高铁隧道穿越富水软弱破碎区综合地质预报及治水技术

卢庆钊

(中铁十六局集团第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

近年来，国内外许多学者针对富水软弱断层破碎带隧道治水施工，开展了大量的研究工作。王学忠[1]提出采用超前注浆支护和充分利用斜井堵水等措施，并分析监测数据资料以研究围岩变形规律，隧道顺利穿越破碎带。刘钦等[2]从地质学角度讨论了隧道富水断层的突水机制，基于此采用负压排水，超前注浆等治理措施进行治水，最终隧道顺利贯通。周思峰等[3]根据东天山特长隧道断层，提出采用“上堵下排、泄水降压”注浆的方式对富水断层进行水灾害的治理。万全等[4]基于现场注浆试验，采用超前帷幕注浆技术对高压富水断层进行堵水加固，试验结果表明，该方法堵水加固可行。吴应明等[5]结合岩鹰鞍隧道工程，采用数值模拟方法得出断层的高位泄水对于减少断层突水涌砂具有重要作用。张民庆等[6]提出径向注浆结合加强初期支护的方式对断层涌水进行治理。Guo Xi等[7]分析了隧道断层突水事件，提出利用封堵注浆结合分流减压孔-注浆后处理综合治水方案，治水效果较好。Zhao Yong等[8]总结了与隧道突水涌泥相关的影响因素，并从宏观和微观机理出发，提出了多种预处理方法用于控制断层破碎带的涌水灾害的发生。

关于对隧道富水断层破碎带治水的研究，已有的研究大多数采用的治水措施较为单一，且采取具体措施之前对断层破碎带的赋存状态以及富水状态不明确，导致治水效果不大理想。基于此，本文依托新建福厦高铁碧峰寺隧道F6富水软弱破碎带为背景，首先开展基于弹性波反射法、地质雷达等多种探测手段的综合超前地质预报，开展基于超前帷幕注浆、双排小导管注浆以及超前管棚注浆等方法的综合治水施工技术研究，为后续类似工程施工提供一定的参考价值和指导意义。

2 工程背景

2.1 隧道概况

新建福厦(福州—厦门)高铁3标段起讫里程为DK51+717.925～DK86+801.42，正线长度约为35 km，设计时速为350 km。碧峰寺隧道是该标段的一座单洞双线隧道，也是全线最长的Ⅰ级高风险隧道，全长8 434.27 m，起讫里程为DK51+761～DK60+195.27，最深埋深和最浅埋深分别约为232 m和28 m。隧道进口段位于福建省福清市渔溪镇双墩村，出口段位于福建省莆田市涵江区江口镇官庄村。隧道处于剥蚀(中)低山区，附近海拔为40～430 m，洞身山体连绵，地势起伏较大，自然坡度30°～50°，山间冲沟发育，多呈“V”字型。隧道穿越山体，进出口段位于坡脚处，地势相对平缓(自然坡度为20°～30°)，进出口附近均有乡村道路连接，交通较便利。

2.2 工程水文地质

碧峰寺隧道地层岩性主要为侏罗系上统南园组(J3n)晶屑凝灰岩，丘坡地表上分布第四系残坡积层(Qel+dl)粉质土和碎石土。隧址区地质条件复杂，发育有8条断层构造、8处节理密集带，断层带内围岩胶结较差，导水性及富水性好，极易引起塌方、涌水突泥等地质灾害。F6软弱断层破碎带所处里程为DK58+200～DK58+375，属于区域挤压断层，岩芯成碎块状，断层与线路于地表里程DK58+303处相交，夹角为64°，宽度为175 m，围岩波速较低，呈低阻凹陷特征，产状为4681.5°，破碎带内围岩稳定性差，围岩级别为Vb级，地下水主要是构造裂隙水，预测F6断层DK58+303里程破碎区最大单位涌水量能够达到36.42 m3/(d·m)，隧道洞身预测最大涌水量为5 537.54 m3/d，属于强富水区。根据钻孔综合测井揭示，F6破碎软弱区域附近洞顶埋深-7.5～6 m左右为含水涌水层，施工时应及时加强支护和防排水措施，防止突涌事故发生。F6断层破碎带纵断面图如图1所示。

图1 碧峰寺隧道F6断层破碎带纵断面图

2.3 施工技术难题

F6断层破碎带DK58+200～DK58+375里程段，围岩破碎自稳性差，富水严重，属于强富水区。2020年1月15日上午，掌子面开挖施工到DK58+336.3断面里程时，隧道掌子面发生强烈的突水事件，水压较大，水流速度大，严重影响施工作业，但未对人员产生伤害。除此之外，架设钢架的过程中，隧道的拱顶还观察到了大量的涌水，施工人员穿着防雨衣施作初期支护作业，施工现场突水事件如图2所示。因此，亟需采取恰当有效的措施对富水破碎区进行治水处治，保证隧道顺利穿过富水破碎区。

图2 隧道施工突水事件

3 综合超前地质预报

富水断层破碎施工区域极易发生突水涌泥等地质灾害，因此非常必要开展综合超前地质预报[9-10]，以准确清晰地探明隧道掌子面前方的地质情况，比如富水状态、不良地质姿态位置以及围岩条件，从而根据综合预报结果合理采用施工方法和超前注浆治水措施，并及时调整注浆施工参数，以确保隧道施工的安全、经济和有效地进行。本文针对F6富水断层破碎区开展了基于弹性波反射法(TSP)、地质雷达、超前地质钻孔探测、加深炮孔以及掌子面地质素描的综合超前地质预报，通过多种方法探测结果的相互验证比对，以准确地表征断层破碎带区域的复杂地质条件和富水状况。

3.1 弹性波反射法(TSP)

TSP探测属于长距离探测方法，本隧道施工中采用TSP203Plus探测掌子面前方120 m左右的地质状况，探测过程中采集参数设置为三分量接收，采样间隔为0.062 5 ms，采样点数为8 192，地震记录长度为512 ms。在掌子面DK58+340里程开展TSP超前探测DK58+340～DK58+220里程区间的地质情况，TSP探测结果如图3所示，图中可以看出，该里程段围岩的波速(包括P波和S波)、静动扬氏模量、泊松比等力学参数波动较大，反射面较多，尤其是在DK58+320～DK58+240里程段呈现出较多负反射面，表明该区段内围岩节理裂隙发育严重，富含构造裂隙水，地下水丰富，围岩自稳性差。

如果人类像爱因斯坦所坚持的那样，不是遗传上的自我毁灭，那么，他们的飞速发展的技术却正在使他们遭受接连不断的社会问题。［11］合理利用人工智能将给人类带来无限的福音，如果利用人工智能进行犯罪，将会给科技安全、政治安全、人民安全带来巨大损害。因此，分析相关要素，有效预防此类犯罪，对维护国家安全有着重大意义。

图3 TSP地质预报探测结果

3.2 地质雷达(GPR)

地质雷达(GPR)属于短距离高分辨率超前探测方法，能够探测掌子面前方大约30 m范围以内的地质状况。采用美国GSSI公司SIR-4000型地质雷达(配频率为100 MHz天线)开展掌子面前方地质预报。雷达探测过程中布置两条平行测线(测线1和测线2)，测量方式为点测，测量记录的时窗600 ns，64次叠加，测点距为0.2 m，采样频率为1 050 MHz。在掌子面位置DK58+297采用探地雷达预报DK58+297～DK58+267里程段的地质情况，探测结果如图4所示。从测线1和测线2探测结果可以看出，掌子面前方0～10 m范围内，雷达信号以低频为主，振幅较弱，信号没有呈现出明显的震荡的现象，同相轴较为连续，初步推断该范围内岩体较为完整，围岩稳定性较好，裂隙发育不严重；在距离深度10～30 m掌子面前方区域，信号以中高频为主，同相轴杂乱断续，观察到部分信号有明显的震荡，回波信号显示振幅较强，初步推断该区域内节理裂隙发育严重，裂隙间可能充填破碎岩屑，岩体较为破碎，围岩自稳性较差，不排除构造裂隙水的富集，施工过程中需提前做好预加固和排水释压措施，防止涌水灾害的发生。

图4 地质雷达探测结果

3.3 掌子面地质素描

2020年1月12日，隧道开挖施工到DK58+325.6里程，距离出洞口1 899.67 m，开挖掌子面现场地质照片和对应的素描图如图5所示。从图可知，工作面岩体为凝灰熔岩，呈青灰色和灰黄色，强风化，节理裂隙发育严重，掌子面岩体破碎，岩面湿润，基岩裂隙水发育，围岩自稳性较差，结构面间距约为0.2～0.6 m，部分结构面有黏土充填，遇水岩体易软化，强度降低，易发生掉块、冒顶和局部坍塌等地质灾害问题。因此，在施工过程中，应及时采取预加固措施和抽排水作业以降低掌子面前方的水压，减少围岩承受的荷载和自重，提高围岩自稳性。

图5 掌子面地质素描

3.4 超前水平钻探

2020年1月12日，用地质钻机在DK58+325.6里程掌子面的中部钻凿了1个水平钻孔，以探明工作面前方30 m范围(即探测里程为DK58+325.6～DK58+295.6)内地质岩层整体性、含水构造以及水压水量等情况。根据水平钻探结果可知，掌子面前方30 m范围内，主要为晶屑凝灰岩，中等～强风化，岩质中等偏硬，钻进过程中速度较缓慢，偶尔有卡钻的现象，岩粉呈现出乳白色的，钻孔内吹出青灰色中等风化的晶屑凝灰岩颗粒，钻孔钻凿完成后时有水流渗出。岩芯断断续续，碎块岩体中夹有黏土，岩体节理裂隙发育严重，且呈现出较为明显的挤压错位的压痕。

3.5 加深炮孔探测

为了进一步探明掌子面DK58+325.6里程前方的地质赋存状态和条件，当开挖到DK58+320.6掌子面时，在掌子面上钻凿了3个水平加深炮孔(每一循环)，炮孔布置示意图和现场施工如图6所示，加深探测孔的深度较开挖进尺超过3～4 m以上，本次施工每个炮孔的深度为7 m，外插角为0°。加深炮孔钻进探测结果显示，钻杆缓慢钻进，偶尔有卡钻和突进现象发生，岩体主要为晶屑凝灰熔岩，浆液呈灰黄色，钻进过程经常有构造裂隙水的涌出，有时还具有一定的水压力。

图6 加深炮孔布置

根据隧址区的地勘资料，并结合上述多种超前地质预报的综合解译结果，初步推断现施工区域处于F6断层破碎带区域，围岩自稳性差，节理裂隙发育严重，局部有黏土和碎屑岩夹层，破碎区域水流通道密集，构造裂隙水发育严重，施工影响作用下极易出现突水涌泥事故，因此，亟需对F6富水软弱破碎区开展治水技术研究，防止塌方、涌水突泥等地质灾害的发生。

4 隧道穿越富水软弱破碎区综合治水技术

根据综合探测结果以及现场实际施工情况，遵循以堵为主，排为辅的原则，提出采用一种基于三台阶临时仰拱(架设临时钢架)+5 m超前帷幕预注浆+Ⅲ型超前双层小导管(φ50 mm)注浆辅助超前长管棚注浆+有效防排水措施的综合治水技术对富水软弱破碎区进行堵水施工，以控制隧道涌水的发生。

4.1 开挖施工方案

F6富水断层软弱破碎区(里程范围为DK58+200～DK58+375)采用三台阶临时仰拱设临时钢架[11]进行开挖施工。施工过程中合理控制炸药单耗和炮孔钻凿深度，遵循弱爆破的原则，最大程度地减少对围岩的扰动和干扰。此外，每一循环开挖进尺不得大于3 m，施作锁脚锚杆之后才能进行仰拱的开挖。

4.2 超前帷幕注浆

由于F6断层破碎带地层的埋藏较深(深度处于85～115m之间)，故采用5 m的超前帷幕注浆技术进行断层破碎区预加固处理，以实现对掌子面前方进行堵水兼固结破碎岩体的作用。施工每一循环布置7环注浆孔(包括中心注浆孔)，总共120个注浆孔，第1～5环注浆孔的注浆长度为30 m，第6环注浆长度为20 m，第7环注浆长度为16 m。每一循环开挖22 m，并保留8 m长度作为止浆岩盘。厚度为1.5 m的止浆墙在第一个循环中施作，注浆孔的扩散半径为2 m，孔底间距设置为3 m，注浆范围为开挖轮廓线外5 m范围。注浆材料采用单液注浆(水泥)，在施工过程中如若遇到水量较大时，采用双液注浆(水泥∶水玻璃=1∶0.5)，以确保围岩加固和堵水的质量和效果，在动态施工过程中要及时观测注浆的效果并及时调整。详细的注浆参数如表1所示。

表1 5 m超前帷幕注浆参数取值

4.3 超前双层小导管注浆(辅助长管棚注浆)

针对隧道 F6富水断层破碎区，施工里程为DK58+200～DK58+375，采用Ⅲ型超前双层小导管对开挖破碎段进行支护施作，控制隧道周边围岩的稳定。双层小导管施工采用双排注浆小导管，内侧小导管保持5°～10°的外插角，主要用于稳固开挖外轮廓线临近的岩体，从而在该区域形成首层固结注浆圈，外侧小导管保持40°的外插角，注浆后与首层固结注浆圈粘结，形成了双层固结注浆圈，从而进一步扩大了围岩体的加固范围，且堵水的影响范围也得到了进一步改善。采用的超前小导管直径为50 mm，配合钢拱架使用，其在破碎岩体中能够发挥锚杆作用、锚杆桩作用、梁作用同时还兼作注浆的运移通道。对于富水软弱破碎严重、地质条件极差的区段，以Ⅲ型超前双层小导管施作为主，辅助采用直径89 mm的洞身长管棚进行超前加强预支护，施作范围分布在拱顶140°范围内。Ⅲ型超前双层小导管和洞身长管棚主要参数如表2所示。

表2 Ⅲ型超前双层小导管和洞身长管棚主要参数

4.4 注浆效果检验

(1)PQT曲线判定

为了定量地检验注浆堵水效果，在注浆施工过程中，实时监测中心注浆孔的注浆压力(P)和流量(Q)随注浆时间(t)的变化规律，如图7所示。从图中可以看出，在注浆作用下围岩中裂隙孔隙被浆液充填和压密，导致注浆流量随注浆时间逐渐降低，注浆流量大约在90 min左右趋于稳定，最终稳定在3.52 L/min。相反，注浆压力随时间逐渐增大，最终注浆压力在110 min左右达到稳定值6.35 MPa。根据三者之间的变化规律及注浆效果评判标准(终压为6～8 MPa，流量≤5～10 L/min)[12]来验证注浆的效果，表明本次注浆堵水是能够满足设计要求的。

图7 中心注浆孔的PQT曲线

(2)检测孔加固体抗压强度和RQD值

2020年1月20日，在掌子面DK58+300.5里程对5个检测孔(拱部2个，左右边墙各1个，底部1个)进行取芯，测试注浆后加固体的抗压强度并计算取芯的RQD值，测试结果如表3所示。从中可知，检测结果满足设计标准(即RQD>75～80；加固体抗压强度≥3 MPa)。

表3 检测孔加固体抗压强度和RQD值

(3)钻孔孔内成像判定

注浆完成之后，利用TS-C1201钻孔多功能成像分析仪，对典型检测孔进行孔内成像，以进一步探明破碎带围岩的注浆质量。成像的里程为DK58+285.8～DK58+265.8，距离为20 m，成像结果如图8所示。结果显示，孔的稳定性较好，出水量很少，成孔较明显，围岩裂隙固结较好，孔内没有呈现出塌孔和缩孔现象，表明注浆堵水效果良好。

图8 典型检测孔孔内成像结果

4.5 防排水措施

隧道开挖施工过程中，在隧道两侧和中央布置排水沟，利用直径为100 mm的PVC管将中央排水沟和侧沟相连，纵向距离保持10 m。初衬与二衬之间布设防水板和土工布防水，防水板厚度≥1.5 mm，幅宽2～4 m，防水板后面施作环向排水板，4～6 m布置一道，尤其在衬砌施工缝或者变形缝位置必不可少，防水板底部墙角位置施作纵向的双壁打孔波纹管，型号为 φ107/93，同时额外布置一道环向HDPE100的双壁打孔波纹管。隧道拱墙和仰拱位置处的环向施工缝和变形缝布设中埋式自粘橡胶止水带，纵向施工缝处布设钢边自粘橡胶止水带和混凝土界面剂。根据防排水规范《铁路隧道防排水施工技术指南》(TZ 331—2009)，二衬混凝土抗渗等级不小于P10，本次施工的实际抗渗等级为P12。由于北山斜井未能贯通，故F6断层破碎带施工期间，水经过中央排水沟通过隧道出口顺坡排出。

5 结论

本文依托新建福厦高铁碧峰寺隧道F6富水软弱破碎带为背景，开展了综合弹性波反射法、地质雷达、掌子面地质素描、超前水平钻探和加深炮孔探测的超前地质预报，基于综合解译结果，研究了富水软弱破碎带隧道开挖综合治水技术，得出以下结论:

(1)针对隧道施工存在的富水软弱破碎带，开展基于多种地质探测方法的综合超前地质预报，通过解译综合探测结果，能够更精细化和可视化地表征掌子面前方断层破碎带的产状、富水状况、断层充填物特性以及断层影响区域，进一步提高探测结果的准确性，为后续治水施工方案的确定奠定了一定的基础。

(2)基于多种方法的综合预报结果，提出采用超前帷幕注浆+双层小导管注浆+辅助超前管棚注浆+有效防排水措施的综合治水技术，对隧道富水断层软弱破碎带进行水灾害的治理。

(3)采用PQT曲线、加固体力学性质试验以及孔内成像三种方法验证了本次注浆堵水加固良好效果，施工过程未发现突涌现象，最终隧道顺利穿过富水软弱破碎带。