赣深高铁龙南隧道大型富水断层破碎带施工技术

马 栋， 闫 肃, 2,*， 王武现

(1. 中铁十六局集团有限公司， 北京 100018； 2. 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580)

0 引言

随着交通建设的发展，线路标准不断提高，铁路规划和建设不断向山区拓展，线路势必会穿山越岭[1]。山岭隧道地质条件复杂多变，常会遇到高压富水岩溶、断层破碎带等特殊不良地质，安全风险极高、施工难度极大[2]，稍有不慎，极易发生突水涌泥(沙)，造成人员伤亡和经济损失。

国内很多学者针对断层破碎带开展研究，钟威[3]提出影响穿越断层破碎带的风险因素，并建立风险评价指标体系及风险等级。高雷州[4]通过建立数值模拟模型，分析了不同施工方法对隧道围岩扰动的影响。李晓斌[5]基于断层破碎带模拟计算模型和台阶拱顶沉降，分析了二次衬砌的结构应力及影响范围。刘鹏[6]利用ANSYS数值模拟，对大断面隧道断层破碎带支护方法进行了优化。张旭[7]结合保康隧道，分析了断层破碎带的发育情况和危害，提出使用CRD方法开挖，并对隧道爆破设计进行优化。文献[8-10]基于隧道高压富水断层突水涌泥(沙)事故，总结分析了突涌水原因，并制定了合理的处理方案和工程对策。

已开展的研究中，大部分是采用数值模拟的方法优化断层破碎带等不良地质区的爆破、开挖、支护工艺，或者针对具体工程的突泥涌水事故制定处理对策，避免次生灾害，但总体上来说，准确预测且成功防治富水断裂破碎带区域隧道突泥突水的案例较少。为更好地指导富水断层隧道施工，本文结合赣深高铁龙南隧道，对综合预报、分水降压、内堵外固以及防灾预警方法进行分析研究，以期为同类工程施工提供参考。

1 工程概况

龙南隧道全长10.24 km，双线单洞隧道，洞身浅埋，且存在危岩落石、突水涌泥、围岩失稳塌方等诸多风险，是全线的重点控制性工程，风险等级为Ⅰ级。DK99+380～+620段为F8区域大断层破碎带，压性断裂，长度大于50 km。DK99+500～+620段为F8断层核心带(Ⅵ级围岩)，宽约120 m，加上两侧破碎影响带，总宽度达330 m,F8断层如图1和图2所示。

图1 隧道F8断层平面分布

图2 隧道F8断层纵断面

1.1 F8断层的工程和水文地质特点

F8断层位于泥盆系老虎坳组砂岩、石英砂岩地层中，属区域中寨(全南)-江头圩(安远)大断裂的平行分支，为压性断裂，受旋扭作用影响，不同部位断裂面倾向不一，性质互异。该段隧道埋深30～110 m。地表山坡及山间谷地植被较发育，沟谷内溪流发育。F8断层破碎带围岩呈砂加块石状，断层以下揭示灰岩。断层富含承压水，钻探孔口涌水，水柱高约2 m，推测洞身水压达0.5 MPa，预测最大涌水量为5 998.04 m3/d，为强富水区。

1.2 设计概况

DK99+380～+500段和DK99+620～+660段为断层影响带(Ⅴ级围岩)，采用3 m加固范围超前预注浆加固围岩堵水、φ50 mm双层小导管超前注浆预支护、三台阶临时仰拱法施工。DK99+500～+620段采用8 m加固范围超前预注浆加固围岩堵水、φ89 mm洞身长管棚+φ42 mm小导管超前注浆预支护、六步CD法施工。Ⅵ级围岩采用Ⅵ级复合式衬砌，隧道支护结构见图3，二次衬砌抗水压能力达0.7 MPa。

图3 龙南隧道支护结构横断面(单位： cm)

2 施工中遇到的技术难题

2019年5月11日，掌子面施工至里程DK99+421时，右侧仰拱出现溜坍，高度2～3 m，宽度约4 m，纵向长2 m。2019年5月12日凌晨，掌子面右侧拱部再次溜坍，高度增加至4 m，宽度增加至6 m。2019年7月28日晚，掌子面施工至DK99+435时，现场实际揭示围岩为泥盆系老虎坳组(D21)砂岩，褐黄色，全风化夹强风化，呈土夹碎块石状，结构松散，自稳性较差。现场拱架安装时，掌子面拱部出现溜坍，纵向长度约3.5 m，高度约4 m，环向溜坍范围为8 m。溜坍体为全风化岩体夹碎石，岩体破碎，地下水较发育，洞内涌水量约为67 m3/h。

造成溜坍、涌水的主要因素有以下3方面： 1) DK99+421区域已经进入断层影响带，岩体破碎，结构松散，自稳能力极差； 2)隧址地表山坡及山间谷地溪流发育，地下水发育，隧道爆破开挖的扰动造成构造附近地下水涌出； 3)现场施工中，未查明隧道前方地质情况，隧道提前进入断层核心区域。由于无法准确预判隧道前方富水及断裂构造，极大地增加了隧道溜坍、突水突泥的风险，因此亟需开展综合地质预报、地表抽水试验来确定合理的隧道排水、加固方案。

3 地质预报

3.1 地震波反射TSP探测

采用TSP探测掌子面(DK99+429.6)前方的地质情况，査明DK99+429.6～+549.6段构造断裂、软弱夹层等的分布位置，地下水状况，构造裂隙填充物及其性质。

DK99+429.6～+500段纵横波波速整体变化不大，纵横波速比、泊松比变化起伏较大，由此推测该里程段围岩岩体与掌子面基本一致，岩体破碎，节理裂隙发育，裂隙水较发育[11]。

DK99+500～+549.6 段纵波波速下降，横波波速呈平稳趋势，纵横波速比、泊松比变化起伏较大，且存在较多负反射界面，由此推测该里程段围岩整体稳定性变差，岩体极破碎，节理裂隙发育，裂隙水发育。

3.2 地质雷达

为进一步查明隧道掌子面前方的构造断裂、软弱夹层等的分布位置，地下水状况，构造裂隙填充物及其性质，在DK99+433.2～+463.2(长度30 m)段开展地质雷达探测。现场测试4条线，测线布置如图4所示。现场数据采集采用点测方法，测量时窗选取613.5 ns，采样频率1 069.4 MHz，每道采样点数656点，道间距0.1 m。

图4 雷达测线布置示意图(单位： m)

地质雷达探测处理结果如图5所示。由图可知，雷达波振幅加强，频率变低，散射波特征明显。结合掌子面现场开挖情况和勘测资料综合分析，围岩与掌子面围岩基本一致。围岩受外部挤压切割成大小不一的块状体结构，节理发育，含水量较大，掉块较严重，自稳能力较差，施工中需及时做好支护及防排水。

(a) 测线1 (b) 测线2 (c) 测线3 (d) 测线4

3.3 超前钻孔

2019年8月4日，沿DK99+435掌子面采取2孔超前地质钻孔，探孔里程DK99+435～+465，钻孔速度缓慢，偶有卡钻，孔内渗水。判断前方30 m地质情况为： 1) 0～6 m为变质砂岩加泥岩，褐黄色，强风化，岩体极破碎，裂隙水发育； 2) 6～22 m为变质砂岩加泥岩，褐黄色，全风化-强风化，岩体极破碎，裂隙水发育。

2019年8月24日，沿DK99+435掌子面增加1孔超前水平钻孔，设计长度30 m。孔内揭示为砂岩(褐黄色)，全风化、局部夹强风化层，岩芯呈黏土夹碎块石状, 岩体挤压痕迹明显，节理裂隙发育，地下水发育，推测为断层破碎带。

根据掌子面地质情况，结合超前地质预报成果资料综合判定，隧道已进入F8断层核心区，围岩级别为Ⅵ级。

4 地表抽水试验

现场在地表施工了6个φ200 mm的水井进行抽水试验[12]，水井布置在隧道主体结构外侧，中心距离结构外侧不小于5.45 m，纵向水平间距为10 m，如图6所示。抽水试验自2019年5月6日开始，5月10日结束，历时5 d，完成JK10-2、JK11、JK12、JK21-2、JK22-2和JK23 6口水井的抽水试验。抽水观测记录如表1所示。

图6 F8抽水试验井平面布置图(单位： m)

表1 抽水观测记录及计算数据

由表1可知，单井出水量为4.621 9～37.471 7 m3/h，涌水量大小存在差异，反映了场区范围内岩体存在不均匀风化。

由于每口抽水井对其他观测井造成的干扰和影响均较小(观测井降深较小)，因此，各试验井渗透系数的计算采用1个中心井(单井)潜水非完整井抽水试验公式，抽水影响半径的计算采用吉哈尔特经验公式。

渗透系数

(1)

式中：K为渗透系数，m/d；Q为涌水量，m3/d；Sw为试验井内水位降深，m；rw为抽水井半径，m；H1为承压含水层厚度，m；R为抽水影响半径，m。

抽水影响半径

(2)

各试验井渗透系数和影响半径通过Maple软件编程并输入相关参数,计算得出渗透系数的取值范围为0.309 7～2.803 2 m/d，抽水影响半径R的取值范围为247.59～763.31 m。

结合以上情况分析得出，F8断层内地下水具有承压性，地层渗透性系数小，水力联系不明显，多呈脉状水存在，施工中易遇到静态水突然释放现象。F8 断层洞身范围内采取地表集中井点降水施工方案，降水效果不佳，建议选择排水降压方案。

5 穿越富断层区的施工技术

按照"分水降压、内堵外固、支护结构加强"的综合措施处理F8断层[14]。采取迂回导坑(兼作排水洞)、洞内帷幕注浆、地表深孔注浆、洞身管棚等施工措施穿越F8断层施工区域，如图7所示。

图7 穿越断层区的加固方案

暂停DK99+435掌子面的掘进，根据不同埋深分别采取地表深孔注浆及洞内帷幕注浆加固岩体、堵水。同时考虑洞身水压，在已施工初期支护段落左侧选取Ⅴ级围岩作为迂回导坑进洞位置，并在注浆加固的同时进行施工。注浆加固措施完成后，采取钻孔取芯、孔内成像等手段综合判断注浆效果。

5.1 分水降压

隧道处于F8强富水区破碎断层带，极易发生突泥涌水，因此提出在临近隧道处设置"迂回导坑+排水洞"进行分水降压，达到排水降压的目的。

5.1.1 迂回导坑

由于节理裂隙发育极不规律、地层结构不均一，井点的抽水影响半径大多不具重叠性，因此该方法对F8场区隧道洞身范围内的降水效果不佳。为进一步探明F8层地质条件，有效排除F8断层地下水，在隧道正洞DK99+400～+640断层段左侧设置了1处迂回导坑，与正洞大里程方向夹角为60°，与正洞左线线间距25 m，长262.42 m，迂回导坑设人字坡。

迂回导坑进洞前，根据角度、正洞半径等综合设计进洞方案； 进洞后，严格按设计施工管棚、超前小导管等，采用上下台阶法施工掘进，台阶长度控制在5～8 m，下台阶与底板同时开挖。为避免施工干扰，降低施工风险，迂回导坑开挖掘进不能与正洞处于同一里程，宜超前正洞施工10 m左右。

5.1.2 排水洞

迂回导坑初期支护完成后，在轮廊线左侧打设φ108 mm的排水孔，孔深6 m，纵向间距5 m； 轮廓线右侧打设φ108 mm的排水孔，孔深至正洞注浆轮廓线外5～8 m，纵向间距5 m。施工过程中，可根据物探结果及地下水发育情况适当加密排水孔，进一步降低正洞掌子面水压。排水孔直径为110 mm，孔口安装3 m长φ108 mm(壁厚9 mm)的孔口管。孔口均安装法兰盘，部分排水孔口安装水压力表，达到可控排放的目的。运营期间迂回导坑排水孔作为永久排水措施保留，导坑内靠正洞侧分别设1处5 m×2.5 m×2.0 m(宽×长×深)的沉淀池，应保证施工及运营期间排水洞水流通畅。

5.2 地层超前预加固

5.2.1 洞内超前预注浆加固

对于埋深大于70 m的地层，8 m加固范围采取超前帷幕注浆措施，施工范围为DK99+435～+540。按4个循环组织施工[15]： 第1循环施工2 m厚C20止浆墙，注浆长度28 m，开挖25 m； 第2-4循环，注浆长度为28 m，预留5 m止浆岩盘作为止浆墙，注浆参数如表2所示。每个循环注浆完成后应进行注浆效果评定。

表2 超前帷幕注浆参数

5.2.2 地表深孔注浆加固

隧道DK99+540～+630段，地表埋深小于70 m，进行地表定向大口径(φ130 mm)深孔注浆。针对洞身拱墙开挖轮廓线8 m以外、仰拱基底5 m以下岩体固结问题，须改善围岩物理力学性能。对加固区域四周采用普通水泥-水玻璃双液浆进行间隔跳孔注浆，以形成周边止浆帷幕，减少加固范围内浆液流失。待周边帷幕成型后，中间孔采用早强硫铝酸盐水泥单液浆进行加固，采用袖阀管分段后退式注浆施工工艺，先外后内，间隔跳孔注浆，具体注浆参数如表3所示。

表3 地表深孔注浆参数

5.2.3 注浆效果评定

5.2.3.1p-Q-t曲线

2019年9月28日，监理单位组织对龙南隧道DK99+435～+463段8 m加固范围的超前预注浆效果进行评定。注浆过程中，根据现场典型试验孔的注浆压力(p)、流量(Q)、注浆时间(t)数据进行总结，并描绘三者之间的曲线关系，如图8所示。

图8 典型试验孔p-Q-t曲线图

由图8中可知，p-t曲线显示注浆压力随时间逐步上升，60 min后基本达到5.65 MPa(终压4～6 MPa)左右的平稳状态。Q-t曲线显示流量随时间不断下降，在第75 min左右基本保持在4.6 L/min(控制在5 L/min范围以内)，满足设计要求。

5.2.3.2 检查孔取芯

现场对注浆后的围岩进行取芯，显示围岩裂隙被浆液充填或挤压密实，固结良好，原先注浆前无法取出岩芯的部位，已经能够取出柱状固结物，且有明显的浆脉，取芯率为85%，注浆固结效果良好。注浆前后取芯效果见图9。

(b) 注浆后

5.2.3.3 检查孔注水试验

按照设计要求，对固结岩体进行注水试验。先将孔内注满水(注浆孔长度为25 m)，然后将注浆压力控制在1.0 MPa。 采用专用的自动记录设备对单位时间内的围岩注水量进行记录，吸水量分别为0.3、0.4 L/(min·m)，均<2 L/(min·m)，满足设计要求。

5.2.3.4 孔内成像

采用专业的孔内成像设备，对注浆后的岩体进行孔内摄像。如图10所示，孔内成像显示检测孔内未出现塌孔现象，围岩裂隙中有明显的液浆充填痕迹，孔内无流泥、无坍孔，成孔好。

图10 孔内成像

钻孔情况、渣样检查、注水试验以及孔内成像等表明本循环注浆加固堵水达到预期效果。

5.3 开挖

经过超前预注浆和地表深孔注浆，围岩加固效果良好，如图11所示。断层核心段开挖施工由原来的六步CD法变更为三台阶临时仰拱法。

(a) 注浆前

(b) 注浆后

5.4 支护结构加强

断层核心段超前支护采用拱部140°范围φ89 mm长管棚预支护，管棚每循环纵向长15 m，两环间搭接3 m，采用钢花管和钢管间隔布置，每根长15 m，环向间距0.4 m。断层段围岩级别为Ⅵ级，初期支护全环采用HW175型钢加强支护，间距0.5 m/榀，衬砌类型采用Ⅵ级围岩型复合式衬砌。

5.5 防排水

二次衬砌防水按照GB 50108《地下工程防水技术规范》一级标准设计，混凝土抗渗等级不低于P12。环向施工缝采用背贴式自粘橡胶止水带+中埋式自粘橡胶止水带，纵向施工缝采用中埋式钢边自粘橡胶止水带+混凝土界面剂。拱墙仰拱初期支护与二次衬砌设置纵、环向可维护塑纤排水滤管，仰拱采用φ50 mm单臂打孔波纹管。拱墙(仰拱)衬砌采用80 cm(或90 cm)厚C35钢筋混凝土。

5.6 监测及防灾预警

5.6.1 监测

图12示出龙南隧道距隧道开挖面(DK99+588)100 m范围的累计沉降收敛变形情况。由图12可知，隧道最大累计沉降量为31.75 mm，最大累计收敛为36.36 mm，均满足正常施工要求。

图12 隧道断层区域累计沉降及收敛变形图

根据F8断层实际情况，该区段应补充水压力、围岩压力等监测，以便更深入地掌握围岩的稳定状态及锚喷支护效果，更好地指导未开挖区的设计与施工。

5.6.2 反坡排水

因进口方向尚未贯通，在2#斜井大里程端采用二级泵站组织反坡排水。第1级采用移动泵站，设置于仰拱积水坑，配置5台(备用5台)功率为4 kW、扬程为5 m、流量为100 m3/h的移动污水泵，将掌子面涌水抽排至变坡点位置，然后通过中心水沟顺坡排放至斜井喇叭口固定泵站蓄水池内。第2级泵站采用固定泵站，设置于斜井喇叭口蓄水池，配置3台(备用3台)功率为132 kW、扬程为210 m、流量为155 m3/h的固定水泵。

5.6.3 防灾预警

F8断层可能发生突泥涌水，现场设置防灾预警系统，在掌子面附近安装洞内监控系统，由专人进行实时监控。正洞或辅助导坑应设置声光报警装置，工作面设置具备声、光提示功能的电话机，构成以洞口值班室为中心的应急通信系统。

6 结论与建议

本文依托赣深高铁龙南隧道F8富水断层施工，通过开展综合地质预报，研究不同埋深的注浆加固方法、效果以及防灾预警，得到以下结论。

1)加强综合超前地质预测预报工作，建议对断层的规模、富水程度及充填物特征等地质情况进行超前综合判断，精准判定断层破碎带影响范围，降低突涌水风险。

2)通过分水降压，并针对不同埋深进行超前预注浆和深孔注浆加固，做好注浆效果评定，加强超前支护措施，以安全顺利通过区域性断层破碎带。

3)富水断层突水风险极大，应按环水保的要求做好防排水设计，并设置声光报警、应急通讯和洞内监测等防灾预警系统，以防突发事件。

4)针对富水断层突水涌泥的风险，建议进一步研究高压富水隧道的机械化工装，以提高机械带水作业效率及其耐久性。