地质水文学基础分析毛坝1号隧道大型涌(突)水带形成机制及综合治理方针

'地质水文学基础分析毛坝1号隧道大型涌(突)水带形成机制及综合治理方针马晓辉(中铁十八局集团有限公司隧道工程公司)摘要：毛坝1号隧道出口段在施工过程中发生了多次涌(突)水，涌水段双线总长度达1200余I"ll，涌水带分布集中、涌水量大和压力高，并且出口段为反坡，给施工带来了极大困难。毛坝l号隧道涌(突)水情况在陕西省乃至全国都具有一定的典型性，本文应用地质水文学的基础知识介绍了隧道一般涌(突)水的形成机制，并分析了本隧道涌(突)水的戍因，总结治理的综合方针。关键词：地质水文学基础；大型涌(突)水；形成机制；综合治理方针中图分类号：TU223．4+3文献标识码：B文章编号：1672—4011(2010)04—0139—030前言毛坝1号隧道位于陕西省安康市紫阳县毛坝镇以东，设计为分离式隧道，长约3656m，纵坡1％；隧道最大埋深约692nl，属特长深埋隧道。2008年3月份后隧道左右线相继进入到连续的特大涌水段，左右线合计共发生典型涌水32次，涌(突)水总长度达1200余m，其中最大涌水压力4MPa，最大日涌水量30000m3／d。在山岭隧道施工中，象毛坝1号隧道这样的大型涌(突)水带非常少见，本文通过水文地质基础知识介绍了涌水的形成机制，并分析了本隧道涌(突)水的成因，总结涌水治理的综合方针，对涌水隧道的施工提供借鉴。1隧道工程涌(突)水机制隧道工程中涌(突)水必须具备的两个基本条件是：一是要有充足的水源；二是水源和隧道之间有顺畅的导水通道。1．1水源①地表水体包括小溪、河流、湖泊、海洋、水库等；②老窖积水、老采空区积水；③溶洞、暗河水；④断层水，即断层裂隙水；⑤基岩裂隙水和孔隙水。1．2导水通道隧道施工过程中，有时会直接揭露含水层。此时，如果地下水位事先没被疏降或含水层中水没有事先得到探放，就会发生涌(突)水事故。断裂带透水性好，往往断裂带本身就是地下水的储集场所，而当断裂与某种含水层有水力联系时就成为地下水传输通道。大量的实例表明，涌(突)水与断裂关系密切。2涌(突)水地质水文条件分析在山岭隧道施工过程中，经常遇到褶皱、断层、节理等地质构造现象，褶皱、断层、节理是影响隧道涌水重要因素，在施工中，大多数的涌水、突水、突泥等灾害的发生均与地质构造密切相关。2．1褶皱构造与含水层的关系(1)背斜核部的含水层具有发育的“二次纵张节理”而富水，两翼节理不发育、相对隔水，这种组合具有特殊水文地质意义；加之背斜谷底的形成，有利于地表水的聚集。因而，背斜核部的含水层常常形成地下水径流带和与轴向一致的基岩裂隙水带，见图1。圈1背斜核部张裂隙富水带剖面图(2)背斜褶皱的倾伏端，既有发育的横张节理，又有大量的放射状节理，从而使这里成为富水带。(3)向斜褶皱的核部也是节理发育地带，特别是当含水层的顶、底板均为不透水层时，核部的含水层不但水量大，而且常具有承压水的特性。(4)褶皱的核部也是岩溶发育的地带，实质上是通过与它有成生联系的层间和层面裂隙来实现的。这些层间和层面裂隙的产生。是由于背斜褶皱核部转折部位的上、下岩层间弯曲不协调而形成层间剥离(虚脱)；在向斜褶皱核部，因围岩所限而产生向上侧张拉的层间裂隙。这些部位的层间、层面裂隙与其它断层、裂隙往往存在着广泛的联系，从而更有利于岩溶水的汇集和运移，成为洞穴发育的有利场所。2．2断层张性断裂是在低围压条件下产生的，一般其张开程度较大，断裂面粗糙不平，其破碎带中的破碎物多为大小不等的棱角状岩块组成的角砾岩，糜棱岩少。破碎物疏松，空隙发育，透水性和含水性较强。压性断裂一般是在较高的围压条件下受强烈挤压作用形成的，闭合性好，破碎带物质多为压碎岩、强烈片理化和糜棱岩化的粉碎性物质(易风化成断层泥)，透水性和含水性差。但规模较大的压性断层，两盘为脆性或可溶性岩石时，其影响带裂隙可能较发育，仍具备含水条件。因此，判断这类断层是否富水，还要进一步研究其两盘的岩性情况。扭性断层带构造裂隙发育情况介于张性与压性之间，其次，扭性断裂面大多倾向陡立，且低序次的张性断裂发育较多，易于接受地表水的补给和地下水的垂直入渗，经强烈的冲刷和溶蚀作用，使裂隙张开程度较好。因I比，有时扭性断裂面的导水性能不亚于张性断裂面。2．3节理 根据节理的力学成因，把构造节理分为剪节理和张节理。剪节理是岩石受剪(扭)应力作用形成的破裂面，剪节理常与褶皱、断层相伴生，剪节理交叉互相切割岩层成碎块状。破坏岩体的完整性，故剪节理常是易于滑动的软弱面。张节理是岩石受张应力作用而形成的破裂面，在褶皱岩层中，多在弯曲顶部产生与褶皱轴走向一致的张节理，往往是渗漏的良好通道。3隧道涌水的动态变化特征隧道涌水量由静储量和动储量两部分组成。前者为隧道围岩内空隙中所赋存的地下水，其大小取决于含水围岩的规模、储水能力和给水能力；后者以地下径流形式出现于含水围岩中，它与地表水体或其它地下水体有直接的水力联系，其大小取决于含水围岩的规模、补给条件、径流条件和排泄条件。4毛坝1号隧道大型涌(突)水带形成机制4．1毛坝1号隧道涌(突)水详细情况2008年3月份至2009年5月，左右线处于K297+650一+000段大型涌(突)水带施工，发生比较典型大型涌水32次(详见表1)。衰l毛坝1号隧道典型涌水详情序号里程涌水性质，涌水量(m3／h)序号里程涌水性质，涌水量(m3／h)1ZK297+644一+462F8断层涌水．66017YK297+625～+595F8断层涌水，5002ZK297+624一+604F8断层涌水，50018YK297+581一十566基岩裂隙涌水，4003ZK297+604一+584基岩裂隙涌水．45019YK297+492一+472F9断层涌水，6004ZI(29r7+584一+5“基岩裂隙涌水。45020YK297+472一+452F9断层涌水，8005ZK297+502一+482聃断层涌水，50021YK297+452～+432基岩裂隙涌水，3006ZK297+482～+462F9断层涌水，50022YK297+303一+253F7断层特大高压涌水。11007ZK297+295一+262F7断层特大高压涌水，90023YK297+253～+233基岩裂隙涌水，4008ZK297+262一十252基岩裂隙涌水，40024YK297+233一+213F6断层涌水，6009ZK297+252一十232F6断层涌水。60025YK297+213～+193F6断层涌水，30010ZK297+232一十212F6断层涌水．50026YK297+193一+173基岩裂隙涌水，300IlZK297+212一+182基岩裂隙涌水。30027YK297+173一+133基岩裂隙涌水，10012ZK297+182_+162基岩裂隙涌水，60028YK297+133一+123基岩裂隙涌水，10013ZK297+162一+142基岩裂隙涌水，40029YK297+123一+103基岩裂隙涌水，50014ZK297十115一+095基岩裂隙涌水，40030YK297十06l～+05l基岩裂隙涌水，40015ZK297+095一+085基岩裂隙涌水，40031YK297+040～+020F5影响带裂隙涌水，30016ZK297+060～040F5影响带裂隙涌水。600YK297+020～+000F5影响带裂隙涌水，4004．2毛坝1号隧道涌水特点①水质非常清澈，无异常气味，无明显杂质；②涌水量、涌水压力大小不一，大部分涌水出现在基岩的节理裂隙，在断层处涌水压力和涌水量变大；③开挖过后，随时间推移，涌水量趋于平稳甚至消失；④在阴雨天气，涌水量增加，有些曾经消失的涌水重复出现；⑤涌水段落范围大，无规律性；⑥在一般段落，涌水具有跟随开挖掌子面前移的特点。4．3毛坝1号隧道涌水机制分析涌水后，设计单位、管理单位、施工单位等多位专家和技术人员对毛坝1号隧道地质、地形、水文、周围环境等多次进行了详细的补勘。涌水段岩石均为中一厚层硅质岩，无形成溶洞、暗河的岩性条件，地表山体无大的储水构造、河流、老采空区，将水源判定为断层水和基岩裂隙水。隧道区大地构造部位处于秦岭南部大巴山褶皱区，大巴山背斜为主体褶皱，也是区内最大褶皱，总体构造形迹展布方向为北西西向。隧道处于高滩～兵房街褶皱束的南西翼在隧道区形成一个倒转向斜和倒转背斜构造，向斜核部位于K296+200一K297+000，背斜核部位于l(297+100一K297+800；隧道走向与岩层走向大角度相交。隧道区内发育有9(原设计8条)条断裂，主要沿软质岩与硬质之间分布，为Fl、F4、F5，构造岩表现为挤压、揉皱；其次发育于硬质岩之间，为砣、F3、F6、F7、R、网(补充)，构造岩表现为碎裂岩化、角砾岩化，详见图2。毛坝1号隧道大型涌(突)水带均位于倒转背斜核部(1(29r7+100一l(297+800)，见图2中的倒转背斜复原，从构造上来看，背斜核部具有发育的“二次纵张节理”，加之陕南地区多雨的气候，在背斜核部形成地下水径流带和轴向一致的基岩裂隙带，使山体内地下水非常充足，为涌水带提供水源保证；地形上该背斜核部地表有洼沟，形成有利于地表水的汇聚，洼沟里雨季有流水，补给地下水径流带；另外此段内分布了F6、F7、F1B、四(补充)四条断裂破碎带，均为张性断裂，受多期构造活动影响，构造岩呈棱角状，混杂无序，胶结松散或未胶结，结构疏松，孔隙大且孔隙率高，透水性好，储水能力强，断层两盘受构造影响较小，旁侧分支裂隙不发育，透水性不良，含水性弱构成相对隔水边界。同时断层兼具沟通作用，切过背斜核部，使背斜核部的基岩裂隙水与之沟通，形成集水长廊。寥∥一妻图2毛坝l号隧道地形地质纵断面图隧道涌水区岩性均为硅质岩，属硬质岩，节理裂隙内没有泥质等杂物填充或很少，因此水质清澈，无杂质；由于涌水有些为基岩裂隙水，有些为断层裂隙水，水源和通 道不同造成涌水量、压力不同。断层处因为储存水量大，沟通性好，通道顺畅，往往涌水量大，压力高，持续时间长；有些段落涌水量属于静储量，与地表水沟通不良甚至不沟通，涌水逐渐减小或消失。有些段落涌水量属动储量，与地表水沟通良好，在大气降水后通过地表沟洼裂隙进行补给水，在阴雨天气，涌水量增加；另外在背斜核部发育的“二次纵张节理”和断层两侧伴生的节理，因为延伸远、宽度大，传切不同的岩层、不同的构造，致使涌水广泛，且具随机性；在一般的基岩裂隙水段，涌水压力低、涌水量小，喷射混凝土和环向注射的双液浆封堵了大部分涌水，出口段为下坡施工，下一循环高度低于上一循环，所以在施工中出现了涌水跟随掌子面的情况。5毛坝1号隧道大型涌(突)水综合治理方针涌水采取“排堵结合、先排后堵、以堵为主、因地制宜、综合治理”的方针。(1)首先对高压涌水实施泄水减压，配备充足的抽排水设备。对于高压涌水段如F7断层涌水段，具有突发性，为了保证施工安全和质量，在进一步对涌水处理前必须将水压减小到一定程度，到达施工条件；一般的涌水段直接按方案进行施工。由于毛坝1号隧道出口段是反坡开挖，并且涌水段较长，掌子面泄水减压和初支后涌水限量排放致使隧道内总涌水量非常大，远远超出预测的涌水量，必须配备足够的抽排水设备、人员等保证施工正常进行。(2)布置超前水平钻孔探测。当前国内最先进的超前地质预测预报手段包括地质雷达、TSP203、红外探水等，但每一种探测手段都存在局限性：地质雷达只能探出前方几十米范围的围岩大致情况；TSP203对围岩情况预测比较准确，前方水情预报不准；红外探水仪也仅能探测前方地质是否有水，至于水量的大小、压力却无从得知。超前钻孔可以直观揭示前方地质情况，虽然揭示范围极其有限，但效果比较好，而且较经济，为设计提供正确的地质依据，二是对构造裂隙水进行减压(包括分流孔)。(3)根据超前水平钻孔资料和分流孑L减压情况，制定针对性的注浆加固方案，治理涌水采取大部分进行封堵，对边墙部位小部分涌水限量排放，确保初期支护和二次衬砌不会造成负压过大，产生变形垮塌。方案根据涌水量大小，涌水水压变化情况适当进行调整。主要采取两步对围岩进行加固和止水：①超前加固止水，采用3．5m一6(上接第138页)10级施加。可见压力一沉降变化均为平缓的曲线型。按《建筑地基处理技术规范(JGJ79—2002)》的有关规定，取S／b一0．006，即沉降量为1．05×0．006X1000=6．3mm对应的压力为复合地基承载力特征值。按此值计，沉降量最大的是27号桩，S一6．3ram时，压力为162kPa，满足设计要求的复合地基承载力特征值为240kPa的要求；(2)桩的动力检测结果。采用低应变瞬态反射波法进行了桩身完整性检测，抽检桩数48根，对桩身质量缺陷类型及程度，桩身强度等级进行综合评定，分为I类(桩身完整)桩占32．5％，Ⅱ类(桩身有轻微缺陷，不影响承载力发挥)桩占54．8％，111类(桩身有缺陷，对承载力发挥影响较小)桩占12．7％，无Ⅳ类(桩身有缺陷。不经处理不能使用)桩。检测结果表明，施工质量较高。mqb50X4超前小导管预注双液浆加固掌子面前方围岩以及封堵部分涌水；②对初期支护加强，提高初期支护参数等级保证围岩的稳定，采取系统锚杆改为中50X4系统小导管周壁注浆的方式进一步加固围岩和封堵涌水。(4)加强防排水施工质量。由于毛坝1号隧道涌水量大、段落长、压力高，治水采取“限量排放”，隧道总涌水量超过原设计15倍之多。并且，涌水受大气补给呈现动态变化，特别是F6、丌、F8、眄断层，受动水压力作用对破碎带产生潜蚀和劈裂作用，涌水量、压力在一定条件下可能增大。因此，在加强注浆封堵涌水和加固围岩的基础上，防排水施工必须作为重中之重。采取具体措施：①加密环向和横向排水管(间距1m一5m)，加强排水管防堵措施，避免排水管堵塞，增大水压力，破坏衬砌结构；②采用优质的防水板，严格保证防水板施工质量；③纵向排水管安装平顺，碎石过滤层填塞到位；④二衬两板接头处采用止水带替换止水条，加强防水。(5)加强涌水段二次衬砌结构。涌水段二次衬砌采取钢筋混凝土结构，并且相应提高混凝土抗渗性能。6结语在山岭隧道施工中涌(突)水为常见的地质灾害，施工人员应加强对涌水机制的了解，进一步预防涌水事故的发生，减小损失，提前采取有效处理措施。长大隧道线型设计不宜采取单向坡，避免反坡施工经过涌水段时，需大量排水，洞身围岩和初期支护长时问浸泡会产生突发事故。设计单位在设计阶段，加大地质、地形勘察力度，确保地质资料的准确性。[ID：5887]参考文献：[I]蒋爵光．铁路工程地质[M]．成都：西南交通大学出版社，1991．[2]王保存，林选青．水下隧道穿越断层破碎带[J]．地下工程，1988．[3]刘世凯，陆永清，欧湘萍，等．公路工程地质与勘察[M]．北京：人民交通出版社，1999．[4]陈先国，田义，罗春雨，等．五指山公路隧道工程技术[M]．北京：人民交通出版社。2008．[5]吕康成，崔凌秋，等．隧道防排水工程指南[M]．北京：人民交通出版社。2005．8小结通过合理的选择软基处理方案可以有效地解决高速公路路基不均匀沉降的病害成因。粉喷桩作为一种常用的软土地基处理工艺，能有效地保证高速公路路基工后沉降满足设计要求，尤其对台背回填部位及小结构物基底处理更为经济有效。[ID：5890]参考文献：[1](；850007—2002，建筑地基基础设计规范[s]．北京：中国建筑工业出版社．[2]TBl0113—1996，粉体喷搅法加固软弱土层技术规范[s]．[3]J(；J79—2002，建筑地基处理技术规范[s]．'