梁山隧道深埋富水陡傾軟弱帶突水涌泥機制分析及旋噴技術

吳培榮

(東南沿海鐵路福建有限責任公司，福建福州 350013)

0 引言

廈深鐵路梁山隧道段穿越L7深風化富水陡傾軟弱構造，沿花崗巖張性構造帶多次侵入輝綠巖及閃長玢巖，在地下水化學作用下，與其兩側的中酸性花崗巖體產生差異風化，形成帶狀深埋富水全風化的軟弱帶，這種情況在國內外較為少見。其具有規模巨大、軟弱夾層成帶狀，埋深大、涌水突泥至地表塌陷，極為富水、水量大、水壓高，軟弱夾層近乎直立及軟弱帶物質組成復雜等重要特征。

國內對淺埋、軟巖、黃土、高壓富水巖溶隧道遇塌方、涌水突泥等情況的處治措施較多，一般情況下的處理方法已較為成熟［1－7］;但對于梁山隧道這種集高壓、富水、陡傾等不良地質環境于一體的軟弱帶研究甚少。本文以梁山隧道深埋富水陡傾軟弱帶基礎，研究后續預加固方案的可行性及其施作工藝，為類似工程提供一定的理論基礎及參考方案。

1 工程概況

梁山隧道位于福建省漳州市漳浦縣和云霄縣境內，進口里程DK94+000，出口里程DK103+888，全長9 888 m，隧道最大埋深680 m，為廈深鐵路控制工程之一。

線路坡度為人字坡，其中進口位于3.1‰的上坡，出口位于5‰的下坡。該隧道共設進口、出口、1#斜井、2#斜井4個工區。

梁山隧道所在構造單元為閩東火山斷坳帶的福鼎——云霄斷陷帶，該斷陷帶呈北東向帶狀展布，長480 km，寬50～80 km，是福建最主要的火山噴發帶，在漫長的地質歷史時期中，形成多旋回的構造運動、多期次的巖漿活動及多期的變質作用，構造復雜。后期斷裂發育，褶皺不顯著，巖漿侵入活動極為強烈，除燕山早期重熔型石英閃長巖、花崗閃長巖及黑云母花崗巖外，還有燕山晚期橄欖巖、輝長巖、閃長巖及晶洞花崗巖等。福建省斷裂系統略圖見圖1。

圖1 福建省斷裂系統略圖Fig.1 Fracture system in Fujian，China

地下水主要為殘積層中孔隙水和基巖裂隙水兩種。貫通后，最大總涌水量為47 280 m3/d。涌水量穩定后，進口端4 800 m3/d，出口端9 600 m3/d，為最大涌水量的1/3。

2 突水涌泥及洞頂塌陷情況

1#斜井工區施工至正洞DK96+505附近時揭示一帶狀深風化富水陡傾軟弱構造，2009年3—4月先后發生多次突水涌泥災害，總涌泥量約20 000 m3。其中，2009年3月16日，首次突發涌水突泥，累計涌泥量約為2 000 m3，將在掌子面鉆孔噴錨臺車推出約70 m;3月19日，累計涌泥量達8 000 m3，再次將臺車推出約30 m。突水涌泥已基本充滿隧道斷面。

2009年4月6日再次發生突水涌泥，同時洞頂發生塌陷。陷坑處隧道埋深270 m，陷坑近似橢圓形，上寬下窄，長軸長約57 m，短軸寬約33 m，深15～25 m，陷坑面積約900 m2，深15～25 m。

2010年3月迂回導坑施工進入軟弱構造帶7.5 m時(DK96+528.5)，再次發生多次間歇性突水涌泥，總涌泥量約5 500 m3，原地表塌陷區坑底再次發生坍塌，成漏斗形加深約15 m。

3 突水涌泥特征及其致災機制

3.1 歷次突水涌泥特征

通過對比分析2009年3—4月的突水涌泥和2010年的突水涌泥過程，經歸納總結主要表現為以下特征:

1)突水涌泥的物質成分相同，均為淺成基性和中性侵入巖的深層全風化巖體，構造軟弱帶為一巖墻產狀，由二序次突水涌泥進入隧道的物質揭示巖墻內物質成分較穩定。

2)突水涌泥過程一致，均經歷了初始—發展—大規模涌泥—地表塌陷階段，地下水表現為在每次涌泥前后基本都經歷了清澈—渾濁—極為渾濁—較清澈—清澈的過程，先突水后涌泥。

3)2次突水涌泥起始發生位置均在右側拱腰位置。地表陷坑位置兩次均在同一位置，2次形成陷坑的時間與洞內涌泥的時間差均較短。

4)在每次有較大規模涌泥前均由聲響發生，這表明軟弱帶內在涌泥發生后存在空腔體，風化巖體在弱自穩性狀態下，空腔體頂部物質在地下水和重力作用下坍塌至空腔底部。

5)每次發生大規模涌泥后，一般需要更長的間隔時間才會發生再次涌泥。

6)地表溝槽的地表水有斷流或水量減少等現象，揭示構造軟弱夾層帶內地下水與地表水有直接的水力聯系，突水涌泥過程亦與地表水系有直接的水力聯系。

3.2突水涌泥形成過程分析

可以將涌泥過程分為3個階段:

1)初始階段。開挖形成臨空面后，注漿固結圈外靠正洞側的坍方體內積水，沿著注漿效果稍差地段的孔隙流出，形成動水，在滲透壓力作用下，不斷掏蝕和運移土體，空洞形成的管道不斷擴大。

2)發展階段。經過初始階段后，形成了一個較為順暢的管道和臨空面，使動水的運移速度加快，引發中小規模的涌泥。隨著涌泥不斷的發展，原狀土體被不斷破壞，涌泥口在逐漸擴大，形成了新的更大臨空面;同時涌泥前可聽到坍塌聲響，可判斷加固圈外的松散土體在地下水及重力作用下，不斷坍塌堆積，并且暫時封堵住涌泥口，形成暫時的平衡，隨著空腔內不斷聚集地下水和坍塌土體，超過平衡后涌泥口發生破壞形成新一輪的涌泥。

3)形成階段。經過發展階段的多次涌泥后，空腔體不斷擴大，形成更大的臨空面，進而使周邊的含水松散土體在重力作用下向臨空面方向匯聚，為更大規模的涌泥創造條件，同時迂回導坑的空腔體和正洞坍塌體逐步接近直至連通。該階段特征表現為涌泥的間隔時間更長、規模更大，說明在爆發階段，由于每次涌泥后在洞內形成一定長度的涌泥體起到“塞子”的作用，而同時每次涌泥是坍塌體內的含水土體在重力作用下，不斷向前次涌泥后形成的空腔內聚集，當累積到一定高度時，其形成的壓力打破洞內“塞子”平衡，繼而發生再次涌泥。

3.3 突水涌泥地質成因分析

本隧位于兩區域性深大斷裂帶(長樂—南澳斷裂帶、角美—大步斷裂帶)之間，最大主壓應力方向近似垂直線路(NW)，最大主拉應力方向近似平行線路NE，在最大主拉應力作用下，在本段形成了NW向張性構造裂隙帶，同時后期多次基性侵入巖輝綠巖及和中性侵入巖巖閃長玢巖，在侵入蝕表作用、地下水化學作用下，與其兩側的中酸性花崗巖體產生差異風化，形成帶狀深層風化巖體。在后期的多次構造作用和化學風化作用進一步強化下，巖體破碎呈強風化、全風化碎塊及砂、土狀，富含地下水，構造軟弱夾層呈飽水狀態。

構造軟弱夾層全風化物質厚9～11 m，強風化物質厚10～14 m，且軟弱帶與線路交角為65°，傾角近于直角。隧道施工開挖揭露構造軟弱層后，富水狀態的構造軟弱夾層內原來平衡的滲透壓力，在短時間內集中指向隧道掌子面，形成極高的滲透壓力差;同時由于構造軟弱夾層的揭露，產生了地下臨空通道，原來夾持狀態的全風化物質在地下水滲透壓力作用和自身重力作用下，呈泥砂水狀態涌入隧道，形成突水涌泥。

4 地表塌陷機制分析

從梁山隧道的實際地質條件和突水過程分析，隧道內帶狀深風化富水陡傾軟弱構造的塌陷與地表的自然溝渠中的水存在水力聯系，但是由于隧道埋深較大，地表水的下滲所需時間較長，結合梁山隧道突水突泥的實際記錄情況，可以認為地表水下滲對隧道涌水突泥的影響較小。另外，在施工過程中可能爆破振動對巖層有一定的影響，但是在有超前支護措施保護的條件下，振動荷載不足以使地層產生直接破壞。

對于梁山隧道開挖至軟弱帶導致的塌陷，施工開挖的掌子面形成新臨空面處，原有地下水流失，且臨空面原有的滲流壓力水頭消失，短時間內突增巨大滲透壓力，形成突水涌泥流出后，向上方及側向牽引。同時由于地下水位線下降，空腔體附近的巖土體有效應力增加，隧道在掏蝕、牽引和重力的綜合作用下，引起上方塌陷。因此，可以認為地下水位急劇下降是梁山隧道L7深風化富水軟弱構造帶塌陷的主要原因。從軟弱構造帶的揭露到地表發生塌陷主要可以分為以下5個過程:接近軟弱帶—揭露后涌水—泥水混合物—產生空腔—巖土體塌陷。

5 軟弱帶預加固方案

目前國內外在應對突水涌泥、塌方、軟弱構造帶等不良地質時采用的預加固手段主要為:超前帷幕注漿預加固、凍結法預加固及水平旋噴預加固3種方法?，F場經過調研［8－9］、理論分析及試驗，得到以下結論:1)水平旋噴預加固，對地層改良、止水以及對隧道支護體系的受力均有明顯的效果，經理論計算和數值分析，加固圈厚度在1.5～3.0 m范圍內作用效果最為明顯;2)試驗結果證明在L7軟弱帶的復雜地層中可實現長距離(30 m)水平旋噴，旋噴樁比較均勻、致密、連續且相互咬合，加固體強度可達3 MPa，可實現形成具有一定強度的加固圈的設計構想，以此強度計算，加固圈厚度1.55 m為宜;3)30 m后因離散性可能出現的咬合盲區，可采用大管棚補注漿或者局部注漿及末端補旋噴等方式進行補強，確保安全。

5.1 水平旋噴預加固具體設置

于擬施作特殊加強襯砌開挖輪廓線外拱墻范圍設置4環水平旋噴注漿預加固，旋噴體厚1.55 m，其中外側3環水平旋噴體主要作用為地質改良承載和阻水，內側1環水平旋噴體的主要作用是地質改良后為超前大管棚鉆孔創造條件;為防止發生隧道底鼓或管涌破壞，仰拱底部設置2環水平旋噴注漿預加固，旋噴體厚0.85 m。

旋噴鉆孔長40 m，環向外傾角2.5%，施工傾角按水平旋噴試樁參數調整，旋噴鉆孔應進入軟弱帶對側推測界面5 m，軟弱帶內最小旋噴體直徑500 mm，每環水平旋噴體環向中心間距為0.35 m，相鄰旋噴體相互咬合的設計值為0.15 m;相鄰環水平旋噴體中心間距0.35 m，交錯布置，相互咬合;旋噴體設計抗壓強度≥3 MPa。

圖2和圖3分別為構造帶綜合超前預加固正面及縱斷面。

5.2 正洞掌子面水平旋噴樁改良補強

為改良正洞斷層涌泥體，提高掌子面的穩定性及抗沖蝕能力，于正洞掌子面施作水平旋噴樁加固補強。

掌子面水平旋噴體旋噴鉆孔至斷層對側基巖，最小旋噴直徑500 mm，間距1.2 m×1.2 m，交錯布置;旋噴體抗壓強度不小于3.0 MPa。掌子面共設置水平旋噴體105根，總長4 200 m。

圖2 深埋富水陡傾軟弱帶預加固橫斷面圖(單位:cm)Fig.2 Cross-section showing advance reinforcement of deep-covered water-rich steep fracture zone(cm)

圖3 深埋富水陡傾軟弱帶預加固縱斷面圖(單位:cm)Fig.3 Profile showing advance reinforcement of deep-covered water-rich steep fracture zone(cm)

5.3 水平旋噴預加固實施效果檢驗標準

水平旋噴加固效果主要是通過檢查孔觀測法及巖芯檢測法，并利用管棚鉆孔，檢測其水泥結石體抗壓強度、均勻性、連續性，判釋旋噴加固圈的加固效果，設計要求旋噴加固效果達到以下標準。

1)樁體抗壓強度平均值不小于3 MPa，最小值不小于2.5 MPa。

2)檢測孔及開挖后掌子面及側壁不允許有股流。

3)旋噴加固體的鉆孔取芯率不小于70%。

若鉆孔檢驗旋噴效果不滿足以上設計要求，則視情況對加固薄弱區針對性進行補樁旋噴加固或注漿補加固，采用復合加固方式保證固結圈加固效果。

5.4 施工參數

采用旋噴鉆機打設水平孔，旋噴壓力為30 MPa、旋轉速度為15 r/min，提升速度為15～30 cm/min。

利用自制水平鉆機在相互咬合的水平旋噴體內鉆孔后施工雙層大管棚并進行注漿。

5.5 現場效果鉆孔檢驗情況

在梁山隧道L7軟弱帶水平旋噴加固體中，共完成19個孔內成像檢驗孔及9個取芯檢驗孔進行檢測，以及第二層拱部管棚孔的孔內成像檢測。

根據孔內成像及取芯檢驗:加固范圍軟弱帶揭示物質基本為水泥土，且膠結較均勻，各孔孔壁90%呈光滑狀態。各孔孔口未見明顯出水，只有少量滲水;孔內有局部地段滲水，個別孔有線狀出水點。點荷載測試平均強度為5.7 MPa，最小強度為4.8 MPa;標準試件抗壓強度測試獲取的平均強度為21.7 MPa，最小強度為13 MPa，水平旋噴加固圈設計抗壓強度為σs≥3 MPa，實測點荷載測試的最小強度為4.8 MPa。水平旋噴預加固體強度、止水效果及連續性均達到了設計要求，但局部位置仍有少量滲水，因此在開挖過程中應結合注漿加固進行補強。

6 結論與體會

1)隧道開挖導致富水狀態的構造軟弱夾層內原來平衡的滲透壓力，在短時間內集中指向隧道掌子面，形成極高的滲透壓力差;同時由于構造軟弱夾層的揭露，產生了地下臨空通道，全風化物質在地下水滲透壓力作用和自重力作用下，呈泥砂水狀態涌入隧道，形成突水涌泥;地下水位急劇下降是梁山隧道L7深風化富水軟弱構造帶塌陷的主要原因。

2)水平旋噴預加固對地層改良、止水以及對隧道支護體系的受力均有明顯的效果，加固體強度可達3MPa，可形成具有一定強度的加固圈。

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