徐學(xué)淵，索朗，劉熙

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引言

在地下水位處于高位并且地質(zhì)條件富水的狀況下，進(jìn)行隧道項(xiàng)目掘進(jìn)時(shí)，經(jīng)常對(duì)地下水使用止水、降水等管控措施。雖然采取了一些措施，然而挖掘作業(yè)面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)地下水涌出問題，地層由于水分的缺少而難以避免地下沉。因此，在富水地層中進(jìn)行非降水隧道開挖施工時(shí)，需要采取更多的堵水措施[1]。

1 案例環(huán)境條件

1.1 地形地貌

大坪地隧道位于楊林盆地北東側(cè)，由北東向南西由寨子村穿越一系列條形低中山至大刀地南東側(cè)山坡，山脈走向呈北東～南西向，沿山脈走向發(fā)育有寬數(shù)十米～數(shù)百米的長條形山間溝谷地貌，溝谷底部較平緩開闊，坡麓自然斜坡較陡，地表沖溝為地表水和地下水統(tǒng)一排泄通道。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)南北向控制性斷裂為著名的小江活動(dòng)斷裂，并分為東西兩支，小江斷裂在其發(fā)展過程中曾經(jīng)歷了張、壓、扭的不同力學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)化。隧道穿越的小江斷裂東支由6 支大致平行或分支復(fù)合的逆沖斷層組成的沖斷構(gòu)造帶，其中普家屯～哈螃溝大斷層破碎帶寬、富水性強(qiáng)，是隧道開挖發(fā)生突水涌泥工程地質(zhì)問題的控制性斷層。

1.3 水文特征

1.3.1 地表水

測量區(qū)域的地表水大部分是山間溝水，水量并不大，降雨季節(jié)溝中水量顯著增多，大多為2～3L/s，地表水不發(fā)達(dá)，流量伴隨季節(jié)而變化。隧道于DK1104+420處穿過沿普家屯—哈螃溝大斷層，地表為一水溝，測繪時(shí)為雨季，流量6500m3/d。沿溝槽呈帶狀分布一系列泉點(diǎn)，為村民飲用和灌溉均使用泉水，地表調(diào)查共找到6 個(gè)泉點(diǎn)（編號(hào)SH1～SH6），SH1 和SH5 泉點(diǎn)位于斷層破碎帶內(nèi)，SH6 距隧道超過3km，標(biāo)高較低。水量最大的SH4 號(hào)泉點(diǎn)流量約172m3/d，該泉點(diǎn)供春雷山泉水公司取水和林家村飲用，泉水公司日產(chǎn)700 桶18.9L的桶裝水。

1.3.2 地下水

隧道從各種時(shí)期形成的地層中穿過，依據(jù)隧道所在地區(qū)巖性特點(diǎn)、水力特點(diǎn)、水理情況、地下水儲(chǔ)存環(huán)境，可以把隧道建設(shè)區(qū)域地下水分為第四系松散孔隙水、基巖裂隙水和斷層構(gòu)造水3 種類型，第四系松散孔隙水、基巖裂隙水水量小，對(duì)隧道開挖影響較小，富水?dāng)鄬訕?gòu)造水是隧道開挖突泥涌水的主要工程地質(zhì)問題。

1.3.3 大斷層強(qiáng)涌水

受小江斷裂影響，隧址區(qū)巖體破碎，斷層帶的巖體更為破碎，多為斷層角礫、斷層泥等，松散的巖塊具有良好的儲(chǔ)水性和導(dǎo)水性，當(dāng)斷層規(guī)模大、地表水系發(fā)育、切穿多個(gè)含水層并與之產(chǎn)生水力聯(lián)系時(shí)，破碎帶儲(chǔ)水能力就會(huì)相當(dāng)可觀，隧道開挖會(huì)發(fā)生強(qiáng)涌水病害。

大坪地隧道洞身主要為軟質(zhì)巖，受構(gòu)造影響，巖體極破碎，容易出現(xiàn)坍方，以普家屯～哈螃溝大斷層段為甚，該段下穿溝槽，斷層長期受水浸泡，極其容易出現(xiàn)突水突泥和坍方[2]。

2 隧道開挖涌水及地表水漏失

2.1 隧道開挖涌水

2013 年2 月大坪地隧道2# 斜井小里程施工至D1K1104+598，揭示地層巖性為寒武系下統(tǒng)滄浪鋪組粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖，開挖后，隧道發(fā)生強(qiáng)涌水。自日涌水發(fā)生后，測定洞內(nèi)涌水量約為6500m3/d，約一周后水量衰減至約5200m3/d。自涌水發(fā)生以來，線路右側(cè)股狀水顏色一直為黃色，有渾濁物，但線路左側(cè)水平鉆孔內(nèi)流水為清水。

2.2 地表水漏失

洞內(nèi)發(fā)生用水后對(duì)地表溪流、泉點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)：地表溪溝斷流，林家村老黑龍水源點(diǎn)（SH4）水量逐漸減小，于21 日完全干涸，春雷礦泉水廠停產(chǎn)；徐家村水塘水源點(diǎn)（SH5）自涌水后至2 月27 日水量一直平穩(wěn)，2月27 日—3 月2 日，水塘水位下降4cm，其余3 個(gè)水源點(diǎn)（SH1～SH3）未受影響，水量平穩(wěn)。

3 失水原因分析

結(jié)合隧道開挖和地表調(diào)查，隧道洞身D1K1106+000—D1K1104+100 段為寒武系下統(tǒng)滄浪鋪組粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖，地表在D1K1104+940 附近穿越老東山擠壓破碎帶，根據(jù)施工于D1K1104+800 揭示該擠壓破碎帶寬約2m，隧道小里程端DK1104+020 將穿越普家屯—哈螃溝大斷層，老東山擠壓破碎帶與普家屯—哈螃溝大斷層在馬龍縣取水點(diǎn)附近相交，形成一楔形儲(chǔ)水構(gòu)造，含水體主要為寒武系砂巖，普家屯—哈螃溝斷層為一壓性逆沖斷層，斷在志留系和寒武系之間，寒武系逆沖在志留系地層上面，上盤靠近斷層帶已經(jīng)糜棱化或泥化，斷裂帶本身不富水，斷層附近出露的泉點(diǎn)SH4、SH5、SH6，均位于楔形體內(nèi)，斷層上盤（楔形體）的砂巖受構(gòu)造影響，巖體破碎，裂隙發(fā)育，富水，楔形體在馬龍縣取水點(diǎn)附近收口，地下水受阻后排泄不完，從該處冒出，線路附近幾個(gè)大的泉點(diǎn)排泄系統(tǒng)均相同，由南西往北東排泄[3]。

4 堵水處理措施

4.1 注漿方式

漿液灌注大致有以下3 種方式。

第一種，超前預(yù)注漿。依據(jù)地質(zhì)整體研判，在掌子面前面具有高壓富水區(qū)、有較高突涌水概率，亦或水壓處于較低水平然而圍巖不牢固、巖體架構(gòu)不穩(wěn)定、挖掘會(huì)致使巖壁不牢固導(dǎo)致涌水的情況時(shí)，使用超前帷幕漿液灌注方式。

第二種，掘進(jìn)后全斷面徑向漿液灌注。依據(jù)超前探水和地質(zhì)整體研判結(jié)論，若巖體比較齊整、巖體架構(gòu)能夠確保挖掘安全、水壓數(shù)值不高、水量恰當(dāng)，采用掘進(jìn)后對(duì)洞周邊巖體徑向灌注漿液的方式。

第三種，局部注漿?？梢约?xì)分為掘進(jìn)后局部注漿、局部超前預(yù)注漿等類型，應(yīng)當(dāng)依據(jù)真實(shí)情況選擇。

4.2 注漿方案初選原則

根據(jù)超前預(yù)測預(yù)報(bào)資料，預(yù)測掌子面前方具有壓力較高的水量較大的區(qū)域，并且依據(jù)探孔資料可知，若掌子面涌水總量在每小時(shí)10m3以上，或者掌子面涌水總量盡管每小時(shí)在10m3以下，然而特殊探水孔的出水量超過2m3/h，應(yīng)當(dāng)采取預(yù)處理措施，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、現(xiàn)場實(shí)際情況及結(jié)合隧道洞身巖性決定設(shè)置止?jié){墻的厚度，為后續(xù)處理提供安全保障。注漿方案選擇如圖1 所示。

圖1 注漿方案選擇

超前探孔單孔出水量大于3m3/h，判定有局部突水可能，則采取超前局部注漿；超前探孔有2/3 孔滿孔且總出水量大于15m3/h，判定全斷面出水量大于15m3/h，判定全斷面有突泥涌水可能，則采取超前帷幕漿液灌注方式[4]。

（1）依據(jù)超前探孔有關(guān)信息，若掌子面前面大范圍出水，并且總涌水量在10m3/h 以上，采用全斷面超前帷幕漿液灌注方式。漿液灌注加固圈應(yīng)當(dāng)參考第四強(qiáng)度理論確定具體的厚度，如式1 所示。

式中：E——注漿加固圈計(jì)算厚度，m；R——隧道毛洞半徑，m；P——最大靜水壓力值，MPa；σ——注漿加固體綜合強(qiáng)度抗壓，MPa。

根據(jù)現(xiàn)場測得最大靜水壓力確定注漿加固圈厚度。設(shè)計(jì)根據(jù)探孔反饋的水壓信息，對(duì)加固圈厚度、注漿孔布置隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以保證更有效地注漿堵水并節(jié)約投資。

所有的帷幕注漿操作，漿液灌注段落長度通常在25～27m，若長度過長，則漿液灌注孔長度增大，施工不便，會(huì)導(dǎo)致施工效率低下。

（2）掌子面涌水總量盡管在10m3/h 以下，然而部分探水孔的出水量超過2m3/h，應(yīng)當(dāng)采用超前局部預(yù)注漿方式。

（3）巖體無缺失、局部出水的情況下，只對(duì)出水位置進(jìn)行局部漿液灌注。

（4）漿液灌注后流量依舊超出排水量、漿液灌注固結(jié)圈整體滲透系數(shù)在設(shè)計(jì)數(shù)值以上亦或依舊有部分出水點(diǎn)的情況下，進(jìn)行補(bǔ)注漿操作。

實(shí)際的注漿方式，依據(jù)地質(zhì)狀況進(jìn)行選擇和調(diào)整。

4.3 注漿設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）漿液擴(kuò)散半徑按2.5m 考慮。

（2）注漿孔布置如下。

漿液有效注入范圍根據(jù)不同的情況采取不同的加固范圍，每一循環(huán)長度27m，對(duì)于不同的水壓對(duì)應(yīng)不同的止?jié){巖盤，當(dāng)預(yù)（實(shí)）測水壓大于1.5MPa 時(shí)，開挖20m，留7m 作為止?jié){巖盤；當(dāng)預(yù)（實(shí)）測水壓為1.0MPa～1.5MPa 時(shí)，開挖21m，留6m 作為止?jié){巖盤；當(dāng)預(yù)（實(shí)）測水壓為0.5MPa～1.0MPa 時(shí)，開挖23m，留4m 作為止?jié){巖盤；當(dāng)預(yù)（實(shí)）測水壓小于0.5MPa 時(shí)，開挖24m，止?jié){巖盤留出3m；漿液灌注孔底部間隔距離為3m，周圍帷幕注漿確定三環(huán)，封堵鉆孔設(shè)定為一環(huán)。

（3）注漿壓力。設(shè)計(jì)漿液灌注壓力為實(shí)際水壓力的2～3 倍。

4.4 注漿材料

注漿材料使用水泥水玻璃雙液漿，配制比根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況及注漿的不同時(shí)段試驗(yàn)確定。

4.5 注漿完成指標(biāo)

（1）單孔完成指標(biāo)。漿液灌注壓力逐漸增高到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且持續(xù)灌注10min 以上；注漿完畢后漿液灌進(jìn)量在20L/min 以下；檢查孔涌水量在0.2L/min 以下；檢查孔鉆取巖芯，漿液充分填充。

（2）全段完成指標(biāo)。全部的漿液灌注孔都應(yīng)當(dāng)滿足單孔完成要求，不存在漏漿問題；注漿后涌水量在1m3/d以下；漿液有效注入范圍大于設(shè)計(jì)值；預(yù)估巖體在灌入漿液后能夠在掘進(jìn)施工時(shí)維持洞壁穩(wěn)固。

4.6 注漿施工流程

（1）在水量較大的施工段使用超前地質(zhì)勘測等方式后，得到如綜合滲透率、巖體抗壓性能、水壓、裂隙率、圍巖等級(jí)、涌水量、巖溶發(fā)育特點(diǎn)等有關(guān)材料與系數(shù)。

（2）選擇注漿方式。預(yù)估存在突水突泥概率，采用超前預(yù)注漿的方式：漿液灌注后，評(píng)估掘進(jìn)后圍巖自身穩(wěn)定狀況，如果無法保持穩(wěn)定，進(jìn)行預(yù)注漿，如果能夠維持穩(wěn)定，則實(shí)施挖掘作業(yè)。挖掘后查看水量、水壓與要求一致與否，如果與要求不符，則采用掘進(jìn)后徑向注漿方式。預(yù)估掘進(jìn)后圍巖有自身穩(wěn)定性能，并且水壓不高、水量也不大，采用開挖后灌注漿液的方式，依據(jù)巖體綜合滲透率的高低，設(shè)定注漿范圍與滲透率。

（3）在灌注漿液時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)現(xiàn)場真實(shí)狀況對(duì)漿液配制比與凝膠時(shí)長進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（4）注漿效果評(píng)判，達(dá)到單孔和全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

4.7 注漿工藝要求

（1）漿液灌注前，在近似地質(zhì)狀況下的巖層實(shí)施注漿實(shí)驗(yàn)，基本了解漿液配制比、凝膠時(shí)長、注漿最終壓力、注漿量等數(shù)據(jù)。

（2）應(yīng)科學(xué)確定孔口位置，和設(shè)計(jì)要求的偏差不超過5cm，偏角也應(yīng)當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，每鉆進(jìn)一段，便進(jìn)行一次檢查，第一時(shí)間修正，孔底部位置偏差應(yīng)當(dāng)在30cm以內(nèi)。

（3）漿液灌注孔的開孔直徑應(yīng)當(dāng)在108mm 以上，終孔直徑應(yīng)當(dāng)≥90mm。

（4）鉆孔與漿液灌注都應(yīng)當(dāng)采用先外部后內(nèi)部的方式，同個(gè)圈孔分開作業(yè)。

（5）周圍帷幕注漿孔可選擇前進(jìn)式，也可選擇后退式，如果對(duì)孔進(jìn)行封堵，應(yīng)當(dāng)選擇后退式。

（6）孔口位置配備3m φ108mm 漿液灌注管，埋設(shè)穩(wěn)固，且有有效的止?jié){設(shè)備。

（7）一個(gè)孔段的漿液灌注施工通常應(yīng)一次性完成，中間不可中斷，應(yīng)當(dāng)盡可能防止由于水、電、機(jī)器等方面的因素導(dǎo)致灌注無法連續(xù)完成。對(duì)于間歇性漿液灌注，應(yīng)當(dāng)在對(duì)鉆孔進(jìn)行徹底清潔后再進(jìn)行灌注[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，在小斷面隧道施工中所面臨的難題之一是水的問題，水不僅影響工作面的安全，同時(shí)也對(duì)地面構(gòu)筑物及地表有一定的威脅，如何在隧道穿越強(qiáng)涌水大斷層時(shí)減少地表失水影響是施工的關(guān)鍵。通過文章的分析及實(shí)踐證明，在富水巖層采用徑向注漿注漿堵水技術(shù)是行之有效的，不但保證了支護(hù)與襯砌的高效率施工，并且減小了地下水與地表水流失的程度，對(duì)全線其他標(biāo)段起到了一定的借鑒作用。