隧道穿越活动断裂带施工灾害防治技术研究

杨勇YANG Yong

（中铁十二局集团有限公司，太原 030024）

0 引言

断层破碎带围岩软弱破碎、部分呈全风化、自稳性极差，一般局部富水~富水，工程措施与管理不当，极易发生突水突泥。断层破碎带突涌一般从掌子面上方一点首先进行小规模涌水涌泥，涌泥后通道出现“瓶塞效应”，短暂停止，几个小时候集聚的泥水势能冲破“瓶塞”，形成第二次大规模突泥涌水，循环往复多次后逐渐往断层深处传导，埋深较浅的最终会传导至地表，地表出现塌陷。

近年来，我国在多条隧道施工中发生过涌水突泥地质灾害，富水断裂带隧道施工中涌水突泥灾害不仅造成较大经济损失，同时影响施工安全。[1-3]

1 工程概况

1.1 工程简介

高原某铁路隧道位于四川省甘孜州康定市境内，靠近G318 国道，出口距离康定机场较近，交通较便利。隧道穿越康巴第一关折多山，全隧长度约20km，进口海拔约3200m、出口海拔约3700m，最大埋深约1200m，采用3%纵坡。隧道地质构造非常复杂、地质条件差，全隧以软质的砂板岩为主，软岩占比76%。

1.2 设计简介

该隧道进口段与折多塘断裂及支断层小角度相交，围岩破碎、地下水发育、断裂带影响范围较大，进口钻孔及地质资料揭示，进口段受构造影响严重，呈砂状全风化花岗岩，地下水位较浅，进口段位于地下水位线以下。隧道进口平导洞身穿越折多塘断裂带段，正洞200m 段穿越折多塘断裂带段。

2 施工灾害防治技术

2.1 突泥涌水灾害防控技术[4-5]

2.1.1 现场施工情况

该铁路隧道正洞施工进入折多塘活动断裂带段落，按VI 级围岩施工，开挖揭示及超前地质预报判定仅局部段落存在少量渗水。进入折多塘断裂带施工86.5m，距离折多塘活动断裂主破裂面约15m，开挖揭示围岩为全风化花岗岩，呈砂土状，局部夹块状，掌子面潮湿，稳定性差。

超前水平钻孔及管棚钻进至约10m 处时，局部管棚出现渗水并夹带泥沙流出。超前地质预报TSP 揭示：前方围岩波速下降，推测该段水量有所上升，围岩稳定性下降，易坍塌。根据超前地质预报综合报告结论：预报岩性为细粒二长花岗岩，基岩以全风化为主，局部风化不均匀，围岩破碎～极破碎，围岩稳定性差，局部含水量较大，且该段穿过F10 折多塘活动断裂主断裂，岩体蚀变现象严重，遇水极易崩塌，极易发生涌水、突泥现象。钻孔孔内情况见图1。

图1 钻孔孔内渗水夹带泥沙流出

2.1.2 处治方案[6-8]

正洞进入折多塘活动断裂段施工86.5m，距离折多塘活动断裂主破裂面约15m，考虑到平导已出现涌突以及掌子面地质条件，考虑“先加固，后通过”，因此研究了洞内水平旋喷桩、帷幕注浆加固及管幕方案。

①超前排水。

在进口平导左侧拱墙往正洞侧设置3 排横向仰斜式ф91 超前排水孔，纵向间距10m；钻孔内设置ф76 钢花管，其外裹100~200 目滤网，管口设置法兰，并用密封胶泥填塞管口段。超前排水孔与线路大里程方向夹角97°18'58"，超前排水孔与水平夹角19°30'0"，单根长48.32m。平导施工正洞侧横向超前排水孔见图2。

图2 平导施工正洞侧横向超前排水孔

②超前加固方案。

管幕方案需要扩挖施作工作室，长度7m，外扩1.5m，需要首先施工工作室，施工风险较高。其次，对于帷幕注浆方案，通过进口段全风化花岗岩地表注浆芯样完整性检测结果和开挖揭示，洞口段花岗岩全风化层具有一定的可注性，但考虑此处埋深更大，花岗岩注浆效果难以保证。同时考虑正洞距离活动断裂带主破裂面较近，为保险起见，采用固结体强度相对较高、阻水性相对好、加固体均质性较好的水平旋喷桩方案。

正洞采用水平旋喷桩预加固，水平旋喷桩纵向间距10m 一环，每根旋喷桩桩长15m。上半掌子面采用Φ600水平旋喷桩加固，桩长15m，10m 一环，共设6 根。每环共计91 根（含上台阶6 根）。正洞水平旋喷桩正面布置图见图3。

图3 正洞水平旋喷桩正面布置图

2.1.3 处治效果

掌子面开挖揭示为二长花岗岩，风化不均，以全风化为主，局部夹强风化碎块，围岩破碎~极破碎，掌子面少量渗水，左侧拱顶滴水，超前探孔及平导往正洞施作的3 孔泄水孔水量明显减少，孔口少量渗水。

经研究判定，该段以全风化为主，局部夹强风化碎块，正洞超前钻孔、平导往正洞施作的超前泄水孔降水效果明显，该地层强风化碎块状局部较为集中，旋喷桩适应性一般。因此，取消第三环水平旋喷桩，改为ϕ89 管棚+ϕ42 外插角小导管。

2.2 冒水处治技术

2.2.1 现场施工情况

隧道超前管棚探孔共施作3 孔，最大出水水量约17.5m3/h。在掌子面预留核心土位置施作1 超前水平取芯钻，超前水平钻取芯揭示，掌子面前方以全风化砂土状花岗岩为主，29.0～30.5m 段为断层泥，呈流塑状粉质粘土状，手捏有砂感。35～38m：钻速均匀，无突进，孔内流泥浆，钻进约1m 后，泥浆流量减小，钻至37m 处出现卡钻。

2.2.2 处治方案[9-10]

①超前泄水。

加强洞内泄水，对1-1、2-1、2-2 号管棚钻孔进行加深，长度30m，利用加深钻孔进行泄水；于正洞上台阶掌子面设置3 个水平ϕ91 泄水孔，左中右各一个，单根长度30m；于中台阶掌子面中部设置2 个水平ϕ91 泄水孔，单根长度30m；于中台阶掌子面两侧设置2 个水平ϕ91 泄水孔，左右各一个，单根长度30m，并与线路前进方向呈5°外插角。正洞泄水孔布置见图4。

图4 正洞泄水孔布置图

于平导左侧拱墙往正洞侧设置9 排横向仰斜式ϕ91超前泄水孔，纵向间距5m，上、中、下交错布置。超前排水孔与水平方向夹角5°~20°，单根长51.05~54.01m。泄水孔钻孔内设置2m 长ϕ76 钢花管，其外裹100~200 目滤网，管口设置法兰，并用密封胶泥填塞管口段。

②超前加固。

隧道上半断面拱部采用ϕ89 大管棚+ϕ42 小导管超前注浆加固，开挖工法采用三台阶法，按设计方案施作。

2.2.3 处治效果

①超前探孔兼泄水孔。

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

图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，总体出水量逐渐衰减，各个泄水孔总出水量由38 方/小时明显减少至3.8 方/小时。

②平导往正洞泄水孔。

从平导往正洞施作横向泄水孔，长度55m，钻进情况如下：

泄水孔施作至正洞掌子面前方44.4m 处，钻进至约30m 处，孔内出清水，钻至35m 处水量加大，水量加大后，实测约4.87m3/h。

3 结论

高原铁路某隧道进口活动断裂带围岩级别为Ⅵ级，以全风化、松散砂土状花岗岩为主，岩质松软、破碎，遇水易崩解，突涌风险极高，施工中应严格遵循“重地质、管超前、严注浆、短进尺、强支护、勤量测、早封闭”的原则，严格执行隧道施工相关规定的同时，提高现场施工地质判识和应急处置能力。

①将超前地质预报作为一道重要工序纳入日常管理，超前预报实施严格落实“物探先行、有疑必钻、有水必查、有突必取”的方针，采用多种预报手段相互印证，综合研判，真正做到“围岩为本，地质先行”。

②合理布置超前钻孔及长度，安排专人对钻进速度、孔内流水、流砂、突进等情况详细记录，如有异常，位于掌子面左右两侧及拱顶各施作一孔超前钻孔（不取芯），根据钻孔情况确定是否需继续增设施作超前钻探，进一步探明掌子面前方地质情况，并根据钻探情况确定下一步超前钻孔位置。

③断层破碎带富水段落可采用长短结合泄水孔并充分利用平导施作横向泄水孔实现探水、泄水，根据泄水情况动态调整工程措施，采用加强超前支护、轻量化超前注浆、帷幕超前注浆等措施。

④通过钻孔取芯验证，芯样取芯率达及芯样抗压强度等相关指标，验证注浆效果。