深埋高鐵隧道富水?dāng)鄬訚B透突水災(zāi)變機(jī)理及防控技術(shù)研究

劉超

摘要：富水?dāng)鄬拥牡刭|(zhì)構(gòu)造是突水災(zāi)變的客觀條件，隧道施工是觸發(fā)突水災(zāi)變的直接原因，斷層構(gòu)造的破壞失穩(wěn)和充填介質(zhì)滲透失穩(wěn)，二者相互影響，最終導(dǎo)致突水塌方。為保證隧道順利貫通，提出TSP、GPR和TEM相結(jié)合的預(yù)測技術(shù)，結(jié)合超前鉆孔成像，準(zhǔn)確勘測富水?dāng)鄬訋У牡刭|(zhì)情況。通過分區(qū)疏水帷幕注漿技術(shù)，對挖掘范圍外部區(qū)域進(jìn)行阻水處理，對挖掘范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)處理，采用三臺階臨時仰拱法開挖作業(yè)。對穿越富水?dāng)鄬拥乃淼澜Y(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測，最大變形量為21.1mm，小于控制指標(biāo)，驗(yàn)證了防控措施有效性。

關(guān)鍵詞：富水?dāng)鄬?；滲透突水災(zāi)變；分區(qū)疏水；帷幕注漿；三臺階臨時仰拱法

0? ?引言

在山嶺地區(qū)進(jìn)行隧道施工中，經(jīng)常會遇到富水?dāng)鄬訋?。富水?dāng)鄬訋У牡刭|(zhì)構(gòu)造特殊，內(nèi)部巖體風(fēng)化程度較高，固結(jié)性較差，隧道掘進(jìn)施工難度較大，出現(xiàn)滲透突水、塌方涌流的情況屢見不鮮[1]。目前針對富水?dāng)鄬訋B透突水災(zāi)變的研究主要集中在兩個方面：一是富水?dāng)鄬拥陌l(fā)育規(guī)律和突水災(zāi)變機(jī)理，二是富水?dāng)鄬游恢每睖y和防控技術(shù)。

本文結(jié)合某高鐵隧道工程，對富水?dāng)鄬訋У臐B透突水災(zāi)變機(jī)理和防控技術(shù)展開研究，分析導(dǎo)致災(zāi)變出現(xiàn)的客觀原因和人為原因，進(jìn)而針對性的提出富水?dāng)鄬又聻?zāi)的預(yù)測判別技術(shù)，并提出防控方案，在工程中進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

1? ?工程概況

某高鐵隧道工程為單洞雙線隧道，施工區(qū)屬于剝蝕低山區(qū)，山坡之間有多處沖溝，隧道施工依次穿越5條富水?dāng)鄬訋?，地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。斷層帶區(qū)域，巖體破碎，有失穩(wěn)破壞的風(fēng)險，容易引起滲透突水災(zāi)變。

隧道挖掘至F1斷層帶時，出現(xiàn)少量突水塌方，采取緊急措施后，塌方得以控制，未造成安全事故，僅延誤工期，增加了施工成本。但后續(xù)的F2、F5斷層帶沿隧道掘進(jìn)方向的寬度分別為53m和47m，比F1斷層帶寬數(shù)倍，施工風(fēng)險極大，需要提出切實(shí)可行的防控技術(shù)，保證安全施工。

2? ?富水?dāng)鄬訚B透突水災(zāi)變機(jī)理

富水?dāng)鄬訋г谏襟w表層存在沖溝，沖溝由斷層帶兩側(cè)的山體地質(zhì)運(yùn)動形成，內(nèi)部堆積大量的殘坡積土，土質(zhì)疏松，可富集大量地下水，且沖溝與斷層帶存在裂隙貫通聯(lián)系。這種通道為斷層帶輸送大量水體，是突水災(zāi)變的先天條件[2]。

富水?dāng)鄬訋?nèi)部巖石風(fēng)化程度較高，固結(jié)性差，閉合程度差，斷層帶區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生的導(dǎo)水作用，是突水災(zāi)變的地質(zhì)條件。隧道施工過程中，鉆孔爆破以及機(jī)械掘進(jìn)開挖，導(dǎo)致裂隙貫通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，斷層帶滲透失穩(wěn)，為水體的涌出提供流失通道，是突水災(zāi)變的人力觸發(fā)條件。

斷層帶滲透失穩(wěn)后，內(nèi)部巖體縫隙的水流攜帶細(xì)小泥沙從破壞口涌出，原有的穩(wěn)定性較弱的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步失穩(wěn)，反過來又增加了涌出的水量。斷層構(gòu)造的破壞失穩(wěn)和斷層帶內(nèi)介質(zhì)滲透失穩(wěn)，兩者互為因果，相互影響和促進(jìn)，最終導(dǎo)致突水塌方災(zāi)害的發(fā)生。

3? ?滲透突水災(zāi)變防控技術(shù)

3.1? ?富水?dāng)鄬訋卣黝A(yù)測識別技術(shù)

3.1.1? ? 探測技術(shù)選取

TSP技術(shù)通過一系列有規(guī)律排列的震源，產(chǎn)生地震波，地震波遇到破碎帶、斷層，部分地震波會發(fā)生反射，反射波信號被接收后，經(jīng)過分析軟件可準(zhǔn)確預(yù)報區(qū)內(nèi)巖體力學(xué)參數(shù)，分析出地質(zhì)完整性情況。GPR技術(shù)則專門針對富水的地質(zhì)構(gòu)造，利用其對導(dǎo)電水體的敏感性來識別和定位富水?dāng)鄬訋У木唧w位置和大小。TEM技術(shù)是向地質(zhì)巖層發(fā)射脈沖磁場，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場，對于富水孔洞和裂隙其呈現(xiàn)低阻特征，對于未充水的地質(zhì)構(gòu)造呈高阻特征，對于富水?dāng)鄬拥奶綔y最靈敏，且不受地形影響。

GPR的有效距離比TSP短，但是準(zhǔn)確性更高，TEM的靈敏性最高，將3種技術(shù)配合使用，再結(jié)合超前鉆孔技術(shù)，開展孔內(nèi)成像作業(yè)，確保對富水?dāng)鄬訋У臏?zhǔn)確預(yù)測識別[3]。

3.1.2? ?探測技術(shù)應(yīng)用流程

根據(jù)探測數(shù)據(jù)，F(xiàn)2斷層帶與隧道掘進(jìn)里程的DK55+720處相交，延續(xù)至DK55+770處。TSP地震波的橫波和縱波在此區(qū)域內(nèi)雜亂的混合在一起，說明內(nèi)部巖石存在不同程度碎裂，巖石受到兩側(cè)地層的擠壓，存在軟弱夾層。采用GRP探地雷達(dá)對DK55+720前的30m范圍內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)探測，發(fā)現(xiàn)探測區(qū)域內(nèi)電磁波反射能量異常，且局部間斷、波形不規(guī)則，表明探測區(qū)域存在巖石裂隙，且碎石間水含量豐富。

施工挖掘至DK55+710處，采用TEM和超前鉆孔技術(shù)，對前方30m區(qū)域范圍內(nèi)細(xì)致探測和鉆孔成像作業(yè)，獲取探測區(qū)內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)和含水情況。經(jīng)過鉆探發(fā)現(xiàn)，鉆孔內(nèi)部5～7m范圍內(nèi)孔壁干燥整潔，部分巖體被小型節(jié)理切割，但整體性較好，TEM呈現(xiàn)高阻特性。7m后的圍巖裂隙逐漸增多，10～19m范圍內(nèi)，巖體的碎裂程度非常明顯，碎石顆粒越來越小。20m后，進(jìn)入碎裂核心帶，碎石為風(fēng)化程度很高的凝灰?guī)r，不同顆粒的碎石堆積在一起，TEM呈現(xiàn)低阻特性。

根據(jù)以上分析，確定F2富水?dāng)鄬訋У奈ｋU范圍為DK55+715～775，區(qū)域內(nèi)最大水壓為0.67MPa，比之前發(fā)生突水塌方災(zāi)害的F1斷層帶的水壓值要高，且F2斷層帶內(nèi)巖體風(fēng)化程度高、跨度大，有突水成災(zāi)隱患，需要采取措施進(jìn)行防控。

3.2? ?超前分區(qū)疏水帷幕注漿技術(shù)

在對富水?dāng)鄬訋ч_挖前，采用超前分區(qū)疏水帷幕注漿技術(shù)，以隧道輪廓線為界，分為化學(xué)漿阻水區(qū)和水泥漿固結(jié)區(qū)，對隧道挖掘范圍外部區(qū)域進(jìn)行有效阻水處理，并對隧道挖掘范圍內(nèi)進(jìn)行有效的固結(jié)處理。

在化學(xué)漿阻水區(qū)內(nèi)部注入含改性化學(xué)漿液，含有聚氨酯類聚合物化學(xué)漿液凝固后，在隧道挖掘范圍外形成一圈阻水的圓筒，阻絕富水?dāng)鄬訋У乃w向施工面匯集，從根源上消除突水源頭。在水泥漿固結(jié)區(qū)內(nèi)部注入硅酸鹽水泥-水玻璃漿液，一方面堵塞充填介質(zhì)流失通道，另一方面固結(jié)破碎巖體骨架結(jié)構(gòu)[4]。在水泥漿固結(jié)區(qū)兩側(cè)布置泄水孔，將充填裂隙通道擠壓出來的水引流到作業(yè)場地外，如圖2所示。

根據(jù)探測分析結(jié)果，F(xiàn)2富水?dāng)鄬訋挾燃s為53m，需要采用2次循環(huán)注漿推進(jìn)，每次分區(qū)注漿實(shí)施范圍為40m，預(yù)留5m作為第二階段的工作面。注漿壓力達(dá)到1.6MPa后，終止注漿。通過掌子面選取5個位置，對隧道挖掘范圍內(nèi)的注漿效果進(jìn)行鉆芯取樣檢測。樣品的抗壓強(qiáng)度最大值為7.76MPa，最小值為6.24MPa，均大于3MPa，滿足工程要求。

3.3? ?三臺階臨時仰拱施工技術(shù)

分區(qū)疏水帷幕注漿施工完畢且達(dá)到強(qiáng)度要求后，遵循弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、短挖掘、勤測量的原則[5]，采用三臺階施工技術(shù)，對F2富水?dāng)鄬訋^(qū)域進(jìn)行開挖。施工斷面圖如圖3所示。

先對上臺階部分進(jìn)行弱爆破開挖，然后對上臺階周邊進(jìn)行初期支護(hù)。噴射40mm厚的C30混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，搭建鋼架，再次噴射C30混凝土至100mm厚度。上臺階底部的臨時鋼架，直接一次噴射100mm厚度的C30 混凝土進(jìn)行封底。

對上臺階及時噴射混凝土封鎖巖體，以降低巖體暴露于施工面的面積，提升巖體穩(wěn)定性。噴射的混凝土填充了巖體裂縫，發(fā)揮巖體的自穩(wěn)能力，提高巖體的面部結(jié)合力，保證下層臺階挖掘施工過程的安全性。中臺階施工應(yīng)滯后上臺階5m，下臺階應(yīng)滯后中臺階5m，開挖后立即做初期支護(hù)，交替進(jìn)行。

3.4? ?防控效果評價

對F2斷層帶支護(hù)完成后，進(jìn)行沉降量和水平變形量監(jiān)測。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖4所示。其中A1點(diǎn)監(jiān)測拱頂沉降量，A2監(jiān)測拱底的沉降量，測線S1和S2分別監(jiān)測2處水平變形量。

監(jiān)測過程中，前15d每天記錄數(shù)據(jù)一次，15d后每2天記錄一次數(shù)據(jù)，共持續(xù)90d。為方便數(shù)據(jù)分析，沉降量和變形量均以絕對值統(tǒng)計(jì)。拱頂和拱底沉降監(jiān)測曲線如圖5所示，水平變形監(jiān)測曲線如圖6所示。

由圖5可知，拱頂和拱底沉降量前期變化較快，隨著監(jiān)測時間的推移二者逐漸收斂，其中拱底沉降量在30d時就基本穩(wěn)定，而拱頂沉降的穩(wěn)定時間較長，直到80d時才逐漸穩(wěn)定，符合實(shí)際情況。最終拱底沉降量穩(wěn)定在21.1mm，拱頂沉降量穩(wěn)定在19.8mm，均小于最大控制指標(biāo)30mm。

由圖6可知，S1測線和S2測線隨時間的變化趨勢與沉降量相同，30d之前變形發(fā)展速度較快，而后逐漸收斂。S1水平變形量在40d時，逐步穩(wěn)定，最終變形量為19.9mm。S2水平變形量在50d時，逐步穩(wěn)定，最終變形量為19.7mm，均小于最大控制指標(biāo)30mm。

監(jiān)測結(jié)果表明，隧道穿過F2富水?dāng)鄬訋У姆揽卮胧┣袑?shí)有效，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。本文提出的富水?dāng)鄬訋ёR別技術(shù)和防控技術(shù)，在后續(xù)的F3～F5富水?dāng)鄬訋┕ぶ欣^續(xù)沿用，對工程項(xiàng)目順利實(shí)施起到關(guān)鍵作用。

4? ?結(jié)束語

本文結(jié)合某高鐵隧道工程，對隧道施工的滲透突水災(zāi)變機(jī)理和防控技術(shù)展開研究。采用TSP、GPR和TEM相結(jié)合的預(yù)測技術(shù)，結(jié)合超前鉆孔成像作業(yè)，準(zhǔn)確勘測富水?dāng)鄬訋У牡刭|(zhì)情況。采用超前分區(qū)疏水帷幕注漿技術(shù)，對隧道挖掘范圍外部區(qū)域進(jìn)行有效的阻水處理，對隧道挖掘范圍內(nèi)進(jìn)行有效的固結(jié)處理。

采用三臺階臨時仰拱法開挖方案，遵循弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、短挖掘、勤測量的原則，順利完成隧道掘進(jìn)穿越富水?dāng)鄬訋У氖┕ぷ鳂I(yè)。對富水?dāng)鄬訋^(qū)域的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，最大沉降量為21.1mm，最大水平變形量為19.9mm，小于工程控制指標(biāo)，驗(yàn)證了穿越富水?dāng)鄬訋У姆揽卮胧┯行浴?/p>

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