深埋高铁隧道富水断层渗透突水灾变机理及防控技术研究

刘超

摘要：富水断层的地质构造是突水灾变的客观条件，隧道施工是触发突水灾变的直接原因，断层构造的破坏失稳和充填介质渗透失稳，二者相互影响，最终导致突水塌方。为保证隧道顺利贯通，提出TSP、GPR和TEM相结合的预测技术，结合超前钻孔成像，准确勘测富水断层带的地质情况。通过分区疏水帷幕注浆技术，对挖掘范围外部区域进行阻水处理，对挖掘范围内进行固结处理，采用三台阶临时仰拱法开挖作业。对穿越富水断层的隧道结构进行变形监测，最大变形量为21.1mm，小于控制指标，验证了防控措施有效性。

关键词：富水断层；渗透突水灾变；分区疏水；帷幕注浆；三台阶临时仰拱法

0   引言

在山岭地区进行隧道施工中，经常会遇到富水断层带。富水断层带的地质构造特殊，内部岩体风化程度较高，固结性较差，隧道掘进施工难度较大，出现渗透突水、塌方涌流的情况屡见不鲜[1]。目前针对富水断层带渗透突水灾变的研究主要集中在两个方面：一是富水断层的发育规律和突水灾变机理，二是富水断层位置勘测和防控技术。

本文结合某高铁隧道工程，对富水断层带的渗透突水灾变机理和防控技术展开研究，分析导致灾变出现的客观原因和人为原因，进而针对性的提出富水断层致灾的预测判别技术，并提出防控方案，在工程中进行应用验证。

1   工程概况

某高铁隧道工程为单洞双线隧道，施工区属于剥蚀低山区，山坡之间有多处冲沟，隧道施工依次穿越5条富水断层带，地质构造如图1所示。断层带区域，岩体破碎，有失稳破坏的风险，容易引起渗透突水灾变。

隧道挖掘至F1断层带时，出现少量突水塌方，采取紧急措施后，塌方得以控制，未造成安全事故，仅延误工期，增加了施工成本。但后续的F2、F5断层带沿隧道掘进方向的宽度分别为53m和47m，比F1断层带宽数倍，施工风险极大，需要提出切实可行的防控技术，保证安全施工。

2   富水断层渗透突水灾变机理

富水断层带在山体表层存在冲沟，冲沟由断层带两侧的山体地质运动形成，内部堆积大量的残坡积土，土质疏松，可富集大量地下水，且冲沟与断层带存在裂隙贯通联系。这种通道为断层带输送大量水体，是突水灾变的先天条件[2]。

富水断层带内部岩石风化程度较高，固结性差，闭合程度差，断层带区域范围内产生的导水作用，是突水灾变的地质条件。隧道施工过程中，钻孔爆破以及机械掘进开挖，导致裂隙贯通结构产生破坏，断层带渗透失稳，为水体的涌出提供流失通道，是突水灾变的人力触发条件。

断层带渗透失稳后，内部岩体缝隙的水流携带细小泥沙从破坏口涌出，原有的稳定性较弱的结构进一步失稳，反过来又增加了涌出的水量。断层构造的破坏失稳和断层带内介质渗透失稳，两者互为因果，相互影响和促进，最终导致突水塌方灾害的发生。

3   渗透突水灾变防控技术

3.1   富水断层带特征预测识别技术

3.1.1    探测技术选取

TSP技术通过一系列有规律排列的震源，产生地震波，地震波遇到破碎带、断层，部分地震波会发生反射，反射波信号被接收后，经过分析软件可准确预报区内岩体力学参数，分析出地质完整性情况。GPR技术则专门针对富水的地质构造，利用其对导电水体的敏感性来识别和定位富水断层带的具体位置和大小。TEM技术是向地质岩层发射脉冲磁场，利用线圈或接地电极观测二次涡流场，对于富水孔洞和裂隙其呈现低阻特征，对于未充水的地质构造呈高阻特征，对于富水断层的探测最灵敏，且不受地形影响。

GPR的有效距离比TSP短，但是准确性更高，TEM的灵敏性最高，将3种技术配合使用，再结合超前钻孔技术，开展孔内成像作业，确保对富水断层带的准确预测识别[3]。

3.1.2   探测技术应用流程

根据探测数据，F2断层带与隧道掘进里程的DK55+720处相交，延续至DK55+770处。TSP地震波的横波和纵波在此区域内杂乱的混合在一起，说明内部岩石存在不同程度碎裂，岩石受到两侧地层的挤压，存在软弱夹层。采用GRP探地雷达对DK55+720前的30m范围内进行精准探测，发现探测区域内电磁波反射能量异常，且局部间断、波形不规则，表明探测区域存在岩石裂隙，且碎石间水含量丰富。

施工挖掘至DK55+710处，采用TEM和超前钻孔技术，对前方30m区域范围内细致探测和钻孔成像作业，获取探测区内部详细结构和含水情况。经过钻探发现，钻孔内部5～7m范围内孔壁干燥整洁，部分岩体被小型节理切割，但整体性较好，TEM呈现高阻特性。7m后的围岩裂隙逐渐增多，10～19m范围内，岩体的碎裂程度非常明显，碎石颗粒越来越小。20m后，进入碎裂核心带，碎石为风化程度很高的凝灰岩，不同颗粒的碎石堆积在一起，TEM呈现低阻特性。

根据以上分析，确定F2富水断层带的危险范围为DK55+715～775，区域内最大水压为0.67MPa，比之前发生突水塌方灾害的F1断层带的水压值要高，且F2断层带内岩体风化程度高、跨度大，有突水成灾隐患，需要采取措施进行防控。

3.2   超前分区疏水帷幕注浆技术

在对富水断层带开挖前，采用超前分区疏水帷幕注浆技术，以隧道轮廓线为界，分为化学浆阻水区和水泥浆固结区，对隧道挖掘范围外部区域进行有效阻水处理，并对隧道挖掘范围内进行有效的固结处理。

在化学浆阻水区内部注入含改性化学浆液，含有聚氨酯类聚合物化学浆液凝固后，在隧道挖掘范围外形成一圈阻水的圆筒，阻绝富水断层带的水体向施工面汇集，从根源上消除突水源头。在水泥浆固结区内部注入硅酸盐水泥-水玻璃浆液，一方面堵塞充填介質流失通道，另一方面固结破碎岩体骨架结构[4]。在水泥浆固结区两侧布置泄水孔，将充填裂隙通道挤压出来的水引流到作业场地外，如图2所示。

根据探测分析结果，F2富水断层带宽度约为53m，需要采用2次循环注浆推进，每次分区注浆实施范围为40m，预留5m作为第二阶段的工作面。注浆压力达到1.6MPa后，终止注浆。通过掌子面选取5个位置，对隧道挖掘范围内的注浆效果进行钻芯取样检测。样品的抗压强度最大值为7.76MPa，最小值为6.24MPa，均大于3MPa，满足工程要求。

3.3   三台阶临时仰拱施工技术

分区疏水帷幕注浆施工完毕且达到强度要求后，遵循弱爆破、强支护、短挖掘、勤测量的原則[5]，采用三台阶施工技术，对F2富水断层带区域进行开挖。施工断面图如图3所示。

先对上台阶部分进行弱爆破开挖，然后对上台阶周边进行初期支护。喷射40mm厚的C30混凝土，铺设钢筋网，搭建钢架，再次喷射C30混凝土至100mm厚度。上台阶底部的临时钢架，直接一次喷射100mm厚度的C30 混凝土进行封底。

对上台阶及时喷射混凝土封锁岩体，以降低岩体暴露于施工面的面积，提升岩体稳定性。喷射的混凝土填充了岩体裂缝，发挥岩体的自稳能力，提高岩体的面部结合力，保证下层台阶挖掘施工过程的安全性。中台阶施工应滞后上台阶5m，下台阶应滞后中台阶5m，开挖后立即做初期支护，交替进行。

3.4   防控效果评价

对F2断层带支护完成后，进行沉降量和水平变形量监测。监测点布置如图4所示。其中A1点监测拱顶沉降量，A2监测拱底的沉降量，测线S1和S2分别监测2处水平变形量。

监测过程中，前15d每天记录数据一次，15d后每2天记录一次数据，共持续90d。为方便数据分析，沉降量和变形量均以绝对值统计。拱顶和拱底沉降监测曲线如图5所示，水平变形监测曲线如图6所示。

由图5可知，拱顶和拱底沉降量前期变化较快，随着监测时间的推移二者逐渐收敛，其中拱底沉降量在30d时就基本稳定，而拱顶沉降的稳定时间较长，直到80d时才逐渐稳定，符合实际情况。最终拱底沉降量稳定在21.1mm，拱顶沉降量稳定在19.8mm，均小于最大控制指标30mm。

由图6可知，S1测线和S2测线随时间的变化趋势与沉降量相同，30d之前变形发展速度较快，而后逐渐收敛。S1水平变形量在40d时，逐步稳定，最终变形量为19.9mm。S2水平变形量在50d时，逐步稳定，最终变形量为19.7mm，均小于最大控制指标30mm。

监测结果表明，隧道穿过F2富水断层带的防控措施切实有效，隧道支护结构安全稳定。本文提出的富水断层带识别技术和防控技术，在后续的F3～F5富水断层带施工中继续沿用，对工程项目顺利实施起到关键作用。

4   结束语

本文结合某高铁隧道工程，对隧道施工的渗透突水灾变机理和防控技术展开研究。采用TSP、GPR和TEM相结合的预测技术，结合超前钻孔成像作业，准确勘测富水断层带的地质情况。采用超前分区疏水帷幕注浆技术，对隧道挖掘范围外部区域进行有效的阻水处理，对隧道挖掘范围内进行有效的固结处理。

采用三台阶临时仰拱法开挖方案，遵循弱爆破、强支护、短挖掘、勤测量的原则，顺利完成隧道掘进穿越富水断层带的施工作业。对富水断层带区域的隧道支护结构进行监测，最大沉降量为21.1mm，最大水平变形量为19.9mm，小于工程控制指标，验证了穿越富水断层带的防控措施有效性。

参考文献

[1] 李澄宇.富水浅埋段黄土隧道塌方突水涌泥成因分析及处

治方法[J].甘肃科技，2022，38（9）：27-30.

[2] 张克阳.隧道工程富水断层破碎带注浆加固机理及应用研

究[J].工程与建设，2022，36（5）：1447-1449+1461.

[3] 张建峰，郑晓悦，于国亮，等.富水炭质千枚岩隧道突涌水

灾变机制及防控措施研究[J].现代隧道技术，2022，59（05）：

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[4] 赵心涛，王利红，纪晓雨.隧道突水突泥致灾机理研究现状

[J].四川建材，2022，48（7）：106-107.

[5] 王健宏，黄华，刘志刚，等.白云岩砂化突水涌砂灾变机理

研究及防治对策[J].建筑安全，2023，38（2）：45-50.