大斷面隧道高壓富水變質巖地層及構造帶災害處理技術——以舊堡隧道為例

孟慶余， 蘇　江， 方　偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津　300251)

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大斷面隧道高壓富水變質巖地層及構造帶災害處理技術
——以舊堡隧道為例

孟慶余， 蘇江， 方偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津300251)

摘要：舊堡隧道地處區域性構造交匯部位，地層為古老的太古界變質巖，巖石因受多期地質構造運動作用，斷裂構造極為發育。隧道地下水發育且部分地段存在承壓水，在施工過程中，針對掌子面突水涌碴、開挖面坍塌，采取架設臨時仰拱和臨時擋墻措施，加固繞避； 針對初期支護大變形、二次襯砌開裂等情況，采取超前注漿、超前大管棚和雙層初期支護等措施，確保隧道襯砌結構安全； 針對隧道地下水發育情況，采用排水型防水板、邊墻增設碎石盲溝并增加泄水洞等措施，確保隧道運營安全。

關鍵詞：鐵路隧道； 承壓水； 突水涌碴； 大變形； 泄水洞

0引言

伴隨著隧道工程建設的不斷發展，工程中所遇到的技術難題也越來越多[1]。近年來，在大斷面高壓富水變質巖隧道建設過程中，由于地質多期構造影響等多種因素相互疊加引起隧道突水涌碴及發生大變形的情況屢見不鮮，給隧道施工安全帶來了嚴重影響。目前，國內外對大斷面高壓富水變質巖隧道已有一定研究，許再良等[2]、葉少敏[3]和林明達等[4]通過對雁門關隧道區域內太古界片麻巖地層特性的分析，提出了針對性的工程措施； 但是，目前的研究大部分針對高地應力軟巖隧道的變形機制及控制措施[5]和非可溶巖隧道突涌情況的處理措施[6]，對于高壓富水變質巖地層大變形及突水涌碴處理措施的研究相對較少。

本文對舊堡隧道設計和施工中出現的主要工程難題和應對措施進行了總結，有助于進一步認識經多期構造作用的富水古老變質巖地層中隧道工程技術的關鍵所在。

1隧道概況

舊堡隧道是張家口至集寧鐵路最長的隧道，位于張家口以東，起訖里程為DK25+270～DK34+855，全長9 585 m(見圖1和圖2)。隧道縱坡為7.6‰與7.4‰的單面上坡，最大埋深約為493 m，采用單洞雙線隧道斷面，預留200 km/h條件，雙層集裝箱限界[7]，軌上凈空為88.29 m2。

隧道洞身范圍為太古界馬市口組(Arm)麻粒巖、磁鐵石英巖和太古界下白窯組(Arx)淺粒巖，局部可見基性輝綠巖脈及酸性花崗偉晶巖脈侵入。經取巖樣測試，麻粒巖及淺粒巖的單軸飽和抗壓強度多數在65～125 MPa，個別小于30 MPa，小于60 MPa的多為存在沿節理面破裂導致，經綜合判定，麻粒巖及淺粒巖為極硬巖[8]。

圖1　舊堡隧道縱斷面圖(單位： m)

圖2　舊堡隧道平面位置圖

2主要工程難題

2.1隧道位于復雜地質構造帶

隧道位于陰山東西復雜構造帶，在地質歷史上經歷了3期較明顯的構造運動，分別為前震旦紀、中生代及新生代構造運動。多期構造運動的疊加造成地質構造極其復雜，從而表現為節理裂隙發育，巖體破碎。隧道經過大小13處斷層，其中F3斷層構造走向接近隧道軸線，夾角約30°，使得隧道施工難度增大[8-10]。

2.2部分圍巖特征在開挖前后具有極大差異

舊堡隧道地處區域性構造交匯部位，通過的主要地層巖性為古老的太古界變質巖(麻粒巖、淺粒巖)，因受多期地質構造運動作用，斷裂構造極為發育，且巖漿活動強烈，隧道通過1條大斷裂(F3)、12條較大斷裂及大量巖漿侵入巖體、巖脈，地質條件復雜。施工揭示地層普遍發育小斷層糜棱巖化破碎帶、節理密集帶和3組以上結構面，將巖體切割成碎石狀結構，結構面多擦痕鏡面和動力變質礦物，局部含泥化夾層，花崗巖和輝綠巖巖脈大量穿插，并可見熱液蝕變礦物，圍巖自穩性差，在普遍發育具有承壓性的地下水作用下，結構面填充物極易軟化流失，誘發圍巖變形失穩，多次發生圍巖坍塌和小規模泥夾碎石流。

該隧道太古界變質巖多為副變質巖，由于原巖成分的差異及多期構造運動的影響，致使構造節理裂隙發育程度不同，加之多期巖脈的侵入和斷裂的切割阻隔作用，造成了部分地段和層位含水、部分地段和層位隔水的構造，形成了承壓含水層。賦存于斷層及影響帶中的構造裂隙水，沿斷層帶(張性斷層)及影響破碎帶呈帶狀分布。由于斷層的影響，導致巖石的松散度、孔隙度增大，富水性發生改變，使其由不含水變為含水。

本區變質巖以麻粒巖主，多為硬質巖，一般情況下隧道圍巖以Ⅱ、Ⅲ級為主； 但由于復雜構造背景、施工開挖和地下水等綜合因素作用，開挖后發現部分圍巖(巖脈)節理面光滑，有蠟狀填充物，填充物遇空氣后自然崩解；部分圍巖受構造影響強烈，手掰易碎。綜合以上因素，隧道圍巖表現出軟巖大變形等特性。

2.3地下水豐富且具有承壓性

該隧道地下水發育，多數地段具有承壓性或部分承壓性，地下水總體流向為自北向南，勘察地質鉆孔承壓水從地下噴出地面約2 m。隧道正常涌水量為16 013 m3/d，最大涌水量為61 157 m3/d。該區域地下水主要賦存于基巖的節理裂隙及斷層影響帶中，而承壓水主要賦存于F3斷層兩側影響帶中。由于受斷層影響，承壓水含水層的位置呈現多層的特征，其連通性很不均一。地面至隧道標高共存在7層承壓水，即7個含水層和7個隔水層交替分布。

2.4變形具有延遲特征，控制難度高

在多數發生變形地段，掌子面的地下水表現為剛開挖時比較干燥或水量很小，變形也很小，5～20 d以后地下水水量開始增大，初期支護開始變形，有些變形嚴重的地段，鋼架會被壓扭。經分析認為隧道位于相對阻水地段，隧道開挖后，受應力釋放、震動和風化等多種因素影響，使得裂隙張開，地下水流動形成通道，在地下水作用下，極易產生變形、掉塊等現象。隨著地下水的滲漏和侵蝕，圍巖整體強度迅速下降，一旦變形過大，就會難以控制。

3應對措施

3.1承載結構破壞，先加固并通過，隨后處理

在隧道施工過程中，隧道多次出現大變形，嚴重侵限最大超過1.0 m。2010年11月4日，對DK29+389～+424段制定了設置擋墻及注漿方案。

根據施工開挖及超前鉆探推斷，在DK29+389右側地層(垂直洞身方向)，0～15.5 m為構造破碎帶，巖體呈土狀，遇水呈泥狀，為斷層泥，具有糜棱巖化作用； 15.5～25.0 m為破碎的麻粒巖、花崗巖夾泥，呈角礫碎石狀松散結構； 25.0 m以后為麻粒巖夾花崗巖侵入體，巖體破碎，多呈碎塊狀及角礫碎石狀松散結構，為富水地層。在DK29+418處右側地層(垂直洞身方向)，0～7.5 m為構造破碎帶，巖體呈土狀，遇水呈泥狀，為斷層泥，具有糜棱巖化作用； 7.5～17.0 m為破碎的麻粒巖、花崗巖夾泥，呈角礫碎石狀松散結構； 17.0 m以后為麻粒巖夾花崗巖侵入體，巖體破碎，多呈碎塊狀及角礫碎石狀松散結構，為富水地層(見圖3和圖4)。

圖3　地質情況橫剖面圖(單位： cm)

Fig. 3Cross-section showing geological conditions of Jiubao tunnel (cm)

圖4　地質情況平面圖

根據施工臺階情況，在DK29+389～+408段中臺階設置了2層擋墻(見圖5)，在DK29+408～+418段中臺階設置1層擋墻，在DK29+418～+424段中臺階設置1層型鋼混凝土。對DK29+387～+424段進行超前注漿加固，右半邊設置大管棚，在管棚的保護下進行開挖和支護。

但由于水壓較大，DK29+424～+420段于2010年11月30日晚開始從擋墻頭(大里程端DK29+424)縫隙涌水，涌水量達到40 m3/h，DK29+424處注漿止漿墻開裂，裂縫寬度達15 cm。根據現場情況，注漿工作暫停，待水量穩定后，重新加固了擋墻，并注漿加固。從左側向前繼續開辟了掌子面，隧道貫通后再處理本段擋墻部分，縮短了貫通時間。

圖5　DK29+389～+408斷面圖(單位： cm)

3.2鋼拱架扭曲、折斷，套拱加固

經過對現場圍巖變更情況以及扭曲變形情況的統計得知，隧道右側是出現問題的主要部位，鋼架變形嚴重，從DK29+376～+391段右側變形看，平均變形1.0 m，最大變形達到1.88 m。

現場根據監控量測結果及施工過程中的研究分析，對隧道施工方案及結構參數進行多次調整。通過超前地質預報對前部圍巖進行預測，在預計有大變形段落采取了徑向注漿加固圍巖、套拱加固和雙層初期支護等措施[11-14]。雙層初期支護隧道襯砌參數見表1。

表1雙層初期支護(套拱)隧道襯砌參數

Table 1Lining parameters of tunnel with double primary support layers(umbrella arch)

圍巖初期支護噴混凝土厚度/cm格柵間距/m二次襯砌拱墻仰拱Ⅴ承壓拱墻,初層33、二層27初層Ⅰ25、全環0.660cm65cm仰拱33二層Ⅰ20、全環0.6主筋?25@100主筋?25@100

3.3水壓過大，泄水降壓

針對舊堡隧道高水壓段落圍巖變形嚴重、施工困難的情況，為了達到泄水降壓、保證施工及運營期間結構安全的目的，除超前泄水外，在DK29+365～+401段設置永久和臨時結合的泄水洞，以確保施工及運營期間的穩定、安全。為降低水壓力，隧道拱墻采用排水型防水板，邊墻設置環向碎石盲溝，底部初期支護外側設置粗鋼管，鋼管上設置泄水孔以排出順環向排水板以及片石盲溝匯集的地下水，以減小水壓[15]。

泄水洞設置在隧道DK29+365右側，終點里程為DK29+401。導洞與線路方向呈30°向前延伸，保證隧道正洞與導洞毛洞之間有10 m的凈距離。洞內采用1%的縱向坡度，比正洞坡度(7.6‰)稍大，以便于排水(見圖6)。

泄水洞的實施，起到了較好的排水泄壓作用，在導洞泄水降壓的輔助下，本段襯砌得以順利施作。2011年10月25日，在北京召開了“舊堡隧道永久泄水方案專家論證會”，經過5年多的施工以及半年多的運營觀測，實測隧道總水量穩定在8 000 m3/d，泄水洞水量穩定在800 m3/d，水壓在0.03～0.14 MPa，運營期間襯砌結構安全。

圖6　泄水洞平面設計圖(單位： cm)

3.4掌子面涌碴，加固處理

隧道涌碴表現為破碎圍巖在地下水和自重作用下，從掌子面以及初期支護后邊迅速涌出，與突水突泥危害性相比較小； 但在高水壓作用下對于成功施作的初期支護仍然造成一定破壞，需要加強超前支護，穩定掌子面。主要處理方法如下： 1)超前泄水； 2)通過超前大管棚及小導管進行超前支護與注漿加固； 3)涌碴出現后應迅速封閉掌子面，并對涌碴形成的空穴進行回填； 4)超前注漿加固，為后續施工創造條件。

4結論與體會

從舊堡隧道施工過程中所表現出的特殊情況以及采取的應對措施，進一步認識了古老變質巖體和地下水的復雜性及其對工程的影響，同時也積累了一些實踐經驗，對同類地質條件下工程建設，特別是對隧道的開挖、支護具有實際的指導作用，對降低工程安全風險也有重大借鑒意義。

1)變質巖具有獨特的工程特性，特別是在地下水及大斷面施工的共同作用下，圍巖的穩定性所受影響尤其明顯。大跨度和施工引起的強烈快速卸載作用，使原來處于潛在張裂狀態的層狀結構為主的巖體發生明顯的剪切破壞，施工中應嚴格控制工序和工藝以減少擾動。

2)對圍巖表現出的“假象”應予以關注，其在開挖后的一段時間都表現出明顯的硬質圍巖特征，與勘察期間通過鉆探、物探等手段獲得的信息一致； 但是隨著時間的推移，裂隙張開，地下水對圍巖的影響增大，則表現出軟巖大變形的特性。

3)在隧道施工中，當遇到難度較大、正面處理比較困難的情況時，有必要采取“先加固并通過，隨后處理”的措施，以保證工程順利進行。

4)對于經多期構造運動影響變質巖的勘察是一個較新的課題，如何在勘察初期準確預判隧道通過時地層特殊性，需要進行專門研究，也是確定針對性措施以及合理控制工程風險的關鍵所在。

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Countermeasures for Disaster of High-pressured Water-rich Metamorphic Strata and Tectonic Zone of Jiubao Large Cross-section Tunnel

MENG Qingyu, SU Jiang, FANG Wei

(TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300251,China)

Abstract:Jiubao tunnel is located in the junction of regional tectonic whose main strata is old archaeozoic metamorphic rocks. The fault structure is developed well due to the geological structural movement. The groundwater is rich; and there is confined water in partial sections. Technologies, such as the temporary inverted arch, the temporary retaining wall, strengthening and avoidance are used so as to solve the water inrush and collapse of tunnel face. In order to guarantee the safety of tunnel lining structure, advance grouting, advance pipe roof and double primary support layers are adopted. In light of the rich groundwater, the drainage-type waterproofing plate, additional macadam blind drains and increasing drainage holes are adopted to guarantee the running safety of the tunnel.

Keywords:railway tunnel; confined water; water inrush; large deformation; drainage hole

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)03-0315-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.011

作者簡介：第一 孟慶余(1976—)，男，吉林松原人，2001年畢業于西南交通大學，土木工程專業，本科，高級工程師，現從事隧道及地下工程管理、設計及咨詢工作。E-mail: sdsmengqingyu@126.com。

收稿日期：2015-08-13; 修回日期： 2015-09-28