中天山隧道大埋深高水壓節理密集帶涌水處理

朵生君

(中鐵第一勘察設計院集團公司,西安 710043)

隨著我國經濟的快速發展，高速公路、鐵路的建設任務越來越多，同時修建的長大、特長隧道也越來越多。在長大隧道施工過程中，難免會遇到涌水，出水后給施工造成很大影響，同時有可能發生淹井事故；如遇隧道埋深大、反坡施工距離長，掌子面涌水會存在水量、壓力大的特點，單一的采用全排方案施工風險大，高水壓條件下，傳統的帷幕注漿方式很難實施。在中天山隧道遇到高壓富水段后，通過方案比選、現場試驗、專家論證，采用“分區定位、注漿減排、泄水降壓、合理步距”的處理原則，有效減少排水量，達到安全的施工條件，解決了高壓富水段施工難題。

1 工程概況

中天山隧道是南疆吐庫二線重點控制性工程，設計為雙單線，線間距36 m，隧道全長22.449 km，為單面上坡；進口采用TBM施工，出口采用鉆爆法施工；左、右線各設1座長約2.5 km的斜井。

隧道穿越中天山主脈，最大埋深1 700 m，通過的地層有泥盆系片巖夾大理巖，志留系變質砂巖夾片巖、角斑巖，元古界片巖夾大理巖、混合巖夾片麻巖，華里西期花崗巖，加里東期閃長巖等；通過一級斷層3條，次級斷裂7條，硬質巖中分布有節理密集帶。

2 高壓富水段涌水情況及地質特征分析

2.1 涌水情況

2011年10月6日，出口右線掌子面開挖至DyK154+901處(隧道埋深約1 400 m)出現較大涌水，涌水量約5 000 m3/d；2012年5月3日左線掌子面開挖至DK154+856后，采用RPD-150C多功能地質鉆機進行超前鉆孔探水，探孔實施過程中出現涌水現象。

2.2 地質特征分析

2.2.1 區域地質特征

涌水段地處于中天山山地嶺脊附近，隧道埋深超過1 400 m。地表沿隧道中線右側0～200 m有一深切溝谷(溝底高程2 600～2 700 m)伴行線路約1 km，地層巖性為華力西期閃長巖。涌水掌子面位于閃長巖與志留系片巖夾砂巖的接觸帶的過渡帶附近，前方約300 m為f7逆斷層，N60°W/70°S，破碎帶寬3～5 m。涌水段地質縱斷面見圖1。

圖1 涌水段地質縱斷面

2.2.2 超前地質預報分析

(1)為進一步探明地質情況，首先采用TSP超前物探進行探測，判斷掌子面前方150 m范圍內地質情況；

(2)之后完成4個超前水平地質探孔(編號為E1、S1、S4、S9)，探孔孔位布置見圖2，探孔參數見表1。

圖2 涌水段地質縱斷面(單位：cm)

鉆孔編號開孔座標X/cmY/cm水平角/(°)豎直角/(°)孔深/mE131.46110.938.3S1-109.4159.1-8.214.431.3S4-228.140.8-15.9531.3S9-122.350.4-6.62.930.2

根據物探資料結合超前鉆孔資料成果綜合分析：富水段長度73～106 m，圍巖以Ⅲ、Ⅳ級為主，其他地段Ⅱ、Ⅲ級。如圖3所示。

圖3 涌水段超前地質預報分析結果示意

2.2.3 左、右線連通性

對左、右線掌子面各3個安裝閥門及壓力表的探孔進行連通性測試，情況如下：

(1)左線出水孔全部關閉，右線排水，觀測左線3個孔的最大壓力分別為0.35、0.6、0.6 MPa；

(2)右線出水孔全部關閉，左線排水，觀測右線3個孔的最大壓力分別為1.6、1.8、1.9 MPa。

(3)左線3個出水孔全部關閉后，40 min后再關閉右線所有出水孔，右線3孔壓力變化曲線如圖4所示，在測試過程中由于右線1個閘閥出現泄水現象，最大壓力值為4.9 MPa。

圖4 右線掌子面探孔壓力變化情況

2.2.4 涌水壓力測試

關閉左、右線掌子面排水孔閘閥，對右線掌子面2個孔進行水壓觀測。水壓在50 min內上升到5.8 MPa，其后呈緩慢上升趨勢，200 min后水最大靜水壓力6.3 MPa，排水孔水壓變化曲線見圖5。

圖5 右線掌子面排水孔水壓變化曲線

2.2.5 單孔壓力、流量觀測

關閉左線所有泄水孔的水閥，同時右線僅打開E1號泄水孔(孔深為38.3 m，為最深的探孔)的水閥，進行單孔壓力、流量測試。

關閉E1孔水閥，壓力由0到4.0 MPa，用時28 min，壓力在4 MPa左右時流量約350 m3/h。然后打開E1孔水閥，到排水量穩定時，用時21 min，共排水98.44 m3。

2.2.6 水文地質特征分析

通過補充勘察工作結果分析，掌子面前方地層受f7斷層影響，節理裂隙較發育～發育，巖體較完整～較破碎，地下水極發育。地下水類型主要為巖性接觸帶層間水，賦存于節理密集帶、寬張節理中，呈條帶狀分布，含水體傾向隧道小里程方向，總體走向與節理延伸方向一致，相對隔水體分布明顯；受地質構造、埋深等影響，地下水具有補給充分、水壓高、水量大、突發性強、衰減緩慢、連通性好等特點。

根據超前水平鉆孔、水壓及水量觀測，采用古德曼經驗式、水壓力法及單長水量估算法進行涌水量估算，高壓富水段的正常涌水量1.6萬m3/d，最大涌水量3.2萬m3/d。

3 注漿堵水設計[5]

地下水具有補給充分、水壓高、水量大、衰減緩慢等特點，若采用全排水處理方式，在高壓水作用下破碎圍巖易發生突水突泥或坍塌現象，綜合考慮施工安全、工期、經濟等因素，確定采用超前帷幕注漿，以提高巖體的整體穩定性，并降低地層的滲透系數，減小涌水量，確保施工安全。

由于在高水壓狀態下，直接采用超前帷幕注漿方式很難達到注漿效果，因此本次注漿設計遵循“分區定位、注漿減排、泄水降壓、合理步距”的原則，即注漿時通過設置泄水降壓孔，邊泄水降壓，邊進行注漿堵水。

3.1 分區定位，劃分注漿區域

為提高注漿效率，先施做6個鉆孔作為注漿孔兼超前地質探孔，分析探孔涌水量大小以及在掌子面的涌水部位分布情況，劃分多個注漿區域，針對性進行布孔及注漿堵水，使地層中涌水量得到有效控制。

3.2 對角泄水降壓

注漿前，在掌子面附近左上、左下、右上、右下，各布設2個泄水孔并設置閘閥，注漿時，采用“對角泄水降壓”的原則，即對左上部位注漿時，右下部位泄水，以加大注漿、泄水孔空間距離，減少串漿幾率。

3.3 合理鉆孔步距

根據所劃分的不同注漿區域，適當調整注漿孔眼間距；重點注漿區域增設注漿鉆孔，以縮小注漿孔步距，涌水量較少區域可減少注漿鉆孔，增大鉆孔步距，減少鉆孔量。

3.4 注漿堵水設計

3.4.1 注漿范圍

根據超前鉆探探測地質情況，分別設計5 m及8 m環向加固圈，縱向每循環30 m；注漿孔5 m范圍內為45個，8 m范圍內為69個。注漿方式采用前進式分段注漿。每循環均施做2 m厚的止漿墻，開挖時，預留4 m厚止漿巖盤。注漿設計詳見圖6。

圖6 5 m范圍帷幕注漿示意(單位：cm)

3.4.2 注漿設計參數(表2)

注漿材料采用以普通水泥單液漿為主，普通水泥-水玻璃雙液漿為輔，如以上材料注漿效果不好時，可考慮硫鋁酸鹽水泥單液漿進行試驗。

4 節理密集帶富水段注漿實施

4.1 注漿順序及結束標準

(1)先施作6個注漿孔兼超前地質探孔，然后按由外到內、由上到下、間隔跳孔的方式進行，對局部水量大的區域注漿完成后有針對性地進行補強注漿。

(2)單孔注漿結束標準以定量定壓相結合的方式控制。當注漿量達到設計注漿量的1.5～2倍，壓力仍然不上升，可用雙液注漿等措施結束該孔注漿；當壓力逐漸上升，流量逐漸下降，壓力達到設計壓力并維持5～30 min可結束該孔注漿。當所有注漿孔均達到注漿結束標準，可結束本循環注漿。

表2 注漿主要設計參數

4.2 注漿過程P-Q-t曲線[4]

注漿量和注漿壓力隨注漿時間變化情況如圖7所示，主要表現為2種形式：涌水量較大的注漿孔，初始壓力為2 MPa左右，在2～4 MPa期間壓力上升緩慢，4～7 MPa期間壓力上升較前速度加快；7 MPa至終壓為瞬間上升，注漿流量也隨之降低，達到設計結束標準；涌水量較少的孔注漿初始壓力仍為2 MPa左右，但注漿壓力上升較快，地層吸漿較小，隨著注漿壓力的快速上升并達到設計壓力時，出水裂隙被漿液充填密實，達到預期的堵水效果。

圖7 注漿P-Q-t曲線

4.3 堵水效果[4]

先施工的注漿孔水量最大達到239 m3/h，平均達176 m3/h，隨著注漿進行，大的寬張裂隙被封堵后，達到一定的堵水效果；在后序的內圈孔完成后，大部分出水裂隙已全部封堵，平均涌水為12 m3/h，，注漿堵水減排效果明顯。

4.4 檢查孔

檢查孔鉆設過程中鉆進速度較快，未出現卡鉆現象，且孔內出水量都達到開挖標準；孔內攝像結果顯示孔壁光滑，成孔性較好、無塌孔現象，孔壁有較明顯的漿液充填痕跡。

5 節理密集帶富水段施工

注漿完成后，采用上、下臺階法施工，揭露圍巖內的所有滲水通道都被漿液有效填充，掌子面涌水量比注漿前明顯減小，能夠保證順利開挖。

由于注漿的局限性，不可避免存在盲區，局部存在滲水現象，為保證后期運營安全，高壓富水帶初期支護進行加強，C25噴混凝土厚30 cm，設置I22b型鋼鋼拱架，間距0.5～0.8 m；二次襯砌按承受1 MPa水壓進行設計[11-12]，采用70 cm厚鋼筋混凝土結構。

6 結語

由于中天山隧道埋深大，施工距離長，所遇到高壓富水段涌水具有水壓大、水量大、衰減緩慢等特點，采用全排方式或直接全斷面帷幕注漿方式，施工風險高，難度大；通過“分區定位、注漿減排、對角泄水降壓、合理步距”的處理方式，成功地解決了施工難題，為加快中天山隧道建設提供了技術保障。

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