衢宁铁路鹫峰山一号隧道高压富水断层处治技术

王伟

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038）

高压富水断层内岩体破碎，自稳能力差，高压水作用下易发生塌方失稳，处理不当可能引发突涌水灾害，影响隧道施工安全，甚至破坏区域水文环境。

鹫峰山一号隧道全长16 646.16 m，是衢宁铁路全线重点控制工程，设计速度160 km∕h，隧道内设置单面上坡，隧道最大埋深约790 m，设置2座斜井组织施工。隧道穿越断层13条，富水性好，环境保护要求高，施工存在涌水突泥风险［1-2］。本文通过对其高压富水断层特征详细分析和研究，提出相应的工程处治对策，为隧道安全快速通过高压富水断层提供技术支撑。

1 高压富水断层特性分析

1.1 地质勘察情况

鹫峰山一号隧道F7 和F8 断层于燕山晚期第四次侵入细粒花岗岩中，与线路交角约43°，隧道埋深约500 m，断层产状300°∠82°，视倾角79.0°，物探EH⁃4揭示电阻率呈低阻凹陷特征，深孔钻探揭示断层内见断层泥，少量角砾岩化、硅化及褐铁矿化，岩石风化较强烈，岩体破碎，节理裂隙发育，F7 和F8 断层及影响带分别长约120 m，围岩级别为Ⅴ级，深孔抽水试验表明断层段渗透系数为0.70 m∕d，透水性能相当于粉土，断层与地表老虎岔水库存在一定的水力联系，富水性较好，为强富水段落，预测断层段涌水量约2万m3∕d。断层与隧道关系见图1。

图1 断层段隧道纵剖面示意

1.2 超前地质预测预报情况

断层段采用TSP弹性波法、地质雷达、超前钻探及孔内成像、地下水连通性试验等综合预报方法。根据超前钻孔情况，断层段内围岩为细粒花岗岩，浅肉红色，个别段落发育辉绿岩岩脉，节理裂隙较发育，岩体较完整～较破碎，地下水较发育，超前探孔单孔实测水量约30 m3∕h、水压达4.3 MPa。

为判断断层与地表老虎岔水库（库容2 000 万m3，是当地居民的饮用水源）的水力联系情况，于2017年8月18日和10月15日分别进行了同位素测试取样及检测，发现地表水库水与洞内钻孔涌水短时间内无直接相关性，但随着断层内介质的逐渐流失，渗透系数逐渐增大，断层与地表水的联系将逐步加强，可能诱发突涌水。

1.3 断层特性分析

根据深孔钻探和超前地质预报资料，F7 和F8断层段埋深约500 m，实测水压达4.3 MPa，表明断层与地表老虎岔水库存在一定的水力联系，但断层带内岩体渗透性较差，渗透系数较小，相当于粉土。钻孔揭示断层段涌水量不大，但实测水压力高，达4.3 MPa。断层对隧道的影响主要是高水压条件下施工安全和运营期隧道结构安全问题，隧道注浆方案和衬砌结构水压力计算是本工程的重点和难点［3-4］。

2 高压富水断层工程对策

根据隧道高压富水断层特征，综合考虑施工安全、工期、经济等因素，F7 和F8 断层采取“超前注浆加固、衬砌结构加强、分区防水、安全监测、综合治理”的原则进行处理。

2.1 防排水原则

鹫峰山一号隧道F7和F8断层顶部为老虎岔水库，水库为地方饮水水源，隧道大量排水将会对地表水环境造成较大影响，不符合目前可持续发展对环境的要求，应遵循“以堵为主，限量排放”的设计原则，结合高压富水断层段工程水文地质情况，该段隧道限量排放的控制标准设定为不大于3.0 m3∕（m·d）。隧道衬砌背后设置“半包”防排水系统，及时将渗入隧道内的地下水通过纵环向排水管引排至隧道两侧水沟，如图2所示。

图2 “半包”防排水系统设计

2.2 注浆加固设计

2.2.1 加固范围

加固范围按渗流场理论解析公式进行计算确定［5-6］，计算模型见图3，理论解析式见式（1）和式（2）。

图3 注浆帷幕体稳定性检算模型

式中：σr为径向应力；σt为切向应力；P为水土荷载。

根据隧道开挖断面大小，隧道半径可等效为4.5 m，水荷载取4.3 MPa，结合鹫峰山一号隧道断层段工程地质、水文地质条件和开挖断面尺寸，断层段注浆加固圈厚度与加固圈内最大应力的关系如图4所示。

图4 注浆加固圈厚度与加固圈内最大应力的关系

由图4 可知，当注浆半径大于9.5 m 后，增加注浆加固圈厚度，帷幕体内最大压应力的减小幅度很小；同时，根据勘探取芯及现场试验，断层段内岩体抗压强度不小于10.0 MPa，综合分析断层段注浆加固圈半径取9.5 m较为合适，即注浆加固圈厚度确定为5.0 m。

2.2.2 注浆方案

断层段出水量不大，但静水水压力较高。为防止局部裂隙或破碎带在高压水作用下发生介质流失进而诱发较大涌水，断层段采取超前5 m 周边预注浆加固方案，控制地下水排放，注浆段每循环长30 m。结合现场注浆设备实际情况和台阶法施工现状，注浆开口仅布置在上半断面，注浆设计见图5，注浆参数见表1。

图5 超前5 m周边预注浆设计（单位：cm）

表1 超前5 m周边预注浆参数

2.3 衬砌结构参数确定

2.3.1 外水压力确定

图6 隧道结构体系渗流模型

高压富水隧道衬砌结构外水压力可按图6渗流场模型和式（3）—式（5）计算确定［7］。式中：Q1为衬砌结构体系排放量；P1为衬砌结构上的外水压力；P3为围岩外缘水头，P3=ρ g H，其中ρ为水的密度，g为重力加速度。

根据鹫峰山一号隧道高压富水断层工程水文地质条件，该段围岩渗透系数K3约为8× 10-6m∕s。假定衬砌渗透系数K1分别为1×10-9，1×10－8，5×10－8，1×10－7，5×10－7，1×10－6m∕s；K3∕K2分别为1，10，50，100；根据式（3）和式（4）计算出衬砌排水量与衬砌外水压力折减系数关系，见图7（计算时r1=4.5 m，r2＝5.0 m，r3＝10 m）。

图7 衬砌外水压与隧道排水量的关系

由图7 可知，鹫峰山一号隧道断层段“以堵为主，限量排放”的限量标准为3.0 m3∕（m·d），且当K3∕K2=50时（注浆加固体后渗透系数是加固前的2%），折减系数将小于0.10，因此，取0.1 计算衬砌外水压力P1=0.10 × 430 × 104＝0.43 MPa。

2.3.2 支护结构确定与检算

根据以上确定的衬砌外水压力大小，通过模拟计算结合工程类比，确定了鹫峰山一号隧道高压富水断层段采用加强型复合式衬砌结构，见图8。

图8 隧道加强型复合式衬砌设计（单位：cm）

2.4 分区防水设计

为防止F7 和F8 断层段地下水纵向窜流，确保相邻段隧道结构的运营安全，采取分区防水设计，在F7和F8 断层两侧设置2 处阻水榫，尺寸为1.0 m×1.0 m（宽×高），阻水榫位置取消纵、环向排水管和防水板，两侧形成相对独立的防排水系统，见图9。

图9 隧道分区防水设计（单位：cm）

2.5 结构安全监测

为掌握隧道施工完成后衬砌结构承受的外水压力和结构内力状态，验证衬砌结构的长期安全性，总结工程经验，完善设计理论，对鹫峰山一号隧道高压富水断层衬砌结构进行安全监测，共布置3 个监测断面（DK295+060，DK295+085 和DK295+110），监测项目包括水压力监测和二次衬砌内力监测，见图10。

现场采用无线监测技术，从2018 年5 月2 日开始监测，经过近2 年连续不断地数据收集，二次衬砌混凝土内最大压应力为2.58 MPa，最大拉应力为1.33 MPa，衬砌外最大水压力为0.12 MPa。监测结果表明，二次衬砌结构承受的外水压力较小，混凝土内力也较小，隧道结构处于安全可控状态。

图10 监测测点布置

3 结论

通过分析鹫峰山一号隧道高压富水断层工程水文地质特征，结合理论分析计算，采取“超前注浆加固、衬砌结构加强、分区防水、安全监测、综合治理”的原则，成功解决了4.3 MPa 高压富水断层的安全施工和结构设计问题，实现了安全、快速施工，为衢宁铁路Ⅰ级风险隧道的顺利贯通提供了保障。

1）超前地质预测预报是处理复杂地质问题的基础，通过开展综合地质探测和分析，特别是利用孔内成像技术，能充分掌握高压富水断层段工程水文地质情况，为断层处理方案提供可靠依据。

2）高水压是影响断层段隧道施工安全和结构运营安全的主要因素，通过理论分析和现场实践，采取超前注浆能有效控制地下水的排放，降低施工阶段和运营阶段隧道结构外水压力，因此，现场施工过程中必须严格管控注浆过程，确保注浆达到设计效果。

3）在“堵排结合”原则和注浆加固情况下，隧道结构承受的外水压力可以大幅度折减，具体应根据断层工程水文地质特征和注浆加固效果综合确定。隧道结构应考虑一定的水压力作用，采用钢筋混凝土加强型复合式衬砌。

4）在高压富水断层两侧设置阻水榫，实现分区防水，能有效防止地下水纵向窜流，确保断层临近段落隧道结构的长期运营安全。