隧道穿越活動斷裂帶施工災害防治技術研究

楊勇YANG Yong

（中鐵十二局集團有限公司，太原 030024）

0 引言

斷層破碎帶圍巖軟弱破碎、部分呈全風化、自穩(wěn)性極差，一般局部富水~富水，工程措施與管理不當，極易發(fā)生突水突泥。斷層破碎帶突涌一般從掌子面上方一點首先進行小規(guī)模涌水涌泥，涌泥后通道出現(xiàn)“瓶塞效應”，短暫停止，幾個小時候集聚的泥水勢能沖破“瓶塞”，形成第二次大規(guī)模突泥涌水，循環(huán)往復多次后逐漸往斷層深處傳導，埋深較淺的最終會傳導至地表，地表出現(xiàn)塌陷。

近年來，我國在多條隧道施工中發(fā)生過涌水突泥地質(zhì)災害，富水斷裂帶隧道施工中涌水突泥災害不僅造成較大經(jīng)濟損失，同時影響施工安全。[1-3]

1 工程概況

1.1 工程簡介

高原某鐵路隧道位于四川省甘孜州康定市境內(nèi)，靠近G318 國道，出口距離康定機場較近，交通較便利。隧道穿越康巴第一關折多山，全隧長度約20km，進口海拔約3200m、出口海拔約3700m，最大埋深約1200m，采用3%縱坡。隧道地質(zhì)構(gòu)造非常復雜、地質(zhì)條件差，全隧以軟質(zhì)的砂板巖為主，軟巖占比76%。

1.2 設計簡介

該隧道進口段與折多塘斷裂及支斷層小角度相交，圍巖破碎、地下水發(fā)育、斷裂帶影響范圍較大，進口鉆孔及地質(zhì)資料揭示，進口段受構(gòu)造影響嚴重，呈砂狀全風化花崗巖，地下水位較淺，進口段位于地下水位線以下。隧道進口平導洞身穿越折多塘斷裂帶段，正洞200m 段穿越折多塘斷裂帶段。

2 施工災害防治技術

2.1 突泥涌水災害防控技術[4-5]

2.1.1 現(xiàn)場施工情況

該鐵路隧道正洞施工進入折多塘活動斷裂帶段落，按VI 級圍巖施工，開挖揭示及超前地質(zhì)預報判定僅局部段落存在少量滲水。進入折多塘斷裂帶施工86.5m，距離折多塘活動斷裂主破裂面約15m，開挖揭示圍巖為全風化花崗巖，呈砂土狀，局部夾塊狀，掌子面潮濕，穩(wěn)定性差。

超前水平鉆孔及管棚鉆進至約10m 處時，局部管棚出現(xiàn)滲水并夾帶泥沙流出。超前地質(zhì)預報TSP 揭示：前方圍巖波速下降，推測該段水量有所上升，圍巖穩(wěn)定性下降，易坍塌。根據(jù)超前地質(zhì)預報綜合報告結(jié)論：預報巖性為細粒二長花崗巖，基巖以全風化為主，局部風化不均勻，圍巖破碎～極破碎，圍巖穩(wěn)定性差，局部含水量較大，且該段穿過F10 折多塘活動斷裂主斷裂，巖體蝕變現(xiàn)象嚴重，遇水極易崩塌，極易發(fā)生涌水、突泥現(xiàn)象。鉆孔孔內(nèi)情況見圖1。

圖1 鉆孔孔內(nèi)滲水夾帶泥沙流出

2.1.2 處治方案[6-8]

正洞進入折多塘活動斷裂段施工86.5m，距離折多塘活動斷裂主破裂面約15m，考慮到平導已出現(xiàn)涌突以及掌子面地質(zhì)條件，考慮“先加固，后通過”，因此研究了洞內(nèi)水平旋噴樁、帷幕注漿加固及管幕方案。

①超前排水。

在進口平導左側(cè)拱墻往正洞側(cè)設置3 排橫向仰斜式ф91 超前排水孔，縱向間距10m；鉆孔內(nèi)設置ф76 鋼花管，其外裹100~200 目濾網(wǎng)，管口設置法蘭，并用密封膠泥填塞管口段。超前排水孔與線路大里程方向夾角97°18'58"，超前排水孔與水平夾角19°30'0"，單根長48.32m。平導施工正洞側(cè)橫向超前排水孔見圖2。

圖2 平導施工正洞側(cè)橫向超前排水孔

②超前加固方案。

管幕方案需要擴挖施作工作室，長度7m，外擴1.5m，需要首先施工工作室，施工風險較高。其次，對于帷幕注漿方案，通過進口段全風化花崗巖地表注漿芯樣完整性檢測結(jié)果和開挖揭示，洞口段花崗巖全風化層具有一定的可注性，但考慮此處埋深更大，花崗巖注漿效果難以保證。同時考慮正洞距離活動斷裂帶主破裂面較近，為保險起見，采用固結(jié)體強度相對較高、阻水性相對好、加固體均質(zhì)性較好的水平旋噴樁方案。

正洞采用水平旋噴樁預加固，水平旋噴樁縱向間距10m 一環(huán)，每根旋噴樁樁長15m。上半掌子面采用Φ600水平旋噴樁加固，樁長15m，10m 一環(huán)，共設6 根。每環(huán)共計91 根（含上臺階6 根）。正洞水平旋噴樁正面布置圖見圖3。

圖3 正洞水平旋噴樁正面布置圖

2.1.3 處治效果

掌子面開挖揭示為二長花崗巖，風化不均，以全風化為主，局部夾強風化碎塊，圍巖破碎~極破碎，掌子面少量滲水，左側(cè)拱頂?shù)嗡?，超前探孔及平導往正洞施作? 孔泄水孔水量明顯減少，孔口少量滲水。

經(jīng)研究判定，該段以全風化為主，局部夾強風化碎塊，正洞超前鉆孔、平導往正洞施作的超前泄水孔降水效果明顯，該地層強風化碎塊狀局部較為集中，旋噴樁適應性一般。因此，取消第三環(huán)水平旋噴樁，改為?89 管棚+?42 外插角小導管。

2.2 冒水處治技術

2.2.1 現(xiàn)場施工情況

隧道超前管棚探孔共施作3 孔，最大出水水量約17.5m3/h。在掌子面預留核心土位置施作1 超前水平取芯鉆，超前水平鉆取芯揭示，掌子面前方以全風化砂土狀花崗巖為主，29.0～30.5m 段為斷層泥，呈流塑狀粉質(zhì)粘土狀，手捏有砂感。35～38m：鉆速均勻，無突進，孔內(nèi)流泥漿，鉆進約1m 后，泥漿流量減小，鉆至37m 處出現(xiàn)卡鉆。

2.2.2 處治方案[9-10]

①超前泄水。

加強洞內(nèi)泄水，對1-1、2-1、2-2 號管棚鉆孔進行加深，長度30m，利用加深鉆孔進行泄水；于正洞上臺階掌子面設置3 個水平?91 泄水孔，左中右各一個，單根長度30m；于中臺階掌子面中部設置2 個水平?91 泄水孔，單根長度30m；于中臺階掌子面兩側(cè)設置2 個水平?91 泄水孔，左右各一個，單根長度30m，并與線路前進方向呈5°外插角。正洞泄水孔布置見圖4。

圖4 正洞泄水孔布置圖

于平導左側(cè)拱墻往正洞側(cè)設置9 排橫向仰斜式?91超前泄水孔，縱向間距5m，上、中、下交錯布置。超前排水孔與水平方向夾角5°~20°，單根長51.05~54.01m。泄水孔鉆孔內(nèi)設置2m 長?76 鋼花管，其外裹100~200 目濾網(wǎng)，管口設置法蘭，并用密封膠泥填塞管口段。

②超前加固。

隧道上半斷面拱部采用?89 大管棚+?42 小導管超前注漿加固，開挖工法采用三臺階法，按設計方案施作。

2.2.3 處治效果

①超前探孔兼泄水孔。

于掌子面施作1、2、3、4、5、6、7，共計7 孔超前探孔兼泄水孔，見圖5。

圖5 掌子面超前探孔兼泄水孔位置

超前探孔兼泄水孔施作后，總體出水量逐漸衰減，各個泄水孔總出水量由38 方/小時明顯減少至3.8 方/小時。

②平導往正洞泄水孔。

從平導往正洞施作橫向泄水孔，長度55m，鉆進情況如下：

泄水孔施作至正洞掌子面前方44.4m 處，鉆進至約30m 處，孔內(nèi)出清水，鉆至35m 處水量加大，水量加大后，實測約4.87m3/h。

3 結(jié)論

高原鐵路某隧道進口活動斷裂帶圍巖級別為Ⅵ級，以全風化、松散砂土狀花崗巖為主，巖質(zhì)松軟、破碎，遇水易崩解，突涌風險極高，施工中應嚴格遵循“重地質(zhì)、管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、勤量測、早封閉”的原則，嚴格執(zhí)行隧道施工相關規(guī)定的同時，提高現(xiàn)場施工地質(zhì)判識和應急處置能力。

①將超前地質(zhì)預報作為一道重要工序納入日常管理，超前預報實施嚴格落實“物探先行、有疑必鉆、有水必查、有突必取”的方針，采用多種預報手段相互印證，綜合研判，真正做到“圍巖為本，地質(zhì)先行”。

②合理布置超前鉆孔及長度，安排專人對鉆進速度、孔內(nèi)流水、流砂、突進等情況詳細記錄，如有異常，位于掌子面左右兩側(cè)及拱頂各施作一孔超前鉆孔（不取芯），根據(jù)鉆孔情況確定是否需繼續(xù)增設施作超前鉆探，進一步探明掌子面前方地質(zhì)情況，并根據(jù)鉆探情況確定下一步超前鉆孔位置。

③斷層破碎帶富水段落可采用長短結(jié)合泄水孔并充分利用平導施作橫向泄水孔實現(xiàn)探水、泄水，根據(jù)泄水情況動態(tài)調(diào)整工程措施，采用加強超前支護、輕量化超前注漿、帷幕超前注漿等措施。

④通過鉆孔取芯驗證，芯樣取芯率達及芯樣抗壓強度等相關指標，驗證注漿效果。