深埋高鐵隧道富水斷層滲透突水災變機理及防控技術研究

劉超

摘要：富水斷層的地質構造是突水災變的客觀條件，隧道施工是觸發突水災變的直接原因，斷層構造的破壞失穩和充填介質滲透失穩，二者相互影響，最終導致突水塌方。為保證隧道順利貫通，提出TSP、GPR和TEM相結合的預測技術，結合超前鉆孔成像，準確勘測富水斷層帶的地質情況。通過分區疏水帷幕注漿技術，對挖掘范圍外部區域進行阻水處理，對挖掘范圍內進行固結處理，采用三臺階臨時仰拱法開挖作業。對穿越富水斷層的隧道結構進行變形監測，最大變形量為21.1mm，小于控制指標，驗證了防控措施有效性。

關鍵詞：富水斷層；滲透突水災變；分區疏水；帷幕注漿；三臺階臨時仰拱法

0? ?引言

在山嶺地區進行隧道施工中，經常會遇到富水斷層帶。富水斷層帶的地質構造特殊，內部巖體風化程度較高，固結性較差，隧道掘進施工難度較大，出現滲透突水、塌方涌流的情況屢見不鮮[1]。目前針對富水斷層帶滲透突水災變的研究主要集中在兩個方面：一是富水斷層的發育規律和突水災變機理，二是富水斷層位置勘測和防控技術。

本文結合某高鐵隧道工程，對富水斷層帶的滲透突水災變機理和防控技術展開研究，分析導致災變出現的客觀原因和人為原因，進而針對性的提出富水斷層致災的預測判別技術，并提出防控方案，在工程中進行應用驗證。

1? ?工程概況

某高鐵隧道工程為單洞雙線隧道，施工區屬于剝蝕低山區，山坡之間有多處沖溝，隧道施工依次穿越5條富水斷層帶，地質構造如圖1所示。斷層帶區域，巖體破碎，有失穩破壞的風險，容易引起滲透突水災變。

隧道挖掘至F1斷層帶時，出現少量突水塌方，采取緊急措施后，塌方得以控制，未造成安全事故，僅延誤工期，增加了施工成本。但后續的F2、F5斷層帶沿隧道掘進方向的寬度分別為53m和47m，比F1斷層帶寬數倍，施工風險極大，需要提出切實可行的防控技術，保證安全施工。

2? ?富水斷層滲透突水災變機理

富水斷層帶在山體表層存在沖溝，沖溝由斷層帶兩側的山體地質運動形成，內部堆積大量的殘坡積土，土質疏松，可富集大量地下水，且沖溝與斷層帶存在裂隙貫通聯系。這種通道為斷層帶輸送大量水體，是突水災變的先天條件[2]。

富水斷層帶內部巖石風化程度較高，固結性差，閉合程度差，斷層帶區域范圍內產生的導水作用，是突水災變的地質條件。隧道施工過程中，鉆孔爆破以及機械掘進開挖，導致裂隙貫通結構產生破壞，斷層帶滲透失穩，為水體的涌出提供流失通道，是突水災變的人力觸發條件。

斷層帶滲透失穩后，內部巖體縫隙的水流攜帶細小泥沙從破壞口涌出，原有的穩定性較弱的結構進一步失穩，反過來又增加了涌出的水量。斷層構造的破壞失穩和斷層帶內介質滲透失穩，兩者互為因果，相互影響和促進，最終導致突水塌方災害的發生。

3? ?滲透突水災變防控技術

3.1? ?富水斷層帶特征預測識別技術

3.1.1? ? 探測技術選取

TSP技術通過一系列有規律排列的震源，產生地震波，地震波遇到破碎帶、斷層，部分地震波會發生反射，反射波信號被接收后，經過分析軟件可準確預報區內巖體力學參數，分析出地質完整性情況。GPR技術則專門針對富水的地質構造，利用其對導電水體的敏感性來識別和定位富水斷層帶的具體位置和大小。TEM技術是向地質巖層發射脈沖磁場，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場，對于富水孔洞和裂隙其呈現低阻特征，對于未充水的地質構造呈高阻特征，對于富水斷層的探測最靈敏，且不受地形影響。

GPR的有效距離比TSP短，但是準確性更高，TEM的靈敏性最高，將3種技術配合使用，再結合超前鉆孔技術，開展孔內成像作業，確保對富水斷層帶的準確預測識別[3]。

3.1.2? ?探測技術應用流程

根據探測數據，F2斷層帶與隧道掘進里程的DK55+720處相交，延續至DK55+770處。TSP地震波的橫波和縱波在此區域內雜亂的混合在一起，說明內部巖石存在不同程度碎裂，巖石受到兩側地層的擠壓，存在軟弱夾層。采用GRP探地雷達對DK55+720前的30m范圍內進行精準探測，發現探測區域內電磁波反射能量異常，且局部間斷、波形不規則，表明探測區域存在巖石裂隙，且碎石間水含量豐富。

施工挖掘至DK55+710處，采用TEM和超前鉆孔技術，對前方30m區域范圍內細致探測和鉆孔成像作業，獲取探測區內部詳細結構和含水情況。經過鉆探發現，鉆孔內部5～7m范圍內孔壁干燥整潔，部分巖體被小型節理切割，但整體性較好，TEM呈現高阻特性。7m后的圍巖裂隙逐漸增多，10～19m范圍內，巖體的碎裂程度非常明顯，碎石顆粒越來越小。20m后，進入碎裂核心帶，碎石為風化程度很高的凝灰巖，不同顆粒的碎石堆積在一起，TEM呈現低阻特性。

根據以上分析，確定F2富水斷層帶的危險范圍為DK55+715～775，區域內最大水壓為0.67MPa，比之前發生突水塌方災害的F1斷層帶的水壓值要高，且F2斷層帶內巖體風化程度高、跨度大，有突水成災隱患，需要采取措施進行防控。

3.2? ?超前分區疏水帷幕注漿技術

在對富水斷層帶開挖前，采用超前分區疏水帷幕注漿技術，以隧道輪廓線為界，分為化學漿阻水區和水泥漿固結區，對隧道挖掘范圍外部區域進行有效阻水處理，并對隧道挖掘范圍內進行有效的固結處理。

在化學漿阻水區內部注入含改性化學漿液，含有聚氨酯類聚合物化學漿液凝固后，在隧道挖掘范圍外形成一圈阻水的圓筒，阻絕富水斷層帶的水體向施工面匯集，從根源上消除突水源頭。在水泥漿固結區內部注入硅酸鹽水泥-水玻璃漿液，一方面堵塞充填介質流失通道，另一方面固結破碎巖體骨架結構[4]。在水泥漿固結區兩側布置泄水孔，將充填裂隙通道擠壓出來的水引流到作業場地外，如圖2所示。

根據探測分析結果，F2富水斷層帶寬度約為53m，需要采用2次循環注漿推進，每次分區注漿實施范圍為40m，預留5m作為第二階段的工作面。注漿壓力達到1.6MPa后，終止注漿。通過掌子面選取5個位置，對隧道挖掘范圍內的注漿效果進行鉆芯取樣檢測。樣品的抗壓強度最大值為7.76MPa，最小值為6.24MPa，均大于3MPa，滿足工程要求。

3.3? ?三臺階臨時仰拱施工技術

分區疏水帷幕注漿施工完畢且達到強度要求后，遵循弱爆破、強支護、短挖掘、勤測量的原則[5]，采用三臺階施工技術，對F2富水斷層帶區域進行開挖。施工斷面圖如圖3所示。

先對上臺階部分進行弱爆破開挖，然后對上臺階周邊進行初期支護。噴射40mm厚的C30混凝土，鋪設鋼筋網，搭建鋼架，再次噴射C30混凝土至100mm厚度。上臺階底部的臨時鋼架，直接一次噴射100mm厚度的C30 混凝土進行封底。

對上臺階及時噴射混凝土封鎖巖體，以降低巖體暴露于施工面的面積，提升巖體穩定性。噴射的混凝土填充了巖體裂縫，發揮巖體的自穩能力，提高巖體的面部結合力，保證下層臺階挖掘施工過程的安全性。中臺階施工應滯后上臺階5m，下臺階應滯后中臺階5m，開挖后立即做初期支護，交替進行。

3.4? ?防控效果評價

對F2斷層帶支護完成后，進行沉降量和水平變形量監測。監測點布置如圖4所示。其中A1點監測拱頂沉降量，A2監測拱底的沉降量，測線S1和S2分別監測2處水平變形量。

監測過程中，前15d每天記錄數據一次，15d后每2天記錄一次數據，共持續90d。為方便數據分析，沉降量和變形量均以絕對值統計。拱頂和拱底沉降監測曲線如圖5所示，水平變形監測曲線如圖6所示。

由圖5可知，拱頂和拱底沉降量前期變化較快，隨著監測時間的推移二者逐漸收斂，其中拱底沉降量在30d時就基本穩定，而拱頂沉降的穩定時間較長，直到80d時才逐漸穩定，符合實際情況。最終拱底沉降量穩定在21.1mm，拱頂沉降量穩定在19.8mm，均小于最大控制指標30mm。

由圖6可知，S1測線和S2測線隨時間的變化趨勢與沉降量相同，30d之前變形發展速度較快，而后逐漸收斂。S1水平變形量在40d時，逐步穩定，最終變形量為19.9mm。S2水平變形量在50d時，逐步穩定，最終變形量為19.7mm，均小于最大控制指標30mm。

監測結果表明，隧道穿過F2富水斷層帶的防控措施切實有效，隧道支護結構安全穩定。本文提出的富水斷層帶識別技術和防控技術，在后續的F3～F5富水斷層帶施工中繼續沿用，對工程項目順利實施起到關鍵作用。

4? ?結束語

本文結合某高鐵隧道工程，對隧道施工的滲透突水災變機理和防控技術展開研究。采用TSP、GPR和TEM相結合的預測技術，結合超前鉆孔成像作業，準確勘測富水斷層帶的地質情況。采用超前分區疏水帷幕注漿技術，對隧道挖掘范圍外部區域進行有效的阻水處理，對隧道挖掘范圍內進行有效的固結處理。

采用三臺階臨時仰拱法開挖方案，遵循弱爆破、強支護、短挖掘、勤測量的原則，順利完成隧道掘進穿越富水斷層帶的施工作業。對富水斷層帶區域的隧道支護結構進行監測，最大沉降量為21.1mm，最大水平變形量為19.9mm，小于工程控制指標，驗證了穿越富水斷層帶的防控措施有效性。

參考文獻

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