大相岭隧道F6断层涌突水整治研究

来源：职称驿站所属分类：水力论文
发布时间：浏览：158次

　　摘要：大相岭隧道为西南地区深埋长大公路隧道，并多次穿越断裂带，在其右线YK62+133里程段施工时，突然发生了涌水事件，并造成部分衬砌坍塌。本文介绍了大相岭隧道涌突水的概况，初步分析其产生的原因并给出了相应的处理措施，对今后长大深埋隧道断层涌突水分析研究具有一定的指导意义。
　　
　　关键字：长大隧道，涌突水，断裂带，整治措施
　　
　　1前言
　　泥巴山大相岭隧道位于四川省雅安市荥经县和汉源县交界处的泥巴山高中山区，是雅安～石棉～泸沽高速公路项目控制性工程之一。该隧道左线长5116m、右线长5130m，其中平均埋深超过1500米，最大埋深1648米，处于高地应力范围内；加之隧道穿越8条大的断裂带及7条次级断裂带，致使隧址区断裂、褶皱、构造破碎带、节理裂隙发育，各种构造相互交切、穿插、复合、改造，区域内地质构造十分复杂，工程场地的地震基本烈度为Ⅶ度，施工条件极其艰巨[1]。
　　
　　2涌突水概况及其分析研究
　　2.1涌突水概况
　　大相岭隧道右线YK62+130～YK62+141处于III级围岩区内，地层岩性为节理极其发育的流纹岩，节理面充填物为砂石土等细粒砂石，岩层厚度相对较薄，地下比较水发育，为断层破碎富水带。
　　2009年8月23日下午，大相岭隧道右线施工开挖至YK62+133里程时，掌子面左侧拱腰处突然出现涌水现象（见图1），且涌水口直径约为1米，并因此次涌水流速快，致使掌子面附近拱脚严重破坏（见图2）。岩体内部静态水因涌水、流动而形成承压水流，在涌水口前方约10m远处造成直径约1.5米的大空腔。此后，因拱顶对高压水的阻隔作用大大减小，即拱顶渗透能力加强，进一步导致拱顶强度相对较低处形成两个涌水点，其一位于空腔顶部，其二位于隧道正前方拱腰以下1米。在涌水过程中，左侧拱脚以上2米范围出现大面积环向裂隙，缝宽约2-3mm。
　　
　　图1掌子面涌水现场图2涌水冲刷出的断裂带充填物
　　经量测在10天内该处涌水量达到27.08万方，可见其涌水量相对较大。通过涌水量与时间的关系，可以看出涌水量在开始是随着时间而减小的，说明其涌水只是来自一个封闭空间的节理裂隙水，水量不断的降低；而后面突然涌水量增大有两方面的原因：（1）随着涌水的进行，其涌水通道加大及位置的下降，故其涌水量增加；（2）其涌水形成空间，造成其附近封闭水体的隔水层应力集中进而破坏，故其涌水就有了大的补足进而涌水量增加，如图3。
　　
　　图3涌水段涌水量变化趋势图
　　2.2涌突水分析研究
　　深埋长大隧道涌水的发生一般会满足一定的条件，涌水量的大小及其时间和空间的变化受地形地貌、地层岩性、地质结构特征及水文地质条件的综合影响，尤其各种破碎带更是隧道涌水最常产生的部位，且涌水有突然性和水量大的特征，整治难度大[3]。
　　表2大相岭隧道YK62附近的主要断层一览表

　　大相岭隧道通过区YK62附近的断层主要为逆断层，即以压性断层和扭性断层为主（如表2），三条断层破碎带均在20m左右，次级结构面延伸较远，岩体破碎，断层角砾岩、碎裂岩和断层泥发育；上盘岩体较下盘更为破碎，破碎带范围大，具有良好的储水条件。这些压性断层破碎带中常含有一定规模的透水性极弱的断层泥等，两侧为两个独立的水文地质单元。上盘破碎岩体中含水量相对较丰富且水位相对较高，由此产生的水压全部由其下伏透水性较弱的断层泥等承担，一旦施工从下盘开挖至该不透水层时，由于该层被开挖破坏或由于水压使其破坏，携带大量泥砂的水体将从破坏处涌入隧道，发生涌水突泥事故，从图4大相岭隧道剖面断层分布图看，开挖很大一部分是从下盘开挖的，故其发生涌水的可能性相对较高。
　　
　　图4泥巴山大相岭隧道纵断面示意图
　　上述三条断层断裂带也具有扭性断层的性质，在其两侧常发育多组平行的张性和扭性的次级断层或节理，且其主错动面上也常有相对不透水层发育，因而与压性断层破碎带相似，其富水性较好，两侧亦为两个不同的水文地质单元。
　　隧道开挖一般会直接影响到含水层围岩的稳定性，造成隧道的涌、突水。如果直接开挖相对隔水层，将可能揭露出地下水体并产生突发性灾害(涌水甚至突泥)。即使掌子面处存在一定厚度的隔水层，但由于施工爆破，或者隧道开挖引起的围岩松弛和围岩应力集中，围岩发生变形破坏，也会使相对隔水层的有效保护层厚度相应减小，从而增加了隧道涌水的可能性。
　　在断层带上，由于剪切变形的发生和裂隙的扩展，地下水不断地沿裂隙渗入，产生相应的动水压力、静水压力和劈裂作用，加剧了断层带的变形和地下水的进一步运动，一旦破裂带的扩展使地下水的渗流速度达到或超过某些颗粒发生管涌的临界流速时，处于液限的泥质物将发生机械潜蚀，进一步加剧管涌的发生，并最终形成突水通道而发生涌水甚至突泥。

　　据图4知，隧道右线YK62+133里程段位于Fw6构造破碎带与F6-2逆断层之间，且靠近F6-2逆断层。Fw6破碎带宽约25m，岩体破碎，次级断裂带较多，带内含水且产状为40～50°∠60～75°，又知Fw6可能具有导水性；F6-2断裂及次级断裂带的产状均约在55～65°∠60～75°，具有约20m宽的强烈挤压破碎带，并见断层泥及绿泥石薄膜。通过断层导水性定量化预计分析，知此F6-2断层导水性可能较大[1]。
　　通过以上分析，认为此次大相岭隧道涌水的主要原因是受次级断层及断层破碎带的影响。压扭性断层的破碎带宽，次级节理裂隙发育且一般富水，又因该段隧道埋深约为1500米，处于极高应力状态，岩层强烈挤压，当隧道开挖至F6-2断层下盘约20m宽的破碎带附近时，因施工开挖了断层带附近的透水性较弱的岩层，使得弱透水层强度不足以承受水压力而造成涌水现象，并随着时间的增长，涌水量有明显减小的趋势，说明开挖到的为节理裂隙水且没有补给的水源；隧道施工过程中的爆破开挖很有可能造成了围岩松弛和围岩应力集中并导致围岩发生变形破坏，使在高地应力作用下的节理裂隙水穿透透水性较弱的岩层，故其对涌水的发生在一定程度上起到促进作用。　　
　　3整治措施
　　山岭隧道施工中，涌突水是一种十分常见的地质灾害，它是由先期赋存在隧道围岩中地下水，在隧道掘进施工过程中，通过构造裂隙、施工钻孔、爆破孔等涌入隧道形成的，对于隧道施工威胁很大[2][4]。因此，我们必须提高警惕，并加强整治涌突水的力度。
　　针对泥巴山大相岭隧道的涌水情况，采取以下的治理措施：
　　1、针对此次涌水口处水流成柱状喷出的特点，集中采用ф250风管进行引排。通过检测涌水口水的流速为2.5m/s，管径为0.05m2，得每根管满管排水量为0.05*2.5*60*60*24=10800m3/日，即两根管可满足目前排量要求，按2倍富余系数考虑，即涌水口预埋4根ф250风管进行集中引排水。
　　2、尽量减小涌水的破坏范围，将涌出水汇合于引水管附近进行处理，并在涌水口周围堆码砂袋，反压拱脚，防止更多的涌水口出现。
　　3、对涌水部位进行径向注浆加固，形成注浆帷幕以加固涌水口附近岩层的强度，降低其渗透能力，并确保初期支护稳固，形成自承拱。在塌方形成的大空腔处打设注浆管对其注浆，并在其前方和后方打设引水孔，避免地下水倒流至后面初支及二衬位置。
　　4、在掌子面进行超前帷幕注浆，以达到阻断涌水通道，改良地层围岩条件，提高地层强度，降低地层渗透能力的目的，并在施工时采用仰拱。
　　5、为确保安全，采取预留中台阶核心土，两侧错位开挖，而后对中台阶核心土进行帷幕注浆挖除，并施行临时仰拱技术如下图5。
　　
　　图5临时仰拱示意图
　　
　　4结语
　　此次大相岭隧道涌水主要是受断层破碎带的影响，造成断层破碎带附近100m范围内岩体强度降低、导水性较大，最终因隧道开挖至裂隙水导致涌水事件。针对大相岭隧道出现的涌水及拱顶坍塌状况，采用了隧道开挖掌子面附近集中排水、回填反压拱脚、帷幕注浆、超前注浆及加厚初次衬砌等一系列行之有效的整治措施，达到了解决涌水的目的。通过采用合理的施工工艺，增强了施工的安全性，为工程的顺利完工创造了条件，大相岭隧道埋藏较深，最大埋深近1648m，地下水补给较为充足，隧道总涌水量和比涌水量均有随着上覆岩体厚度增加而增大的特征，故在后期的工程建设中应加强监测、防患未然。
　　
　　参考文献：
　　（1）泥巴山水文地质结构及高压突水问题研究报告；
　　（2）客运专线隧道初期支护后注浆堵水技术；
　　（3）宜万铁路别岩槽隧道F_3断层突发性涌水治理；
　　（4）关角特长铁路隧道防排水措施概述；