高鐵隧道穿越富水軟弱破碎區綜合地質預報及治水技術

盧慶釗

(中鐵十六局集團第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

近年來，國內外許多學者針對富水軟弱斷層破碎帶隧道治水施工，開展了大量的研究工作。王學忠[1]提出采用超前注漿支護和充分利用斜井堵水等措施，并分析監測數據資料以研究圍巖變形規律，隧道順利穿越破碎帶。劉欽等[2]從地質學角度討論了隧道富水斷層的突水機制，基于此采用負壓排水，超前注漿等治理措施進行治水，最終隧道順利貫通。周思峰等[3]根據東天山特長隧道斷層，提出采用“上堵下排、泄水降壓”注漿的方式對富水斷層進行水災害的治理。萬全等[4]基于現場注漿試驗，采用超前帷幕注漿技術對高壓富水斷層進行堵水加固，試驗結果表明，該方法堵水加固可行。吳應明等[5]結合巖鷹鞍隧道工程，采用數值模擬方法得出斷層的高位泄水對于減少斷層突水涌砂具有重要作用。張民慶等[6]提出徑向注漿結合加強初期支護的方式對斷層涌水進行治理。Guo Xi等[7]分析了隧道斷層突水事件，提出利用封堵注漿結合分流減壓孔-注漿后處理綜合治水方案，治水效果較好。Zhao Yong等[8]總結了與隧道突水涌泥相關的影響因素，并從宏觀和微觀機理出發，提出了多種預處理方法用于控制斷層破碎帶的涌水災害的發生。

關于對隧道富水斷層破碎帶治水的研究，已有的研究大多數采用的治水措施較為單一，且采取具體措施之前對斷層破碎帶的賦存狀態以及富水狀態不明確，導致治水效果不大理想。基于此，本文依托新建福廈高鐵碧峰寺隧道F6富水軟弱破碎帶為背景，首先開展基于彈性波反射法、地質雷達等多種探測手段的綜合超前地質預報，開展基于超前帷幕注漿、雙排小導管注漿以及超前管棚注漿等方法的綜合治水施工技術研究，為后續類似工程施工提供一定的參考價值和指導意義。

2 工程背景

2.1 隧道概況

新建福廈(福州—廈門)高鐵3標段起訖里程為DK51+717.925～DK86+801.42，正線長度約為35 km，設計時速為350 km。碧峰寺隧道是該標段的一座單洞雙線隧道，也是全線最長的Ⅰ級高風險隧道，全長8 434.27 m，起訖里程為DK51+761～DK60+195.27，最深埋深和最淺埋深分別約為232 m和28 m。隧道進口段位于福建省福清市漁溪鎮雙墩村，出口段位于福建省莆田市涵江區江口鎮官莊村。隧道處于剝蝕(中)低山區，附近海拔為40～430 m，洞身山體連綿，地勢起伏較大，自然坡度30°～50°，山間沖溝發育，多呈“V”字型。隧道穿越山體，進出口段位于坡腳處，地勢相對平緩(自然坡度為20°～30°)，進出口附近均有鄉村道路連接，交通較便利。

2.2 工程水文地質

碧峰寺隧道地層巖性主要為侏羅系上統南園組(J3n)晶屑凝灰巖，丘坡地表上分布第四系殘坡積層(Qel+dl)粉質土和碎石土。隧址區地質條件復雜，發育有8條斷層構造、8處節理密集帶，斷層帶內圍巖膠結較差，導水性及富水性好，極易引起塌方、涌水突泥等地質災害。F6軟弱斷層破碎帶所處里程為DK58+200～DK58+375，屬于區域擠壓斷層，巖芯成碎塊狀，斷層與線路于地表里程DK58+303處相交，夾角為64°，寬度為175 m，圍巖波速較低，呈低阻凹陷特征，產狀為4681.5°，破碎帶內圍巖穩定性差，圍巖級別為Vb級，地下水主要是構造裂隙水，預測F6斷層DK58+303里程破碎區最大單位涌水量能夠達到36.42 m3/(d·m)，隧道洞身預測最大涌水量為5 537.54 m3/d，屬于強富水區。根據鉆孔綜合測井揭示，F6破碎軟弱區域附近洞頂埋深-7.5～6 m左右為含水涌水層，施工時應及時加強支護和防排水措施，防止突涌事故發生。F6斷層破碎帶縱斷面圖如圖1所示。

圖1 碧峰寺隧道F6斷層破碎帶縱斷面圖

2.3 施工技術難題

F6斷層破碎帶DK58+200～DK58+375里程段，圍巖破碎自穩性差，富水嚴重，屬于強富水區。2020年1月15日上午，掌子面開挖施工到DK58+336.3斷面里程時，隧道掌子面發生強烈的突水事件，水壓較大，水流速度大，嚴重影響施工作業，但未對人員產生傷害。除此之外，架設鋼架的過程中，隧道的拱頂還觀察到了大量的涌水，施工人員穿著防雨衣施作初期支護作業，施工現場突水事件如圖2所示。因此，亟需采取恰當有效的措施對富水破碎區進行治水處治，保證隧道順利穿過富水破碎區。

圖2 隧道施工突水事件

3 綜合超前地質預報

富水斷層破碎施工區域極易發生突水涌泥等地質災害，因此非常必要開展綜合超前地質預報[9-10]，以準確清晰地探明隧道掌子面前方的地質情況，比如富水狀態、不良地質姿態位置以及圍巖條件，從而根據綜合預報結果合理采用施工方法和超前注漿治水措施，并及時調整注漿施工參數，以確保隧道施工的安全、經濟和有效地進行。本文針對F6富水斷層破碎區開展了基于彈性波反射法(TSP)、地質雷達、超前地質鉆孔探測、加深炮孔以及掌子面地質素描的綜合超前地質預報，通過多種方法探測結果的相互驗證比對，以準確地表征斷層破碎帶區域的復雜地質條件和富水狀況。

3.1 彈性波反射法(TSP)

TSP探測屬于長距離探測方法，本隧道施工中采用TSP203Plus探測掌子面前方120 m左右的地質狀況，探測過程中采集參數設置為三分量接收，采樣間隔為0.062 5 ms，采樣點數為8 192，地震記錄長度為512 ms。在掌子面DK58+340里程開展TSP超前探測DK58+340～DK58+220里程區間的地質情況，TSP探測結果如圖3所示，圖中可以看出，該里程段圍巖的波速(包括P波和S波)、靜動揚氏模量、泊松比等力學參數波動較大，反射面較多，尤其是在DK58+320～DK58+240里程段呈現出較多負反射面，表明該區段內圍巖節理裂隙發育嚴重，富含構造裂隙水，地下水豐富，圍巖自穩性差。

如果人類像愛因斯坦所堅持的那樣，不是遺傳上的自我毀滅，那么，他們的飛速發展的技術卻正在使他們遭受接連不斷的社會問題。［11］合理利用人工智能將給人類帶來無限的福音，如果利用人工智能進行犯罪，將會給科技安全、政治安全、人民安全帶來巨大損害。因此，分析相關要素，有效預防此類犯罪，對維護國家安全有著重大意義。

圖3 TSP地質預報探測結果

3.2 地質雷達(GPR)

地質雷達(GPR)屬于短距離高分辨率超前探測方法，能夠探測掌子面前方大約30 m范圍以內的地質狀況。采用美國GSSI公司SIR-4000型地質雷達(配頻率為100 MHz天線)開展掌子面前方地質預報。雷達探測過程中布置兩條平行測線(測線1和測線2)，測量方式為點測，測量記錄的時窗600 ns，64次疊加，測點距為0.2 m，采樣頻率為1 050 MHz。在掌子面位置DK58+297采用探地雷達預報DK58+297～DK58+267里程段的地質情況，探測結果如圖4所示。從測線1和測線2探測結果可以看出，掌子面前方0～10 m范圍內，雷達信號以低頻為主，振幅較弱，信號沒有呈現出明顯的震蕩的現象，同相軸較為連續，初步推斷該范圍內巖體較為完整，圍巖穩定性較好，裂隙發育不嚴重；在距離深度10～30 m掌子面前方區域，信號以中高頻為主，同相軸雜亂斷續，觀察到部分信號有明顯的震蕩，回波信號顯示振幅較強，初步推斷該區域內節理裂隙發育嚴重，裂隙間可能充填破碎巖屑，巖體較為破碎，圍巖自穩性較差，不排除構造裂隙水的富集，施工過程中需提前做好預加固和排水釋壓措施，防止涌水災害的發生。

圖4 地質雷達探測結果

3.3 掌子面地質素描

2020年1月12日，隧道開挖施工到DK58+325.6里程，距離出洞口1 899.67 m，開挖掌子面現場地質照片和對應的素描圖如圖5所示。從圖可知，工作面巖體為凝灰熔巖，呈青灰色和灰黃色，強風化，節理裂隙發育嚴重，掌子面巖體破碎，巖面濕潤，基巖裂隙水發育，圍巖自穩性較差，結構面間距約為0.2～0.6 m，部分結構面有黏土充填，遇水巖體易軟化，強度降低，易發生掉塊、冒頂和局部坍塌等地質災害問題。因此，在施工過程中，應及時采取預加固措施和抽排水作業以降低掌子面前方的水壓，減少圍巖承受的荷載和自重，提高圍巖自穩性。

圖5 掌子面地質素描

3.4 超前水平鉆探

2020年1月12日，用地質鉆機在DK58+325.6里程掌子面的中部鉆鑿了1個水平鉆孔，以探明工作面前方30 m范圍(即探測里程為DK58+325.6～DK58+295.6)內地質巖層整體性、含水構造以及水壓水量等情況。根據水平鉆探結果可知，掌子面前方30 m范圍內，主要為晶屑凝灰巖，中等～強風化，巖質中等偏硬，鉆進過程中速度較緩慢，偶爾有卡鉆的現象，巖粉呈現出乳白色的，鉆孔內吹出青灰色中等風化的晶屑凝灰巖顆粒，鉆孔鉆鑿完成后時有水流滲出。巖芯斷斷續續，碎塊巖體中夾有黏土，巖體節理裂隙發育嚴重，且呈現出較為明顯的擠壓錯位的壓痕。

3.5 加深炮孔探測

為了進一步探明掌子面DK58+325.6里程前方的地質賦存狀態和條件，當開挖到DK58+320.6掌子面時，在掌子面上鉆鑿了3個水平加深炮孔(每一循環)，炮孔布置示意圖和現場施工如圖6所示，加深探測孔的深度較開挖進尺超過3～4 m以上，本次施工每個炮孔的深度為7 m，外插角為0°。加深炮孔鉆進探測結果顯示，鉆桿緩慢鉆進，偶爾有卡鉆和突進現象發生，巖體主要為晶屑凝灰熔巖，漿液呈灰黃色，鉆進過程經常有構造裂隙水的涌出，有時還具有一定的水壓力。

圖6 加深炮孔布置

根據隧址區的地勘資料，并結合上述多種超前地質預報的綜合解譯結果，初步推斷現施工區域處于F6斷層破碎帶區域，圍巖自穩性差，節理裂隙發育嚴重，局部有黏土和碎屑巖夾層，破碎區域水流通道密集，構造裂隙水發育嚴重，施工影響作用下極易出現突水涌泥事故，因此，亟需對F6富水軟弱破碎區開展治水技術研究，防止塌方、涌水突泥等地質災害的發生。

4 隧道穿越富水軟弱破碎區綜合治水技術

根據綜合探測結果以及現場實際施工情況，遵循以堵為主，排為輔的原則，提出采用一種基于三臺階臨時仰拱(架設臨時鋼架)+5 m超前帷幕預注漿+Ⅲ型超前雙層小導管(φ50 mm)注漿輔助超前長管棚注漿+有效防排水措施的綜合治水技術對富水軟弱破碎區進行堵水施工，以控制隧道涌水的發生。

4.1 開挖施工方案

F6富水斷層軟弱破碎區(里程范圍為DK58+200～DK58+375)采用三臺階臨時仰拱設臨時鋼架[11]進行開挖施工。施工過程中合理控制炸藥單耗和炮孔鉆鑿深度，遵循弱爆破的原則，最大程度地減少對圍巖的擾動和干擾。此外，每一循環開挖進尺不得大于3 m，施作鎖腳錨桿之后才能進行仰拱的開挖。

4.2 超前帷幕注漿

由于F6斷層破碎帶地層的埋藏較深(深度處于85～115m之間)，故采用5 m的超前帷幕注漿技術進行斷層破碎區預加固處理，以實現對掌子面前方進行堵水兼固結破碎巖體的作用。施工每一循環布置7環注漿孔(包括中心注漿孔)，總共120個注漿孔，第1～5環注漿孔的注漿長度為30 m，第6環注漿長度為20 m，第7環注漿長度為16 m。每一循環開挖22 m，并保留8 m長度作為止漿巖盤。厚度為1.5 m的止漿墻在第一個循環中施作，注漿孔的擴散半徑為2 m，孔底間距設置為3 m，注漿范圍為開挖輪廓線外5 m范圍。注漿材料采用單液注漿(水泥)，在施工過程中如若遇到水量較大時，采用雙液注漿(水泥∶水玻璃=1∶0.5)，以確保圍巖加固和堵水的質量和效果，在動態施工過程中要及時觀測注漿的效果并及時調整。詳細的注漿參數如表1所示。

表1 5 m超前帷幕注漿參數取值

4.3 超前雙層小導管注漿(輔助長管棚注漿)

針對隧道 F6富水斷層破碎區，施工里程為DK58+200～DK58+375，采用Ⅲ型超前雙層小導管對開挖破碎段進行支護施作，控制隧道周邊圍巖的穩定。雙層小導管施工采用雙排注漿小導管，內側小導管保持5°～10°的外插角，主要用于穩固開挖外輪廓線臨近的巖體，從而在該區域形成首層固結注漿圈，外側小導管保持40°的外插角，注漿后與首層固結注漿圈粘結，形成了雙層固結注漿圈，從而進一步擴大了圍巖體的加固范圍，且堵水的影響范圍也得到了進一步改善。采用的超前小導管直徑為50 mm，配合鋼拱架使用，其在破碎巖體中能夠發揮錨桿作用、錨桿樁作用、梁作用同時還兼作注漿的運移通道。對于富水軟弱破碎嚴重、地質條件極差的區段，以Ⅲ型超前雙層小導管施作為主，輔助采用直徑89 mm的洞身長管棚進行超前加強預支護，施作范圍分布在拱頂140°范圍內。Ⅲ型超前雙層小導管和洞身長管棚主要參數如表2所示。

表2 Ⅲ型超前雙層小導管和洞身長管棚主要參數

4.4 注漿效果檢驗

(1)PQT曲線判定

為了定量地檢驗注漿堵水效果，在注漿施工過程中，實時監測中心注漿孔的注漿壓力(P)和流量(Q)隨注漿時間(t)的變化規律，如圖7所示。從圖中可以看出，在注漿作用下圍巖中裂隙孔隙被漿液充填和壓密，導致注漿流量隨注漿時間逐漸降低，注漿流量大約在90 min左右趨于穩定，最終穩定在3.52 L/min。相反，注漿壓力隨時間逐漸增大，最終注漿壓力在110 min左右達到穩定值6.35 MPa。根據三者之間的變化規律及注漿效果評判標準(終壓為6～8 MPa，流量≤5～10 L/min)[12]來驗證注漿的效果，表明本次注漿堵水是能夠滿足設計要求的。

圖7 中心注漿孔的PQT曲線

(2)檢測孔加固體抗壓強度和RQD值

2020年1月20日，在掌子面DK58+300.5里程對5個檢測孔(拱部2個，左右邊墻各1個，底部1個)進行取芯，測試注漿后加固體的抗壓強度并計算取芯的RQD值，測試結果如表3所示。從中可知，檢測結果滿足設計標準(即RQD>75～80；加固體抗壓強度≥3 MPa)。

表3 檢測孔加固體抗壓強度和RQD值

(3)鉆孔孔內成像判定

注漿完成之后，利用TS-C1201鉆孔多功能成像分析儀，對典型檢測孔進行孔內成像，以進一步探明破碎帶圍巖的注漿質量。成像的里程為DK58+285.8～DK58+265.8，距離為20 m，成像結果如圖8所示。結果顯示，孔的穩定性較好，出水量很少，成孔較明顯，圍巖裂隙固結較好，孔內沒有呈現出塌孔和縮孔現象，表明注漿堵水效果良好。

圖8 典型檢測孔孔內成像結果

4.5 防排水措施

隧道開挖施工過程中，在隧道兩側和中央布置排水溝，利用直徑為100 mm的PVC管將中央排水溝和側溝相連，縱向距離保持10 m。初襯與二襯之間布設防水板和土工布防水，防水板厚度≥1.5 mm，幅寬2～4 m，防水板后面施作環向排水板，4～6 m布置一道，尤其在襯砌施工縫或者變形縫位置必不可少，防水板底部墻角位置施作縱向的雙壁打孔波紋管，型號為 φ107/93，同時額外布置一道環向HDPE100的雙壁打孔波紋管。隧道拱墻和仰拱位置處的環向施工縫和變形縫布設中埋式自粘橡膠止水帶，縱向施工縫處布設鋼邊自粘橡膠止水帶和混凝土界面劑。根據防排水規范《鐵路隧道防排水施工技術指南》(TZ 331—2009)，二襯混凝土抗滲等級不小于P10，本次施工的實際抗滲等級為P12。由于北山斜井未能貫通，故F6斷層破碎帶施工期間，水經過中央排水溝通過隧道出口順坡排出。

5 結論

本文依托新建福廈高鐵碧峰寺隧道F6富水軟弱破碎帶為背景，開展了綜合彈性波反射法、地質雷達、掌子面地質素描、超前水平鉆探和加深炮孔探測的超前地質預報，基于綜合解譯結果，研究了富水軟弱破碎帶隧道開挖綜合治水技術，得出以下結論:

(1)針對隧道施工存在的富水軟弱破碎帶，開展基于多種地質探測方法的綜合超前地質預報，通過解譯綜合探測結果，能夠更精細化和可視化地表征掌子面前方斷層破碎帶的產狀、富水狀況、斷層充填物特性以及斷層影響區域，進一步提高探測結果的準確性，為后續治水施工方案的確定奠定了一定的基礎。

(2)基于多種方法的綜合預報結果，提出采用超前帷幕注漿+雙層小導管注漿+輔助超前管棚注漿+有效防排水措施的綜合治水技術，對隧道富水斷層軟弱破碎帶進行水災害的治理。

(3)采用PQT曲線、加固體力學性質試驗以及孔內成像三種方法驗證了本次注漿堵水加固良好效果，施工過程未發現突涌現象，最終隧道順利穿過富水軟弱破碎帶。