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摘要：青岛黄岛区某地铁区间隧道穿越断层破碎带时发生突水涌砂地质灾害，为保证隧道施工安全及后续顺利开挖，对富水断层破碎带突水涌砂原因及力学形成过程进行分析。富水断层破碎带稳定性差，未进行有效加固，在开挖卸荷和爆破扰动双重作用下，岩体防突水层厚度超过临界状态，进而导致掌子面发生突水涌砂。考虑到地铁暗挖隧道施工空间狭小、材料运输不便等特点，采用以地表模袋注浆为主、洞内堵水注浆为辅的综合处治措施。结果表明: 注浆加固后的掌子面湿润无流动水，浆脉清晰可见，渗漏水量小于1． 5 L/( min•m) ，渗流通道得到有效封堵，保证隧道顺利通过突水涌砂段。

0 引言

随着我国城市轨道交通建设的迅猛发展，地铁隧道数量越来越多，隧道施工过程中发生突水、涌砂灾害也更加频繁，其中断层破碎带突水、涌砂的问题占比很大。突水、涌砂灾害会给隧道施工和运营带来极大危害，使工程遭受巨大损失^［1］。因此，有必要对隧道断层破碎带突水、涌砂力学机制及注浆加固处理技术等开展研究。

众多学者对断层破碎带突水、涌砂力学机制及其处治技术进行了研究。在机制研究方面: 李晓昭等^［2］分析断裂破碎带变形活化及其导水机制，提出断裂变形活化及导水具有时空效应的特点; 钱鸣高等^［3］从不同断层类型角度分别研究了相应的突水机制; 李利平等^［4］基于现场突水实例分析和数值模拟结果，认为应从突水通道形成的微观作用机制和突水失稳的宏观力学判据2 方面研究突水机制，并应考虑地质因素和工程因素的双重影响。在处治技术方面: 文献^{［5 － 9］}结合具体工程实例，详细介绍冻结法、泄能降压法和帷幕注浆加固法等隧道断层破碎带突水、涌泥处理控制技术，并进行适用性分析; 周军伟^［10］针对白云隧道突水、突泥情况，采用迂回导坑、注浆和管棚加固等综合措施处理。在地铁暗挖隧道预注浆加固方面: 钱庄等^［11］针对地铁区间砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道，提出采用袖阀管地面注浆技术对溶洞进行预加固处理;来弘鹏等^［12］根据西安地铁浅埋暗挖区间黄土隧道现场施工情况，采用二重管无收缩注浆技术对隧洞进行预加固; 刘俊成^［13］采用水平旋喷桩技术对地铁区间富水砂层进行预加固处理。上述研究多是针对大跨度深埋山岭隧道断层破碎带突水涌砂机制、处理技术及地铁暗挖隧道注浆预加固技术等方面，而在小跨度浅埋地铁隧道掌子面突水涌砂后期注浆加固处治技术方面的研究成果较少。

本文结合青岛黄岛区某地铁区间隧道断层破碎带突水、涌砂工程实例，在分析隧道突水、涌砂原因的基础上，提出适用于地铁暗挖隧道断层破碎带突水涌砂后期治理的地表模袋注浆结合洞内堵水注浆的综合处治措施，并对处治效果进行分析。

1 工程概况

1．1 设计概况

青岛黄岛区某地铁区间隧道为双洞单线隧道，右线区间隧道为Ⅵ围岩，隧道断面形式为马蹄形，开挖断面面积为42. 1 m2。隧道断面尺寸和部分支护参数见图1，采用复合式衬砌结构。初期支护采用中空注浆锚杆、锁脚钢管、超前小导管、钢筋网、喷射混凝土和格栅钢架。双排超前小导管采用直径为42 mm、壁厚3mm 的钢管，长度为3. 5 m，环纵间距0. 3 m × 0. 5 m，拱部120°布置; 采用8 mm 钢筋网单层布置，网络间距为0. 15 m × 0. 15 m; 格栅钢架间距为50 cm; 二次衬砌为模筑钢筋混凝土，初期支护与二次衬砌间设全封闭防水隔层。区间隧道Ⅵ级围岩采用上下台阶预留核心土爆破开挖法施工，施工目标为每循环开挖0. 5m，每日2 个循环，日进尺1 m。

图1 隧道横断面( 单位: mm)

1． 2 工程地质与水文地质概况

根据地质勘测资料，右线区间隧道于YCK12 +395 处开始通过F2 断裂带，断裂带以砂土状、块状碎裂岩为主，局部可见绿泥石、绿帘石化及断层泥砾，走向北东，倾向308°，倾角70° ～ 75°，断裂附近发育近南北向裂隙，近场区也多发育块状碎裂岩及节理密集带。右线隧道YCK12 + 395 处自上至下地层及其物理力学参数见表1，地层纵断面分布情况见图2，揭露地下水类型主要为第四系孔隙潜水、第四系孔隙承压水、上层滞水和基岩裂隙水，其中: 孔隙潜水和承压水主要赋存于第瑏瑢层含黏性土粗砾砂层，第四系孔隙上层滞水主要赋存于第①1层杂填土，基岩裂隙水主要赋存于角砾凝灰岩强中风化带及其节理密集带，地下水径流深度较大，径流方向复杂。

表1 地层物理力学参数

图2 YCK12 + 395 处地质纵断面( 单位: mm)

2 隧道突水、涌砂过程及原因分析

2． 1 隧道突水、涌砂过程

隧道右线从大里程往小里程方向开挖，实际于YCK12 + 400 处揭示横向夹泥断裂破碎带，比地勘提示里程YCK12 + 395 提前穿越断层破碎带。隧道进行上台阶爆破开挖，进尺0． 5 m，排烟后观察掌子面围岩情况，可见斜向上约45°夹泥断裂与垂直断裂相交于掌子面左侧。在挖掘机处理爆破废渣过程中，横向断裂带开始向下滑落，滑落面积不断增大，塌方范围约为掌子面左侧2 m × 2 m 范围，现场立即进行掌子面挂网喷浆和封闭工作，同时进行应急监测，此时掌子面滑落石渣约20 m3。在挂网喷浆过程中，掌子面左侧距拱顶1． 5 m 处发生突水、涌砂( 见图3) ，从塌方到掌子面重新稳定时段内，最大水压达0． 1MPa，最大涌水速度为2 m3 /min，总涌水量约432m3，总涌砂量约10． 5 m3，涌砂长度为5． 5 m。

图3 掌子面突水、涌砂

2． 2 突水、涌砂原因分析

突水、涌砂段位于断层破碎带处，围岩稳定性差，结构松散，节理裂隙发育，含导水通道封闭，充填有原岩碎块、泥土充填物，绿泥石化比较严重，同时断层破碎带上方是含黏性土粗砾砂地层，自稳性差，富含大量地下水，即构成隧道突水、涌砂的地质条件。现场施工过程中，地质勘查不明，掌子面前方地质发生突变，提前进入断层破碎带施工，未有效进行注浆加固，爆破开挖也对围岩产生较大的损伤扰动，含导水通道连通，导致地下水动力系统以及围岩力学平衡状态发生急剧变化，即构成隧道突水的工程因素。

2． 3 突水、涌砂力学分析

在隧道突水、涌砂地质条件和工程因素分析的基础上，进行隧道突水、涌砂力学过程分析，可为下一步制定处治措施提供理论依据。富水断层破碎带在开挖卸荷、爆破扰动等多种因素共同作用下，发生断层变形及导水活化，进而诱发隧道突水涌砂地质灾害，属于复杂的力学问题。李生杰等^［14］提出的双向受压涌水力学概化模型( 见图4) 物理意义明确，且简单易懂，应用广泛，因此本文采用该模型对隧道富水断层破碎带突水、涌砂失稳力学过程进行分析。

图4 双向受压涌水力学概化模型

断层面上的应力状态可表示为:

断层面发生变形活化导致隧道涌水时的应力状态为:

由Mohr － Coulomb 强度准则可得受孔隙水压力影响的岩体剪切强度

式中: σ'为有效应力; pw为孔隙水压力。

在隧道开挖至涌水失稳掌子面过程中，水压能量不断积聚，岩体防突水层厚度不断减小直至超过临界状态，此时σ3将变得很小，几乎接近于0，而且地下水的静力溶蚀和动力冲蚀导致cf与φf降低，从而导致断层面活化应力强度［σ1］active下降，不足以抵挡突涌混合物的重力、侵蚀力及冲击力，继而发生涌水现象; 同时地下水沿掌子面上方含黏性土粗砾砂地层渗入，由于掌子面围岩力学失稳滑动导致破裂带扩展，使地下水渗流速度超过砾砂细小颗粒发生管涌的临界状态，砾砂被地下水带走形成地下水动力裹砂失稳现象，继而发生突水、涌砂灾害。

3 隧道突水、涌砂综合处治措施

掌子面发生突水、涌砂后，现场立即采用临时抢险措施防止灾害进一步加剧。在明确隧道突水、涌砂发生的原因后，对断层破碎带进行注浆加固。一方面，考虑从地表运输材料、机械设备等至洞内不便，且洞内施工空间狭小、注浆机械设备布置有限、施工进度慢等因素; 另一方面，为保证注浆效果，需对洞内突水点进行有效拦截。综合考虑各方面因素，决定采用以地表模袋注浆为主、洞内堵水注浆为辅的综合处治措施。

3． 1 临时抢险措施

在掌子面围岩发生滑动后，现场立即反堆核心土，并进行掌子面挂网喷浆及封闭工作。在挂网喷浆过程中，掌子面左侧距拱顶1． 5 m 处发生突水、涌砂，立即采用临时抢险措施，即调用挖掘机、装载机调运爆破石渣反压回填掌子面突水涌砂点，反压回填石渣约90 m³后停止施工，然后依次进行袋装水泥封墙、掌子面挂网喷浆施工，并同时预埋4 根108 mm 钢管( 作为泄水口)和4 根注浆管，为后续突水、涌砂综合治理做准备。

3． 2 洞内堵水注浆

1) 钻孔布置。注浆孔孔位布置见图5，采用潜孔钻机成孔，孔径为75 mm，共设3 排注浆孔，采用跳孔钻进方式打设，孔底位于原掌子面向前2 m，角度斜向上5°，钻孔长度为10 m，每排注浆孔水平间距均为1m，每孔钻至孔底后即注浆。

图5 掌子面注浆孔布置( 单位: mm)

2) 注浆施工参数。先进行水下不分散浆液^［15］( 磷酸－水玻璃) 注浆施工，水玻璃密度为1． 38 g /cm³，波美度为40 °Bé，磷酸密度为1． 7 g /cm3，两者质量比为85%。注浆前先将水玻璃与水按1∶ 1 稀释成水玻璃溶液，磷酸与水按1∶ 10 稀释成磷酸溶液，再将2 种溶液按1∶ 1 混合均匀，扩散半径为1． 5 ～ 2． 0 m，注浆压力为1． 0 ～1. 5 MPa，浆液凝固时间控制在40 s，以便封堵突水、涌砂点。然后进行水泥－水玻璃双液浆注浆施工，水玻璃模数为2． 4 ～ 3． 4，波美度为( 35 ～ 40) °Bé，水灰质量比为1∶ 1，水泥水玻璃体积比为1∶ 0. 5 ～1∶ 1，注浆压力为0． 8 ～1． 2 MPa，注浆扩散半径为1 ～ 1. 2 m，浆液凝固时间控制在30 s。

3) 注浆效果检查。在堵水注浆完成后，参照文献^［16］，在拱顶、左拱腰和右拱腰位置各设1 个检查孔，共计3 个。若检查孔成孔完整，钻孔过程中没有发生突水、涌砂现象，钻孔流水量＜ 0． 1 L /( min•m) ，且检查孔放置1 h 后也没有发生突水、涌砂现象，则判断洞内堵水注浆效果达到要求; 否则应进行补孔注浆或重新设计。

3． 3 地表模袋注浆

3． 3． 1 模袋注浆加固原理

地表模袋注浆加固原理见图6: 注浆钻孔完成后，下放包裹模袋的钢花管，模袋长度为3 m。首先向模袋中注入浆液，使模袋充满浆液并压紧钻孔周边地层，通过模袋对目标注浆层以上的岩土体进行挤密加固，模袋与土体挤密加固区域形成止浆岩盘使浆液不能向上返浆，避免浆液在钻孔浅部进入地层造成无效的浆液扩散，保证浆液在钻孔注浆加固目标区域内注入地层，从而实现浆液在目标区域的有效留存。为避免注浆管端阻碍浆液扩散，留设1 m裸孔段作为进浆段。

图6 模袋注浆加固原理( 单位: mm)

3． 3． 2 注浆加固范围、材料及参数

1) 注浆加固范围。根据隧道区域地质资料及注浆加固需求，地表注浆加固范围左右边界为隧道轮廓线以外2 m，上边界为拱顶以上3 m，下边界为拱顶以下5 m。

2) 模袋性能指标。模袋为高强纺织土工密封模袋，缝制直径为60 cm，模袋抗拉强度和缝合强度均为22 kPa。

3) 浆液类型。浆液为水泥－水玻璃双浆液和水泥单液浆，双液浆水灰质量比为1∶ 1，水泥水玻璃体积比为1∶ 1，浆液配比可根据现场注浆情况实时反馈调节; 水玻璃模数为2． 4 ～ 3． 4，波美度为( 35 ～ 40) °Bé。

4) 注浆压力与注浆扩散半径。结合青岛地铁类似地层注浆施工经验及其他浅埋隧道注浆工程经验，确定注浆压力为0． 8 ～ 1． 2 MPa，注浆扩散半径为1． 0 ～ 1． 2 m。

5) 注浆结束标准。以单孔注浆量为10 m³ 和注浆终压为1． 5 MPa 作为控制指标，采用“量－压”双控注浆结束标准进行控制。具体标准如下: ①当注浆量未达到设计标准但注浆压力达到设计终压且维持10min 以上时，停止注浆; ②当注浆量达到单孔设计注浆量后，若注浆压力未达到设计终压，可通过调整浆液凝胶时间达到设计终压，并停止注浆。

3． 3． 3 地表模袋注浆现场施工

地表钻孔布置见图7。采用垂直钻孔，钻孔位置按梅花形布置，钻孔间距为1． 5 m，注浆范围为加固范围上边界以下区域，施工步序如下。

1) 在地表打设89 mm 钻孔，隧道开挖轮廓两侧注浆钻孔深度为26． 6 m，下长度为25． 6 m 的42 mm钢管。在钢管壁尾部以上7 m 范围内开设注浆花孔，花孔直径为10 mm，间距15 cm，采用梅花形布置，距离钢管尾部7 ～ 10 m 包裹模袋; 隧道开挖轮廓范围内注浆钻孔深度为22． 6 m，下长度为21． 6 m 的42 mm钢管，在管壁尾部以上3 m 范围内开设注浆花孔，花孔直径为10 mm，间距为15 cm，采用梅花形布置，距离钢管尾部3 ～ 6 m 包裹模袋。

2) 通过20 mm 铁管对模袋进行双液注浆，并在注浆结束后进行孔口管封闭施工，从而形成止浆岩盘，有效防止浆液沿管壁向上扩散。

3) 通过42 mm 钢管注浆花孔实现断层破碎带注浆加固，先注入水泥单液浆，使之在地层中充分扩散充填孔隙，当注浆压力发生突变或当持续注浆时间为15 ～ 20 min 但注浆压力未发生突变时，再注入凝结速度快的双液浆进行封堵。

4 处治效果分析

注浆效果检查方法有分析法、检查孔法、开挖取样法、变位推测法和物探法等5 类14 种方法^［16］。一般来说，注浆加固有提高围岩强度和降低岩土层渗透性2 个目的，评价注浆加固效果最准确的方法是通过钻孔取芯进行抗压强度试验和抗渗试验，但受现场施工进度和环境条件限制，本文从超前水平钻孔渗漏水量和开挖掌子面情况2 方面对突水、涌砂处治效果进行定性评价。