關角隧道突水機理及處治技術1

1、中鐵十六局集團有限公司西格二線工程指揮部中鐵十六局集團有限公司西格二線工程指揮部 錢富林錢富林一、摘要一、摘要二、突涌水機理分析二、突涌水機理分析三、突涌水模式三、突涌水模式四、隧道突涌水處治技術四、隧道突涌水處治技術六、結束語六、結束語一、摘要一、摘要v本文立足于關角隧道建設實踐，研究關角隧道突涌水災害的發(fā)生機理，分析突涌水的形成條件、類型，提煉突涌水的水文地質概念模型和突涌水模式；采用理論分析、數(shù)值模擬、經驗總結等方法，歸納總結了一套突涌水處治技術，包括超前地質預報方案、注漿方案、地表導流，針對不同的突涌水模式采取相應的處治方案。v在關角隧道施工過程中，穿越了長大段落巖溶富水區(qū)域，涌水壓力

2、基本超過2MPa，涌水量較大，水文地質復雜，為工程施工帶來了極大的影響。其中，最為突出的問題是：隧道內地下水補給及處治問題。隧道的開挖、貫通，改變了原有的溫度場、應力場和地下水流場，傳統(tǒng)的施工方法受到挑戰(zhàn)。為了克服和解決富水環(huán)境對施工的影響，通過對隧道突涌水機理分析，采取了必要的超前探水、水泥-水玻璃漿液和化學漿液相結合的注漿堵水措施、施工方法，確保了隧道順利穿越富水區(qū)域施工。二、突涌水機理分析v1、突涌水形式 根據(jù)現(xiàn)場勘察分析，關角隧道的地下水類型為基巖裂隙水和巖溶裂隙水，施工中遇到的突涌水主要出現(xiàn)在3號、4號斜井II-IV級灰?guī)r地層中，主要表現(xiàn)形式為： 突涌水表現(xiàn)形式一：涌水點主要分布在拱

3、部及邊墻，以股狀涌水及淋雨狀涌水形式沿裂隙出露，具有出水點多、單孔涌水量小、總涌水量大及水壓較低的特點。 突涌水表現(xiàn)形式二：涌水點較為集中，股狀涌水、涌水量較大、水壓較高（1.34.5MPa）。2、地表水流量監(jiān)測v2008年8月16日，分別在3、4號斜井所處的克德攏溝距4號斜井口約1.2km的上游處和距斜井口約0.4km的下游處布置流量測試斷面和測試斷面，對地表水流量采用浮標法進行測試，測試的結果見下表：編號過水面積（m2）流速(m/s)水量(m3/d)斷面0.710.67641468.5斷面0.520.40918375.5v由測試結果看出，地表水在流經斷面和斷面（間距約0.8km）的過程中流

4、量損失約23093m3/d。由此克德攏溝谷地表水對斜井具有一定的側向徑流補給。 為進一步查明地表水與3、4號斜井的水力聯(lián)系，在3、4號斜井上游布置實驗坑進行連通實驗（如圖所示），實驗試劑采用紅色氧化鐵粉，同時在洞內進行顏色觀測和取樣化驗分析，實驗結果： 1）經過72小時的觀測，3、4號斜井洞內涌水未見顏色的變化，結果分析為，洞內涌水較大，對顏色的稀釋是導致觀測結果不理想的直接原因。 2）水質分析結果：4號斜井投放示蹤劑后48小時鐵離子含量為實驗前的6.4倍。3號斜井投放示蹤劑后48小時鐵離子含量為實驗前的2.2倍。 實驗結果表明：克德攏溝地表水與實驗結果表明：克德攏溝地表水與4號斜井具有較好的

5、水力聯(lián)系，與號斜井具有較好的水力聯(lián)系，與3號斜井具有一定的水力聯(lián)系，是隧道涌水的重要補給來源號斜井具有一定的水力聯(lián)系，是隧道涌水的重要補給來源 。2、突涌水水文地質概念模型v由于氣候和地質條件的不同，關角隧道巖溶區(qū)普遍發(fā)育強徑流帶，地下暗河極不發(fā)育。巖溶地下水系統(tǒng)不論是地下水賦存空間，還是徑流空間，主要受構造裂隙（巖溶裂隙）控制，主干裂隙是徑流通道（強徑流帶），次級裂隙為賦存空間。關角隧道圍巖含水介質為裂隙-溶隙含水介質。按照隧道所處的巖溶水系統(tǒng)的垂向循環(huán)帶、季節(jié)變動帶、水平循環(huán)帶、深部循環(huán)帶和強徑流帶，可將其概化為如下五種水文地質概念模型：v模型1：隧道位于區(qū)域最高地下水位以上，一般不存在穩(wěn)

6、定的涌突水問題，主要表現(xiàn)為沿裂隙和溶隙的滴水和滲水，雨季會有短期的小流量股狀涌水，由于埋深淺，沒有形成自由水面，基本不會形成較大的水壓力，對工程正常施工影響不大，風險性較小。這種模式基本位于隧道的進出口部位。v模型2：隧道處于區(qū)域地下水最高水位和最低水位之間，主要表現(xiàn)為沿裂隙和溶隙的滲水、涌水現(xiàn)象，在枯水期水量較小或無水，在雨季或豐水期洞內裂隙出水量增大或會形成新的涌水點，量集中、變幅大、突發(fā)性強，危害性也較大，在排水能力充足的情況下，對工程正常施工影響不大。v模型3：隧道位于區(qū)域最低地下水位下方數(shù)十米范圍，基巖裂隙發(fā)育程度較低，主要表現(xiàn)為沿裂隙和溶隙的涌水現(xiàn)象，雨季時涌水量會增大，涌水量相對

7、比較穩(wěn)定，揭示涌水量與正常涌水量差異不大，在采取相應的堵水、排水措施條件下，對工程正常施工影響不大，一般不存在嚴重的突水問題。v模型4：隧道位于區(qū)域地下水位下方數(shù)百米，其突水的特征一般以清水為主，裂隙-溶隙不發(fā)育，水量相對比較穩(wěn)定，初次揭示涌水量與正常涌水量差異不大。由于地下水的水壓力較大，易發(fā)生大規(guī)模突涌水，風險性較大。v模型5：隧道處于裂隙-溶隙極發(fā)育的構造破碎帶含水介質中，屬于地下巖溶水系統(tǒng)的強徑流帶，隧道涌突水量與地表降雨和地表水體關系極為密切，當隧道處于巖溶水系統(tǒng)的下游，在高水壓作用下容易同時誘發(fā)破碎圍巖崩塌，突水災害的危害性巨大。該模式突水特征為初次揭示涌水量、正常涌水量和水壓力極

8、大，且相對比較穩(wěn)定。表1 2008年1月8月降雨量統(tǒng)計表月份12345678降雨量（mm）4.72.41.317.134.753.7153.734.9關角隧道4號斜井2008年7月30日，實測涌水量為81009200 m3/d，之后水量持續(xù)增大，2008年9月28日實測水量為24000m3/d；2008年7月19日實測洞內涌水量為8617.2m3/d，2008年9月16日實測水量為16456.0m3/d（峰值涌水量為23000m3/d）。不同時期的涌水量相差巨大，隧道在雨季的突涌水風險性大，而枯水季節(jié)突涌水的風險性相對較小。 另外隧道突涌水發(fā)生除與水文地質概念模型有關外，還與降雨期也有關，不同

9、降雨時期降水量不同，洞內涌水量大小也不一樣。根據(jù)天峻縣氣象站的降雨資料（見表1），關角隧道地區(qū)7月份最大降雨量為153.7mm，為30年一遇的強降雨，相比歷史同期增加了92%，單日最大降雨量為2008年7月28日的42.8mm。 通過以上對不同水文地質模型下隧道涌突水特點的分析可以看出，關角隧 道是揭穿型突涌水，受蓄水構造和地區(qū)大氣降水因素的影響明顯。將各種突涌水按發(fā)生條件和機理劃分為洞身突涌水型和掌子面突涌水型兩種突涌水模式。v1、 掌子面突涌水模式v掌子面突涌水模式包括裂隙-溶隙和構造帶兩種突涌水模式，兩種模式的突水機理差異較大。v1）裂隙-溶隙型突涌水模式主要表現(xiàn)為地下水從掌子面局部節(jié)理

10、和裂隙中淋出或涌出，由于裂隙-溶隙含水介質的過水和蓄水能力有限，涌水的水量和水壓較小。v2）構造帶突涌水模式主要是由于掌子面前方的構造帶中賦存豐富的地下水，由于儲水構造形成時間較長，賦存了較大的水量，具有較大水壓，當較完整的隔水層不足以承受構造帶的水壓發(fā)生破壞時，大量的地下水隨之突然涌出。三、突涌水模式v2、洞身突涌水模式v關角隧道3號斜井長1667m、4號斜井長1571m，斜井坡度大，長距離反坡排水是施工面臨的一大難題，因此對斜井洞室開挖后的洞身突涌水模式研究至關重要。v研究資料表明，與巖溶弱徑流區(qū)（裂隙-溶隙不發(fā)育）比較，強徑流帶地下水動態(tài)相當穩(wěn)定，無論是地下水位還是流量，其變化幅度都比弱

11、徑流小的多。這是因為巨厚的包氣帶及弱徑流區(qū)對地下水調蓄作用的結果。強徑流區(qū)地下水位年變幅一般為313m，弱徑流區(qū)地下水位年變幅可達16112m，隧道通過強徑流區(qū)時可不考慮地下水變化的影響。v關角隧道巖溶段屬于裸露型巖溶，受大氣降水補給明顯，弱徑流區(qū)地下水位變幅大。當洞身穿越季節(jié)變動帶段，在枯水期時，地下水處于低水位，洞身地下水狀態(tài)主要為無水或滲水。在豐水期時，地下水達到高水位，巨大的水位差會造成洞身段出水點涌水量劇增或出現(xiàn)新的涌水點出現(xiàn)。這種枯水期和豐水期涌水量的巨大差距，往往會導致在枯水期施工時不能準確判斷地下水狀態(tài)，沒有采取相應的處理措施就繼續(xù)施工。而在豐水期時，由于斜井內反坡排水能力有限

12、，當涌水量高于排水量時就會釀成大型突涌水災害。v洞身段處于垂直循環(huán)帶和水平循環(huán)帶時，由于水頭不高，主要表現(xiàn)為地下水沿隧道壁匯集，成股或成點滴落或流下，通過后注漿措施即可控制。處于深部循環(huán)帶時，高壓突水地段，在開挖施工時已進行超前封堵處理，洞身也不會出現(xiàn)大的涌水點，因此一般不會對地下工程造成很大的排水壓力，對地下工程的襯砌也不會產生很大的水壓力。綜上所述，洞身突涌水模式應以洞身處于季節(jié)變動帶時為典型進行預防和處理。v通過以上隧道突涌水機理分析、突涌水水文地質概念模型、突涌水模型等一系列的研究分析，關角隧道突涌水存在以下幾個特點：v第一、關角隧道巖溶段受大氣降水補給明顯，弱徑流區(qū)地下水位變幅大v第

13、二、隧道與地下水位之間的關系難于掌握，突涌水形式具有不可預見性。v第三、隧道突涌水多以掌子面突涌水為主，水壓較高、水量較大，堵水施工難度較大。v第四、隧道洞身單點高壓涌水與段落滲水并存，單一的堵水施工方案難以達到預期的堵水效果。v針對關角隧道突涌水的幾大特點，就要在施工過程中，形成整套的突涌水防治與處治技術。四、隧道突涌水處治技術v1、超前探水方案v針對關角隧道地質的復雜性和多變性，施工中采取綜合超前地質預報的手段，即按照“長短結合、上下對照、定性與定量相結合”的原則，在隧道風險分級的基礎上，采用相對應的綜合預報方案。其中長期超前地質預報應連續(xù)在本標段隧道進行，短期地質預報只在重點地段，如斷層

14、破碎帶、富水區(qū)段進行。隧道內超前地質預報 超前地質預報措施超前地質預報措施v針對隧道不同段落的地質復雜程度和既有的地質資料，將關角隧道的地質風險劃分為A、B、C三個等級，具體分級及預測預報項目如下：表2 關角隧道施工地質分級和預測預報項目表等級工程地質特征預測預報項目A（1）存在重大地質災害隱患的地段，如可溶巖與非可溶巖接觸帶，軟弱、破碎、富水、導水性良好的地層和大型斷層破碎帶。（2）重大物探異常地段，可能產生大型、特大型突水突泥地段，誘發(fā)重大環(huán)境地質災害的地段等。地質分析法，TSP超前預報（100m），地質雷達（15m），紅外探水，超前水平鉆探（30100m）3孔，超長炮孔（10m）不少于6

15、孔，地質素描B中型突水突泥地段，較大物探異常地段，斷裂帶等。地質分析法，TSP超前預報（150m），地質雷達（20m），紅外探水，超前水平鉆探（30m）13孔，超長炮孔（6m）不少于5孔，地質素描C水文地質條件較好的碳酸巖及碎屑巖地段、小型斷層破碎帶，發(fā)生突水突泥的可能性較小地質分析法，TSP超前預報（150m），地質雷達（2030m），超前水平鉆探（30m）12孔，超長炮孔（5m）12孔，地質素描 超前地質預報地質分級及預報項目超前地質預報地質分級及預報項目v1）TSP203預測預報的最有效距離是掌子面前方100m，并且兩次預報應有至少10m的搭接，保證不遺漏隧道不良地質的預報。當預報前方有

16、非常不良的工程地質情況出現(xiàn)時，應當提高預報頻率，并且縮小預報距離的范圍，同時還應增加預報位置的搭接長度。v2）將地質雷達的預報距離應嚴格限定在30m以內，其中20m以內效果最好。兩次預報之間的搭接長不應低于5m。v3）紅外線超前探水預測距離應在30m以內，兩次預報之間的搭接長不應低于5m。v4）掌子面地質素描需要在隧道施工全程的實施；每各開挖循環(huán)做一次。v5）超前鉆探主要應用于長期、短期預報確定的主要不良地質區(qū)段，依據(jù)工程地質情況，鉆探法可以分為長距離超前水平鉆探、短距離超前鉆探和加深炮孔法三種。其中長、短距離超前水平鉆探是采用水平地質鉆機完成的，加深炮孔是通過加深掌子面鉆孔完成的。 超前地質

17、預報技術標準超前地質預報技術標準開挖輪廓線巖層隧道隧道321掌子面隧道中線圖4 超前地質探孔縱、剖面示意圖v長距離超前水平鉆探實施在規(guī)模較大的重大災害隱患地段，鉆探的距離30100m，應當一次性穿過不良地質的地段。掌子面中部探孔水平布置，拱底和拱頂探孔終孔位置應布置在輪廓線外34m處（圖4）。鉆好的孔應進行壓水滲漏性試驗。v短距離鉆探法鉆探距離2030m，搭接長度5m，對于一般斷層破碎帶，每個掘進工作面布設超前取芯探孔13個；對于多水、富水帶，應增設23個探水孔，分別位于拱頂和拱腰部位，超前探水孔終孔位于隧道開挖輪廓線外1.5m3.0m。 531隧道中線246掌子面隧道隧道巖層開挖輪廓線圖5

18、超長炮孔縱、剖面示意圖v超長炮孔法通過加深炮孔到510m探測前方的工程地質情況，沿掌子面周邊布置，并分別以3045的外插角實施（圖5）。v2、止?jié){墻安全厚度分析v掌子面突涌水一般分為裂隙-溶隙型和構造帶型突涌水模式，當構造裂隙和隧道之間的巖柱不足以抵抗構造裂隙中的水壓時，構造裂隙中的水就可能向著臨空面及隧道方向突出，形成災害。因此，為有效預防掌子面突涌水現(xiàn)象的發(fā)生，需要預留足夠厚度的巖盤抵抗水壓力。v根據(jù)文獻，可將掌子面前方巖墻簡化為彈性厚板模型，根據(jù)邊界條件解答出巖墻中的正應力和剪應力，以抗拉破壞和剪切破壞為控制條件，采用厚板理論確定巖盤安全厚度。計算時假定止水巖盤周邊固定，均勻連續(xù)、各向同

19、性，按軸對稱問題求解得出：抗拉強度控制的安全厚度。隧 道水 土 壓 力巖 盤rzsD地 應 力地 應 力()()()22tiI15 1pRS40H116 抗拉輕度控制的安全厚度分析抗拉輕度控制的安全厚度分析v經分析得出：相同水壓下，巖盤越厚，巖盤的最大應力越小，巖盤的最大應力隨厚度的增大呈指數(shù)型衰減趨勢。相同巖盤厚度時，不同級別圍巖的巖盤最大應力相差不大。v同時也會得出：以抗拉強度控制計算安全厚度時，在不同埋深下，、級圍巖的安全厚度基本相同，安全厚度/隧道等效直徑為0.130.18，變化不大。級圍巖安全厚度明顯大于、級圍巖的安全厚度，安全厚度/隧道等效直徑為0.160.35。v根據(jù)隧道力學理論

20、，隧道開挖后，其掌子面前方將會出現(xiàn)一個塑性區(qū)，該區(qū)內巖層的滲透系數(shù)增大，巖層的阻水能力急劇下降，為保障安全，只考慮為真正能起阻水作用的巖層。構造裂隙在隧道前方，如由上圖所示，取巖柱塊體用結構力學剪切破壞理論進行分析，此塊體的受力如右下圖所示，從而得出塊體平衡方程如下： 隧 道構造裂隙L1L2隧道巖柱地應力地應力剪應力水土壓力剪應力(tan)()2iIiiCLHcHpA 剪切破壞控制的安全厚度分析剪切破壞控制的安全厚度分析v通過以上對抗拉強度控制和抗剪切強度控制的安全厚度的計算分析看出，以抗剪切強度控制的安全厚度明顯大于以抗拉強度控制的安全厚度，因此關角隧道的安全厚度采用抗剪切強度控制方法進行計

21、算，安全厚度（安全厚度/隧道等效直徑）取值見表3（實際使用時應考慮一定安全系數(shù)）。圍巖等級水壓（kPa）埋深（m）10020030040050010000.220.230.240.240.2420000.280.270.270.260.2630000.350.310.290.290.2810000.37 0.37 0.37 0.37 0.37 20000.47 0.43 0.41 0.40 0.40 30000.58 0.50 0.46 0.44 0.43 10000.70 0.65 0.63 0.62 0.61 20000.90 0.76 0.71 0.68 0.66 30001.11 0.

22、87 0.78 0.74 0.71 關角隧道各級圍巖預留安全厚度建議值 v關角隧道現(xiàn)場施工過程中，采取超前探孔預測到前方存在大型隱伏蓄水構造時，如果前方蓄水構造突水壓力大，水量豐富，根據(jù)圍巖質量等級和水壓力，保留310m的防突巖盤（圍巖質量差時取大值，圍巖質量好時取小值）。v3、突涌水處理措施的選擇v為減小施工期間的排水壓力，保證隧道運營期間斜井內匯水可通過正洞安全排出，根據(jù)涌水的形式，針對不同情況，采用不同的注漿堵水措施。注漿漿液類型，根據(jù)實際情況確定，以水泥-水玻璃漿液為主、化學漿液為輔。v未 開 挖 段 ， 單 孔 涌 水 量40m3/h ，圍巖較好, 涌水主要為溶隙水 ，超前頂水注漿

23、v未開挖段掌子面單孔涌水量：40m3/h ，圍巖破碎，級 ，根據(jù)涌水情況，采用分區(qū)治理或周邊帷幕注漿 v當出水點較多，涌水量較大時，基于基巖裂隙水體空間分布，采用分區(qū)注漿技術，首先將注漿區(qū)分為左上、右上、左下、右下四個區(qū)域（圖7所示），并根據(jù)探孔出水量判別標準劃分為弱水區(qū)或強水區(qū)（當出水量5m3/h時，為強水區(qū)；當出水量40m3/h ，斷層破碎帶 ，全斷面帷幕注漿 帷幕注漿前后對比圖v已開挖段單孔涌水量540 m3/h,且出水點眾多，出水段落較長 ，徑向注漿 v已開挖段邊墻或拱部單孔涌水量：40m3/h，對施工進度、運營排水有較大影響 ，圍巖較好, 涌水主要為溶隙水 ，局部頂水注漿 v4、漿液

24、的選擇及配合比選擇v根據(jù)隧道突涌水特點，裂隙-溶隙及溶腔等情況，采取不同的注漿堵水材料，具體如下：v掌子面突涌水，水壓較高、水量較大，采取帷幕注漿，注漿材料采取水泥-水玻璃漿液，普通水泥42.5水泥、水玻璃雙液漿（水：水泥：水玻璃 =1：1：0.60.7） v洞身裂隙水，水壓較小，水量較大，采取徑向注漿，注漿材料采取馬麗散堵水材料（樹脂：催化劑=1:1），膨脹系數(shù)為325倍左右（無水時膨脹系數(shù)大于3，有水時膨脹系數(shù)大于10）v5、施工方案、工藝及實施v由于涌水面多存在集中出水點水壓較大，孔口管施工難度大及圍巖較破碎，封水施工難于控制，為確保安全，不能進行擴孔及加強支護，因此在不存在搭接注漿段落

25、施工止?jié){墻，在施工過程中，預埋端部帶法蘭盤的孔口管。止?jié){墻設計厚度3m，采用C25混凝土澆筑，嵌入隧道開挖周邊輪廓1m。采用架立鋼模板，腳手架加固，輸送泵泵送混凝土施工。在長距離持續(xù)注漿段落除出現(xiàn)特殊情況，影響注漿施工及安全情況下補做止?jié){墻外，其余均預留5m作為下循環(huán)注漿止?jié){巖盤。 止?jié){墻及預埋孔口管施工止?jié){墻及預埋孔口管施工v止?jié){墻施工完成后，在周邊及拱部局部出現(xiàn)涌水，故在止?jié){墻出水部位鉆孔后安裝端部帶法蘭盤的孔口管，孔口管采用錨固劑及棉、纖維、木楔等物固定于鉆孔內，并安裝閥門。安裝完成后進行封閉止?jié){墻注漿施工，注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿，水灰比1：1，水玻璃濃度35Be，模數(shù)3.2，水泥漿與水玻璃體積比1：0.7，保證漿液的膠凝時間在20s之內。注漿封閉效果達到孔口管閥門關閉時，止?jié){墻整體不能出現(xiàn)滲水、漏水現(xiàn)象?？卓诠苈裨O及止?jié){墻封閉 止?jié){墻埋設孔口管及封閉止?jié){墻埋設孔口管及封閉 鉆機鉆孔及前進式注漿鉆機鉆孔及前進式注漿v采用C6鉆機通過預埋孔口管間隔鉆孔，先鉆最外圈的注漿孔，考慮注漿擴散半徑對注漿效果的影響，一次性鉆孔長度為8m，然后進行注漿，待