吴培荣

(东南沿海铁路福建有限责任公司，福建福州 350013)

0 引言

厦深铁路梁山隧道段穿越L7深风化富水陡倾软弱构造，沿花岗岩张性构造带多次侵入辉绿岩及闪长玢岩，在地下水化学作用下，与其两侧的中酸性花岗岩体产生差异风化，形成带状深埋富水全风化的软弱带，这种情况在国内外较为少见。其具有规模巨大、软弱夹层成带状，埋深大、涌水突泥至地表塌陷，极为富水、水量大、水压高，软弱夹层近乎直立及软弱带物质组成复杂等重要特征。

国内对浅埋、软岩、黄土、高压富水岩溶隧道遇塌方、涌水突泥等情况的处治措施较多，一般情况下的处理方法已较为成熟［1－7］;但对于梁山隧道这种集高压、富水、陡倾等不良地质环境于一体的软弱带研究甚少。本文以梁山隧道深埋富水陡倾软弱带基础，研究后续预加固方案的可行性及其施作工艺，为类似工程提供一定的理论基础及参考方案。

1 工程概况

梁山隧道位于福建省漳州市漳浦县和云霄县境内，进口里程DK94+000，出口里程DK103+888，全长9 888 m，隧道最大埋深680 m，为厦深铁路控制工程之一。

线路坡度为人字坡，其中进口位于3.1‰的上坡，出口位于5‰的下坡。该隧道共设进口、出口、1#斜井、2#斜井4个工区。

梁山隧道所在构造单元为闽东火山断坳带的福鼎——云霄断陷带，该断陷带呈北东向带状展布，长480 km，宽50～80 km，是福建最主要的火山喷发带，在漫长的地质历史时期中，形成多旋回的构造运动、多期次的岩浆活动及多期的变质作用，构造复杂。后期断裂发育，褶皱不显著，岩浆侵入活动极为强烈，除燕山早期重熔型石英闪长岩、花岗闪长岩及黑云母花岗岩外，还有燕山晚期橄榄岩、辉长岩、闪长岩及晶洞花岗岩等。福建省断裂系统略图见图1。

图1 福建省断裂系统略图Fig.1 Fracture system in Fujian，China

地下水主要为残积层中孔隙水和基岩裂隙水两种。贯通后，最大总涌水量为47 280 m3/d。涌水量稳定后，进口端4 800 m3/d，出口端9 600 m3/d，为最大涌水量的1/3。

2 突水涌泥及洞顶塌陷情况

1#斜井工区施工至正洞DK96+505附近时揭示一带状深风化富水陡倾软弱构造，2009年3—4月先后发生多次突水涌泥灾害，总涌泥量约20 000 m3。其中，2009年3月16日，首次突发涌水突泥，累计涌泥量约为2 000 m3，将在掌子面钻孔喷锚台车推出约70 m;3月19日，累计涌泥量达8 000 m3，再次将台车推出约30 m。突水涌泥已基本充满隧道断面。

2009年4月6日再次发生突水涌泥，同时洞顶发生塌陷。陷坑处隧道埋深270 m，陷坑近似椭圆形，上宽下窄，长轴长约57 m，短轴宽约33 m，深15～25 m，陷坑面积约900 m2，深15～25 m。

2010年3月迂回导坑施工进入软弱构造带7.5 m时(DK96+528.5)，再次发生多次间歇性突水涌泥，总涌泥量约5 500 m3，原地表塌陷区坑底再次发生坍塌，成漏斗形加深约15 m。

3 突水涌泥特征及其致灾机制

3.1 历次突水涌泥特征

通过对比分析2009年3—4月的突水涌泥和2010年的突水涌泥过程，经归纳总结主要表现为以下特征:

1)突水涌泥的物质成分相同，均为浅成基性和中性侵入岩的深层全风化岩体，构造软弱带为一岩墙产状，由二序次突水涌泥进入隧道的物质揭示岩墙内物质成分较稳定。

2)突水涌泥过程一致，均经历了初始—发展—大规模涌泥—地表塌陷阶段，地下水表现为在每次涌泥前后基本都经历了清澈—浑浊—极为浑浊—较清澈—清澈的过程，先突水后涌泥。

3)2次突水涌泥起始发生位置均在右侧拱腰位置。地表陷坑位置两次均在同一位置，2次形成陷坑的时间与洞内涌泥的时间差均较短。

4)在每次有较大规模涌泥前均由声响发生，这表明软弱带内在涌泥发生后存在空腔体，风化岩体在弱自稳性状态下，空腔体顶部物质在地下水和重力作用下坍塌至空腔底部。

5)每次发生大规模涌泥后，一般需要更长的间隔时间才会发生再次涌泥。

6)地表沟槽的地表水有断流或水量减少等现象，揭示构造软弱夹层带内地下水与地表水有直接的水力联系，突水涌泥过程亦与地表水系有直接的水力联系。

3.2突水涌泥形成过程分析

可以将涌泥过程分为3个阶段:

1)初始阶段。开挖形成临空面后，注浆固结圈外靠正洞侧的坍方体内积水，沿着注浆效果稍差地段的孔隙流出，形成动水，在渗透压力作用下，不断掏蚀和运移土体，空洞形成的管道不断扩大。

2)发展阶段。经过初始阶段后，形成了一个较为顺畅的管道和临空面，使动水的运移速度加快，引发中小规模的涌泥。随着涌泥不断的发展，原状土体被不断破坏，涌泥口在逐渐扩大，形成了新的更大临空面;同时涌泥前可听到坍塌声响，可判断加固圈外的松散土体在地下水及重力作用下，不断坍塌堆积，并且暂时封堵住涌泥口，形成暂时的平衡，随着空腔内不断聚集地下水和坍塌土体，超过平衡后涌泥口发生破坏形成新一轮的涌泥。

3)形成阶段。经过发展阶段的多次涌泥后，空腔体不断扩大，形成更大的临空面，进而使周边的含水松散土体在重力作用下向临空面方向汇聚，为更大规模的涌泥创造条件，同时迂回导坑的空腔体和正洞坍塌体逐步接近直至连通。该阶段特征表现为涌泥的间隔时间更长、规模更大，说明在爆发阶段，由于每次涌泥后在洞内形成一定长度的涌泥体起到“塞子”的作用，而同时每次涌泥是坍塌体内的含水土体在重力作用下，不断向前次涌泥后形成的空腔内聚集，当累积到一定高度时，其形成的压力打破洞内“塞子”平衡，继而发生再次涌泥。

3.3 突水涌泥地质成因分析

本隧位于两区域性深大断裂带(长乐—南澳断裂带、角美—大步断裂带)之间，最大主压应力方向近似垂直线路(NW)，最大主拉应力方向近似平行线路NE，在最大主拉应力作用下，在本段形成了NW向张性构造裂隙带，同时后期多次基性侵入岩辉绿岩及和中性侵入岩岩闪长玢岩，在侵入蚀表作用、地下水化学作用下，与其两侧的中酸性花岗岩体产生差异风化，形成带状深层风化岩体。在后期的多次构造作用和化学风化作用进一步强化下，岩体破碎呈强风化、全风化碎块及砂、土状，富含地下水，构造软弱夹层呈饱水状态。

构造软弱夹层全风化物质厚9～11 m，强风化物质厚10～14 m，且软弱带与线路交角为65°，倾角近于直角。隧道施工开挖揭露构造软弱层后，富水状态的构造软弱夹层内原来平衡的渗透压力，在短时间内集中指向隧道掌子面，形成极高的渗透压力差;同时由于构造软弱夹层的揭露，产生了地下临空通道，原来夹持状态的全风化物质在地下水渗透压力作用和自身重力作用下，呈泥砂水状态涌入隧道，形成突水涌泥。

4 地表塌陷机制分析

从梁山隧道的实际地质条件和突水过程分析，隧道内带状深风化富水陡倾软弱构造的塌陷与地表的自然沟渠中的水存在水力联系，但是由于隧道埋深较大，地表水的下渗所需时间较长，结合梁山隧道突水突泥的实际记录情况，可以认为地表水下渗对隧道涌水突泥的影响较小。另外，在施工过程中可能爆破振动对岩层有一定的影响，但是在有超前支护措施保护的条件下，振动荷载不足以使地层产生直接破坏。

对于梁山隧道开挖至软弱带导致的塌陷，施工开挖的掌子面形成新临空面处，原有地下水流失，且临空面原有的渗流压力水头消失，短时间内突增巨大渗透压力，形成突水涌泥流出后，向上方及侧向牵引。同时由于地下水位线下降，空腔体附近的岩土体有效应力增加，隧道在掏蚀、牵引和重力的综合作用下，引起上方塌陷。因此，可以认为地下水位急剧下降是梁山隧道L7深风化富水软弱构造带塌陷的主要原因。从软弱构造带的揭露到地表发生塌陷主要可以分为以下5个过程:接近软弱带—揭露后涌水—泥水混合物—产生空腔—岩土体塌陷。

5 软弱带预加固方案

目前国内外在应对突水涌泥、塌方、软弱构造带等不良地质时采用的预加固手段主要为:超前帷幕注浆预加固、冻结法预加固及水平旋喷预加固3种方法。现场经过调研［8－9］、理论分析及试验，得到以下结论:1)水平旋喷预加固，对地层改良、止水以及对隧道支护体系的受力均有明显的效果，经理论计算和数值分析，加固圈厚度在1.5～3.0 m范围内作用效果最为明显;2)试验结果证明在L7软弱带的复杂地层中可实现长距离(30 m)水平旋喷，旋喷桩比较均匀、致密、连续且相互咬合，加固体强度可达3 MPa，可实现形成具有一定强度的加固圈的设计构想，以此强度计算，加固圈厚度1.55 m为宜;3)30 m后因离散性可能出现的咬合盲区，可采用大管棚补注浆或者局部注浆及末端补旋喷等方式进行补强，确保安全。

5.1 水平旋喷预加固具体设置

于拟施作特殊加强衬砌开挖轮廓线外拱墙范围设置4环水平旋喷注浆预加固，旋喷体厚1.55 m，其中外侧3环水平旋喷体主要作用为地质改良承载和阻水，内侧1环水平旋喷体的主要作用是地质改良后为超前大管棚钻孔创造条件;为防止发生隧道底鼓或管涌破坏，仰拱底部设置2环水平旋喷注浆预加固，旋喷体厚0.85 m。

旋喷钻孔长40 m，环向外倾角2.5%，施工倾角按水平旋喷试桩参数调整，旋喷钻孔应进入软弱带对侧推测界面5 m，软弱带内最小旋喷体直径500 mm，每环水平旋喷体环向中心间距为0.35 m，相邻旋喷体相互咬合的设计值为0.15 m;相邻环水平旋喷体中心间距0.35 m，交错布置，相互咬合;旋喷体设计抗压强度≥3 MPa。

图2和图3分别为构造带综合超前预加固正面及纵断面。

5.2 正洞掌子面水平旋喷桩改良补强

为改良正洞断层涌泥体，提高掌子面的稳定性及抗冲蚀能力，于正洞掌子面施作水平旋喷桩加固补强。

掌子面水平旋喷体旋喷钻孔至断层对侧基岩，最小旋喷直径500 mm，间距1.2 m×1.2 m，交错布置;旋喷体抗压强度不小于3.0 MPa。掌子面共设置水平旋喷体105根，总长4 200 m。

图2 深埋富水陡倾软弱带预加固横断面图(单位:cm)Fig.2 Cross-section showing advance reinforcement of deep-covered water-rich steep fracture zone(cm)

图3 深埋富水陡倾软弱带预加固纵断面图(单位:cm)Fig.3 Profile showing advance reinforcement of deep-covered water-rich steep fracture zone(cm)

5.3 水平旋喷预加固实施效果检验标准

水平旋喷加固效果主要是通过检查孔观测法及岩芯检测法，并利用管棚钻孔，检测其水泥结石体抗压强度、均匀性、连续性，判释旋喷加固圈的加固效果，设计要求旋喷加固效果达到以下标准。

1)桩体抗压强度平均值不小于3 MPa，最小值不小于2.5 MPa。

2)检测孔及开挖后掌子面及侧壁不允许有股流。

3)旋喷加固体的钻孔取芯率不小于70%。

若钻孔检验旋喷效果不满足以上设计要求，则视情况对加固薄弱区针对性进行补桩旋喷加固或注浆补加固，采用复合加固方式保证固结圈加固效果。

5.4 施工参数

采用旋喷钻机打设水平孔，旋喷压力为30 MPa、旋转速度为15 r/min，提升速度为15～30 cm/min。

利用自制水平钻机在相互咬合的水平旋喷体内钻孔后施工双层大管棚并进行注浆。

5.5 现场效果钻孔检验情况

在梁山隧道L7软弱带水平旋喷加固体中，共完成19个孔内成像检验孔及9个取芯检验孔进行检测，以及第二层拱部管棚孔的孔内成像检测。

根据孔内成像及取芯检验:加固范围软弱带揭示物质基本为水泥土，且胶结较均匀，各孔孔壁90%呈光滑状态。各孔孔口未见明显出水，只有少量渗水;孔内有局部地段渗水，个别孔有线状出水点。点荷载测试平均强度为5.7 MPa，最小强度为4.8 MPa;标准试件抗压强度测试获取的平均强度为21.7 MPa，最小强度为13 MPa，水平旋喷加固圈设计抗压强度为σs≥3 MPa，实测点荷载测试的最小强度为4.8 MPa。水平旋喷预加固体强度、止水效果及连续性均达到了设计要求，但局部位置仍有少量渗水，因此在开挖过程中应结合注浆加固进行补强。

6 结论与体会

1)隧道开挖导致富水状态的构造软弱夹层内原来平衡的渗透压力，在短时间内集中指向隧道掌子面，形成极高的渗透压力差;同时由于构造软弱夹层的揭露，产生了地下临空通道，全风化物质在地下水渗透压力作用和自重力作用下，呈泥砂水状态涌入隧道，形成突水涌泥;地下水位急剧下降是梁山隧道L7深风化富水软弱构造带塌陷的主要原因。

2)水平旋喷预加固对地层改良、止水以及对隧道支护体系的受力均有明显的效果，加固体强度可达3MPa，可形成具有一定强度的加固圈。

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