，则实施挖掘作业。挖掘后查看水量、水压与要求一致与否，如果与要求不符，则采用掘进后径向注浆方式。预估掘进后围岩有自身稳定性能，并且水压不高、水量也不大，采用开挖后灌注浆液的方式，依据岩体综合渗透率的高低，设定注浆范围与渗透率。

（3）在灌注浆液时，应当依据现场真实状况对浆液配制比与凝胶时长进行调节。

（4）注浆效果评判，达到单孔和全段结束标准。

4.7 注浆工艺要求

（1）浆液灌注前，在近似地质状况下的岩层实施注浆实验，基本了解浆液配制比、凝胶时长、注浆最终压力、注浆量等数据。

（2）应科学确定孔口位置，和设计要求的偏差不超过5cm，偏角也应当达到设计标准，每钻进一段，便进行一次检查，第一时间修正，孔底部位置偏差应当在30cm以内。

（3）浆液灌注孔的开孔直径应当在108mm 以上，终孔直径应当≥90mm。

（4）钻孔与浆液灌注都应当采用先外部后内部的方式，同个圈孔分开作业。

（5）周围帷幕注浆孔可选择前进式，也可选择后退式，如果对孔进行封堵，应当选择后退式。

（6）孔口位置配备3m φ108mm 浆液灌注管，埋设稳固，且有有效的止浆设备。

（7）一个孔段的浆液灌注施工通常应一次性完成，中间不可中断，应当尽可能防止由于水、电、机器等方面的因素导致灌注无法连续完成。对于间歇性浆液灌注，应当在对钻孔进行彻底清洁后再进行灌注[5]。

5 结语

综上所述，在小断面隧道施工中所面临的难题之一是水的问题，水不仅影响工作面的安全，同时也对地面构筑物及地表有一定的威胁，如何在隧道穿越强涌水大断层时减少地表失水影响是施工的关键。通过文章的分析及实践证明，在富水岩层采用径向注浆注浆堵水技术是行之有效的，不但保证了支护与衬砌的高效率施工，并且减小了地下水与地表水流失的程度，对全线其他标段起到了一定的借鉴作用。