隧道穿越富水断层破碎带涌突治理技术

隧道穿越富水断层破碎带涌突治理技术
发布时间：2021-06-07T07:31:25.408Z 来源：《建筑学研究前沿》2021年5期作者：周囿圆[导读] 隧道富水断层破碎带地段施工时，易发生坍方、涌水突泥等地质灾害，对隧道建设影响巨大。

中铁五局五公司湖南长沙 410100
摘要：隧道富水断层破碎带地段施工时，易发生坍方、涌水突泥等地质灾害，对隧道建设影响巨大。

本文结合新建玉磨铁路安定隧道穿越大马厂断层涌突治理工程实例，详细分析了隧道穿越富水断层破碎带地区涌突成因，系统地提出了加强超前地质预报、超前高位泄水降压、全断面帷幕注浆、小导管配合大管棚超前支护等工程措施，成功解决了断层破碎带涌突治理难题，在确保质量安全的基础上，保证了施工进度。

关键词：富水断层破碎带涌突治理
0 引言
新建玉磨铁路是中老国际通道的重要组成部分，是国家“一带一路”倡议的重要工程，位于云南省南部，全长508.5km，为国铁Ⅰ级电气化铁路。

全线地处印度板块与欧亚板块碰撞缝合带附近，通过区域以泥岩、页岩、炭质板岩、炭质千枚岩等软岩为主，高压富水断层破碎带等不良地质发育。

高压富水断层破碎带具有岩体破碎松散、自稳能力差、地下水发育（构造裂隙水、地表水和地下水水系良好）等特点，施工中极易发生大变形、涌水突泥等地质灾害，造成人员伤亡及财产损失，给施工安全和进度带来严重影响。

1 工程概况
1.1 设计概况
安定隧道位于玉磨铁路南溪河站至墨江站区间，进口里程DK125+489，出口里程DK142+965，全长17476m，为单洞双线隧道，玉磨铁路第一长隧，全线控制性工程，Ⅰ级高风险隧道。

设计列车行车速度160km/h，为客货共线电力牵引。

该隧道纵坡为单面上坡，分别为22.8‰（14.8公里）、11.6‰（2.3公里）、0‰（0.4公里）。

除进口段1.2公里位于曲线外，其余地段均为直线。

原设计采用4座斜井施工方案，斜井总长8985m，其中1#斜井2601m，为全线最长的斜井。

1.2 地质概况
安定隧道处于滇西南地区哀牢山脉，属于构造剥蚀中低山地貌，受构造侵蚀作用，地形起伏大，地表沟谷纵横，受区域构造影响，构造极为发育。

全隧共发育20条断层、2条向斜，其中大马厂断层为区域性断层，线路与断层（平面位置）相交于DK129+075～DK129+105，交角约84°，洞身相交于DK129+025～DK129+055，断层走向近N30°W，地表覆盖层较厚，未见基岩露头，破碎带宽度20～30m。

该断层发育于S1-2层中，断层W翼岩层产状为N48°W/42°SW，E翼基岩产状为N55°W/22°SW。

大马厂断层施工至DK128+952时发生了涌突，根据现场开挖和超前地质预报揭示：DK128+952之前段岩性为炭质板岩、炭质泥岩，灰、灰黑色，泥炭质和砂质结构，板状～中层状构造，岩质软硬不均，围岩整体强度低、软弱，自稳性差；DK128+952之后岩性为断层角砾，灰绿、灰黑色，石质成分为橄榄岩，围岩松散，饱和，自稳性极差，渣样呈粗砾砂状夹少许碎块状。

掌子面含构造裂隙水，呈散流状和小股状，水质较浑浊。

开挖易坍塌，施工中经常出现小坍塌，处理不当易出现大坍塌。

2 涌突情况及原因分析
2.1 涌突过程及现场应急处理
安定隧道原设计DK128+985～DK129+085段穿越大马厂断层，2020年2月23日，进口工区施工至DK128+950时，围岩变差，掌子面开始失稳掉块，局部出现小溜坍，依据超前地质预报结果判断已提前进入大马厂断层，现场及时将IV级围岩变更为V级围岩施工，采用I20b型钢加强支护，将两台阶工法调整为三台阶预留核心土法施工，并按1榀钢架进尺开挖，每循环开挖后钢架紧靠掌子面。

同时，加强隧道变形监控量测，对初支喷射砼变形开裂、掉块地段，立即采用6m长Φ51自进式锚杆对钢架锁脚加固，每榀2根。

2020年3月5日，开挖至DK128+961时，由于掌子面后方DK128+951～+960段线右拱腰钢架变形加重，存在严重安全隐患，现场立即停止掌子面施工，采用透水洞碴反压回填、径向注浆加固处理。

2020年3月10日上午10：00，在对DK128+952～+960段径向注浆加固处理过程中，掌子面右侧出现溜坍，坍腔位于掌子面右侧拱腰处，约1.6×2m（宽×高），纵向长约2m，腔壁层理面光滑，有渗水。

晚上23时左右，DK128+952～+961段拱部初支发生变形垮塌。

现场施作了6个泄水孔（但孔内仅出现少量水流），组织对坍塌后方稳定的DK128+947～+950段进行径向注浆加固；并采用潜孔钻在DK128+950处左侧拱腰、右侧上台阶拱脚、拱顶共施作4孔超前水平钻探孔。

2020年3月31日14：20，DK128+952右侧拱腰发生突涌，突涌物以炭质泥岩、角砾为主（粒径0.05～0.1m）为主，顶部夹少量块石（粒径0.1～0.2m），涌突物前缘充填少量泥质，突涌物溜至DK128+920处，涌突持续近20分钟，涌突量约1600m3。

其后溃口前方和拱部每间隔1～2分钟传出较大的声响，同时伴有少量泥状碎屑和浑浊物流出。

DK128+951～+952段2榀钢架严重变形、侵限。

涌突基本稳定后，采用透水洞碴反压回填，回填过程中，碴体被不断向外推移，施作的止浆墙被挤裂，直到回填至仰拱端头，距掌子面70m时，涌突才基本稳定。

2.2 涌突原因分析
（1）地层岩性与地质构造
涌突段位于大马厂断层，处于沉积岩与侵入岩接触蚀变带，主要为侵入岩，以橄榄岩、蛇纹岩、断层角砾为主。

受区域构造影响，围岩被断层应力挤压碎裂，岩体松散，饱和，完整性和自稳性极差，渣样呈粗砾砂状夹少许碎块状。

掌子面含构造裂隙水，呈散流状和小股状，水质较浑浊。

（2）水源补给充足，含水体厚度大。

通过对大马厂断层地表调查，洞身掌子面上方为山脊间谷底，沟渠内水流量500～1000m3/h，沟渠与线路呈大角度相交，山间地势陡峭，地表山体植被发育，埋深约700m，地表汇水面积大。

地表外露基岩可见侵入岩，与隧道内涌突段围岩岩性相似，推测断层与隧道顶山体、地表水系存在渗透性高的导流通道，水压较高，为基岩裂隙水的储存提供了条件。

隧道穿越断层破碎带时，拱部围岩被水流浸泡软化，形成碎屑状泥石流涌出。

（3）施工至DK128+952后，通过掌子面地质素描和超前水平钻探明前方地质较差，但设计变更提供的支护措施偏弱，现场对围岩变化后的应对措施不足，现场未能结合实际在设计基础上加强，导致开挖后拱部出现大变形而坍塌，掌子面上部裂隙水通道被堵塞，现场施作的泄水孔未能有效将水流排出。

3 涌突综合治理技术
结合现场地质及涌突情况综合分析，决定采取“超前水平钻孔探测及泄水+迂回平导高位泄水降压+正洞帷幕注浆封堵+小导管配合大管棚超前支护”的总体处理方案。

3.1超前地质预报
断层破碎带工程地质复杂，施工中需采取多种探测手段，综合探明前方地质情况。

安定隧道进口穿越大马厂断层时主要采用物探与钻探相结合的预报方法，包括：地质调查法、地质素描、地质雷达法、TSP、瞬变电磁法、超前水平钻、加深炮孔等。

其中最直接最有效的手段为超前水平钻探孔，可探明掌子面前方岩性、构造和富水情况，通过取芯，钻进速度观测、返碴碴体颜色、返水情况，卡、跳钻情况，以及水量、水压情况，判断掌子面前方的地质情况。

将超前地质预报纳入关键施工工序，遵循“不探不挖”原则，以超前水平钻探成果指导施工。

对探孔揭示水压高、水量大、围岩破碎及呈泥状的地层，及时进行全断面注浆加固，再次探测直至前方地质情况满足开挖要求方可进入下一步工序。

超前水平钻在上台阶范围沿开挖轮廓线布设左中右三个探孔，下台阶根据需要布设。

探孔直径110mm，一次探测深度30～50m，过程中做好相关记录，为超前地质综合预报提供依据。

3.2超前排水泄水降压
为及时排除掌子面前方及拱部积水，减小对围岩的浸泡影响，采用正洞超前钻孔泄水，在正洞两侧增设迂回平导高位泄水降压。

3.2.1.正洞超前钻孔排水泄压
沿正洞掌子面拱部左中右各施作一孔超前水平钻泄水孔，纵向钻孔长度50m，钻孔直径Φ108mm；从掌子面后方5～10m，向涌突体拱部大角度增加一排Φ108mm排水孔。

对边墙渗水点，沿径向施作Φ42mm钻孔泄水，钻孔深度6m，纵环向间距2m，呈梅花型布置。

通过钻孔情况来看，仅部分孔出现水流，流量较小。

3.2.2.迂回导坑超前高位排水
（1）增设迂回导坑和泄水洞高位泄水
在掌子面后方围岩相对较好的DK128+886线路右侧和DK128+900线路左侧增设迂回平导，采用单车道无轨运输。

右侧迂回平导在施工至PDK128+960（与正洞掌子面平齐时）由于发生涌突，且出现较大水流，随后停止施工，仅作为排水通道使用。

左侧迂回平导施工至PDK128+950时，向正洞拱部施作高位泄水洞，断面尺寸4.5m×4.5m，泄水洞底板较正洞拱顶高2m，施工至距正洞边墙2m时，停止施工，向正洞拱部钻孔泄水。

（2）平导封堵措施
迂回平导后期进行封堵处理，封堵前对迂回平导掌子面回填洞碴，施作封堵墙，清除平导内淤泥，完善排水系统。

交叉口段采用5m厚C20混凝土封堵。

3.3全断面帷幕注浆
（1）注浆设计
利用正洞超前钻孔和迂回平导与高位泄水洞泄水降压后，为进一步保证围岩的稳定，开挖前对围岩注浆加固。

注浆分三次进行，前两次先对DK128+908～960段涌突物固结注浆，加固范围为初支内轮廓线内涌突及回填物，每次注浆30m，开挖20m。

第三次对DK128+950～980段进行全断面帷幕注浆。

为保证注浆效果，加快施工进度，注浆径向加固范围为开挖轮廓线外5m，浆液扩散半径2.0m，终孔间距3m。

（2）注浆材料
为满足隧道堵水及加固围岩的要求，注浆材料以硫铝酸盐水泥单液浆为主，普通水泥-水玻璃双液浆为辅，施工过程中根据涌水情况及地质情况进行合理选择，并根据现场注浆情况进行调整、优化。

硫铝酸盐水泥单液浆水灰比W：C=（1～1.2）：1；普通水泥-水玻璃双液浆水灰比W：C=（0.8～1）：1，体积比C：S=1：（0.3～1），水玻璃波美度Be’=40以上。

（3）注浆参数
现场注浆施工中，可根据情况进行动态调整优化，注浆参数见下表。

（4）注浆工艺
采用前进式分段注浆和袖阀管束相结合方式，注浆顺序为先周边后中间，先浅孔后深孔，注浆过程中，进行隔孔注浆，每次隔一序孔，然后逐步趋近，后序孔作为前序孔的检查孔。

前进式注浆：每5～10m进行1次；在钻孔过程中无塌孔及水量在0～10m3时分段长度为10m，轻微塌孔及水量在10～30m3/h时分段长度为5m，塌孔严重及水量在>30m3/h时立即停止钻进实施注浆。

袖阀管束注浆：采用Φ42无缝钢管，根据钻孔地质情况下入2～3根长短TSS管，提升浆液分布均匀性。

（5）注浆结束标准
①单孔注浆结束标准
a.注浆压力逐步升高至设计终压，并继续注浆10min以上；
b.注浆结束时的进浆量小于5L/min；
c.检查孔涌水量小于2L/m?min；
d.检查孔钻取岩芯，浆液充填饱满。

②全断面注浆结束标准
a.设计的所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注现象；
b.注浆后涌水量小于3m3/m?d；
c.浆液有效注入范围大于设计值。

（6）注浆效果检查与评定
①P-Q-t曲线分析法。

通过对注浆施工中所记录的注浆压力P、注浆速度Q进行P-t、Q-t曲线绘制，根据地质特征、注浆设备性能、注浆参数等对P-Q-t曲线进行分析，评判注浆效果。

当注浆施工中P-t曲线呈上升趋势，Q-t曲线呈下降趋势，注浆结束时，注浆压力达到设计终压，注浆速度达到设计速度（常取5～10L/min），则满足效果检查要求。

②检查孔法。

注浆结束后，按照设计注浆孔总数的10%钻设检查孔。

检查孔不卡钻、不坍孔，每延米出水量小于2L/min，并通过孔内成像仪观察检查孔成孔是否完整，是否涌水、涌泥，检查孔放置一段时间后是否坍孔。

此外，对检查孔取芯，通过检查孔取芯率、岩芯的完整性、岩芯强度试验等进行综合分析。

通过以上措施，综合判定注浆效果。

（7）径向补充注浆
纵向加固结束后，由于DK128+950～980段为高水压断层破碎带，补充径向注浆，对纵向注浆的注浆盲区进行补充注浆加强，注浆材料与注浆参数同纵向注浆。

3.4超前支护
拱部超前支护采用Φ108大管棚+Φ42大插角（45°）小导管注浆，大管棚每环47根，单根长度30m，管棚内放置4根HRB400Φ18钢筋笼；大插角小导管纵向间距1.2m，环向间距0.4m，每根长5m，每环47根。

3.5开挖
采用三台阶预留核心土法，人工配合机械开挖。

全环设Ⅰ25b型钢钢架支护，间距0.6m，钢架接头处纵向连接采用Ⅰ18型钢，钢架连接处上下各1道，每榀6道。

锁脚采用Φ76锚管，每处设置2根，单根长5m，注浆采用水泥浆。

具体施工要点如下：
1）施作超前支护后，开挖上台阶，采用人工配合机械环形开挖并预留核心土，开挖一段后立即喷射混凝土，开挖支护循环进尺上台阶1榀/循环，中下台阶2榀/循环，仰拱每循环进尺不大于3m。

根据监控量测数据分析，预留沉降量25cm，如出现变形预警，立即施作第二层钢架支护。

2）上台阶长度控制在5m以内，待喷射混凝土强度达到设计强度的70%以上，拱部初支结构基本稳定时，再进行中台阶开挖。

3）左右错开2榀开挖中、下台阶，开挖后及时初喷混凝土，安装钢筋网，接长钢架，施作径向锚杆和锁脚锚管后复喷混凝土至设计厚度；及时进行钢架后径向注浆，确保初支与围岩密贴。

4）仰拱紧跟下台阶开挖，确保初支快速成环，及时施作仰拱及填充混凝土，二衬紧跟，仰拱砼与下台阶距离控制在3～5m，二衬距仰拱端头控制在1倍模衬砌浇筑段，具有一定作业空间即可。

3.6二次衬砌
大马厂断层处二次衬砌结构由IVb变更为Vd复合式衬砌，采用C40钢筋混凝土，钢筋为HRB400Φ25钢筋，主筋纵向间距20cm，衬砌厚度加大至50cm。

隧道采用全环防水结构，防水板与二次衬砌之间设置纵环向排水盲管，环将衬砌背后渗漏水引排入侧沟。

采取二衬台车跳衬施工，二衬紧跟仰拱施作。

4 经验与体会
（1）隧道在穿越富水断层破碎带时，高水头承压裂隙水将进一步软化围岩结构，极易造成突水突泥、大变形，因而水的问题是解决断层破碎带施工安全的最主要问题。

在断层破碎带施工时，必须提前加强对水的处理，地下水宜排不宜堵，不能形成高水压积聚。

（2）超前地质预报是隧道施工必不可少的关键工序，尤其在复杂地质条件下施工时，采用物探与钻探相结合的综合预报手段，能提高地质分析准确度，便于科学制定施工方案，提前采取应对措施，防止造成重大损失。

（3）不良地质隧道支护措施应宁强勿弱，开挖应在刚度较大的超前支护措施下进行，施工要做到快挖、快支，初期支护及时封闭成环，仰拱和二衬紧跟下台阶。

遇特殊地质，来不及施作二衬时，可采取跳仓衬砌，在一定程度上，可以及早改善特殊地段隧道空间受力状态，增强隧道结构稳定，确保施工安全。

（4）安定隧道进口能快速处理涌突段，成功穿越地质异常复杂的大马厂断层，其成功经验在于：两侧增设迂回平导泄水，有效解决了正洞富水断层破碎带水的问题，减轻了正洞处理难度；同时正洞通过全断面帷幕注浆，将松散的破碎体固结在一起，再利用大管棚和小导管支护围岩，形成一个环向稳固支撑体，有效阻止了松散破碎体的突涌和变形，施工安全、质量有保障，技术措施有效可靠。

5 结语
安定隧道作为中老铁路第一长隧，全线控制性工程，通过对隧道穿越富水断层破碎带涌突采取“超前水平钻孔探测及泄水+迂回平导高位泄水降压+正洞帷幕注浆封堵+小导管配合大管棚超前支护”的处治措施，保证了施工安全可控，处理工期提前2个月，为实现玉磨铁路2021年底全面建成开通的工期目标奠定了坚实基础。

参考文献
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