地鐵暗挖隧道斷層破碎帶突水涌砂原因分析及處治技術

陳 劍, 魏義山, 江 紅, 何 衛, 王樹英， 胡欽鑫

(1. 中交第三航務工程局有限公司南京分公司， 江蘇 南京 210000； 2. 中交三航局第三工程有限公司，江蘇 南京 210000； 3. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

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地鐵暗挖隧道斷層破碎帶突水涌砂原因分析及處治技術

陳 劍1, 2, 魏義山1, 2, 江 紅1, 2, 何 衛3,*, 王樹英3， 胡欽鑫3

(1. 中交第三航務工程局有限公司南京分公司， 江蘇 南京 210000； 2. 中交三航局第三工程有限公司，江蘇 南京 210000； 3. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

青島黃島區某地鐵區間隧道穿越斷層破碎帶時發生突水涌砂地質災害，為保證隧道施工安全及后續順利開挖，對富水斷層破碎帶突水涌砂原因及力學形成過程進行分析。富水斷層破碎帶穩定性差，未進行有效加固，在開挖卸荷和爆破擾動雙重作用下，巖體防突水層厚度超過臨界狀態，進而導致掌子面發生突水涌砂。考慮到地鐵暗挖隧道施工空間狹小、材料運輸不便等特點，采用以地表模袋注漿為主、洞內堵水注漿為輔的綜合處治措施。結果表明： 注漿加固后的掌子面濕潤無流動水，漿脈清晰可見，滲漏水量小于1.5 L/(min·m)，滲流通道得到有效封堵，保證隧道順利通過突水涌砂段。

地鐵暗挖隧道； 斷層破碎帶； 突水涌砂； 模袋注漿

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設的迅猛發展，地鐵隧道數量越來越多，隧道施工過程中發生突水、涌砂災害也更加頻繁，其中斷層破碎帶突水、涌砂的問題占比很大。突水、涌砂災害會給隧道施工和運營帶來極大危害，使工程遭受巨大損失[1]。因此，有必要對隧道斷層破碎帶突水、涌砂力學機制及注漿加固處理技術等開展研究。

眾多學者對斷層破碎帶突水、涌砂力學機制及其處治技術進行了研究。在機制研究方面： 李曉昭等[2]分析斷裂破碎帶變形活化及其導水機制，提出斷裂變形活化及導水具有時空效應的特點； 錢鳴高等[3]從不同斷層類型角度分別研究了相應的突水機制； 李利平等[4]基于現場突水實例分析和數值模擬結果，認為應從突水通道形成的微觀作用機制和突水失穩的宏觀力學判據2方面研究突水機制，并應考慮地質因素和工程因素的雙重影響。在處治技術方面： 文獻[5-9]結合具體工程實例，詳細介紹凍結法、泄能降壓法和帷幕注漿加固法等隧道斷層破碎帶突水、涌泥處理控制技術，并進行適用性分析； 周軍偉[10]針對白云隧道突水、突泥情況，采用迂回導坑、注漿和管棚加固等綜合措施處理。在地鐵暗挖隧道預注漿加固方面： 錢莊等[11]針對地鐵區間砂土覆蓋型巖溶地層盾構隧道，提出采用袖閥管地面注漿技術對溶洞進行預加固處理； 來弘鵬等[12]根據西安地鐵淺埋暗挖區間黃土隧道現場施工情況，采用二重管無收縮注漿技術對隧洞進行預加固； 劉俊成[13]采用水平旋噴樁技術對地鐵區間富水砂層進行預加固處理。上述研究多是針對大跨度深埋山嶺隧道斷層破碎帶突水涌砂機制、處理技術及地鐵暗挖隧道注漿預加固技術等方面，而在小跨度淺埋地鐵隧道掌子面突水涌砂后期注漿加固處治技術方面的研究成果較少。

本文結合青島黃島區某地鐵區間隧道斷層破碎帶突水、涌砂工程實例，在分析隧道突水、涌砂原因的基礎上，提出適用于地鐵暗挖隧道斷層破碎帶突水涌砂后期治理的地表模袋注漿結合洞內堵水注漿的綜合處治措施，并對處治效果進行分析。

1 工程概況

1.1 設計概況

青島黃島區某地鐵區間隧道為雙洞單線隧道，右線區間隧道為Ⅵ圍巖，隧道斷面形式為馬蹄形，開挖斷面面積為42.1 m2。隧道斷面尺寸和部分支護參數見圖1，采用復合式襯砌結構。初期支護采用中空注漿錨桿、鎖腳鋼管、超前小導管、鋼筋網、噴射混凝土和格柵鋼架。雙排超前小導管采用直徑為42 mm、壁厚3 mm的鋼管，長度為3.5 m，環縱間距0.3 m×0.5 m，拱部120°布置； 采用φ8 mm鋼筋網單層布置，網絡間距為 0.15 m×0.15 m； 格柵鋼架間距為50 cm； 二次襯砌為模筑鋼筋混凝土，初期支護與二次襯砌間設全封閉防水隔層。區間隧道Ⅵ級圍巖采用上下臺階預留核心土爆破開挖法施工，施工目標為每循環開挖0.5 m，每日2個循環，日進尺1 m。

圖1 隧道橫斷面(單位： mm)Fig. 1 Cross-section of tunnel (mm)

1.2 工程地質與水文地質概況

根據地質勘測資料，右線區間隧道于YCK12+395處開始通過F2斷裂帶，斷裂帶以砂土狀、塊狀碎裂巖為主，局部可見綠泥石、綠簾石化及斷層泥礫，走向北東，傾向308°，傾角70°～75°，斷裂附近發育近南北向裂隙，近場區也多發育塊狀碎裂巖及節理密集帶。右線隧道YCK12+395處自上至下地層及其物理力學參數見表1，地層縱斷面分布情況見圖2，揭露地下水類型主要為第四系孔隙潛水、第四系孔隙承壓水、上層滯水和基巖裂隙水，其中： 孔隙潛水和承壓水主要賦存于第層含黏性土粗礫砂層，第四系孔隙上層滯水主要賦存于第①1層雜填土，基巖裂隙水主要賦存于角礫凝灰巖強中風化帶及其節理密集帶，地下水徑流深度較大，徑流方向復雜。

表1 地層物理力學參數Table 1 Physico-mechanical parameters of strata

圖2 YCK12+395處地質縱斷面(單位： mm)
Fig. 2 Geological profile of section YCK12 + 395 (mm)

2 隧道突水、涌砂過程及原因分析

2.1 隧道突水、涌砂過程

隧道右線從大里程往小里程方向開挖，實際于YCK12+400處揭示橫向夾泥斷裂破碎帶，比地勘提示里程YCK12+395提前穿越斷層破碎帶。隧道進行上臺階爆破開挖，進尺0.5 m，排煙后觀察掌子面圍巖情況，可見斜向上約45°夾泥斷裂與垂直斷裂相交于掌子面左側。在挖掘機處理爆破廢渣過程中，橫向斷裂帶開始向下滑落，滑落面積不斷增大，塌方范圍約為掌子面左側2 m×2 m范圍，現場立即進行掌子面掛網噴漿和封閉工作，同時進行應急監測，此時掌子面滑落石渣約20 m3。在掛網噴漿過程中，掌子面左側距拱頂1.5 m處發生突水、涌砂(見圖3)，從塌方到掌子面重新穩定時段內，最大水壓達0.1 MPa，最大涌水速度為2 m3/min，總涌水量約432 m3，總涌砂量約10.5 m3，涌砂長度為5.5 m。

圖3 掌子面突水、涌砂

Fig. 3 Water inrush and sand gushing of tunnel face at section YCK12+400

2.2 突水、涌砂原因分析

突水、涌砂段位于斷層破碎帶處，圍巖穩定性差，結構松散，節理裂隙發育，含導水通道封閉，充填有原巖碎塊、泥土充填物，綠泥石化比較嚴重，同時斷層破碎帶上方是含黏性土粗礫砂地層，自穩性差，富含大量地下水，即構成隧道突水、涌砂的地質條件。現場施工過程中，地質勘查不明，掌子面前方地質發生突變，提前進入斷層破碎帶施工，未有效進行注漿加固，爆破開挖也對圍巖產生較大的損傷擾動，含導水通道連通，導致地下水動力系統以及圍巖力學平衡狀態發生急劇變化，即構成隧道突水的工程因素。

2.3 突水、涌砂力學分析

在隧道突水、涌砂地質條件和工程因素分析的基礎上，進行隧道突水、涌砂力學過程分析，可為下一步制定處治措施提供理論依據。富水斷層破碎帶在開挖卸荷、爆破擾動等多種因素共同作用下，發生斷層變形及導水活化，進而誘發隧道突水涌砂地質災害，屬于復雜的力學問題。李生杰等[14]提出的雙向受壓涌水力學概化模型(見圖4)物理意義明確，且簡單易懂，應用廣泛，因此本文采用該模型對隧道富水斷層破碎帶突水、涌砂失穩力學過程進行分析。

α為斷層傾角；σ1為斷層受到的第一主壓應力；σ3為最小主壓應力。

圖4 雙向受壓涌水力學概化模型

Fig. 4 Generalized mechanical model of bi-directional compression water gushing

斷層面上的應力狀態可表示為：

(1)

斷層面發生變形活化導致隧道涌水時的應力狀態為：

(2)

由Mohr-Coulomb強度準則可得受孔隙水壓力影響的巖體剪切強度

τ=σ′tanφf+cf=(σ-pw)tanφf+cf。

(3)

式中：σ′為有效應力；pw為孔隙水壓力。

在隧道開挖至涌水失穩掌子面過程中，水壓能量不斷積聚，巖體防突水層厚度不斷減小直至超過臨界狀態，此時σ3將變得很小，幾乎接近于0，而且地下水的靜力溶蝕和動力沖蝕導致cf與φf降低，從而導致斷層面活化應力強度[σ1]active下降，不足以抵擋突涌混合物的重力、侵蝕力及沖擊力，繼而發生涌水現象； 同時地下水沿掌子面上方含黏性土粗礫砂地層滲入，由于掌子面圍巖力學失穩滑動導致破裂帶擴展，使地下水滲流速度超過礫砂細小顆粒發生管涌的臨界狀態，礫砂被地下水帶走形成地下水動力裹砂失穩現象，繼而發生突水、涌砂災害。

3 隧道突水、涌砂綜合處治措施

掌子面發生突水、涌砂后，現場立即采用臨時搶險措施防止災害進一步加劇。在明確隧道突水、涌砂發生的原因后，對斷層破碎帶進行注漿加固。一方面，考慮從地表運輸材料、機械設備等至洞內不便，且洞內施工空間狹小、注漿機械設備布置有限、施工進度慢等因素； 另一方面，為保證注漿效果，需對洞內突水點進行有效攔截。綜合考慮各方面因素，決定采用以地表模袋注漿為主、洞內堵水注漿為輔的綜合處治措施。

3.1 臨時搶險措施

在掌子面圍巖發生滑動后，現場立即反堆核心土，并進行掌子面掛網噴漿及封閉工作。在掛網噴漿過程中，掌子面左側距拱頂1.5 m處發生突水、涌砂，立即采用臨時搶險措施，即調用挖掘機、裝載機調運爆破石渣反壓回填掌子面突水涌砂點，反壓回填石渣約90 m3后停止施工，然后依次進行袋裝水泥封墻、掌子面掛網噴漿施工，并同時預埋4根φ108 mm鋼管(作為泄水口)和4根注漿管，為后續突水、涌砂綜合治理做準備。

3.2 洞內堵水注漿

1)鉆孔布置。注漿孔孔位布置見圖5，采用潛孔鉆機成孔，孔徑為75 mm，共設3排注漿孔，采用跳孔鉆進方式打設，孔底位于原掌子面向前2 m，角度斜向上5°，鉆孔長度為10 m，每排注漿孔水平間距均為1 m，每孔鉆至孔底后即注漿。

圖5 掌子面注漿孔布置(單位： mm)Fig. 5 Layout of grouting holes on tunnel face (mm)

2)注漿施工參數。先進行水下不分散漿液[15](磷酸-水玻璃)注漿施工，水玻璃密度為1.38 g/cm3，波美度為40 °Bé，磷酸密度為1.7 g/cm3，兩者質量比為85%。注漿前先將水玻璃與水按1∶1稀釋成水玻璃溶液，磷酸與水按1∶10稀釋成磷酸溶液，再將2種溶液按1∶1混合均勻，擴散半徑為1.5～2.0 m，注漿壓力為1.0～1.5 MPa，漿液凝固時間控制在40 s，以便封堵突水、涌砂點。然后進行水泥-水玻璃雙液漿注漿施工，水玻璃模數為2.4～3.4，波美度為(35～40) °Bé，水灰質量比為1∶1，水泥水玻璃體積比為1∶0.5～1∶1，注漿壓力為 0.8～1.2 MPa，注漿擴散半徑為1～1.2 m，漿液凝固時間控制在30 s。

3)注漿效果檢查。在堵水注漿完成后，參照文獻[16]，在拱頂、左拱腰和右拱腰位置各設1個檢查孔，共計3個。若檢查孔成孔完整，鉆孔過程中沒有發生突水、涌砂現象，鉆孔流水量<0.1 L/(min·m)，且檢查孔放置1 h后也沒有發生突水、涌砂現象，則判斷洞內堵水注漿效果達到要求； 否則應進行補孔注漿或重新設計。

3.3 地表模袋注漿

3.3.1 模袋注漿加固原理

地表模袋注漿加固原理見圖6： 注漿鉆孔完成后，下放包裹模袋的鋼花管，模袋長度為3 m。首先向模袋中注入漿液，使模袋充滿漿液并壓緊鉆孔周邊地層，通過模袋對目標注漿層以上的巖土體進行擠密加固，模袋與土體擠密加固區域形成止漿巖盤使漿液不能向上返漿，避免漿液在鉆孔淺部進入地層造成無效的漿液擴散，保證漿液在鉆孔注漿加固目標區域內注入地層，從而實現漿液在目標區域的有效留存。為避免注漿管端阻礙漿液擴散，留設1 m裸孔段作為進漿段。

H1為膨脹模袋頂部至地表距離；H2為模袋注漿加固深度。

圖6 模袋注漿加固原理(單位： mm)
Fig. 6 Reinforcement principle of membrane bag grouting (mm)

3.3.2 注漿加固范圍、材料及參數

1) 注漿加固范圍。根據隧道區域地質資料及注漿加固需求，地表注漿加固范圍左右邊界為隧道輪廓線以外2 m，上邊界為拱頂以上3 m，下邊界為拱頂以下5 m。

2) 模袋性能指標。模袋為高強紡織土工密封模袋，縫制直徑為60 cm，模袋抗拉強度和縫合強度均為22 kPa。

3) 漿液類型。漿液為水泥-水玻璃雙漿液和水泥單液漿，雙液漿水灰質量比為1∶1，水泥水玻璃體積比為1∶1，漿液配比可根據現場注漿情況實時反饋調節； 水玻璃模數為2.4～3.4，波美度為(35～40) °Bé。

4) 注漿壓力與注漿擴散半徑。結合青島地鐵類似地層注漿施工經驗及其他淺埋隧道注漿工程經驗，確定注漿壓力為0.8～1.2 MPa，注漿擴散半徑為1.0～1.2 m。

5) 注漿結束標準。以單孔注漿量為10 m3和注漿終壓為1.5 MPa作為控制指標，采用“量-壓”雙控注漿結束標準進行控制。具體標準如下： ①當注漿量未達到設計標準但注漿壓力達到設計終壓且維持10 min以上時，停止注漿； ②當注漿量達到單孔設計注漿量后，若注漿壓力未達到設計終壓，可通過調整漿液凝膠時間達到設計終壓，并停止注漿。

3.3.3 地表模袋注漿現場施工

地表鉆孔布置見圖7。采用垂直鉆孔，鉆孔位置按梅花形布置，鉆孔間距為1.5 m，注漿范圍為加固范圍上邊界以下區域，施工步序如下。

1)在地表打設φ89 mm鉆孔，隧道開挖輪廓兩側注漿鉆孔深度為26.6 m，下長度為25.6 m的φ42 mm鋼管。在鋼管壁尾部以上7 m范圍內開設注漿花孔，花孔直徑為10 mm，間距15 cm，采用梅花形布置，距離鋼管尾部7～10 m包裹模袋； 隧道開挖輪廓范圍內注漿鉆孔深度為22.6 m，下長度為21.6 m的φ42 mm鋼管，在管壁尾部以上3 m范圍內開設注漿花孔，花孔直徑為10 mm，間距為15 cm，采用梅花形布置，距離鋼管尾部3～6 m包裹模袋。

2)通過φ20 mm鐵管對模袋進行雙液注漿，并在注漿結束后進行孔口管封閉施工，從而形成止漿巖盤，有效防止漿液沿管壁向上擴散。

3)通過φ42 mm鋼管注漿花孔實現斷層破碎帶注漿加固，先注入水泥單液漿，使之在地層中充分擴散充填孔隙，當注漿壓力發生突變或當持續注漿時間為15～20 min但注漿壓力未發生突變時，再注入凝結速度快的雙液漿進行封堵。

4 處治效果分析

注漿效果檢查方法有分析法、檢查孔法、開挖取樣法、變位推測法和物探法等5類14種方法[16]。一般來說，注漿加固有提高圍巖強度和降低巖土層滲透性2個目的，評價注漿加固效果最準確的方法是通過鉆孔取芯進行抗壓強度試驗和抗滲試驗，但受現場施工進度和環境條件限制，本文從超前水平鉆孔滲漏水量和開挖掌子面情況2方面對突水、涌砂處治效果進行定性評價。

(a) 鉆孔布置平面圖

(b ) 鉆孔布置橫截面圖

4.1 超前水平鉆孔滲漏水量分析

在隧道掌子面YCK12+403處布設3個超前水平鉆孔，長度均為20 m，測定每個水平鉆孔滲漏水量，發現鉆孔滲漏水量均明顯小于1.5 L/(min·m)[17]，可認為治理措施達到一定效果，突水通道得到有效封堵。

4.2 掌子面揭露圍巖分析

在初步判斷治理措施達到效果后，重新進行爆破開挖。掌子面開挖情況見圖8，可以明顯觀察到掌子面濕潤無流動水，圍巖中軟弱夾層和節理裂隙被漿液填充形成清晰可見的漿脈，在掌子面的前方和上方形成固化區域，滲流通道得到封堵，地下水流動得到有效限制。此外，地表無明顯隆起情況，說明漿液有效存留在目標區域。

圖8 重新開挖掌子面情況Fig. 8 Surrounding rock of tunnel face after grouting

5 結論與討論

1) 隧道穿越富水斷層破碎帶時，在開挖卸荷和爆破擾動雙重作用下，巖體防突水層厚度超過臨界狀態，地下水滲流速度超過礫砂細小顆粒發生管涌的臨界狀態，礫砂顆粒被地下水裹動帶走，繼而發生突水、涌砂災害。

2) 采用以地表模袋注漿為主、洞內堵水注漿為輔的綜合處治措施，對青島黃島區某地鐵區間斷層破碎帶突水、涌砂災害進行治理，結果表明掌子面濕潤無流動水，漿脈清晰可見，滲漏水量小，該處治措施能有效提高斷層破碎帶圍巖強度，降低地層滲透性，封堵滲流通道，保證隧道順利通過突水、涌砂段。

3) 富水斷層破碎帶突水涌砂失穩過程是一個復雜的力學過程，僅從簡化力學模型來進行分析是不全面的，下一步將結合數值模擬建立含有斷層破碎帶的三維精細化模型，對斷層破碎帶變形活化涌水機制進行更深入的研究。

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寧波軌道交通又一技術創新啟動 “T”接隧道技術已立項

繼“陽明號”之后，寧波軌道交通又有一項重大技術創新啟動。寧波軌道交通召開“機械法聯絡通道裝備及設計施工關鍵技術”(簡稱“T”接隧道技術)立項論證會，專家組充分肯定項目組的技術路線和方案，已同意立項。

2016年11月11日，“陽明號”盾構施工的寧波軌道交通3號線一期出入段貫通，成為國內第一條城市軌道交通類矩形盾構隧道，也是世界上最大斷面的類矩形盾構隧道。“T”接隧道技術主要是為了解決地下空間貫通的一些具體問題，讓地下空間孤島更好地實現聯通。

隨著城市化進程加快，地下空間面臨高強度開發。目前，軌道交通干線、市政管廊、商業停車場、商業體、人防工程和深層排水隧道等功能各異的地下空間體系已具規模，但各個地下空間缺少聯通，成了“空間孤島”。目前在寧波實現地下空間聯通基本上是采用冰凍法加礦山法，但這種二次開挖施工造價高。

如何尋找一個經濟、安全、快捷的施工方法實現地下空間聯通？寧波大學教授、市軌道交通工程建設指揮部副總指揮、總工程師朱瑤宏說： “寧波軌道交通立足于聯絡通道精細化的建設需求，開展盾構隧道“T”接技術研發，以期系統解決地下工程網絡聯通的技術難題，并有望應用于寧波軌道交通4號線建設。該技術具有可拓展性，可在交通、市政和水利工程盾構隧道連接工程中推廣應用。”

(摘自 財經頻道 http://money.163.com/17/0629/09/CO3B7SMR002580S6.html)

Causes Analysis and Countermeasures for Water Inrush and Sand Gushing in Fault and Fracture Zone during Mined Metro Tunnel Excavation

CHEN Jian1, 2, WEI Yishan1, 2, JIANG Hong1, 2, HE Wei3,*, WANG Shuying3, HU Qinxin3

(1.NanjingBranchofCCCCThirdHarborEngineeringCo.,Ltd.,Nanjing210000,Jiangsu,China; 2.No.3EngineeringCo.,Ltd.ofCCCCThirdHarborEngineeringCo.,Ltd.,Nanjing210000,Jiangsu,China; 3.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,Hunan,China)

The causes and mechanical processes of water inrush and sand gushing of water-rich fault and fracture zone are analyzed so as to guarantee the safe construction of a mined metro tunnel in Huangdao District of Qingdao City. Under the action of excavation unloading and blasting disturbance, the thickness of waterproof layer of surrounding rock in water-rich fault and fracture zone with poor stability and without effective reinforcement exceeds limit, which leads to water inrush and sand gushing disaster. The comprehensive countermeasures of membrane bag grouting on ground surface and water stop grouting in tunnel are adopted considering disadvantages of mined metro tunnel construction, i. e. limited space and inconvenient material transport. The grouting effect shows that the working face after grouting is moist and with no flow water, the water leakage has been control within 1.5 L/(min·m); the seepage channels have been successfully sealed; and the safe and successful construction in water inrush and sand gushing sections of metro tunnel has been guaranteed.

mined metro tunnel; fault and fracture zone; water inrush and sand gushing; membrane bag grouting

2017-03-27;

2017-06-08

陳劍(1979—)，男，江蘇南京人，2001年畢業于東南大學，公路與橋梁專業，本科，高級工程師，現主要從事軌道交通項目施工管理工作。E-mail： 56650362 @qq.com。*通訊作者： 何衛， E-mail： 1160227730@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.012

U 455.49

B

1672-741X(2017)07-0857-07