梁山隧道深埋富水陡傾軟弱帶突水涌泥機制分析及旋噴技術(shù)

吳培榮

(東南沿海鐵路福建有限責任公司，福建福州 350013)

0 引言

廈深鐵路梁山隧道段穿越L7深風化富水陡傾軟弱構(gòu)造，沿花崗巖張性構(gòu)造帶多次侵入輝綠巖及閃長玢巖，在地下水化學作用下，與其兩側(cè)的中酸性花崗巖體產(chǎn)生差異風化，形成帶狀深埋富水全風化的軟弱帶，這種情況在國內(nèi)外較為少見。其具有規(guī)模巨大、軟弱夾層成帶狀，埋深大、涌水突泥至地表塌陷，極為富水、水量大、水壓高，軟弱夾層近乎直立及軟弱帶物質(zhì)組成復(fù)雜等重要特征。

國內(nèi)對淺埋、軟巖、黃土、高壓富水巖溶隧道遇塌方、涌水突泥等情況的處治措施較多，一般情況下的處理方法已較為成熟［1－7］;但對于梁山隧道這種集高壓、富水、陡傾等不良地質(zhì)環(huán)境于一體的軟弱帶研究甚少。本文以梁山隧道深埋富水陡傾軟弱帶基礎(chǔ)，研究后續(xù)預(yù)加固方案的可行性及其施作工藝，為類似工程提供一定的理論基礎(chǔ)及參考方案。

1 工程概況

梁山隧道位于福建省漳州市漳浦縣和云霄縣境內(nèi)，進口里程DK94+000，出口里程DK103+888，全長9 888 m，隧道最大埋深680 m，為廈深鐵路控制工程之一。

線路坡度為人字坡，其中進口位于3.1‰的上坡，出口位于5‰的下坡。該隧道共設(shè)進口、出口、1#斜井、2#斜井4個工區(qū)。

梁山隧道所在構(gòu)造單元為閩東火山斷坳帶的福鼎——云霄斷陷帶，該斷陷帶呈北東向帶狀展布，長480 km，寬50～80 km，是福建最主要的火山噴發(fā)帶，在漫長的地質(zhì)歷史時期中，形成多旋回的構(gòu)造運動、多期次的巖漿活動及多期的變質(zhì)作用，構(gòu)造復(fù)雜。后期斷裂發(fā)育，褶皺不顯著，巖漿侵入活動極為強烈，除燕山早期重熔型石英閃長巖、花崗閃長巖及黑云母花崗巖外，還有燕山晚期橄欖巖、輝長巖、閃長巖及晶洞花崗巖等。福建省斷裂系統(tǒng)略圖見圖1。

圖1 福建省斷裂系統(tǒng)略圖Fig.1 Fracture system in Fujian，China

地下水主要為殘積層中孔隙水和基巖裂隙水兩種。貫通后，最大總涌水量為47 280 m3/d。涌水量穩(wěn)定后，進口端4 800 m3/d，出口端9 600 m3/d，為最大涌水量的1/3。

2 突水涌泥及洞頂塌陷情況

1#斜井工區(qū)施工至正洞DK96+505附近時揭示一帶狀深風化富水陡傾軟弱構(gòu)造，2009年3—4月先后發(fā)生多次突水涌泥災(zāi)害，總涌泥量約20 000 m3。其中，2009年3月16日，首次突發(fā)涌水突泥，累計涌泥量約為2 000 m3，將在掌子面鉆孔噴錨臺車推出約70 m;3月19日，累計涌泥量達8 000 m3，再次將臺車推出約30 m。突水涌泥已基本充滿隧道斷面。

2009年4月6日再次發(fā)生突水涌泥，同時洞頂發(fā)生塌陷。陷坑處隧道埋深270 m，陷坑近似橢圓形，上寬下窄，長軸長約57 m，短軸寬約33 m，深15～25 m，陷坑面積約900 m2，深15～25 m。

2010年3月迂回導坑施工進入軟弱構(gòu)造帶7.5 m時(DK96+528.5)，再次發(fā)生多次間歇性突水涌泥，總涌泥量約5 500 m3，原地表塌陷區(qū)坑底再次發(fā)生坍塌，成漏斗形加深約15 m。

3 突水涌泥特征及其致災(zāi)機制

3.1 歷次突水涌泥特征

通過對比分析2009年3—4月的突水涌泥和2010年的突水涌泥過程，經(jīng)歸納總結(jié)主要表現(xiàn)為以下特征:

1)突水涌泥的物質(zhì)成分相同，均為淺成基性和中性侵入巖的深層全風化巖體，構(gòu)造軟弱帶為一巖墻產(chǎn)狀，由二序次突水涌泥進入隧道的物質(zhì)揭示巖墻內(nèi)物質(zhì)成分較穩(wěn)定。

2)突水涌泥過程一致，均經(jīng)歷了初始—發(fā)展—大規(guī)模涌泥—地表塌陷階段，地下水表現(xiàn)為在每次涌泥前后基本都經(jīng)歷了清澈—渾濁—極為渾濁—較清澈—清澈的過程，先突水后涌泥。

3)2次突水涌泥起始發(fā)生位置均在右側(cè)拱腰位置。地表陷坑位置兩次均在同一位置，2次形成陷坑的時間與洞內(nèi)涌泥的時間差均較短。

4)在每次有較大規(guī)模涌泥前均由聲響發(fā)生，這表明軟弱帶內(nèi)在涌泥發(fā)生后存在空腔體，風化巖體在弱自穩(wěn)性狀態(tài)下，空腔體頂部物質(zhì)在地下水和重力作用下坍塌至空腔底部。

5)每次發(fā)生大規(guī)模涌泥后，一般需要更長的間隔時間才會發(fā)生再次涌泥。

6)地表溝槽的地表水有斷流或水量減少等現(xiàn)象，揭示構(gòu)造軟弱夾層帶內(nèi)地下水與地表水有直接的水力聯(lián)系，突水涌泥過程亦與地表水系有直接的水力聯(lián)系。

3.2突水涌泥形成過程分析

可以將涌泥過程分為3個階段:

1)初始階段。開挖形成臨空面后，注漿固結(jié)圈外靠正洞側(cè)的坍方體內(nèi)積水，沿著注漿效果稍差地段的孔隙流出，形成動水，在滲透壓力作用下，不斷掏蝕和運移土體，空洞形成的管道不斷擴大。

2)發(fā)展階段。經(jīng)過初始階段后，形成了一個較為順暢的管道和臨空面，使動水的運移速度加快，引發(fā)中小規(guī)模的涌泥。隨著涌泥不斷的發(fā)展，原狀土體被不斷破壞，涌泥口在逐漸擴大，形成了新的更大臨空面;同時涌泥前可聽到坍塌聲響，可判斷加固圈外的松散土體在地下水及重力作用下，不斷坍塌堆積，并且暫時封堵住涌泥口，形成暫時的平衡，隨著空腔內(nèi)不斷聚集地下水和坍塌土體，超過平衡后涌泥口發(fā)生破壞形成新一輪的涌泥。

3)形成階段。經(jīng)過發(fā)展階段的多次涌泥后，空腔體不斷擴大，形成更大的臨空面，進而使周邊的含水松散土體在重力作用下向臨空面方向匯聚，為更大規(guī)模的涌泥創(chuàng)造條件，同時迂回導坑的空腔體和正洞坍塌體逐步接近直至連通。該階段特征表現(xiàn)為涌泥的間隔時間更長、規(guī)模更大，說明在爆發(fā)階段，由于每次涌泥后在洞內(nèi)形成一定長度的涌泥體起到“塞子”的作用，而同時每次涌泥是坍塌體內(nèi)的含水土體在重力作用下，不斷向前次涌泥后形成的空腔內(nèi)聚集，當累積到一定高度時，其形成的壓力打破洞內(nèi)“塞子”平衡，繼而發(fā)生再次涌泥。

3.3 突水涌泥地質(zhì)成因分析

本隧位于兩區(qū)域性深大斷裂帶(長樂—南澳斷裂帶、角美—大步斷裂帶)之間，最大主壓應(yīng)力方向近似垂直線路(NW)，最大主拉應(yīng)力方向近似平行線路NE，在最大主拉應(yīng)力作用下，在本段形成了NW向張性構(gòu)造裂隙帶，同時后期多次基性侵入巖輝綠巖及和中性侵入巖巖閃長玢巖，在侵入蝕表作用、地下水化學作用下，與其兩側(cè)的中酸性花崗巖體產(chǎn)生差異風化，形成帶狀深層風化巖體。在后期的多次構(gòu)造作用和化學風化作用進一步強化下，巖體破碎呈強風化、全風化碎塊及砂、土狀，富含地下水，構(gòu)造軟弱夾層呈飽水狀態(tài)。

構(gòu)造軟弱夾層全風化物質(zhì)厚9～11 m，強風化物質(zhì)厚10～14 m，且軟弱帶與線路交角為65°，傾角近于直角。隧道施工開挖揭露構(gòu)造軟弱層后，富水狀態(tài)的構(gòu)造軟弱夾層內(nèi)原來平衡的滲透壓力，在短時間內(nèi)集中指向隧道掌子面，形成極高的滲透壓力差;同時由于構(gòu)造軟弱夾層的揭露，產(chǎn)生了地下臨空通道，原來夾持狀態(tài)的全風化物質(zhì)在地下水滲透壓力作用和自身重力作用下，呈泥砂水狀態(tài)涌入隧道，形成突水涌泥。

4 地表塌陷機制分析

從梁山隧道的實際地質(zhì)條件和突水過程分析，隧道內(nèi)帶狀深風化富水陡傾軟弱構(gòu)造的塌陷與地表的自然溝渠中的水存在水力聯(lián)系，但是由于隧道埋深較大，地表水的下滲所需時間較長，結(jié)合梁山隧道突水突泥的實際記錄情況，可以認為地表水下滲對隧道涌水突泥的影響較小。另外，在施工過程中可能爆破振動對巖層有一定的影響，但是在有超前支護措施保護的條件下，振動荷載不足以使地層產(chǎn)生直接破壞。

對于梁山隧道開挖至軟弱帶導致的塌陷，施工開挖的掌子面形成新臨空面處，原有地下水流失，且臨空面原有的滲流壓力水頭消失，短時間內(nèi)突增巨大滲透壓力，形成突水涌泥流出后，向上方及側(cè)向牽引。同時由于地下水位線下降，空腔體附近的巖土體有效應(yīng)力增加，隧道在掏蝕、牽引和重力的綜合作用下，引起上方塌陷。因此，可以認為地下水位急劇下降是梁山隧道L7深風化富水軟弱構(gòu)造帶塌陷的主要原因。從軟弱構(gòu)造帶的揭露到地表發(fā)生塌陷主要可以分為以下5個過程:接近軟弱帶—揭露后涌水—泥水混合物—產(chǎn)生空腔—巖土體塌陷。

5 軟弱帶預(yù)加固方案

目前國內(nèi)外在應(yīng)對突水涌泥、塌方、軟弱構(gòu)造帶等不良地質(zhì)時采用的預(yù)加固手段主要為:超前帷幕注漿預(yù)加固、凍結(jié)法預(yù)加固及水平旋噴預(yù)加固3種方法?，F(xiàn)場經(jīng)過調(diào)研［8－9］、理論分析及試驗，得到以下結(jié)論:1)水平旋噴預(yù)加固，對地層改良、止水以及對隧道支護體系的受力均有明顯的效果，經(jīng)理論計算和數(shù)值分析，加固圈厚度在1.5～3.0 m范圍內(nèi)作用效果最為明顯;2)試驗結(jié)果證明在L7軟弱帶的復(fù)雜地層中可實現(xiàn)長距離(30 m)水平旋噴，旋噴樁比較均勻、致密、連續(xù)且相互咬合，加固體強度可達3 MPa，可實現(xiàn)形成具有一定強度的加固圈的設(shè)計構(gòu)想，以此強度計算，加固圈厚度1.55 m為宜;3)30 m后因離散性可能出現(xiàn)的咬合盲區(qū)，可采用大管棚補注漿或者局部注漿及末端補旋噴等方式進行補強，確保安全。

5.1 水平旋噴預(yù)加固具體設(shè)置

于擬施作特殊加強襯砌開挖輪廓線外拱墻范圍設(shè)置4環(huán)水平旋噴注漿預(yù)加固，旋噴體厚1.55 m，其中外側(cè)3環(huán)水平旋噴體主要作用為地質(zhì)改良承載和阻水，內(nèi)側(cè)1環(huán)水平旋噴體的主要作用是地質(zhì)改良后為超前大管棚鉆孔創(chuàng)造條件;為防止發(fā)生隧道底鼓或管涌破壞，仰拱底部設(shè)置2環(huán)水平旋噴注漿預(yù)加固，旋噴體厚0.85 m。

旋噴鉆孔長40 m，環(huán)向外傾角2.5%，施工傾角按水平旋噴試樁參數(shù)調(diào)整，旋噴鉆孔應(yīng)進入軟弱帶對側(cè)推測界面5 m，軟弱帶內(nèi)最小旋噴體直徑500 mm，每環(huán)水平旋噴體環(huán)向中心間距為0.35 m，相鄰旋噴體相互咬合的設(shè)計值為0.15 m;相鄰環(huán)水平旋噴體中心間距0.35 m，交錯布置，相互咬合;旋噴體設(shè)計抗壓強度≥3 MPa。

圖2和圖3分別為構(gòu)造帶綜合超前預(yù)加固正面及縱斷面。

5.2 正洞掌子面水平旋噴樁改良補強

為改良正洞斷層涌泥體，提高掌子面的穩(wěn)定性及抗沖蝕能力，于正洞掌子面施作水平旋噴樁加固補強。

掌子面水平旋噴體旋噴鉆孔至斷層對側(cè)基巖，最小旋噴直徑500 mm，間距1.2 m×1.2 m，交錯布置;旋噴體抗壓強度不小于3.0 MPa。掌子面共設(shè)置水平旋噴體105根，總長4 200 m。

圖2 深埋富水陡傾軟弱帶預(yù)加固橫斷面圖(單位:cm)Fig.2 Cross-section showing advance reinforcement of deep-covered water-rich steep fracture zone(cm)

圖3 深埋富水陡傾軟弱帶預(yù)加固縱斷面圖(單位:cm)Fig.3 Profile showing advance reinforcement of deep-covered water-rich steep fracture zone(cm)

5.3 水平旋噴預(yù)加固實施效果檢驗標準

水平旋噴加固效果主要是通過檢查孔觀測法及巖芯檢測法，并利用管棚鉆孔，檢測其水泥結(jié)石體抗壓強度、均勻性、連續(xù)性，判釋旋噴加固圈的加固效果，設(shè)計要求旋噴加固效果達到以下標準。

1)樁體抗壓強度平均值不小于3 MPa，最小值不小于2.5 MPa。

2)檢測孔及開挖后掌子面及側(cè)壁不允許有股流。

3)旋噴加固體的鉆孔取芯率不小于70%。

若鉆孔檢驗旋噴效果不滿足以上設(shè)計要求，則視情況對加固薄弱區(qū)針對性進行補樁旋噴加固或注漿補加固，采用復(fù)合加固方式保證固結(jié)圈加固效果。

5.4 施工參數(shù)

采用旋噴鉆機打設(shè)水平孔，旋噴壓力為30 MPa、旋轉(zhuǎn)速度為15 r/min，提升速度為15～30 cm/min。

利用自制水平鉆機在相互咬合的水平旋噴體內(nèi)鉆孔后施工雙層大管棚并進行注漿。

5.5 現(xiàn)場效果鉆孔檢驗情況

在梁山隧道L7軟弱帶水平旋噴加固體中，共完成19個孔內(nèi)成像檢驗孔及9個取芯檢驗孔進行檢測，以及第二層拱部管棚孔的孔內(nèi)成像檢測。

根據(jù)孔內(nèi)成像及取芯檢驗:加固范圍軟弱帶揭示物質(zhì)基本為水泥土，且膠結(jié)較均勻，各孔孔壁90%呈光滑狀態(tài)。各孔孔口未見明顯出水，只有少量滲水;孔內(nèi)有局部地段滲水，個別孔有線狀出水點。點荷載測試平均強度為5.7 MPa，最小強度為4.8 MPa;標準試件抗壓強度測試獲取的平均強度為21.7 MPa，最小強度為13 MPa，水平旋噴加固圈設(shè)計抗壓強度為σs≥3 MPa，實測點荷載測試的最小強度為4.8 MPa。水平旋噴預(yù)加固體強度、止水效果及連續(xù)性均達到了設(shè)計要求，但局部位置仍有少量滲水，因此在開挖過程中應(yīng)結(jié)合注漿加固進行補強。

6 結(jié)論與體會

1)隧道開挖導致富水狀態(tài)的構(gòu)造軟弱夾層內(nèi)原來平衡的滲透壓力，在短時間內(nèi)集中指向隧道掌子面，形成極高的滲透壓力差;同時由于構(gòu)造軟弱夾層的揭露，產(chǎn)生了地下臨空通道，全風化物質(zhì)在地下水滲透壓力作用和自重力作用下，呈泥砂水狀態(tài)涌入隧道，形成突水涌泥;地下水位急劇下降是梁山隧道L7深風化富水軟弱構(gòu)造帶塌陷的主要原因。

2)水平旋噴預(yù)加固對地層改良、止水以及對隧道支護體系的受力均有明顯的效果，加固體強度可達3MPa，可形成具有一定強度的加固圈。

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