宜萬鐵路齊岳山隧道 F11高壓富水斷層特征及工程對策

王 偉,苗德海

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

受構造運動的影響,斷層內一般巖體極其破碎,自穩能力極差,受高壓水的作用,易塌方失穩,發生突水突泥,造成災害,嚴重影響工程進展,并可能破壞區域環境,宜萬鐵路隧道工程穿越區域性大型斷裂多達 20余處,齊岳山隧道穿越的 F11高壓富水斷層是其典型代表(圖1)。

圖1 齊岳山隧道F11斷層段縱斷面

齊岳山隧道是宜萬鐵路Ⅰ級高風險隧道,全長10528m,為單面下坡,在隧道左側 30m處設置長10581m的貫通平行導坑,在線路右側設置長 752m的斜井 1座;隧道最大埋深 670m,巖溶及巖溶水發育,區內發育有 3條暗河系統和 15條斷層,其中 F11高壓富水斷層規模宏大,沿隧道長約 240余 m;得勝場暗河高于隧道約 220m,平行于 F11斷層發育,受此暗河影響,隧道穿越F11斷層時,暗河水可能被斷層導入隧道,發生大規模突水突泥災害,被國內隧道專家和同行公認為世界性難題。

2 F11斷層的特征

2.1 工程地質特性

F11斷層沿得勝場槽谷西側分布,走向為 NE35°～45°,傾角 50°～ 70°,延伸達 45km,垂直切割線路,受多期構造運動作用,屬區域性的壓性斷層,隧道穿越段斷層寬約 253m。

斷層發育在齊岳山背斜西北翼和箭竹溪向斜東南翼交界部位,處在嘉陵江組(T1j4)硬質可溶巖、角礫狀灰巖與巴東組(T2b1)頁巖、泥灰巖軟質非可溶巖分界面附近,斷層帶由斷層角礫巖、碎裂巖、斷層泥等構成,局部可見角礫的圓化相象,膠結物以鈣泥質為主,易被溶蝕。

主斷層(DK365+102～DK365+333段)由泥質灰巖夾泥灰巖、斷層泥等組成,巖性不均一,成分復雜,巖質軟弱破碎,屬于糜棱化散體結構,為Ⅵ級圍巖;上盤(DK365+333～DK365+353段)為泥質灰巖夾鈣質頁巖、泥巖地段,節理裂隙發育,巖體較破碎,屬于碎裂結構,為Ⅴ級圍巖;下盤(DK365+085～DK365+102段)為灰巖夾泥質灰巖,裂隙較發育,巖性較軟弱,屬于塊裂狀結構,為Ⅳ級圍巖。

2.2 水文地質特征

F11斷裂帶的水文地質特征具有分帶性和不均一性,分為斷層核心相對阻水帶和斷層邊緣高壓富水帶;斷層核心段(DK365+110～DK365+260)斷層泥成分居多,形成相對隔水體;斷層邊緣帶(DK365+260～DK365+350、DK365+090 ～ DK365+110)屬碎裂、塊裂結構,巖體破碎,特別是上盤富含高壓水,實測水壓達2.6MPa。

F11斷層核心段(DK365+110～DK365+260)雖可溶巖成分多,但受壓性構造作用,空隙率低、連通性差,地下水徑流條件差、水中的 CO2含量低,缺乏巖溶的化學條件,降低了強巖溶的可能;斷層上盤(DK365+260～DK365+350段)地下水雖逕流條件好,CO2含量高,但巖體多數為非(或弱)可溶巖石,也難產生強巖溶,因此,F11斷層帶內不存在強巖溶現象,主要為斷層裂隙水。

F11斷層上盤高壓富水帶是相對獨立的強含水體,主要由地表降雨補給,受斷層延長距離遠的影響,對隧道補給量大,富水帶內巖體滲透性能各向差異明顯,豎向和沿構造走向連通性較好,局部存在寬張裂隙;同時,受斷層核心相對阻水帶的影響,上盤高壓富水帶與槽谷區近地表得勝場暗河水無直接關系,但若隧道開挖引起斷層內大量介質流失,暗河水可能通過局部管道補給 F11斷層,引發大規模突水突泥地質災害。

2.3 巖體破壞特征

F11斷層段在施工過程中,曾發生兩次泥石流和一次坍方事件,均無人員傷亡,兩次泥石流均處于斷層上盤高壓富水帶內,坍方發生在斷層核心帶,情況如下。

(1)平導 PDK365+313掌子面泥石流(圖2)

2009年 2月 25日,平導 PDK365+313掌子面進行超前探測時,受上盤高壓富水帶的影響,超前地質探孔發生涌水、噴砂石現象,最大涌水量達2000m3/h,并伴有轟鳴的響聲,隨即掌子面發生垮塌突涌水,瞬間最大流量約 50000m3/h,持續約 5min后穩定在1500m3/h左右,涌水初期為渾水,經過 2d后逐漸變清,破碎巖塊等突出物淤塞平導約 374m,累計突出物量約10000m3。

圖2 “+313”掌子面泥石流

(2)排水支洞 PSDK0+083掌子面泥石流(圖3)

排水支洞位于平導和正洞之間,PSDK0+083掌子面處于斷層上盤高壓富水區,對應正洞里程為DK365+304,受地表強降雨影響(9h內降雨量達 66.6 mm),該掌子面超前探孔過程中,出現明顯跳鉆現象,2009年 6月 20日,隨著掌子面強烈的轟鳴聲,發生突涌水,并攜帶大量巖體碎塊,初始涌水量達4200m3/h,水質渾濁,呈黃黑色,經過 3d后,該處涌水穩定在1000m3/h左右,水質變清,累計涌出破碎巖塊1500m3。同時,平導 PDK365+313掌子面涌水量減小至 300m3/h左右。

圖3 “+083”掌子面泥石流

(3)平導 PDK365+124掌子面塌方

2009年 2月 24日平導施工至 PDK365+124掌子面,揭示為泥質灰巖和斷層泥,圍巖松散破碎,呈糜棱化結構,受掌子面集中涌水點影響(水量約 30m3/h),發生坍塌,在拱頂以上形成一 8m×5m×3m(長 ×寬×高)的空洞。

分析上述泥石流和塌方發生的過程,F11斷層段巖體破壞的主要原因是高壓水對破碎圍巖的滲透、推移破壞,特別是局部涌水對破碎圍巖的掏空作用,導致斷層內局部介質流失,引發泥石流或塌方,因此,針對F11斷層上盤高壓富水帶,應盡量采取“排水減壓、注漿加固”的措施,降低隧道周圍的高水壓,注漿加固圍巖,為隧道安全、快速施工提供保障。

3 工程措施

分析F11高壓富水斷層工程水文地質特征,綜合考慮施工安全、工期、經濟等因素,F11斷層采取“分水減壓、注漿加固、加強支護、綜合治理”的原則進行處理。

3.1 分水減壓(圖4)

為降低 F11斷層上盤高壓富水區迂回導坑段注漿施工難度,加快施工進度,利用平導 PDK365+313掌子面涌突水點進行分水降壓;同時,為進一步實現 F11斷層上盤高壓富水區“分水減壓”的目的,降低正洞超前注漿施工難度,確保施工安全,在 12號橫通道內平導與正洞之間設置 100m長的高位排水支洞進行排水減壓。

圖4 分水減壓平面示意(單位:m)

為確保隧道結構長期安全,平導(迂回平導)以及排水支洞均設置為透水支護結構,并在平導和排水支洞右側預留鉆孔孔口管,根據正洞水壓力監測情況,必要時向正洞實施鉆孔排水減壓,確保正洞結構長期安全。

3.2 注漿加固

為防止富水斷層中破碎圍巖和斷層泥在高壓水作用下涌入隧道,發生大規模突水突泥,采用超前帷幕注漿預加固,降低地層的滲透系數,提高巖體的整體穩定性,達到開挖施工的安全要求。

3.2.1 注漿范圍

圖5 正洞注漿設計(單位:cm)

3.2.2 主要設計參數(表1)

注漿材料以硫鋁酸鹽水泥單液漿和普通水泥-水玻璃雙液漿為主,超細水泥單液漿為輔;在斷層泥等裂隙致密部位或局部補充注漿地段采取超細水泥單液漿;單液漿配比:水灰比(W∶C)為 0.6∶1～1∶1,水泥-水玻璃雙液漿配比:水灰比 (W∶C)為 0.6∶1～1∶1,體積比 (C∶S)為 1∶0.3 ～1∶1。

圖6 平導注漿設計(單位:cm)

表1 超前帷幕注漿主要設計參數

為準確掌握適宜的注漿參數,提高注漿質量,施工前應首先進行注漿試驗,掌握漿液填充率、注漿量、漿液配合比、凝結時間、漿液擴散半徑、注漿終壓等參數,根據試驗結果進行注漿參數和注漿量動態調整。

3.2.3 注漿工藝、順序及控制方式

(1)采取前進式分段注漿工藝,分段長度 3～5m,采用孔口管法蘭盤或水囊式止漿塞進行注漿施工,根據現場實際情況可適當調整。

(2)注漿順序:先外圈孔再內圈孔,同圈孔應間隔跳孔進行注漿,對局部水量大的區域注漿完成后有針對性的進行補強注漿。

(3)注漿過程中采用“定壓定量相結合,以定壓為主”的控制方式,注漿終孔壓力 6～8MPa,當單孔注漿長時間壓力不上升時,定量控制,以 10%裂隙度計算單孔單段注漿量,以 2倍計算值進行控制。

3.2.4 效果檢查與評定

直流電源作為輔助工作電源和穩定電壓電源，在交流電源停電后，能繼續為重要負荷供電，如醫院、鐵路、電廠等重要場所。直流系統的可靠、安全運行，直接影響重要場所的正常生產。本文將對實際應用較多電壓等級的220V直流電源接地回來進行分析，并對接地后的處理進行敘述。

針對 F11高壓富水斷層的工程水文地質特點,超前注漿應起到堵水和加固地層的雙重作用,必須嚴格注漿效果檢查與評定,設計采用分析法、檢查孔法和孔內成像等方法,具體如下。

(1)P-Q-t曲線分析法:P-t曲線呈上升趨勢,Q-t曲線呈下降趨勢,符合定壓注漿結束標準,達到設計注漿壓力時,注漿速度小于 5L/min。

(2)出水量與注漿量綜合分析法:按鉆孔注漿順序繪制每個孔出水量和吸漿量時間分布直方圖,鉆孔出水量呈注漿減小趨勢,地層吸漿量呈下降趨勢,最終注漿堵水率應不小于 80%,后序孔吸漿量小于 5 L/min。

(3)檢查孔法:按注漿孔的 10%選取,檢查開挖輪廓線外 5～8m位置,出水量小于 2.0L/m?min。

(4)孔內成像法:對檢查孔靜置 12h后,采用孔內成像檢查,要求檢查孔不坍孔、無縮孔,孔壁順滑,自穩能力較強。

3.2.5 注漿設備

根據 F11高壓富水斷層工程水文地質特點,制約注漿效率的最大障礙是鉆孔設備和注漿設備,必須采取移動方便、定位準確、功率高的鉆孔設備以及流量大、效率高的注漿設備,通過現場試驗,鉆孔設備選擇了日本礦研的 RPD-150C鉆機、意大利卡薩 C6鉆機、德國寶峨 KR805鉆機;注漿設備選擇了西安探礦 ZJB(BP)-30注漿泵、法國 TEC公司 PH15注漿泵,全面提高了超前注漿功效。

3.3 超前預支護

超前帷幕注漿加固施工完畢并經檢查合格后,拱墻部位采用超前長管棚預支護,與隧道初期支護形成封閉的支護體系,防止圍巖坍塌,確保隧道施工安全;管棚采用外徑 φ108mm、壁厚 9mm的熱軋無縫鋼管,管棚間距 40～50cm;管棚不設工作間,外插角 6°,每循環管棚搭接長度不小于 5.0m,管棚注入硫鋁酸鹽單液漿,以提高支護剛度,對止漿墻和局部侵限的管棚段采用推進器將管棚頂至開挖輪廓線外;為確保注漿后開挖安全,掌子面布設 5～10根 φ42mm的玻璃纖維錨桿,進一步穩定掌子面。

3.4 支護結構

根據 F11斷層工程水文地質特征,在排水支洞、平導(迂回導坑)均采用透水支護結構的情況下,改變了隧道周邊原始的高水壓滲流場狀態,同時,超前注漿預加固降低了隧道周邊圍巖的滲透系數,減少了進入隧道內的地下水量,加之隧道結構自身設置的排導水系統,能盡快排走進入隧道內的地下水;在上述措施基礎上,結合高水壓隧道襯砌水壓力計算的折減系數法,正洞按承受 1.0MPa外水壓力進行設計,平導和正洞襯砌結構見圖7。

圖7 F11斷層段隧道襯砌結構設計(單位:cm)

3.5 防排水系統

平導只設置排水系統,不設置防水板,即在二次襯砌背后環向每 3.0m設置φ50mm透水盲管1處,縱向在底板處設置通長 φ100mm加筋透水管,環向和縱向盲管與泄水孔連通,并引至墻腳,同時,在初期支護和二次襯砌上縱向每 3m在拱墻位置設置 6個 φ100mm的排水孔,確保排水順暢。

正洞設置“半包”防排水系統,即在隧道拱墻初期支護與二次模筑襯砌之間設置復合式防水板,二次襯砌背后環向設置 φ50mm透水盲管,縱向間距 3.0m,縱向設置通長的 φ100mm加筋透水盲管,環向和縱向盲管與排水孔連通,排水孔縱向 3m設 1處,施工時不得堵塞盲溝。同時,在 F11高壓富水斷層兩端設置阻水榫,進行分區防水,防止 F11高壓水向兩端竄流,影響隧道結構安全。

3.6 施工方法

平導采取短臺階或微臺階法施工,并設置臨時仰拱及時閉合;正洞采取三臺階分部開挖法,每臺階及時設置臨時仰拱封閉成環,施工中采用微振動控制爆破技術,盡可能的減少對注漿加固體的擾動,并加強初期支護的監控量測,二次襯砌適時緊跟。

3.7 安全性監測

為及時掌握隧道開挖過程中支護結構的受力狀態,并驗證支護結構的長期安全性,總結工程經驗,完善設計分析理論,確保施工及運營安全,對F11斷層段隧道結構進行了安全性監測,根據需要在平導PDK365+155和正洞 DK365+331、+315、+111里程設置了 4個監測斷面,監測項目包括:二次襯砌外水壓力、初期支護與圍巖間的接觸壓力、初期支護與二次襯砌間的接觸壓力、初期支護和二次襯砌結構的內力等。

截至目前,平導 PDK365+155斷面初期支護與圍巖間接觸壓力最大為 142kPa,初期支護中型鋼鋼架最大應力為 105MPa;正洞 3個斷面中二次襯砌外水壓力最大為0.0412MPa,初期支護與二次襯砌間接觸壓力最大為 212.93kPa,初期支護內型鋼鋼架最大應力為 262.94MPa,初期支護與二次襯砌間接觸壓力最大為 86.75kPa,二次襯砌鋼筋應力最大為 144.44MPa。

以上監測結果表明,目前各項監測數據均在可控范圍之內,其中二次襯砌外水壓力很小,初期支護承受圍巖荷載較大,二次襯砌承受圍巖荷載相對較小,但隨著圍巖應力和滲透水壓力逐漸趨于穩定,支護結構的受力也將逐漸趨于平穩,為隧道安全、快速施工和長期運營安全提供了保障。

4 結論和體會

分析齊岳山隧道 F11高壓富水斷層突水突泥、坍塌的原因,根據 F11斷層的工程水文地質特征,選取“分水減壓、注漿加固、加強支護、綜合治理”的處理原則,成功攻克了隧道穿越高壓富水斷層的世界性難題,實現了安全、快速施工,平均平導每月成洞 25m,正洞每月成洞 20m,為宜萬鐵路風險隧道的全部貫通提供了保障。

(1)高水壓是造成隧道發生大規模突水突泥、坍塌等災害的主要原因,處理時應遵照“排水減壓”的原則,采取一切可能的措施降低隧道周邊圍巖內的水壓力,降低隧道施工風險。

(2)超前帷幕注漿能改善圍巖物性參數,提高圍巖自穩能力,降低圍巖滲透系數,減少地下水的滲流,是隧道開挖支護安全施工的重要保障,施工中必須嚴格控制注漿過程,確保注漿效果。

(3)在“排水減壓”情況下,斷層內超前注漿主要是為了加固破碎巖體,提高其自穩能力,保證隧道開挖支護過程中的安全,在能滿足隧道施工階段安全的條件下,注漿效果檢查時檢查孔出水量可以按照 2.0L/m?min來控制,以加快注漿施工進度。

(4)在“分水減壓”和注漿加固情況下,隧道結構承受的水壓力可以大幅度折減,但具體折減規律和大小需要進一步深入研究和探討;高壓富水斷層帶隧道結構承受圍巖應力場和地下水滲流場耦合作用影響,結構受力十分復雜,隧道應盡量采取近圓形的襯砌結構形式,并能承受一定的水壓力,以確保長期安全。

(5)為及時掌握隧道開挖過程中支護結構的受力狀態,動態調整支護參數,不斷積累經驗提高隧道穿越高壓富水斷層帶的設計、施工水平,應進行襯砌外水土壓力、初期支護與圍巖間的接觸壓力、初期支護與二次襯砌間的接觸壓力、初期支護和二次襯砌結構的內力、隧底基礎沉降等長期觀測與監測。

(6)高壓富水斷層破碎帶地下水來源一般由大氣降雨補給,為減小處理難度,降低施工風險,隧道施工組織時應盡量避免在雨季施工。

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