馬 棟， 閆 肅, 2,*， 王武現(xiàn)

(1. 中鐵十六局集團有限公司， 北京 100018； 2. 中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580)

0 引言

隨著交通建設的發(fā)展，線路標準不斷提高，鐵路規(guī)劃和建設不斷向山區(qū)拓展，線路勢必會穿山越嶺[1]。山嶺隧道地質條件復雜多變，常會遇到高壓富水巖溶、斷層破碎帶等特殊不良地質，安全風險極高、施工難度極大[2]，稍有不慎，極易發(fā)生突水涌泥(沙)，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。

國內很多學者針對斷層破碎帶開展研究，鐘威[3]提出影響穿越斷層破碎帶的風險因素，并建立風險評價指標體系及風險等級。高雷州[4]通過建立數(shù)值模擬模型，分析了不同施工方法對隧道圍巖擾動的影響。李曉斌[5]基于斷層破碎帶模擬計算模型和臺階拱頂沉降，分析了二次襯砌的結構應力及影響范圍。劉鵬[6]利用ANSYS數(shù)值模擬，對大斷面隧道斷層破碎帶支護方法進行了優(yōu)化。張旭[7]結合保康隧道，分析了斷層破碎帶的發(fā)育情況和危害，提出使用CRD方法開挖，并對隧道爆破設計進行優(yōu)化。文獻[8-10]基于隧道高壓富水斷層突水涌泥(沙)事故，總結分析了突涌水原因，并制定了合理的處理方案和工程對策。

已開展的研究中，大部分是采用數(shù)值模擬的方法優(yōu)化斷層破碎帶等不良地質區(qū)的爆破、開挖、支護工藝，或者針對具體工程的突泥涌水事故制定處理對策，避免次生災害，但總體上來說，準確預測且成功防治富水斷裂破碎帶區(qū)域隧道突泥突水的案例較少。為更好地指導富水斷層隧道施工，本文結合贛深高鐵龍南隧道，對綜合預報、分水降壓、內堵外固以及防災預警方法進行分析研究，以期為同類工程施工提供參考。

1 工程概況

龍南隧道全長10.24 km，雙線單洞隧道，洞身淺埋，且存在危巖落石、突水涌泥、圍巖失穩(wěn)塌方等諸多風險，是全線的重點控制性工程，風險等級為Ⅰ級。DK99+380～+620段為F8區(qū)域大斷層破碎帶，壓性斷裂，長度大于50 km。DK99+500～+620段為F8斷層核心帶(Ⅵ級圍巖)，寬約120 m，加上兩側破碎影響帶，總寬度達330 m,F8斷層如圖1和圖2所示。

圖1 隧道F8斷層平面分布

圖2 隧道F8斷層縱斷面

1.1 F8斷層的工程和水文地質特點

F8斷層位于泥盆系老虎坳組砂巖、石英砂巖地層中，屬區(qū)域中寨(全南)-江頭圩(安遠)大斷裂的平行分支，為壓性斷裂，受旋扭作用影響，不同部位斷裂面傾向不一，性質互異。該段隧道埋深30～110 m。地表山坡及山間谷地植被較發(fā)育，溝谷內溪流發(fā)育。F8斷層破碎帶圍巖呈砂加塊石狀，斷層以下揭示灰?guī)r。斷層富含承壓水，鉆探孔口涌水，水柱高約2 m，推測洞身水壓達0.5 MPa，預測最大涌水量為5 998.04 m3/d，為強富水區(qū)。

1.2 設計概況

DK99+380～+500段和DK99+620～+660段為斷層影響帶(Ⅴ級圍巖)，采用3 m加固范圍超前預注漿加固圍巖堵水、φ50 mm雙層小導管超前注漿預支護、三臺階臨時仰拱法施工。DK99+500～+620段采用8 m加固范圍超前預注漿加固圍巖堵水、φ89 mm洞身長管棚+φ42 mm小導管超前注漿預支護、六步CD法施工。Ⅵ級圍巖采用Ⅵ級復合式襯砌，隧道支護結構見圖3，二次襯砌抗水壓能力達0.7 MPa。

圖3 龍南隧道支護結構橫斷面(單位： cm)

2 施工中遇到的技術難題

2019年5月11日，掌子面施工至里程DK99+421時，右側仰拱出現(xiàn)溜坍，高度2～3 m，寬度約4 m，縱向長2 m。2019年5月12日凌晨，掌子面右側拱部再次溜坍，高度增加至4 m，寬度增加至6 m。2019年7月28日晚，掌子面施工至DK99+435時，現(xiàn)場實際揭示圍巖為泥盆系老虎坳組(D21)砂巖，褐黃色，全風化夾強風化，呈土夾碎塊石狀，結構松散，自穩(wěn)性較差。現(xiàn)場拱架安裝時，掌子面拱部出現(xiàn)溜坍，縱向長度約3.5 m，高度約4 m，環(huán)向溜坍范圍為8 m。溜坍體為全風化巖體夾碎石，巖體破碎，地下水較發(fā)育，洞內涌水量約為67 m3/h。

造成溜坍、涌水的主要因素有以下3方面： 1) DK99+421區(qū)域已經(jīng)進入斷層影響帶，巖體破碎，結構松散，自穩(wěn)能力極差； 2)隧址地表山坡及山間谷地溪流發(fā)育，地下水發(fā)育，隧道爆破開挖的擾動造成構造附近地下水涌出； 3)現(xiàn)場施工中，未查明隧道前方地質情況，隧道提前進入斷層核心區(qū)域。由于無法準確預判隧道前方富水及斷裂構造，極大地增加了隧道溜坍、突水突泥的風險，因此亟需開展綜合地質預報、地表抽水試驗來確定合理的隧道排水、加固方案。

3 地質預報

3.1 地震波反射TSP探測

采用TSP探測掌子面(DK99+429.6)前方的地質情況，査明DK99+429.6～+549.6段構造斷裂、軟弱夾層等的分布位置，地下水狀況，構造裂隙填充物及其性質。

DK99+429.6～+500段縱橫波波速整體變化不大，縱橫波速比、泊松比變化起伏較大，由此推測該里程段圍巖巖體與掌子面基本一致，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水較發(fā)育[11]。

DK99+500～+549.6 段縱波波速下降，橫波波速呈平穩(wěn)趨勢，縱橫波速比、泊松比變化起伏較大，且存在較多負反射界面，由此推測該里程段圍巖整體穩(wěn)定性變差，巖體極破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水發(fā)育。

3.2 地質雷達

為進一步查明隧道掌子面前方的構造斷裂、軟弱夾層等的分布位置，地下水狀況，構造裂隙填充物及其性質，在DK99+433.2～+463.2(長度30 m)段開展地質雷達探測?，F(xiàn)場測試4條線，測線布置如圖4所示?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集采用點測方法，測量時窗選取613.5 ns，采樣頻率1 069.4 MHz，每道采樣點數(shù)656點，道間距0.1 m。

圖4 雷達測線布置示意圖(單位： m)

地質雷達探測處理結果如圖5所示。由圖可知，雷達波振幅加強，頻率變低，散射波特征明顯。結合掌子面現(xiàn)場開挖情況和勘測資料綜合分析，圍巖與掌子面圍巖基本一致。圍巖受外部擠壓切割成大小不一的塊狀體結構，節(jié)理發(fā)育，含水量較大，掉塊較嚴重，自穩(wěn)能力較差，施工中需及時做好支護及防排水。

(a) 測線1 (b) 測線2 (c) 測線3 (d) 測線4

3.3 超前鉆孔

2019年8月4日，沿DK99+435掌子面采取2孔超前地質鉆孔，探孔里程DK99+435～+465，鉆孔速度緩慢，偶有卡鉆，孔內滲水。判斷前方30 m地質情況為： 1) 0～6 m為變質砂巖加泥巖，褐黃色，強風化，巖體極破碎，裂隙水發(fā)育； 2) 6～22 m為變質砂巖加泥巖，褐黃色，全風化-強風化，巖體極破碎，裂隙水發(fā)育。

2019年8月24日，沿DK99+435掌子面增加1孔超前水平鉆孔，設計長度30 m?？變冉沂緸樯皫r(褐黃色)，全風化、局部夾強風化層，巖芯呈黏土夾碎塊石狀, 巖體擠壓痕跡明顯，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育，推測為斷層破碎帶。

根據(jù)掌子面地質情況，結合超前地質預報成果資料綜合判定，隧道已進入F8斷層核心區(qū)，圍巖級別為Ⅵ級。

4 地表抽水試驗

現(xiàn)場在地表施工了6個φ200 mm的水井進行抽水試驗[12]，水井布置在隧道主體結構外側，中心距離結構外側不小于5.45 m，縱向水平間距為10 m，如圖6所示。抽水試驗自2019年5月6日開始，5月10日結束，歷時5 d，完成JK10-2、JK11、JK12、JK21-2、JK22-2和JK23 6口水井的抽水試驗。抽水觀測記錄如表1所示。

圖6 F8抽水試驗井平面布置圖(單位： m)

表1 抽水觀測記錄及計算數(shù)據(jù)

由表1可知，單井出水量為4.621 9～37.471 7 m3/h，涌水量大小存在差異，反映了場區(qū)范圍內巖體存在不均勻風化。

由于每口抽水井對其他觀測井造成的干擾和影響均較小(觀測井降深較小)，因此，各試驗井滲透系數(shù)的計算采用1個中心井(單井)潛水非完整井抽水試驗公式，抽水影響半徑的計算采用吉哈爾特經(jīng)驗公式。

滲透系數(shù)

(1)

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；Q為涌水量，m3/d；Sw為試驗井內水位降深，m；rw為抽水井半徑，m；H1為承壓含水層厚度，m；R為抽水影響半徑，m。

抽水影響半徑

(2)

各試驗井滲透系數(shù)和影響半徑通過Maple軟件編程并輸入相關參數(shù),計算得出滲透系數(shù)的取值范圍為0.309 7～2.803 2 m/d，抽水影響半徑R的取值范圍為247.59～763.31 m。

結合以上情況分析得出，F(xiàn)8斷層內地下水具有承壓性，地層滲透性系數(shù)小，水力聯(lián)系不明顯，多呈脈狀水存在，施工中易遇到靜態(tài)水突然釋放現(xiàn)象。F8 斷層洞身范圍內采取地表集中井點降水施工方案，降水效果不佳，建議選擇排水降壓方案。

5 穿越富斷層區(qū)的施工技術

按照"分水降壓、內堵外固、支護結構加強"的綜合措施處理F8斷層[14]。采取迂回導坑(兼作排水洞)、洞內帷幕注漿、地表深孔注漿、洞身管棚等施工措施穿越F8斷層施工區(qū)域，如圖7所示。

圖7 穿越斷層區(qū)的加固方案

暫停DK99+435掌子面的掘進，根據(jù)不同埋深分別采取地表深孔注漿及洞內帷幕注漿加固巖體、堵水。同時考慮洞身水壓，在已施工初期支護段落左側選取Ⅴ級圍巖作為迂回導坑進洞位置，并在注漿加固的同時進行施工。注漿加固措施完成后，采取鉆孔取芯、孔內成像等手段綜合判斷注漿效果。

5.1 分水降壓

隧道處于F8強富水區(qū)破碎斷層帶，極易發(fā)生突泥涌水，因此提出在臨近隧道處設置"迂回導坑+排水洞"進行分水降壓，達到排水降壓的目的。

5.1.1 迂回導坑

由于節(jié)理裂隙發(fā)育極不規(guī)律、地層結構不均一，井點的抽水影響半徑大多不具重疊性，因此該方法對F8場區(qū)隧道洞身范圍內的降水效果不佳。為進一步探明F8層地質條件，有效排除F8斷層地下水，在隧道正洞DK99+400～+640斷層段左側設置了1處迂回導坑，與正洞大里程方向夾角為60°，與正洞左線線間距25 m，長262.42 m，迂回導坑設人字坡。

迂回導坑進洞前，根據(jù)角度、正洞半徑等綜合設計進洞方案； 進洞后，嚴格按設計施工管棚、超前小導管等，采用上下臺階法施工掘進，臺階長度控制在5～8 m，下臺階與底板同時開挖。為避免施工干擾，降低施工風險，迂回導坑開挖掘進不能與正洞處于同一里程，宜超前正洞施工10 m左右。

5.1.2 排水洞

迂回導坑初期支護完成后，在輪廊線左側打設φ108 mm的排水孔，孔深6 m，縱向間距5 m； 輪廓線右側打設φ108 mm的排水孔，孔深至正洞注漿輪廓線外5～8 m，縱向間距5 m。施工過程中，可根據(jù)物探結果及地下水發(fā)育情況適當加密排水孔，進一步降低正洞掌子面水壓。排水孔直徑為110 mm，孔口安裝3 m長φ108 mm(壁厚9 mm)的孔口管。孔口均安裝法蘭盤，部分排水孔口安裝水壓力表，達到可控排放的目的。運營期間迂回導坑排水孔作為永久排水措施保留，導坑內靠正洞側分別設1處5 m×2.5 m×2.0 m(寬×長×深)的沉淀池，應保證施工及運營期間排水洞水流通暢。

5.2 地層超前預加固

5.2.1 洞內超前預注漿加固

對于埋深大于70 m的地層，8 m加固范圍采取超前帷幕注漿措施，施工范圍為DK99+435～+540。按4個循環(huán)組織施工[15]： 第1循環(huán)施工2 m厚C20止?jié){墻，注漿長度28 m，開挖25 m； 第2-4循環(huán)，注漿長度為28 m，預留5 m止?jié){巖盤作為止?jié){墻，注漿參數(shù)如表2所示。每個循環(huán)注漿完成后應進行注漿效果評定。

表2 超前帷幕注漿參數(shù)

5.2.2 地表深孔注漿加固

隧道DK99+540～+630段，地表埋深小于70 m，進行地表定向大口徑(φ130 mm)深孔注漿。針對洞身拱墻開挖輪廓線8 m以外、仰拱基底5 m以下巖體固結問題，須改善圍巖物理力學性能。對加固區(qū)域四周采用普通水泥-水玻璃雙液漿進行間隔跳孔注漿，以形成周邊止?jié){帷幕，減少加固范圍內漿液流失。待周邊帷幕成型后，中間孔采用早強硫鋁酸鹽水泥單液漿進行加固，采用袖閥管分段后退式注漿施工工藝，先外后內，間隔跳孔注漿，具體注漿參數(shù)如表3所示。

表3 地表深孔注漿參數(shù)

5.2.3 注漿效果評定

5.2.3.1p-Q-t曲線

2019年9月28日，監(jiān)理單位組織對龍南隧道DK99+435～+463段8 m加固范圍的超前預注漿效果進行評定。注漿過程中，根據(jù)現(xiàn)場典型試驗孔的注漿壓力(p)、流量(Q)、注漿時間(t)數(shù)據(jù)進行總結，并描繪三者之間的曲線關系，如圖8所示。

圖8 典型試驗孔p-Q-t曲線圖

由圖8中可知，p-t曲線顯示注漿壓力隨時間逐步上升，60 min后基本達到5.65 MPa(終壓4～6 MPa)左右的平穩(wěn)狀態(tài)。Q-t曲線顯示流量隨時間不斷下降，在第75 min左右基本保持在4.6 L/min(控制在5 L/min范圍以內)，滿足設計要求。

5.2.3.2 檢查孔取芯

現(xiàn)場對注漿后的圍巖進行取芯，顯示圍巖裂隙被漿液充填或擠壓密實，固結良好，原先注漿前無法取出巖芯的部位，已經(jīng)能夠取出柱狀固結物，且有明顯的漿脈，取芯率為85%，注漿固結效果良好。注漿前后取芯效果見圖9。

(b) 注漿后

5.2.3.3 檢查孔注水試驗

按照設計要求，對固結巖體進行注水試驗。先將孔內注滿水(注漿孔長度為25 m)，然后將注漿壓力控制在1.0 MPa。 采用專用的自動記錄設備對單位時間內的圍巖注水量進行記錄，吸水量分別為0.3、0.4 L/(min·m)，均<2 L/(min·m)，滿足設計要求。

5.2.3.4 孔內成像

采用專業(yè)的孔內成像設備，對注漿后的巖體進行孔內攝像。如圖10所示，孔內成像顯示檢測孔內未出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，圍巖裂隙中有明顯的液漿充填痕跡，孔內無流泥、無坍孔，成孔好。

圖10 孔內成像

鉆孔情況、渣樣檢查、注水試驗以及孔內成像等表明本循環(huán)注漿加固堵水達到預期效果。

5.3 開挖

經(jīng)過超前預注漿和地表深孔注漿，圍巖加固效果良好，如圖11所示。斷層核心段開挖施工由原來的六步CD法變更為三臺階臨時仰拱法。

(a) 注漿前

(b) 注漿后

5.4 支護結構加強

斷層核心段超前支護采用拱部140°范圍φ89 mm長管棚預支護，管棚每循環(huán)縱向長15 m，兩環(huán)間搭接3 m，采用鋼花管和鋼管間隔布置，每根長15 m，環(huán)向間距0.4 m。斷層段圍巖級別為Ⅵ級，初期支護全環(huán)采用HW175型鋼加強支護，間距0.5 m/榀，襯砌類型采用Ⅵ級圍巖型復合式襯砌。

5.5 防排水

二次襯砌防水按照GB 50108《地下工程防水技術規(guī)范》一級標準設計，混凝土抗?jié)B等級不低于P12。環(huán)向施工縫采用背貼式自粘橡膠止水帶+中埋式自粘橡膠止水帶，縱向施工縫采用中埋式鋼邊自粘橡膠止水帶+混凝土界面劑。拱墻仰拱初期支護與二次襯砌設置縱、環(huán)向可維護塑纖排水濾管，仰拱采用φ50 mm單臂打孔波紋管。拱墻(仰拱)襯砌采用80 cm(或90 cm)厚C35鋼筋混凝土。

5.6 監(jiān)測及防災預警

5.6.1 監(jiān)測

圖12示出龍南隧道距隧道開挖面(DK99+588)100 m范圍的累計沉降收斂變形情況。由圖12可知，隧道最大累計沉降量為31.75 mm，最大累計收斂為36.36 mm，均滿足正常施工要求。

圖12 隧道斷層區(qū)域累計沉降及收斂變形圖

根據(jù)F8斷層實際情況，該區(qū)段應補充水壓力、圍巖壓力等監(jiān)測，以便更深入地掌握圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)及錨噴支護效果，更好地指導未開挖區(qū)的設計與施工。

5.6.2 反坡排水

因進口方向尚未貫通，在2#斜井大里程端采用二級泵站組織反坡排水。第1級采用移動泵站，設置于仰拱積水坑，配置5臺(備用5臺)功率為4 kW、揚程為5 m、流量為100 m3/h的移動污水泵，將掌子面涌水抽排至變坡點位置，然后通過中心水溝順坡排放至斜井喇叭口固定泵站蓄水池內。第2級泵站采用固定泵站，設置于斜井喇叭口蓄水池，配置3臺(備用3臺)功率為132 kW、揚程為210 m、流量為155 m3/h的固定水泵。

5.6.3 防災預警

F8斷層可能發(fā)生突泥涌水，現(xiàn)場設置防災預警系統(tǒng)，在掌子面附近安裝洞內監(jiān)控系統(tǒng)，由專人進行實時監(jiān)控。正洞或輔助導坑應設置聲光報警裝置，工作面設置具備聲、光提示功能的電話機，構成以洞口值班室為中心的應急通信系統(tǒng)。

6 結論與建議

本文依托贛深高鐵龍南隧道F8富水斷層施工，通過開展綜合地質預報，研究不同埋深的注漿加固方法、效果以及防災預警，得到以下結論。

1)加強綜合超前地質預測預報工作，建議對斷層的規(guī)模、富水程度及充填物特征等地質情況進行超前綜合判斷，精準判定斷層破碎帶影響范圍，降低突涌水風險。

2)通過分水降壓，并針對不同埋深進行超前預注漿和深孔注漿加固，做好注漿效果評定，加強超前支護措施，以安全順利通過區(qū)域性斷層破碎帶。

3)富水斷層突水風險極大，應按環(huán)水保的要求做好防排水設計，并設置聲光報警、應急通訊和洞內監(jiān)測等防災預警系統(tǒng)，以防突發(fā)事件。

4)針對富水斷層突水涌泥的風險，建議進一步研究高壓富水隧道的機械化工裝，以提高機械帶水作業(yè)效率及其耐久性。