肖海苑，羅發(fā)勝，李 彬

(保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣州 511431)

隧道涌突水災(zāi)害是隧道施工常遇到的地質(zhì)災(zāi)害之一[1]，一旦發(fā)生便嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度，甚至釀成事故，導(dǎo)致重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。若當(dāng)隧道毗鄰水庫并穿過斷層破碎帶、且水庫與斷層破碎帶之間存在水力聯(lián)系時(shí)，隧道開挖有可能誘發(fā)涌突水事故發(fā)生，這對(duì)隧道施工將產(chǎn)生極其不利影響，會(huì)增加隧道施工極大難度；同時(shí)一旦發(fā)生隧道涌突水，水庫庫容水和地下水經(jīng)由斷層破碎帶通過隧道排出，一方面會(huì)減少水庫庫容量，影響水庫正常蓄水，另一方面會(huì)導(dǎo)致地下水水位下降，極大影響隧址區(qū)周圍水文地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，要加強(qiáng)工程預(yù)防措施，力求避免這種情況。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道涌突水進(jìn)行了大量研究，提出了毗鄰水庫下隧道涌突水的處治技術(shù)與措施。徐前衛(wèi)等[2]通過有限元分析確定了預(yù)加固的必要性，并通過施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了預(yù)加固方案的合理性。張強(qiáng)、賈文冬、常立軍等[3-5]就影響隧道施工及圍巖穩(wěn)定性的因素諸多，通過方案優(yōu)化，采取多種措施保證工程質(zhì)量和施工安全。鄧海峰、王肖文、張紅衛(wèi)、祝志義、柴國輝、康志鵬、李彬等[6-12]結(jié)合隧道近接或穿越水庫和隧道穿越強(qiáng)涌水大斷層的工程案例，提出了有效帷幕注漿技術(shù)。雷明林、王文章等[13-14]對(duì)隧道斷層破碎帶注漿加固技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了有效的加固技術(shù)措施。

注漿技術(shù)在處治隧道穿越強(qiáng)涌突水大斷層破碎帶時(shí)得到了較多應(yīng)用。為保證斷層破碎帶圍巖的穩(wěn)定性，不同學(xué)者[6-12]采取如分段漸進(jìn)注漿技術(shù)、超前注漿技術(shù)等不同注漿技術(shù)進(jìn)行加固處理，保證了施工的順利進(jìn)行。張紅衛(wèi)、祝志義等[8-9]分別探討了注漿施工的參數(shù)及其工藝，為后續(xù)注漿施工提供了經(jīng)驗(yàn)。王文章[14]介紹了注漿加固圍巖的原理。王全勝[15]采用不同方法得到了不同圍巖下的合理注漿范圍。

本文結(jié)合某隧道穿越毗鄰水庫下斷層破碎帶涌突水特點(diǎn)，開展毗鄰水庫隧道斷層破碎帶涌突水災(zāi)害機(jī)理及限制性防排水注漿防治技術(shù)措施研究，確保隧道順利施工和安全運(yùn)營，供相似地質(zhì)情況下隧道的設(shè)計(jì)和施工參考。

1 毗鄰水庫下隧道斷層破碎帶涌突水機(jī)理

1.1 隧道涌突水概況

某特長(zhǎng)隧道右洞長(zhǎng)6 350 m，左洞長(zhǎng)6 336 m，設(shè)計(jì)速度100 km/h，為雙向4車道高速公路隧道，單洞建筑限界凈寬11 m，隧底標(biāo)高239 m～344 m，最大埋深約739 m。隧道穿過中低山地貌區(qū)，山體植被發(fā)育，水系發(fā)育，分布有2座水庫。其中一座水庫位于擬建隧道K91+000～K91+300段左側(cè)約440 m～550 m。該水庫壩頂高程約720 m，壩底高程約為686 m，最大蓄水深度約32 m，最大庫容約為25×104m3，為沿峽谷建造的狹長(zhǎng)型微型水庫。該段隧道設(shè)計(jì)高程約為272 m～280 m，高程差約448 m。水庫與隧道位置關(guān)系如圖1所示。

隧道開挖至K91+160后，右線右側(cè)拱腰以下部位開始出現(xiàn)涌流狀出水；掌子面開挖至K91+166附近后，出水逐漸增大，出水范圍擴(kuò)大至半個(gè)斷面，由右側(cè)向中部發(fā)展。在隧道周邊眼鉆孔時(shí)，拱頂偏右約1 m位置的鉆孔有壓力水噴出；掌子面開挖至K91+169后，約2/3掌子面較富水，多處出現(xiàn)涌流狀出水，原出水孔變?yōu)楣绊斢苛鳡畛鏊?。?jīng)初步測(cè)算，出水量約為450 m3/h。掌子面停止開挖，在掌子面右側(cè)拱腳以上約2 m處進(jìn)行超前探水作業(yè)，超前鉆探在鉆入約16 m時(shí)，出現(xiàn)較大壓力水噴出，掌子面出水量大增，鉆入約17 m時(shí)，高壓水將超前水平鉆機(jī)頂翻，如圖2所示。因存在施工風(fēng)險(xiǎn)，左右洞施工人員全部撤離出洞外，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)出水量約1 400 m3/h。

圖1 毗鄰水庫與隧道位置關(guān)系示意

圖2 隧道右洞K91+169超前水平鉆進(jìn)探水

1.2 涌突水機(jī)理

1) F4-5斷層破碎帶是隧道涌突水通道

(1) 隧道圍巖

隧道進(jìn)口淺埋段主要是坡殘積粉質(zhì)粘土和全-強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖組成，局部為中風(fēng)化巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，遇水很容易軟化，開挖易變形坍塌。洞身段圍巖主要是中-微風(fēng)化安山玢巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，Ⅳ級(jí)圍巖巖體破碎，自穩(wěn)能力較差；Ⅲ級(jí)圍巖巖體較完整，具有較好的自穩(wěn)能力。

(2) F4-5斷層特點(diǎn)

F4-5斷層破碎帶約以40°～50°角自北西向南東通過擬建隧道，并斜切山間池塘及水庫，如圖1所示。隧道K91+200處見F4-5斷層破碎帶出露，寬約6 m～10 m，傾向245°，傾角84°，在水庫北岸山溝見斷層破碎帶面，斷裂面傾向60°～90°，傾角為66°，上盤見寬約4 m的斷層破碎帶角礫巖，下盤巖石致密，主裂隙產(chǎn)狀為75°∠41°，次裂隙產(chǎn)狀為150°∠81°、220°∠83°。

(3) F4-5斷層導(dǎo)水性

前期地質(zhì)勘察成果顯示：該斷層破碎帶為張性正斷層破碎帶，斷裂面多呈陡直狀，主要由輝綠巖脈、塊狀石英脈、斷層破碎帶角礫巖、碎裂巖、硅化破碎火山巖等組成，局部片理裂隙密集發(fā)育。路線勘察鉆孔XSZK21 在54 m～54.6 m、55.5 m～56.6 m、74.4 m～75 m 段分別揭露出斷層破碎帶。在247 m～248 m 揭露了F4-5斷層破碎帶，巖芯破碎，水蝕現(xiàn)象強(qiáng)烈，具黃鐵礦化并見有石英碎塊，F(xiàn)4-5斷層破碎帶揭露后，鉆孔漏水嚴(yán)重，孔內(nèi)不返水，沖洗液漏失量約為 2 m3/h，靜止水位埋深約為 110 m(高程約為 720 m)，略高于水庫水面高程(約為 715 m)，表明F4-5斷層破碎帶與水庫存在水力聯(lián)系，鉆孔246 m 附近揭露的斷層破碎帶應(yīng)為F4-5斷層破碎帶。連通試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)4-5斷層破碎帶為水庫與擬建隧道之間的導(dǎo)水通道。

2) 毗鄰水庫為隧道涌突水主要水源

隧道中的涌突水水流清澈，幾乎不含有泥砂等雜質(zhì)，且涌突水量呈緩慢增大趨勢(shì)，可推測(cè)有充足的地下水補(bǔ)給。為確定毗鄰水庫是否為隧道涌突水的地下水補(bǔ)給水源，隧道涌突水期間對(duì)水庫蓄水位進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)水庫每d出現(xiàn)了大于1 m的水位下降，結(jié)合前期地質(zhì)勘測(cè)的結(jié)論，可推斷水庫為隧道涌突水的主要水源，水庫與F4-5斷層破碎帶相連，為涌突水提供了充足的水源，造成地表水大量涌入隧道，形成隧道的涌突水。

3) 高水位及隧道開挖的擾動(dòng)破壞

前期地質(zhì)勘察說明，自然狀態(tài)下F4-5斷層破碎帶導(dǎo)水性差-中等。隧道開挖破壞了斷層破碎帶與掌子面之間的巖層，揭露了F4-5斷層破碎帶，為涌突水提供了排泄出口；同時(shí)在地下水的持續(xù)沖刷下，引起斷層破碎帶導(dǎo)水性的劇烈變化，改變了隧道圍巖層中的滲流場(chǎng)，成為擬建隧道與水庫間的重要導(dǎo)水通道。

隧道施工期間水庫水面高程約為715 m，與該段隧道設(shè)計(jì)高程272 m～280 m高差約為435 m～443 m，水頭差極大。高水壓更有利于地下水的滲流和沖刷，引起巖體裂隙展開和水道的疏通，加大F4-5斷層破碎帶段隧道涌突水事故的幾率。

F4-5斷層破碎帶段的隧道涌突水，不僅對(duì)隧道施工產(chǎn)生不利影響，增加隧道施工難度，還因水庫庫容水和地下水經(jīng)由斷層破碎帶通過隧道排出，一方面會(huì)減少水庫庫容量，影響水庫正常蓄水；另一方面會(huì)導(dǎo)致地下水水位下降，影響隧址區(qū)周圍水文地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境變化。因此必須采用有效技術(shù)措施進(jìn)行隧道涌突水的防治，從而確保隧道施工期間的安全和后期運(yùn)營安全。

2 限制性防排水注漿方案

2.1 注漿圈層參數(shù)確定

限制性防排水注漿是采用注漿技術(shù)進(jìn)行隧道圍巖注漿防滲加固處理，形成隧道襯砌結(jié)構(gòu)外圍注漿圈層，通過調(diào)整注漿圈層的厚度Zg、圍巖滲透系數(shù)k2及注漿體滲透系數(shù)kg，控制隧道排水量及作用在襯砌上的外水壓力，避免因排水過度或襯砌外水壓力過大對(duì)生態(tài)環(huán)境和隧道結(jié)構(gòu)安全造成影響。

假定隧道圓形孔洞處于含水層中，限制性防排水注漿圈層理論分析模型如圖3所示。其中，r0為隧道孔洞內(nèi)徑，r1為襯砌外半徑，rg為注漿圈層外半徑，h0為隧道內(nèi)徑r0處地下水水頭高度，h1、hg分別為半徑r1、rg處的水頭高度，H為地下水頭高度，r2為水頭高度H所在的半徑。

假設(shè)襯砌、注漿圈和圍巖均為各向同性均質(zhì)體，地下水滲流滿足滲流連續(xù)性方程和Darcy定律。

滲流連續(xù)性方程柱坐標(biāo)表達(dá)形式為：

(1)

根據(jù)Darcy定律，斷面流量v可表示為：

(2)

為了能夠?qū)λ淼烂垦用着潘縌、作用在襯砌上的外水壓力P1及作用在注漿圈層上的外水壓力Pg進(jìn)行合理分析，消除不確定因素，保證計(jì)算的可靠性，作以下假度：1) 地下水為穩(wěn)定流，且含水層及流體不可壓縮；2) 水只沿隧道徑向滲流；3) 水流以隧道軸線為對(duì)稱軸；4) 引入模型邊界條件，進(jìn)行積分求解；5) 不考慮流速的影響，用襯砌、注裝圈以及圍巖邊界條件分別為：

(3)

圖3 圓形隧道簡(jiǎn)化示意

由此可推導(dǎo)出隧道每延米排水量Q、作用在襯砌上的外水壓力P1和作用在注漿圈層上的外水壓力Pg：

(4)

P1=γwh1

(5)

Pg=γwhg

(6)

式中：k1為襯砌滲透系數(shù)；k2為圍巖滲透系數(shù)；kg為注漿圈滲透系數(shù)。

根據(jù)隧道地質(zhì)勘探報(bào)告，圍巖、襯砌滲透系數(shù)如表1所示。為便于分析，圍巖滲透系數(shù)k2與注漿圈滲透系數(shù)kg的比值定義為注漿圈層滲透系數(shù)比n=k2/kg。假設(shè)隧道為圓形，隧道等效半徑取r0=6.0 m，襯砌外徑r1=6.5 m，隧道施工期間水庫水面高程約為715 m，該段隧道設(shè)計(jì)高程約為272 m～280 m，高差約為435 m～443 m，因此地下水頭高度H取440 m。

表1 滲透系數(shù)

根據(jù)限制性防排水注漿圈層理論分析模型、滲流連續(xù)性方程和Darcy定律推斷計(jì)算，并綜合本隧道地質(zhì)勘探報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本隧道限制性防排水注漿圈參數(shù)為：注漿圈厚度Tg=8 m，滲透系數(shù)比n=70～100，注漿圈滲透系數(shù)kg=(1.4～2.0)×10-3m/d。

2.2 注漿材料配比

根據(jù)隧道地質(zhì)勘查資料及超前預(yù)報(bào)(地質(zhì)雷達(dá)和紅外探水)結(jié)果，綜合考慮注漿工藝和經(jīng)濟(jì)效益等因素，注漿材料采用普通硅酸鹽水泥單液漿+HPC外加劑為主，水泥水玻璃雙液漿為輔。配比參數(shù)：水灰比(0.8～1)∶1，HPC摻量為15%～20%；水泥采用C42.5普通硅酸鹽水泥，水泥細(xì)度要求通過80 μm方孔篩的篩余量不大于5%；水玻璃濃度采用 30～45波美度。

2.3 超前帷幕注漿設(shè)計(jì)

1) 注漿設(shè)計(jì)流程

注漿設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 注漿設(shè)計(jì)流程

2) 布孔

注漿孔布置時(shí)，遵循均勻布孔、梅花型布孔、兩圈孔、方便施工等原則。

3) 注漿段長(zhǎng)及止?jié){巖盤、混凝土止?jié){墻厚度的確定

根據(jù)工程地質(zhì)、水文條件和鉆機(jī)能力(效率)，為保證注漿質(zhì)量，超前預(yù)注漿每一注漿段長(zhǎng)度取為30 m～50 m。

為防止未注漿段地下水涌向工作面及下段注漿時(shí)跑漿，一般情況下，如工作面巖層較完整，可利用巖層作為止?jié){巖盤；若工作面巖層破碎，或地下水壓力較大，則除利用巖層作為止?jié){巖盤外，還須灌注混凝土墻作為止?jié){墻，保證注漿效果和節(jié)約注漿成本。

止?jié){巖盤厚度應(yīng)根據(jù)巖石的抗剪強(qiáng)度和裂隙發(fā)育程度以及保證下段注漿有設(shè)置止?jié){塞的位置加以確定，防止在鉆進(jìn)時(shí)孔口附近涌水而無法止?jié){。

止水巖盤厚度可參考下式確定：

(7)

式中：B為止水巖盤厚度，m；p0為注漿最大壓力，MPa；D0為注漿段毛洞寬，m；[J]為巖石的允許抗剪強(qiáng)度，MPa。

止?jié){巖盤厚度可以按公式(7)計(jì)算，考慮到F4-5斷裂帶和毗鄰水庫的影響，止?jié){巖盤厚度取為5 m。

4) 注漿帷幕厚度B1

注漿范圍的選取，須綜合考慮地質(zhì)條件、水壓力、注漿效果、注漿成本和注漿工期等確定，一般正洞為5 m～8 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，F(xiàn)4-5斷裂帶注漿帷幕厚度取為B1=8 m。

5) 注漿段長(zhǎng)度

注漿段長(zhǎng)度(L注)與地質(zhì)條件、鉆機(jī)能力、注漿工藝有關(guān)。根據(jù)國內(nèi)的施工現(xiàn)狀，一般取30 m～50 m，搭接長(zhǎng)度(L留)可取帷幕厚度(B1)。F4-5斷裂帶帷幕注漿單循環(huán)帷幕注漿長(zhǎng)度41 m，布設(shè)15 m、22 m、31 m、41 m共計(jì)4個(gè)終孔斷面。

6) 擴(kuò)散半徑

在擴(kuò)散半徑選取時(shí)，要選擇多數(shù)條件下可達(dá)到的數(shù)值，而不是平均值。擴(kuò)散半徑的主要影響因素有注漿壓力、地層滲透能力、注漿時(shí)間、漿液等。

經(jīng)驗(yàn)值：中細(xì)砂層、粉質(zhì)粘性土中0.5 m～0.8 m，中粗砂、砂卵石層中0.8 m～1.2 m，斷層破碎帶1.5 m～2 m。

7) 終孔間距

當(dāng)采取單排(圈)孔時(shí)，注漿孔布孔間距為1.75倍擴(kuò)散半徑rg；當(dāng)采取多排(圈)孔時(shí)，采用梅花型等邊三角形布置，注漿孔布孔間距為1.5倍擴(kuò)散半徑rg。隧道F4-5斷裂帶超前帷幕注漿設(shè)計(jì)如圖5所示。

單位：cm

8) 注漿壓力

注漿壓力是注漿施工中的重要參數(shù)，它關(guān)系到注漿施工的質(zhì)量以及是否經(jīng)濟(jì)。因此，正確確定注漿壓力與合理運(yùn)用注漿壓力至關(guān)重要。

注漿壓力與巖層裂隙發(fā)育程度、涌水壓力、漿液材料的粘度和凝膠時(shí)間長(zhǎng)短等有關(guān)，目前均按經(jīng)驗(yàn)確定。通常情況下，按如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

P′

(8)

P=P′ +(0.5～1.5)

(9)

式中：P為設(shè)計(jì)注漿壓力(終壓值)，MPa；P′為注漿處靜水壓，MPa。

9) 注漿量

在實(shí)際工程中，由于圍巖中裂隙走向多變而不易確定深度，同時(shí)注漿漿液擴(kuò)散距離也會(huì)受圍巖中裂隙及圍巖介質(zhì)的粘滯性的影響。因此，實(shí)際工程中注漿量確定經(jīng)驗(yàn)公式如下：

Q=Anα(1+β)

(10)

式中：Q為總注漿量，m3；A為注漿范圍圍巖體積，m3；n為圍巖孔隙率，%；α為漿液填充系數(shù)(0.7～0.9)；β為注漿材料損耗系數(shù)。

由式(10)可知，注漿量的大小主要取決于以下3點(diǎn)：隧道圍巖地質(zhì)條件、選用的注漿方案和漿液材料類型。

10) 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

(1) 單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)行注漿壓力和注漿量雙控標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最低值后，若注漿速度大于30 L/min，則繼續(xù)注漿，并可適當(dāng)提高注漿壓力；若注漿速度小于30 L/min，終壓且穩(wěn)壓10 min后，則注漿結(jié)束。

(2) 全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)的所有注漿孔均達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，無漏注現(xiàn)象。

3 注漿效果

根據(jù)上述限制性防排水注漿設(shè)計(jì)方案，隧道右線K91+169～K91+210段進(jìn)行了限制性防排水注漿施工。隨著注漿施工的進(jìn)行，斷裂破碎帶段隧道涌水量逐漸減小，涌突水水壓下降、水流流速變慢。注漿施工結(jié)果表明：

1) 注漿后進(jìn)行全斷面開挖，掌子面比較干燥，可以看出明顯的漿脈，無明顯滲漏水現(xiàn)象。注漿取得了良好效果，有效減少了掌子面的涌突水量，防止了涌突水和坍塌事故的發(fā)生，使隧道順利通過了斷層破碎帶，確保了隧道掘進(jìn)施工的順利進(jìn)行和水庫正常蓄水及隧址區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

2) 為保證施工安全，同時(shí)驗(yàn)證注漿參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，獲取注漿后K91+175、K91+200和K16+210的拱頂下沉和周邊收斂的監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可以看出，隧道開挖后掌子面拱頂下沉和周邊收斂較小，圍巖比較穩(wěn)定，注漿效果顯著。

圖6 拱頂下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖7 周邊收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果

3) 注漿后通過對(duì)水庫庫面水位的觀察，水位沒有下降，相反略有上升，說明通過注漿，控制了地下水的排放，減少了對(duì)毗鄰水庫庫容的影響，避免了引發(fā)地表沉陷等地質(zhì)災(zāi)害和對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的破壞，達(dá)到了預(yù)期目的。

4 結(jié)論

1) 斷層破碎帶導(dǎo)水性、涌突水水源及開挖擾動(dòng)是隧道施工時(shí)涌突水事故的誘發(fā)因素，涌突水一旦發(fā)生不僅會(huì)對(duì)隧道施工產(chǎn)生不利影響，同時(shí)會(huì)影響水庫正常蓄水，導(dǎo)致地下水水位下降，極大影響隧址區(qū)周圍水文地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、居民生活飲水。

2) 注漿是防治隧道涌水的有效措施之一，注漿圈厚度與注漿體滲透系數(shù)等對(duì)隧道的排水和作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的壓力有較大影響。根據(jù)注漿圈層理論及工程實(shí)際情況，限制性防排水注漿圈參數(shù)取為：注漿圈厚度8 m，注漿圈滲透系數(shù)控制在(1.4～2.0)×10-3m/d。

3) 根據(jù)隧道F4-5斷層破碎帶段現(xiàn)場(chǎng)情況，進(jìn)行了超前帷幕注漿和防排水設(shè)計(jì)、施工?，F(xiàn)場(chǎng)施工證明，超前帷幕注漿取得了較好的涌突水防治效果，同時(shí)防排水效果良好，確保了隧道的順利施工和后期的安全運(yùn)營以及水庫的安全蓄水和隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境的安全。