刘二强

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广州510000）

1 引言

受复杂地质构造影响，在隧（巷）道布置时不得不穿越断层、岩溶区或破碎带等不良地质体。同时，在深部隧（巷）道的具体施工过程中，所面对的环境具有“高应力、高水压、强扰动”（“二高一强”）的特点。断层破碎带岩体由松散、破碎且高度风化的弱胶结岩石组成，具有强度低、易于变形、透水性强等特征。在深部地下“两高一强”地质环境影响下，断层破碎区极易连通含水层，诱发变质量突水和围岩失稳灾害，造成人员伤亡事故。此外，地下水流失和污染还将对工程地区的生态环境造成危害[1]。

断层破碎带岩体在流水冲蚀作用下，破碎岩体中的细小固体颗粒从岩石骨架上剥落进入流体中，随流体迁移流出，这一现象被称为变质量渗流，将直接导致岩体孔隙率和渗透率增长，流体流速也随之增大。变质量渗流现象普遍存在于各类岩土体介质中，对工程安全极具危害，很多学者对其开展了理论研究，认为渗水作用下岩体细小物质的迁移流失存在两个阶段，即冲蚀和突涌。冲蚀是指在水压作用下，在不扰动围岩颗粒的前提下，粒径较小的颗粒体在一定的范围内发生自由移动，引起细小物质重分布或流失，岩体局部渗透性会发生缓慢变化；随着冲蚀作用的持续发展，细小物质不断流失，导致渗透率快速增大，进而发生突涌灾害。

深部长期应力作用会导致岩体体积压缩和内部裂隙扩展发育。破碎带岩体在长期应力作用下发生损伤变形是渗透特性变化的重要原因，易成为地下水通道或富集区。

本文重点依托粤东地区某高速公路山岭特长隧道的成功经验，并对其进行总结。该隧道山体由岩浆岩构成，最大埋深740 m。发育莲花山北东向断裂带、佛冈-丰良东西向断裂带、榕江断褶构造带- 桐子洋复向斜等三期构造带及燕山期岩浆活动；地表沟谷纵横、溪流发育，由东向西孕育有建成多年才具备蓄水功能的飞泉水库、黄棉湖水库。沿洞身分布断裂18 条、高压富水段落1 段、富水段落5 段。施工至预测的高压富水段落时，进口右、左洞先后发生高压涌水，掌子面最大涌水量33 000 m3/d，最大水压4.8 MPa。通过采取全断面前进式帷幕预注浆，成功穿越该断层，隧道衬砌结构及防排水体系进行了专门设计，效果较好。隧道掌子面涌水如图1 所示。

图1 隧道掌子面涌水

2 硬岩断层破碎带高压涌水灾害影响因素分析

造成硬岩断层破碎带隧道高压涌水灾害的影响因素多且复杂，根据相关调研可知，主要有自然、水文地质、工程地质、设计及施工5 类因素，具体如表1 所示。

表1 硬岩断层破碎高压涌水灾害影响因素

查阅大量国内相关文献[2-4]，总结得出一些国内硬岩断层破碎带高压涌水的典型案例，分别对这些事故的结果及处置措施做了总结，如表2 所示。根据已有的隧道破碎带涌水案例可以得出以下经验：

表2 硬岩断层破碎带高压涌水案例

1）以目前的勘探水平，一些不良地质难以被探出，因此对于此类事故的处理方式都是以排为主，防、截、堵相结合的原则；

2）对一些穿越断层破碎带的隧道应提前做好预防措施，涌水量小的采用注浆堵水，破碎带可以采取注浆固结；

3）为实现更准确探明地质情况，在对区域地质情况充分掌握的前提下，考虑采用超前钻探和超前物探的手段。

3 硬岩断层破碎带高压涌水下防排水设计原则研究

3.1 基于现行规范确定的防排水设计原则

造成硬岩断层破碎带在高压下出现涌水现象的原因多种多样，无法仅仅依靠单一举措进行解决。根据JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》针对隧道防排水问题提出“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的设计原则，在设计过程中应做到对地表水和地下水的全面考虑，建立洞内和洞外二者之间统一有机的防排水系统。“防”就是要求衬砌、防水层结构具备足够的防水储备，避免地下水通过上述结构渗透进入洞内。“排”就是要求排水设施可以正常工作，能够顺畅地将衬砌背面、路面结构层下部的积水排出。“截”就是要求截断地表水的传播路径，采用截水沟、排水沟等措施阻断易于渗漏到地表的水体，尽可能地减轻这部分水体对隧道的影响程度；对于地下水则是采用导坑等降水设施将地下水尽可能地引至远离隧道处。“堵”就是要求采用多种多样的措施，如注浆、喷涂等措施将地下水封堵在围岩内部。

3.2 分区设计的防排水原则

在硬岩断层破碎带的隧道施工过程中，由于大多数隧道处于地下，导致地下水无法通过自然排水方式排出。在具体施工中，为减轻地下水带来的不利影响，多采用布设防水层包裹隧道横纵断面的措施，从而减小渗透问题出现的可能性。除此以外，在防排水设计的整个过程中，要提高对分区防排水设计的重视程度。同时，要做好浇筑工作，使防水层的效果最大化，减小渗透问题发生的可能性。

3.3 提升防排水设计的可维护性原则

在硬岩断层破碎带的高压涌水防排水设计过程中，应不断提升防排水设计的可维护性。第一，应建立可维护的防排水系统，这一系统应具备易于维修和养护的功能，只有整个防排水系统具备可维护功能，才能确保整个防排水工程在设计中得到不断优化。第二，行业相关部门应结合已实施的防排水工程的设计和施工工作，在现有标准的基础上，与时俱进对标准进行不断更新和优化，为防排水设计工作提供更有力的支撑。同时，在开展防排水设计工作中，以国家标准为依据，不但有利于后续施工的便捷性和顺畅性，而且可以最大化地保障整个防排水工程的各项功能，最大限度减轻隧道堵塞事故发生的可能性。第三，在防排水工程竣工后，应尽快做好疏通工作，对设计中明确的易渗水结构及时封堵，查明渗水源并采取针对性措施。

4 硬岩断层破碎带高压涌水下防排水设计措施研究

4.1 防排水设计方案

首先，要提高对进洞之前的防排水设计的重视程度，设计人员在设计初期要对隧道有全面而详细的勘探，充分了解这一地区的地质水文情况，根据现场提供的监测数据，对隧道围岩和水源情况有充分的了解，结合监测数据和现场地形不断优化防排水设计。其次，设计人员要加强与现场施工的联系，在施工过程中，若涌水量较小，只需对地表简单处理即可；若涌水量较大，特别是出现聚集涌水的情况时，设计人员应结合现场实际提出开缝、摩擦锚杆的措施，并给出具体的导水建议；最终，若发生大面积涌水的情形，可先将集中出水点用圆管导水，再采用类似树枝状的透水管，将散水流汇集后排出隧道，避免积水事故的发生。

4.2 涌水地段的防排水专项设计

1）加强初期支护设计，在设计中提高对初期支护的重视程度，加大混凝土层的厚度参数，提高对混凝土抗渗性能参数的要求，确保防排水工程的密闭性。

2）优化二衬防水设计。提高二次衬砌耐久性要求，二衬的质量与防排水工程防水效果的优劣密切相关。在设计过程，可以考虑在混凝土中加入防水剂，提高混凝土的抗渗能力；提出具体措施以避免混凝土板与板之间施工缝可能出现的渗水问题。

5 结语

本文依托粤东地区某高速公路山岭特长隧道的成功经验，分析了硬岩断层破碎带隧道高压涌水灾害的主要影响因素，结合某相关案例，对防排水设计方案进行了研究，得到以下结论：

1）对硬岩破碎带涌水的国内外研究现状做了总结，提出断层破碎带的形成是因为深部长期应力作用，其影响带均较破碎且易成为地下水通道或富集区；

2）造成断层破碎带隧道突涌水灾害的影响因素多且复杂，主要由自然、水文地质、工程地质、设计及施工5 项因素组成。