隧道突水机理及突水处治技术

隧道突水机理分析及突水处治技术中铁十六局集团有限公司西格二线工程指挥部

钱富林一、摘要二、突涌水机理分析三、突涌水模式四、隧道突涌水处治技术六、结束语主要内容一、摘要本文立足于关角隧道建设实践，研究关角隧道突涌水灾害的发生机理，分析突涌水的形成条件、类型，提炼突涌水的水文地质概念模型和突涌水模式；采用理论分析、数值模拟、经验总结等方法，归纳总结了一套突涌水处治技术，包括超前地质预报方案、注浆方案、地表导流，针对不同的突涌水模式采取相应的处治方案。在关角隧道施工过程中，穿越了长大段落岩溶富水区域，涌水压力基本超过2MPa，涌水量较大，水文地质复杂，为工程施工带来了极大的影响。其中，最为突出的问题是：隧道内地下水补给及处治问题。隧道的开挖、贯通，改变了原有的温度场、应力场和地下水流场，传统的施工方法受到挑战。为了克服和解决富水环境对施工的影响，通过对隧道突涌水机理分析，采取了必要的超前探水、水泥-水玻璃浆液和化学浆液相结合的注浆堵水措施、施工方法，确保了隧道顺利穿越富水区域施工。二、突涌水机理分析1、突涌水形式根据现场勘察分析，关角隧道的地下水类型为基岩裂隙水和岩溶裂隙水，施工中遇到的突涌水主要出现在3号、4号斜井II-IV级灰岩地层中，主要表现形式为：突涌水表现形式一：涌水点主要分布在拱部及边墙，以股状涌水及淋雨状涌水形式沿裂隙出露，具有出水点多、单孔涌水量小、总涌水量大及水压较低的特点。突涌水表现形式二：涌水点较为集中，股状涌水、涌水量较大、水压较高（1.3~4.5MPa）。2、地表水流量监测2008年8月16日，分别在3、4号斜井所处的克德拢沟距4号斜井口约1.2km的上游处和距斜井口约0.4km的下游处布置流量测试断面Ⅰ和测试断面Ⅱ，对地表水流量采用浮标法进行测试，测试的结果见下表：编号过水面积（m2）流速(m/s)水量(m3/d)断面Ⅰ0.710.67641468.5断面Ⅱ0.520.40918375.5由测试结果看出，地表水在流经断面Ⅰ和断面Ⅱ（间距约0.8km）的过程中流量损失约23093m3/d。由此克德拢沟谷地表水对斜井具有一定的侧向径流补给。

为进一步查明地表水与3、4号斜井的水力联系，在3、4号斜井上游布置实验坑进行连通实验（如图所示），实验试剂采用红色氧化铁粉，同时在洞内进行颜色观测和取样化验分析，实验结果：

1）经过72小时的观测，3、4号斜井洞内涌水未见颜色的变化，结果分析为，洞内涌水较大，对颜色的稀释是导致观测结果不理想的直接原因。

2）水质分析结果：4号斜井投放示踪剂后48小时铁离子含量为实验前的6.4倍。3号斜井投放示踪剂后48小时铁离子含量为实验前的2.2倍。

实验结果表明：克德拢沟地表水与4号斜井具有较好的水力联系，与3号斜井具有一定的水力联系，是隧道涌水的重要补给来源。2、突涌水水文地质概念模型由于气候和地质条件的不同，关角隧道岩溶区普遍发育强径流带，地下暗河极不发育。岩溶地下水系统不论是地下水赋存空间，还是径流空间，主要受构造裂隙（岩溶裂隙）控制，主干裂隙是径流通道（强径流带），次级裂隙为赋存空间。关角隧道围岩含水介质为裂隙-溶隙含水介质。按照隧道所处的岩溶水系统的垂向循环带、季节变动带、水平循环带、深部循环带和强径流带，可将其概化为如下五种水文地质概念模型：模型1：隧道位于区域最高地下水位以上，一般不存在稳定的涌突水问题，主要表现为沿裂隙和溶隙的滴水和渗水，雨季会有短期的小流量股状涌水，由于埋深浅，没有形成自由水面，基本不会形成较大的水压力，对工程正常施工影响不大，风险性较小。这种模式基本位于隧道的进出口部位。模型2：隧道处于区域地下水最高水位和最低水位之间，主要表现为沿裂隙和溶隙的渗水、涌水现象，在枯水期水量较小或无水，在雨季或丰水期洞内裂隙出水量增大或会形成新的涌水点，量集中、变幅大、突发性强，危害性也较大，在排水能力充足的情况下，对工程正常施工影响不大。模型3：隧道位于区域最低地下水位下方数十米范围，基岩裂隙发育程度较低，主要表现为沿裂隙和溶隙的涌水现象，雨季时涌水量会增大，涌水量相对比较稳定，揭示涌水量与正常涌水量差异不大，在采取相应的堵水、排水措施条件下，对工程正常施工影响不大，一般不存在严重的突水问题。模型4：隧道位于区域地下水位下方数百米，其突水的特征一般以清水为主，裂隙-溶隙不发育，水量相对比较稳定，初次揭示涌水量与正常涌水量差异不大。由于地下水的水压力较大，易发生大规模突涌水，风险性较大。模型5：隧道处于裂隙-溶隙极发育的构造破碎带含水介质中，属于地下岩溶水系统的强径流带，隧道涌突水量与地表降雨和地表水体关系极为密切，当隧道处于岩溶水系统的下游，在高水压作用下容易同时诱发破碎围岩崩塌，突水灾害的危害性巨大。该模式突水特征为初次揭示涌水量、正常涌水量和水压力极大，且相对比较稳定。表12008年1月~8月降雨量统计表月份12345678降雨量（mm）4.72.41.317.134.753.7153.734.9关角隧道4号斜井2008年7月30日，实测涌水量为8100~9200m3/d，之后水量持续增大，2008年9月28日实测水量为24000m3/d；2008年7月19日实测洞内涌水量为8617.2m3/d，2008年9月16日实测水量为16456.0m3/d（峰值涌水量为23000m3/d）。不同时期的涌水量相差巨大，隧道在雨季的突涌水风险性大，而枯水季节突涌水的风险性相对较小。另外隧道突涌水发生除与水文地质概念模型有关外，还与降雨期也有关，不同降雨时期降水量不同，洞内涌水量大小也不一样。根据天峻县气象站的降雨资料（见表1），关角隧道地区7月份最大降雨量为153.7mm，为30年一遇的强降雨，相比历史同期增加了92%，单日最大降雨量为2008年7月28日的42.8mm。通过以上对不同水文地质模型下隧道涌突水特点的分析可以看出，关角隧道是揭穿型突涌水，受蓄水构造和地区大气降水因素的影响明显。将各种突涌水按发生条件和机理划分为洞身突涌水型和掌子面突涌水型两种突涌水模式。1、

掌子面突涌水模式掌子面突涌水模式包括裂隙-溶隙和构造带两种突涌水模式，两种模式的突水机理差异较大。1）裂隙-溶隙型突涌水模式主要表现为地下水从掌子面局部节理和裂隙中淋出或涌出，由于裂隙-溶隙含水介质的过水和蓄水能力有限，涌水的水量和水压较小。2）构造带突涌水模式主要是由于掌子面前方的构造带中赋存丰富的地下水，由于储水构造形成时间较长，赋存了较大的水量，具有较大水压，当较完整的隔水层不足以承受构造带的水压发生破坏时，大量的地下水随之突然涌出。三、突涌水模式2、洞身突涌水模式关角隧道3号斜井长1667m、4号斜井长1571m，斜井坡度大，长距离反坡排水是施工面临的一大难题，因此对斜井洞室开挖后的洞身突涌水模式研究至关重要。研究资料表明，与岩溶弱径流区（裂隙-溶隙不发育）比较，强径流带地下水动态相当稳定，无论是地下水位还是流量，其变化幅度都比弱径流小的多。这是因为巨厚的包气带及弱径流区对地下水调蓄作用的结果。强径流区地下水位年变幅一般为3~13m，弱径流区地下水位年变幅可达16~112m，隧道通过强径流区时可不考虑地下水变化的影响。关角隧道岩溶段属于裸露型岩溶，受大气降水补给明显，弱径流区地下水位变幅大。当洞身穿越季节变动带段，在枯水期时，地下水处于低水位，洞身地下水状态主要为无水或渗水。在丰水期时，地下水达到高水位，巨大的水位差会造成洞身段出水点涌水量剧增或出现新的涌水点出现。这种枯水期和丰水期涌水量的巨大差距，往往会导致在枯水期施工时不能准确判断地下水状态，没有采取相应的处理措施就继续施工。而在丰水期时，由于斜井内反坡排水能力有限，当涌水量高于排水量时就会酿成大型突涌水灾害。洞身段处于垂直循环带和水平循环带时，由于水头不高，主要表现为地下水沿隧道壁汇集，成股或成点滴落或流下，通过后注浆措施即可控制。处于深部循环带时，高压突水地段，在开挖施工时已进行超前封堵处理，洞身也不会出现大的涌水点，因此一般不会对地下工程造成很大的排水压力，对地下工程的衬砌也不会产生很大的水压力。综上所述，洞身突涌水模式应以洞身处于季节变动带时为典型进行预防和处理。通过以上隧道突涌水机理分析、突涌水水文地质概念模型、突涌水模型等一系列的研究分析，关角隧道突涌水存在以下几个特点：第一、关角隧道岩溶段受大气降水补给明显，弱径流区地下水位变幅大第二、隧道与地下水位之间的关系难于掌握，突涌水形式具有不可预见性。第三、隧道突涌水多以掌子面突涌水为主，水压较高、水量较大，堵水施工难度较大。第四、隧道洞身单点高压涌水与段落渗水并存，单一的堵水施工方案难以达到预期的堵水效果。针对关角隧道突涌水的几大特点，就要在施工过程中，形成整套的突涌水防治与处治技术。四、隧道突涌水处治技术1、超前探水方案针对关角隧道地质的复杂性和多变性，施工中采取综合超前地质预报的手段，即按照“长短结合、上下对照、定性与定量相结合”的原则，在隧道风险分级的基础上，采用相对应的综合预报方案。其中长期超前地质预报应连续在本标段隧道进行，短期地质预报只在重点地段，如断层破碎带、富水区段进行。隧道内超前地质预报

超前地质预报措施针对隧道不同段落的地质复杂程度和既有的地质资料，将关角隧道的地质风险划分为A、B、C三个等级，具体分级及预测预报项目如下：表2关角隧道施工地质分级和预测预报项目表等级工程地质特征预测预报项目A（1）存在重大地质灾害隐患的地段，如可溶岩与非可溶岩接触带，软弱、破碎、富水、导水性良好的地层和大型断层破碎带。（2）重大物探异常地段，可能产生大型、特大型突水突泥地段，诱发重大环境地质灾害的地段等。地质分析法，TSP超前预报（100m），地质雷达（15m），红外探水，超前水平钻探（30~100m）3孔，超长炮孔（＞10m）不少于6孔，地质素描B中型突水突泥地段，较大物探异常地段，断裂带等。地质分析法，TSP超前预报（150m），地质雷达（20m），红外探水，超前水平钻探（30m）1~3孔，超长炮孔（＞6m）不少于5孔，地质素描C水文地质条件较好的碳酸岩及碎屑岩地段、小型断层破碎带，发生突水突泥的可能性较小地质分析法，TSP超前预报（150m），地质雷达（20~30m），超前水平钻探（30m）1~2孔，超长炮孔（＞5m）1~2孔，地质素描

超前地质预报地质分级及预报项目1）TSP203预测预报的最有效距离是掌子面前方100m，并且两次预报应有至少10m的搭接，保证不遗漏隧道不良地质的预报。当预报前方有非常不良的工程地质情况出现时，应当提高预报频率，并且缩小预报距离的范围，同时还应增加预报位置的搭接长度。2）将地质雷达的预报距离应严格限定在30m以内，其中20m以内效果最好。两次预报之间的搭接长不应低于5m。3）红外线超前探水预测距离应在30m以内，两次预报之间的搭接长不应低于5m。4）掌子面地质素描需要在隧道施工全程的实施；每各开挖循环做一次。5）超前钻探主要应用于长期、短期预报确定的主要不良地质区段，依据工程地质情况，钻探法可以分为长距离超前水平钻探、短距离超前钻探和加深炮孔法三种。其中长、短距离超前水平钻探是采用水平地质钻机完成的，加深炮孔是通过加深掌子面钻孔完成的。

超前地质预报技术标准图4超前地质探孔纵、剖面示意图①长距离超前水平钻探实施在规模较大的重大灾害隐患地段，钻探的距离30~100m，应当一次性穿过不良地质的地段。掌子面中部探孔水平布置，拱底和拱顶探孔终孔位置应布置在轮廓线外3~4m处（图4）。钻好的孔应进行压水渗漏性试验。②短距离钻探法钻探距离20~30m，搭接长度5m，对于一般断层破碎带，每个掘进工作面布设超前取芯探孔1~3个；对于多水、富水带，应增设2~3个探水孔，分别位于拱顶和拱腰部位，超前探水孔终孔位于隧道开挖轮廓线外1.5m~3.0m。图5超长炮孔纵、剖面示意图③超长炮孔法通过加深炮孔到5~10m探测前方的工程地质情况，沿掌子面周边布置，并分别以30~45°的外插角实施（图5）。2、止浆墙安全厚度分析掌子面突涌水一般分为裂隙-溶隙型和构造带型突涌水模式，当构造裂隙和隧道之间的岩柱不足以抵抗构造裂隙中的水压时，构造裂隙中的水就可能向着临空面及隧道方向突出，形成灾害。因此，为有效预防掌子面突涌水现象的发生，需要预留足够厚度的岩盘抵抗水压力。根据文献，可将掌子面前方岩墙简化为弹性厚板模型，根据边界条件解答出岩墙中的正应力和剪应力，以抗拉破坏和剪切破坏为控制条件，采用厚板理论确定岩盘安全厚度。计算时假定止水岩盘周边固定，均匀连续、各向同性，按轴对称问题求解得出：抗拉强度控制的安全厚度。

抗拉轻度控制的安全厚度分析经分三析得三出：三①相三同水三压下三，岩三盘越三厚，三岩盘三的最三大应三力越三小，三岩盘三的最三大应三力随三厚度三的增三大呈三指数三型衰三减趋三势。三②相三同岩三盘厚三度时三，不三同级三别围三岩的三岩盘三最大三应力三相差三不大三。同时三也会三得出三：以三抗拉三强度三控制三计算三安全三厚度三时，三在不三同埋三深下三，Ⅱ、Ⅲ级围三岩的三安全三厚度三基本三相同三，安三全厚三度/隧道三等效三直径三为0.三13三~0三.1三8，变三化不三大。Ⅳ级围三岩安三全厚三度明三显大三于Ⅱ、Ⅲ级围三岩的三安全三厚度三，安三全厚三度/隧道三等效三直径三为0.三16三~0三.3三5。根据三隧道三力学三理论三，隧三道开三挖后三，其三掌子三面前三方将三会出三现一三个塑三性区三，该三区内三岩层三的渗三透系三数增三大，三岩层三的阻三水能三力急三剧下三降，三为保三障安三全，三只考三虑为三真正三能起三阻水三作用三的岩三层。三构造三裂隙三在隧三道前三方，三如由三上图三所示三，取三岩柱三块体三用结三构力三学剪三切破三坏理三论进三行分三析，三此块三体的三受力三如右三下图三所示三，从三而得三出块三体平三衡方三程如三下：剪切三破坏三控制三的安三全厚三度分三析同一三水压三力时三，围三岩质三量越三好，三所需三的安三全厚三度越三小。三说明三围岩三完整三、岩三块强三度高三时，三水压三力的三增大三对岩三柱安三全厚三度的三影响三不大三。隧道三埋深三越大三，当三水压三力增三大时三，所三需安三全厚三度的三增量三越小三。说三明埋三深较三浅时三，岩三柱安三全厚三度主三要取三决于三水压三力的三大小三；当三隧道三埋深三增大三达到三一定三程度三后，三岩柱三安全三厚度三主要三受地三应力三控制三，水三压力三的增三大对三岩柱三安全三厚度三的影三响不三大。同一三水压三力下三，随三侧压三力系三数增三大，三安全三厚度三明显三增大三，说三明在三确定三岩盘三安全三厚度三时，三应重三视构三造应三力的三影响三。通过三以上三对抗三拉强三度控三制和三抗剪三切强三度控三制的三安全三厚度三的计三算分三析看三出，三以抗三剪切三强度三控制三的安三全厚三度明三显大三于以三抗拉三强度三控制三的安三全厚三度，三因此三关角三隧道三的安三全厚三度采三用抗三剪切三强度三控制三方法三进行三计算三，安三全厚三度（三安全三厚度/隧道三等效三直径三）取三值见三表3（实三际使三用时三应考三虑一三定安三全系三数）三。围岩等级水压（kPa）埋深（m）100200300400500Ⅱ10000.220.230.240.240.2420000.280.270.270.260.2630000.350.310.290.290.28Ⅲ10000.370.370.370.370.3720000.470.430.410.400.4030000.580.500.460.440.43Ⅳ10000.700.650.630.620.6120000.900.760.710.680.6630001.110.870.780.740.71关角三隧道三各级三围岩三预留三安全三厚度三建议三值关角三隧道三现场三施工三过程三中，三采取三超前三探孔三预测三到前三方存三在大三型隐三伏蓄三水构三造时三，如三果前三方蓄三水构三造突三水压三力大三，水三量丰三富，三根据三围岩三质量三等级三和水三压力三，保三留3~三10三m的防三突岩三盘（三围岩三质量三差时三取大三值，三围岩三质量三好时三取小三值）三。3、突三涌水三处理三措施三的选三择为减三小施三工期三间的三排水三压力三，保三证隧三道运三营期三间斜三井内三汇水三可通三过正三洞安三全排三出，三根据三涌水三的形三式，三针对三不同三情况三，采三用不三同的三注浆三堵水三措施三。注三浆浆三液类三型，三根据三实际三情况三确定三，以三水泥-水玻三璃浆三液为三主、三化学三浆液三为辅三。未开三挖段三，单三孔涌三水量<4三0m三3/三h，围三岩较三好三，开三挖后三再进三行堵三水未开三挖段三掌子三面单三孔涌三水量三：>4三0m三3/三h，围三岩较三好,涌水三主要三为溶三隙水三，三超前三顶水三注浆未开三挖段三掌子三面单三孔涌三水量三：>4三0m三3/三h，围三岩破三碎，Ⅳ～Ⅴ级三，根三据涌三水情三况，三采用三分区三治理三或周三边帷三幕注三浆当出三水点三较多三，涌三水量三较大三时，三基于三基岩三裂隙三水体三空间三分布三，采三用分三区注三浆技三术，三首先三将注三浆区三分为三左上三、右三上、三左下三、右三下四三个区三域（三图7所示三），三并根三据探三孔出三水量三判别三标准三划分三为弱三水区三或强三水区三（当三出水三量>5三m3三/h时，三为强三水区三；当三出水三量<5三m3三/h时，三为弱三水区三），三对弱三水区三进行三一般三性注三浆，三弱水三区可三以少三开孔三或者三不开三孔，三强水三区重三点开三孔，三进行三重点三性注三浆。分区三注浆未开三挖段三掌子三面单三孔涌三水量三：>4三0m三3/三h，断三层破三碎带三，三全断三面帷三幕注三浆帷幕三注浆三前后三对比三图已开三挖段三单孔三涌水三量5～40三m三3/三h,且出三水点三众多三，出三水段三落较三长三，径三向注三浆已开三挖段三边墙三或拱三部单三孔涌三水量三：>4三0m三3/三h，对三施工三进度三、运三营排三水有三较大三影响三，三围岩三较好,涌水三主要三为溶三隙水三，三局部三顶水三注浆4、浆三液的三选择三及配三合比三选择根据三隧道三突涌三水特三点，三裂隙-溶隙三及溶三腔等三情况三，采三取不三同的三注浆三堵水三材料三，具三体如三下：掌子三面突三涌水三，水三压较三高、三水量三较大三，采三取帷三幕注三浆，三注浆三材料三采取三水泥-水玻三璃浆三液，三普通三水泥42三.5水泥三、水三玻璃三双液三浆（三水：三水泥三：水三玻璃=1：1：0.三6~三0.三7）洞身三裂隙三水，三水压三较小三，水三量较三大，三采取三径向三注浆三，注三浆材三料采三取马三丽散三堵水三材料三（树三脂：三催化三剂=1三:1），三膨胀三系数三为3～25倍左三右（三无水三时膨三胀系三数大三于3，有三水时三膨胀三系数三大于10）5、施三工方三案、三工艺三及实三施由于三涌水三面多三存在三集中三出水三点水三压较三大，三孔口三管施三工难三度大三及围三岩较三破碎三，封三水施三工难三于控三制，三为确三保安三全，三不能三进行三扩孔三及加三强支三护，三因此三在不三存在三搭接三注浆三段落三施工三止浆三墙，三在施三工过三程中三，预三埋端三部带三法兰三盘的三孔口三管。三止浆三墙设三计厚三度3m，采三用C2三5混凝三土浇三筑，三嵌入三隧道三开挖三周边三轮廓1m。采三用架三立钢三模板三，脚三手架三加固三，输三送泵三泵送三混凝三土施三工。三在长三距离三持续三注浆三段落三除出三现特三殊情三况，三影响三注浆三施工三及安三全情三况下三补做三止浆三墙外三，其三余均三预留5m作为三下循三环注三浆止三浆岩三盘。止浆三墙及三预埋三孔口三管施三工止浆三墙施三工完三成后三，在三周边三及拱三部局三部出三现涌三水，三故在三止浆三墙出三水部三位钻三孔后三安装三端部三带法三兰盘三的孔三口管三，孔三口管三采用三锚固三剂及三棉、三纤维三、木三楔等三物固三定于三钻孔三内，三并安三装阀三门。三安装三完成三后进三行封三闭止三浆墙三注浆三施工三，注三浆材三料采三用水三泥、三水玻三璃双三液浆三，水三灰比1：1，水三玻璃三浓度35三Be，模三数3.三2，水三泥浆三与水三玻璃三体积三比1：0.三7，保三证浆三液的三胶凝三时间三在20三s之内三。注三浆封三闭效三果达三到孔三口管三阀门三关闭三时，三止浆三墙整三体不三能出三现渗三水、三漏水三现象三。孔口三管埋三设及三止浆三墙封三闭止浆三墙埋三设孔三口管三及封三闭钻机三钻孔三及前三进式三注浆采用C6钻机三通过三预埋三孔口三管间三隔钻三孔，三先钻三最外三圈的三注浆三孔，三考虑三注浆三扩散三半径三对注三浆效三果的三影响三，一三次性三钻孔三长度三为8m，然三后进三行注三浆，三待浆三液基三本凝三固后三，再三次对三原注三浆孔三进行三钻孔三注浆三，直三至达三到设三计长三度。三按照三上述三前进三式注三浆施三工工三序，三依次三完成三三环三超前三帷幕三注浆三孔的三钻孔三及注三浆施三工。三为了三保证三浆液三的扩三散半三径、三强度三及耐三久性三。采用C6钻机三根据三标记三的钻三孔位三置及三设计三角度三在止三浆墙三上钻三孔，三钻孔三深度三控制2.三5~三3m，然三后安三装端三部带三法兰三盘的Ф1三00孔口三管，三并对三孔口三管进三行加三固处三理。注浆三效果三检查浆液三经24小时三后基三本达三到强三度，三施工三注浆三效果三检查三孔，三检查三孔根三据注三浆前三现场三的出三水情三况重三新钻三孔进三行检三查（三不可三利用三既有三注浆三孔）三，施三工8个检三查孔三，检三查孔三深度22三m，沿三斜井三方向三钻孔三，钻三孔结三果显三示没三有出三现较三大的三出水三。施作三检查三孔掌子三面开三挖掘三进及三补注三浆处三理探孔三完成