引漢濟(jì)渭工程深長隧洞突水綜合預(yù)報(bào)與治理

李玉波

摘要：山嶺隧洞在穿越大埋深圍巖段落時(shí)常遇到復(fù)雜突水涌泥災(zāi)害。賦存于圍巖中的基巖裂隙水具有埋藏、分布不均及賦存和運(yùn)動規(guī)律復(fù)雜的特點(diǎn)，加之受含水災(zāi)害體埋深大、圍巖介質(zhì)不均勻以及洞內(nèi)觀測條件復(fù)雜惡劣等因素的制約，在深長隨洞中開展突水涌泥災(zāi)害的預(yù)報(bào)工作是業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的工程技術(shù)難題。為探明引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞掌子面前方基巖裂隙水的埋藏位置、分布范圍以及賦存形式，采用由三維地震法、瞬變電磁法以及激發(fā)極化法所構(gòu)成的綜合預(yù)報(bào)方法探明了掌子面前方的突涌水致災(zāi)構(gòu)造，采用全斷面超前帷幕注漿對探明的災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行治理，并結(jié)合7號洞主洞上游突涌水的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、模型試驗(yàn)分析及超前帷幕注漿處理措施等，總結(jié)了一套在特殊地質(zhì)條件下對不良地質(zhì)體進(jìn)行精確預(yù)報(bào)及綜合治理的施工方法，為鉆爆法施工隧洞中突水災(zāi)后治理以及超前帷幕注漿工作提供有益指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：突涌水；綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；超前帷幕注漿；深長隧洞；引漢濟(jì)渭工程

中圖分類號：TV672+.1；P642.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.031

地下工程施工中，不可避免地會破壞隱伏的含水構(gòu)造，導(dǎo)致導(dǎo)水通道與開挖臨空面相連通或處于準(zhǔn)連通狀態(tài)，進(jìn)一步擾動會誘發(fā)地下水或與導(dǎo)水通道有水力聯(lián)系的其他水體（地表水、地下暗河以及溶腔水等）突然涌入開挖區(qū)，發(fā)生突水突泥災(zāi)害川。因此，應(yīng)用地球物理方法對隧洞施工過程中的突水突泥地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，成為保障隧洞施工安全、高效開展施工作業(yè)的關(guān)鍵，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的理論與技術(shù)研究。在鉆爆法施工隧洞超前地質(zhì)探測方面，已經(jīng)由起初的超前導(dǎo)坑、超前鉆探等方法發(fā)展到地震波反射法、電法、電磁法等地球物理勘探方法。其中，地震波類超前預(yù)報(bào)技術(shù)主要用于遠(yuǎn)距離（120m范圍內(nèi)）不良地質(zhì)界面探測，主要有瑞士Amberg公司開發(fā)的TSP技術(shù)（Tunnel Seismic Prediction）[2]，美國NSA工程公司研制的真反射層析TRT技術(shù)（True ReflectionTomography）[3]，ZHAO Yonggui等研發(fā)的TST技術(shù)（Tunnel Seismic Tomography ）[4]等。直流電阻率與激發(fā)極化超前預(yù)報(bào)技術(shù)，主要用于近距離（30m范圍內(nèi)）含水致災(zāi)構(gòu)造探測并估算其含水量。李術(shù)才等[5-6]提出了可定量探測掌子面前方30m內(nèi)含水體水量的多同性源陣列電阻率、激發(fā)極化隧洞超前預(yù)報(bào)方法，在突水突泥不良地質(zhì)定量探測方面取得了重要進(jìn)展，研究成果在多個(gè)工程中得到成功應(yīng)用。電磁感應(yīng)類超前預(yù)報(bào)技術(shù)以瞬變電磁法和地質(zhì)雷達(dá)法為代表，分別用于中遠(yuǎn)距離（80m范圍內(nèi)）與近距離（20m）儲水、導(dǎo)水構(gòu)造的探測。李貅等[7-10]在隧洞瞬變電磁法超前預(yù)報(bào)裝置、數(shù)值模擬以及解釋技術(shù)等方面取得了重要進(jìn)展。

由于地球物理反演具有多解性，單一物探方法僅對某種物性參數(shù)敏感，因此在深長隧洞所穿越的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，采用多種物探方法進(jìn)行綜合超前預(yù)報(bào)是探明掌子面前方不良地質(zhì)的有效方法[11-13]。本文研究的引漢濟(jì)渭工程隧洞的控制性工程秦嶺隧洞（越嶺段），穿越秦嶺山脈，具有大埋深（最大埋深近2km）、長距離（81.8km）的工程特征。同時(shí)，區(qū)域地表地形復(fù)雜，地下巖溶、斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，地下水富集情況復(fù)雜多變，在隧洞開挖過程中極易發(fā)生突水涌泥等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，危害施工安全，并可能引發(fā)施工區(qū)地下水資源流失、地表沉陷等次生地質(zhì)環(huán)境問題。解決此類隧洞中突涌水超前預(yù)報(bào)問題應(yīng)采取洞內(nèi)綜合超前預(yù)報(bào)方法，使得多種物探方法的結(jié)果能夠相互印證、互為補(bǔ)充。結(jié)合引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞7號洞主洞上游突涌水過程中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、模型試驗(yàn)分析及超前帷幕注漿處理等，總結(jié)一套在特殊地質(zhì)條件下對不良地質(zhì)體進(jìn)行精確預(yù)報(bào)及綜合治理的方法與措施。

1 鉆爆法施工隧洞中突涌水綜合超前預(yù)報(bào)

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上利用多種地球物理探測方法和解釋手段，對隧洞掌子面前方與附近圍巖中的不良地質(zhì)體進(jìn)行識別與定位的技術(shù)。按照“長距、中遠(yuǎn)距、短距”預(yù)報(bào)手段相結(jié)合、洞內(nèi)洞外相結(jié)合的指導(dǎo)思想，綜合超前預(yù)報(bào)主要涉及三維地震波、瞬變電磁與三維激發(fā)極化法。其中：三維地震波法對掌子面前方100m范圍內(nèi)的不良地質(zhì)界面、斷層以及破碎帶進(jìn)行預(yù)報(bào)；瞬變電磁法對掌子面前方60～80m范圍內(nèi)的含水不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào)；激發(fā)極化法對掌子面前方30m范圍內(nèi)的含水體進(jìn)行定量預(yù)報(bào)。在探明掌子面前方不良地質(zhì)與含水體的空間位置、賦存形式以及含水情況后，對掌子面及其附近的圍巖開展注漿治理，達(dá)到加固圍巖的目的。在注漿治理方法中，全斷面超前帷幕注漿對裂隙發(fā)育程度高或圍巖破碎的巖體具有較好的工程效果。

1.1 三維地震波法超前預(yù)報(bào)

三維地震波法超前預(yù)報(bào)是利用地震波遇到存在聲學(xué)阻抗（密度和波速的乘積）差異界面時(shí)所發(fā)生的透射與反射現(xiàn)象對界面進(jìn)行三維定位[5]。在鉆爆法施工隧洞中，三維地震波法超前預(yù)報(bào)的觀測系統(tǒng)見圖1，其中黑色星號代表激發(fā)地震波的震源點(diǎn)、黑色圓圈代表接收發(fā)射地震波的檢波器。在斷層破碎帶或巖性交界面處，反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一種高阻抗物質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負(fù)的。因此，當(dāng)?shù)卣鸩◤能泿r傳播到硬的圍巖時(shí)，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時(shí)，回波的極性會反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大，回波就越明顯。

1.2 瞬變電磁法超前預(yù)報(bào)

瞬變電磁法是利用掌子面前方巖體的導(dǎo)電性差異對可能存在的含水體進(jìn)行定位的時(shí)間域電磁探測方法。在鉆爆法施工隧洞超前預(yù)報(bào)中，瞬變電磁法多采用中心回線裝置，其觀測系統(tǒng)布置見圖2。在瞬變電磁激發(fā)脈沖關(guān)斷的時(shí)刻，瞬變電磁場在掌子面前方巖體中的良導(dǎo)體中感生出二次渦流場，二次場以磁通的形式被接收線圈（探頭）接收放大后用于后續(xù)的資料解釋。由于矩形波脈沖具有寬頻帶頻譜特征，因此瞬變電磁場具有一定的穿透輻射與分辨能力。首先，根據(jù)傅里葉分析理論，一定寬度的脈沖信號的頻率響應(yīng)占據(jù)一定頻帶寬，且二者之間存在定量對偶關(guān)系。因此，通過控制激發(fā)脈寬能夠?qū)崿F(xiàn)對脈沖頻率響應(yīng)帶寬的定量控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對瞬變電磁場穿透輻射能力的有效控制。其次，根據(jù)電磁波成像理論，單頻電磁波對目標(biāo)體的最小分辨尺寸與其對應(yīng)的波長（頻率）成正比（反比），又由于瞬變電磁法所發(fā)射的寬頻帶矩形波含有多頻率分量，因此其對一定尺寸范圍內(nèi)的地質(zhì)目標(biāo)體均具有一定的分辨能力。

1.3 三維激發(fā)極化法超前預(yù)報(bào)

激發(fā)極化法超前預(yù)報(bào)方法是以不同隧洞圍巖間的激發(fā)極化效應(yīng)（簡稱激電效應(yīng)）為物性基礎(chǔ)的電法勘探方法。在鉆爆法施工隧洞中，激發(fā)極化法的觀測模式有定點(diǎn)源二極法、定點(diǎn)源三極法[14]和多同性源觀測模式[5]。多同性源觀測模式見圖3，其通過布置在掌子面邊墻上的同性電流源向圍巖內(nèi)供人恒定的直流供電電流，可觀測到不同測量電極之間的電位差隨時(shí)間逐漸變化并在一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定的飽和值；當(dāng)供電電流關(guān)斷后，測量電極電位差在最初的一瞬間快速下降，而后隨時(shí)間緩慢下降并趨于零。三維激發(fā)極化法能夠探查隧洞掌子面前方的不良地質(zhì)體，尤其是含水致災(zāi)構(gòu)造。

2 工程應(yīng)用

2.1 隧址區(qū)工程地質(zhì)與施工情況

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞7號洞主洞設(shè)計(jì)里程為K67+163.517-K75+286.000，工程長度8122.483m。秦嶺隧洞在大地構(gòu)造單元上屬于秦嶺褶皺系，7號洞主洞位于秦嶺嶺北中低山區(qū)，該區(qū)多為V形峽谷，洞室最大埋深約1230m。7號洞主洞上游段發(fā)育劉家坪—木匠河斷層，北西向延伸約10km。斷層破碎帶寬80～150m，主要構(gòu)造巖為碎裂巖、構(gòu)造角礫巖、斷層泥、碎粉巖等。K67+163.517-K70+500.000段巖性主要為花崗巖、花崗閃長巖及花崗斑巖。隧址區(qū)地下水主要為基巖網(wǎng)狀裂隙水和部分?jǐn)鄬用}狀裂隙水，水量較豐富，受大氣降水補(bǔ)給。地下水主要儲存于風(fēng)化及構(gòu)造節(jié)理、裂隙中，節(jié)理、裂隙的充填性較好。隧址區(qū)附近地表水較發(fā)育，水量隨季節(jié)變化較大，主要為王家河中的常年流水。預(yù)測該段正常涌水量為1168m3，可能出現(xiàn)的最大涌水量為2336m3。

2015年7月9日掌子面施工至K68+995時(shí)出現(xiàn)多處股狀、面狀流水及線狀滴水，初期最大涌水流量約8000m3/d，主要涌水點(diǎn)隨掌子面開挖向前推移，7月12日K68+984拱部一炮孔鉆至3.5m深度時(shí)，發(fā)生突水，涌水將風(fēng)槍推出炮孔后，噴射距離達(dá)15m，初期最大涌水流量約 10000m3/d。至23日，洞內(nèi)涌水仍未衰減，上游涌水流量達(dá)10600m3/d。8月7日19時(shí)在掌子面正中偏下部位，采用RPD-180CBR多功能鉆機(jī)實(shí)施一超前鉆孔，至8日7時(shí)鉆探結(jié)束，孔深63.4m，沿鉆眼有地下水噴出，初期射程達(dá)14m，上游掌子面附近涌水流量約13000m3/d。整個(gè)突涌水過程中的水量變化見圖4。涌水處隧洞埋深約1000m，未見明顯的地質(zhì)構(gòu)造，長大節(jié)理裂隙發(fā)育。

2.2 洞內(nèi)綜合超前預(yù)報(bào)

為探明突涌水段落附近圍巖不良地質(zhì)的空間三維展布，利用三維地震波法[15]與三維多同性源激發(fā)極化法[5，16]以及瞬變電磁法在洞內(nèi)開展預(yù)報(bào)作業(yè)。

三維地震波法隧洞超前預(yù)報(bào)的成像結(jié)果見圖5。根據(jù)反射波的強(qiáng)弱與極性可以得出如下判斷：

（1）K68+932-K68+912段，長度20m，段內(nèi)存在負(fù)反射，推斷該段節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性差，K68+925-K68+917節(jié)理裂隙很發(fā)育。

（2）K68+912-K68+902段，長度10m，段內(nèi)無明顯正負(fù)反射，推斷該段節(jié)理裂隙弱發(fā)育，圍巖較為均一，巖體較完整，局部節(jié)理裂隙發(fā)育。

（3）K68+902-K68+877段，長度25m，段內(nèi)存在多處負(fù)反射，推斷該段節(jié)理裂隙較發(fā)育-發(fā)育，巖體整體完整性一般，局部完整性差。

（4）K68+877-K68+832段，長度45m，段內(nèi)無明顯正負(fù)反射，推斷該段節(jié)理裂隙弱發(fā)育，圍巖較為均一，巖體完整性較好，局部節(jié)理裂隙發(fā)育。

在三維地震波法預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，推斷掌子面前方60m范圍內(nèi)的圍巖較為破碎、裂隙發(fā)育。結(jié)合隧址區(qū)地下水的賦存情況，破碎的圍巖中極可能存在裂隙水，因此需采用電磁類方法進(jìn)一步探測?？紤]到探測距離因素，開展了瞬變電磁預(yù)報(bào)作業(yè)，預(yù)報(bào)結(jié)果見圖6。據(jù)掌子面前方圍巖的導(dǎo)電性分布得到以下推斷：

（1）K68+932-K68+917段，長度15m，為探測盲區(qū)，不做解釋。

（2）K68+917-K68+907段，長度10m，測試顯示左右各有一個(gè)低阻異常區(qū)，推斷該段兩邊圍巖相對中間的完整性差一些，且左右兩側(cè)存在賦水區(qū)。

（3）K68+907-K68+897段，長度10m，掌子面左側(cè)前方31一34m（K68+901-K68+898段）存在一低阻異常區(qū)，推斷該掌子面右半部分圍巖較完整，左半部分存在賦水區(qū)。

（4）K68+897-K68+877段，長度20m，視電阻率整體呈高阻，推斷該段巖體整體完整性較好。

在三維地震波法與瞬變電磁法預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，推斷掌子面前方30m是基巖裂隙水發(fā)育的重點(diǎn)段落，應(yīng)對該段落內(nèi)的圍巖含水情況進(jìn)行近距離預(yù)報(bào)。為此在洞內(nèi)開展了三維多同性源激發(fā)極化超前預(yù)報(bào)，探測結(jié)果見圖7，其中X表示豎直方向、Y表示掌子面寬度方向、Z表示開挖方向，坐標(biāo)原點(diǎn)為掌子面中心位置，反演區(qū)域?yàn)閅（-9m，9m）、X（-11m，11m），掌子面坐標(biāo)為Y（-4.05m，4.05m）、X（-3.7m，3.7m），根據(jù)反演得到異常推斷：

（1）K68+913-K68+893段，三維反演圖像中掌子面范圍內(nèi)出現(xiàn)電阻率低值區(qū)域，結(jié)合地質(zhì)分析，推斷該段圍巖完整性差，裂隙發(fā)育，易出現(xiàn)股狀涌水。

（2）K68+893-K68+883段，三維反演圖像中該段電阻率逐漸升高，結(jié)合地質(zhì)情況，推斷該段圍巖完整性差，較上一段圍巖質(zhì)量稍好，可能出現(xiàn)線狀流水。2.3預(yù)報(bào)結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)前期物探結(jié)果，推斷掌子面前方30m范圍內(nèi)基巖裂隙水發(fā)育，其中左側(cè)富水可能性較大。因此對掌子面開展了超前水平鉆探，采用Z-GPZ150型沖擊鉆機(jī)，對掌子面進(jìn)行3～4孔超前鉆探，在K68+913掌子面左上、右上和中部三個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行超前鉆探鉆孔，位置見圖8。三個(gè)探孔不同程度出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，其詳細(xì)記錄見表1。其中，左上側(cè)與中部鉆孔開孔2.8m時(shí)開始出水，鉆探至16m時(shí)鉆機(jī)無法正常壓進(jìn)，拔出鉆桿后，掌子面左上側(cè)探孔涌水流量達(dá)到9240m3/d，水壓達(dá)1.4mPa，右上部位探孔出水流量較小。綜合三個(gè)鉆孔的出水情況，掌子面左側(cè)出水流量與水壓均較大，與前期物探結(jié)果印證較好。

2.4 突涌水治理

綜合超前地質(zhì)探測及數(shù)值模型試驗(yàn)分析后，決定采用全斷面帷幕注漿法進(jìn)行堵水處理，以普通水泥單液漿、普通水泥一水玻璃雙液漿、硫鋁酸鹽水泥單液漿、硫鋁酸鹽水泥一水玻璃雙液漿作為注漿材料，采用合金鉆頭、Z-GPZ150型前沖擊鉆機(jī)鉆進(jìn)成孔。

結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況，掌子面前方采用帷幕注漿方案，每環(huán)注漿長度25m，開挖長度20m，留5m的注漿巖盤作為下一循環(huán)的止?jié){墻，首環(huán)設(shè)4m止?jié){墻，止?jié){墻嵌入基巖1m，并用錨桿錨固。注漿加固的范圍為開挖輪廓外不小于5m，通過試驗(yàn)酌情調(diào)整一次注漿的長度及注漿孔的布置。止?jié){墻施工時(shí)，預(yù)埋2～3根帶有泄壓閥的長6m、直徑200mm鋼管，以便在施工止?jié){墻時(shí)排水。帷幕注漿設(shè)計(jì)見圖9～圖11，注漿參數(shù)見表2。

通過對突涌水圍巖的注漿治理，根據(jù)現(xiàn)場鉆孔所揭示的地質(zhì)狀況，注漿結(jié)束后，采取注漿過程中尸一Q—t曲線分析及反算注漿后地層的漿液填充率判斷注漿效果。同時(shí)選擇掌子面左側(cè)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行鉆孔檢查，檢查鉆孔不坍孔、不卡鉆，單孔涌水流量小于2L/（m·min），說明治理效果較好。

3 結(jié)語

長大深埋隧洞大多地質(zhì)條件極為復(fù)雜，盡管前期勘察期間經(jīng)過大量的地質(zhì)調(diào)查，但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性、多變性、不確定性以及勘察手段的局限性，勘察成果難以保證施工需要，因此配合施工的針對性強(qiáng)、手段多樣、準(zhǔn)確度較高的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法尤為重要。引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞超前預(yù)報(bào)采用的激發(fā)極化法、三維地震波法及瞬變電磁法是目前國內(nèi)先進(jìn)的超前預(yù)報(bào)技術(shù)，經(jīng)施工驗(yàn)證，超前預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高，預(yù)報(bào)成果互為印證、效果良好，可有效指導(dǎo)施工掘進(jìn)，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。超前水平鉆探是最直接有效的探水方法，可以根據(jù)鉆孔出水量、水壓來判斷前方整體涌水量，以此來確定相應(yīng)的防治措施，同時(shí)根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)成果來布設(shè)孔位，提高準(zhǔn)確率。

隧洞開挖面超前帷幕注漿對隧洞圍巖的堵水及加固具有不可替代的作用，根據(jù)壓漿試驗(yàn)結(jié)果確定合理的注漿參數(shù)。漿液配比、泵壓及注漿量是帷幕注漿的重要參數(shù)。通過地質(zhì)超前預(yù)報(bào)綜合分析，結(jié)合豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，對注漿方案進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)，優(yōu)化施工參數(shù)，減少相應(yīng)的施工成本，顯著提高工作效率。

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