劉二強

（廣東省交通規(guī)劃設計研究院集團股份有限公司，廣州510000）

1 引言

受復雜地質構造影響，在隧（巷）道布置時不得不穿越斷層、巖溶區(qū)或破碎帶等不良地質體。同時，在深部隧（巷）道的具體施工過程中，所面對的環(huán)境具有“高應力、高水壓、強擾動”（“二高一強”）的特點。斷層破碎帶巖體由松散、破碎且高度風化的弱膠結巖石組成，具有強度低、易于變形、透水性強等特征。在深部地下“兩高一強”地質環(huán)境影響下，斷層破碎區(qū)極易連通含水層，誘發(fā)變質量突水和圍巖失穩(wěn)災害，造成人員傷亡事故。此外，地下水流失和污染還將對工程地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成危害[1]。

斷層破碎帶巖體在流水沖蝕作用下，破碎巖體中的細小固體顆粒從巖石骨架上剝落進入流體中，隨流體遷移流出，這一現(xiàn)象被稱為變質量滲流，將直接導致巖體孔隙率和滲透率增長，流體流速也隨之增大。變質量滲流現(xiàn)象普遍存在于各類巖土體介質中，對工程安全極具危害，很多學者對其開展了理論研究，認為滲水作用下巖體細小物質的遷移流失存在兩個階段，即沖蝕和突涌。沖蝕是指在水壓作用下，在不擾動圍巖顆粒的前提下，粒徑較小的顆粒體在一定的范圍內(nèi)發(fā)生自由移動，引起細小物質重分布或流失，巖體局部滲透性會發(fā)生緩慢變化；隨著沖蝕作用的持續(xù)發(fā)展，細小物質不斷流失，導致滲透率快速增大，進而發(fā)生突涌災害。

深部長期應力作用會導致巖體體積壓縮和內(nèi)部裂隙擴展發(fā)育。破碎帶巖體在長期應力作用下發(fā)生損傷變形是滲透特性變化的重要原因，易成為地下水通道或富集區(qū)。

本文重點依托粵東地區(qū)某高速公路山嶺特長隧道的成功經(jīng)驗，并對其進行總結。該隧道山體由巖漿巖構成，最大埋深740 m。發(fā)育蓮花山北東向斷裂帶、佛岡-豐良東西向斷裂帶、榕江斷褶構造帶- 桐子洋復向斜等三期構造帶及燕山期巖漿活動；地表溝谷縱橫、溪流發(fā)育，由東向西孕育有建成多年才具備蓄水功能的飛泉水庫、黃棉湖水庫。沿洞身分布斷裂18 條、高壓富水段落1 段、富水段落5 段。施工至預測的高壓富水段落時，進口右、左洞先后發(fā)生高壓涌水，掌子面最大涌水量33 000 m3/d，最大水壓4.8 MPa。通過采取全斷面前進式帷幕預注漿，成功穿越該斷層，隧道襯砌結構及防排水體系進行了專門設計，效果較好。隧道掌子面涌水如圖1 所示。

圖1 隧道掌子面涌水

2 硬巖斷層破碎帶高壓涌水災害影響因素分析

造成硬巖斷層破碎帶隧道高壓涌水災害的影響因素多且復雜，根據(jù)相關調研可知，主要有自然、水文地質、工程地質、設計及施工5 類因素，具體如表1 所示。

表1 硬巖斷層破碎高壓涌水災害影響因素

查閱大量國內(nèi)相關文獻[2-4]，總結得出一些國內(nèi)硬巖斷層破碎帶高壓涌水的典型案例，分別對這些事故的結果及處置措施做了總結，如表2 所示。根據(jù)已有的隧道破碎帶涌水案例可以得出以下經(jīng)驗：

表2 硬巖斷層破碎帶高壓涌水案例

1）以目前的勘探水平，一些不良地質難以被探出，因此對于此類事故的處理方式都是以排為主，防、截、堵相結合的原則；

2）對一些穿越斷層破碎帶的隧道應提前做好預防措施，涌水量小的采用注漿堵水，破碎帶可以采取注漿固結；

3）為實現(xiàn)更準確探明地質情況，在對區(qū)域地質情況充分掌握的前提下，考慮采用超前鉆探和超前物探的手段。

3 硬巖斷層破碎帶高壓涌水下防排水設計原則研究

3.1 基于現(xiàn)行規(guī)范確定的防排水設計原則

造成硬巖斷層破碎帶在高壓下出現(xiàn)涌水現(xiàn)象的原因多種多樣，無法僅僅依靠單一舉措進行解決。根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范》針對隧道防排水問題提出“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的設計原則，在設計過程中應做到對地表水和地下水的全面考慮，建立洞內(nèi)和洞外二者之間統(tǒng)一有機的防排水系統(tǒng)?！胺馈本褪且笠r砌、防水層結構具備足夠的防水儲備，避免地下水通過上述結構滲透進入洞內(nèi)?！芭拧本褪且笈潘O施可以正常工作，能夠順暢地將襯砌背面、路面結構層下部的積水排出?！敖亍本褪且蠼財嗟乇硭膫鞑ヂ窂剑捎媒厮疁?、排水溝等措施阻斷易于滲漏到地表的水體，盡可能地減輕這部分水體對隧道的影響程度；對于地下水則是采用導坑等降水設施將地下水盡可能地引至遠離隧道處?！岸隆本褪且蟛捎枚喾N多樣的措施，如注漿、噴涂等措施將地下水封堵在圍巖內(nèi)部。

3.2 分區(qū)設計的防排水原則

在硬巖斷層破碎帶的隧道施工過程中，由于大多數(shù)隧道處于地下，導致地下水無法通過自然排水方式排出。在具體施工中，為減輕地下水帶來的不利影響，多采用布設防水層包裹隧道橫縱斷面的措施，從而減小滲透問題出現(xiàn)的可能性。除此以外，在防排水設計的整個過程中，要提高對分區(qū)防排水設計的重視程度。同時，要做好澆筑工作，使防水層的效果最大化，減小滲透問題發(fā)生的可能性。

3.3 提升防排水設計的可維護性原則

在硬巖斷層破碎帶的高壓涌水防排水設計過程中，應不斷提升防排水設計的可維護性。第一，應建立可維護的防排水系統(tǒng)，這一系統(tǒng)應具備易于維修和養(yǎng)護的功能，只有整個防排水系統(tǒng)具備可維護功能，才能確保整個防排水工程在設計中得到不斷優(yōu)化。第二，行業(yè)相關部門應結合已實施的防排水工程的設計和施工工作，在現(xiàn)有標準的基礎上，與時俱進對標準進行不斷更新和優(yōu)化，為防排水設計工作提供更有力的支撐。同時，在開展防排水設計工作中，以國家標準為依據(jù)，不但有利于后續(xù)施工的便捷性和順暢性，而且可以最大化地保障整個防排水工程的各項功能，最大限度減輕隧道堵塞事故發(fā)生的可能性。第三，在防排水工程竣工后，應盡快做好疏通工作，對設計中明確的易滲水結構及時封堵，查明滲水源并采取針對性措施。

4 硬巖斷層破碎帶高壓涌水下防排水設計措施研究

4.1 防排水設計方案

首先，要提高對進洞之前的防排水設計的重視程度，設計人員在設計初期要對隧道有全面而詳細的勘探，充分了解這一地區(qū)的地質水文情況，根據(jù)現(xiàn)場提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對隧道圍巖和水源情況有充分的了解，結合監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場地形不斷優(yōu)化防排水設計。其次，設計人員要加強與現(xiàn)場施工的聯(lián)系，在施工過程中，若涌水量較小，只需對地表簡單處理即可；若涌水量較大，特別是出現(xiàn)聚集涌水的情況時，設計人員應結合現(xiàn)場實際提出開縫、摩擦錨桿的措施，并給出具體的導水建議；最終，若發(fā)生大面積涌水的情形，可先將集中出水點用圓管導水，再采用類似樹枝狀的透水管，將散水流匯集后排出隧道，避免積水事故的發(fā)生。

4.2 涌水地段的防排水專項設計

1）加強初期支護設計，在設計中提高對初期支護的重視程度，加大混凝土層的厚度參數(shù)，提高對混凝土抗?jié)B性能參數(shù)的要求，確保防排水工程的密閉性。

2）優(yōu)化二襯防水設計。提高二次襯砌耐久性要求，二襯的質量與防排水工程防水效果的優(yōu)劣密切相關。在設計過程，可以考慮在混凝土中加入防水劑，提高混凝土的抗?jié)B能力；提出具體措施以避免混凝土板與板之間施工縫可能出現(xiàn)的滲水問題。

5 結語

本文依托粵東地區(qū)某高速公路山嶺特長隧道的成功經(jīng)驗，分析了硬巖斷層破碎帶隧道高壓涌水災害的主要影響因素，結合某相關案例，對防排水設計方案進行了研究，得到以下結論：

1）對硬巖破碎帶涌水的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了總結，提出斷層破碎帶的形成是因為深部長期應力作用，其影響帶均較破碎且易成為地下水通道或富集區(qū)；

2）造成斷層破碎帶隧道突涌水災害的影響因素多且復雜，主要由自然、水文地質、工程地質、設計及施工5 項因素組成。