隧洞穿越活動(dòng)斷裂帶突涌水工程對(duì)策研究

摘 要：【目的】以引漢濟(jì)渭二期工程黃午隧洞20號(hào)支洞為依托，綜合考慮隧洞斷面、地質(zhì)及地下水情況，研究適用于復(fù)雜地質(zhì)條件的水工隧洞突涌水處理方案，保障隧洞施工安全?！痉椒ā拷Y(jié)合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)20號(hào)支洞穿越秦嶺山前活動(dòng)斷裂帶過(guò)程中發(fā)生的掌子面突涌水災(zāi)害，采用現(xiàn)場(chǎng)勘察、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和工程分析等多種手段進(jìn)行致災(zāi)機(jī)理及處理方案研究?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，隧洞在穿越強(qiáng)富水性活動(dòng)斷裂帶過(guò)程中極易發(fā)生突涌水災(zāi)害，且具有突發(fā)性強(qiáng)、出水量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、水量衰減緩慢等特點(diǎn)?！窘Y(jié)論】活動(dòng)斷裂帶通常節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎，在地下水發(fā)育的情況下，由于隧洞開(kāi)挖對(duì)掌子面的擾動(dòng)，極易在掌子面釋放水壓，從而誘發(fā)突涌水災(zāi)害。根據(jù)工程實(shí)際情況及突涌水災(zāi)害特點(diǎn)，研究確定了洞內(nèi)抽排水、帷幕注漿、加強(qiáng)超前管棚支護(hù)的綜合處理措施方案，并取得了良好效果。研究成果可為類(lèi)似工程災(zāi)害治理提供參考。

關(guān)鍵詞：隧洞；突涌水；超前預(yù)報(bào)；活動(dòng)斷裂帶；帷幕注漿

中圖分類(lèi)號(hào)：TV672 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）21-0038-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.008

Research on Engineering Countermeasures of Water Inrush Through Active Fault Zone of Tunnel

CHEN Jianlong1，2

（1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi'an 710043， China;

2.Shanxi Railway and Underground Traffic Engineering Key Laboratory， Xi'an 710043， China）

Abstract： [Purposes] Based on No. 20 Branch tunnel of Huangwu Tunnel of Yinhan Jiwei Phase II Project， the water inrush treatment scheme suitable for complex geological conditions of hydraulic tunnel is studied to ensure the safety of tunnel construction.[Methods] Based on the results of geological advanced prediction， the disaster mechanism and treatment plan of the water inrush on the palm face of branch tunnel No. 20 during its crossing of the Qinling fore-mountain active fault zone are studied by field investigation， geological advanced prediction and engineering analysis.[Findings] The results show that the water inrush disaster is easy to occur in the process of the tunnel crossing the strong water-rich active fault zone， and it has the characteristics of strong sudden occurrence， large water yield， long duration and slow water attenuation.[Conclusions] In active fault zones， joints and fissures are usually developed and rock mass is broken. In the case of groundwater development， water pressure is easily released on the palm surface due to the disturbance of tunnel excavation to the palm surface， which induces water inrush disaster.According to the actual situation of the project and the characteristics of water inrush disaster， the comprehensive treatment measures of drainage， curtain grouting and strengthening the support of advanced pipe shed are studied and determined， and good results are obtained.The research results of this paper can provide reference for disaster management of similar projects.

Keywords： tunnel; water inrush; advanced geological prediction; active fault zone; curtain grouting

0 引言

隨著國(guó)家水網(wǎng)的建設(shè)，引調(diào)水工程在全國(guó)范圍內(nèi)也越來(lái)越多，水工隧洞作為引調(diào)水工程中最常見(jiàn)的水工建筑物發(fā)揮著重要作用。目前，國(guó)內(nèi)外水工隧洞建設(shè)中，斷層破碎帶是常見(jiàn)的不良地質(zhì)之一，隧洞穿越富水性斷層破碎帶的施工過(guò)程中往往易發(fā)生坍塌、突涌水等災(zāi)害事故，其對(duì)隧洞施工安全、工期和結(jié)構(gòu)安全等均有不利影響［1］。

突涌水是隧洞穿越斷裂帶施工時(shí)最常見(jiàn)的災(zāi)害之一。近年來(lái)，針對(duì)突涌水治理的研究也越來(lái)越多。李術(shù)才等［2］通過(guò)實(shí)際案例分析，劃分了突涌水致災(zāi)構(gòu)造，提出了隧洞突涌水的不同孕災(zāi)模式；張民慶等［3］針對(duì)蘭新二線(xiàn)大梁隧道穿越巖層接觸帶過(guò)程中發(fā)生的突水突泥現(xiàn)象，分析了其發(fā)生的原因并采取了有效的治理措施；李生杰等［4］針對(duì)烏鞘嶺公路隧道穿越F4斷層破碎帶發(fā)生的突涌水事故，分析了涌水塌方的發(fā)生機(jī)制及其導(dǎo)致初期支護(hù)破壞的原因，并提出了相應(yīng)的工程對(duì)策。唐銳等［5］基于折多山隧道穿越斷裂帶過(guò)程中發(fā)生的多次突涌水災(zāi)害，分析了災(zāi)害發(fā)生機(jī)制，并采取了帷幕注漿等一系列處治措施；楊南輝［6］對(duì)向莆鐵路青云山特長(zhǎng)隧道穿越斷層破碎帶產(chǎn)生的涌水進(jìn)行了分析，并詳細(xì)闡述了涌水地段的治理方案，取得了良好效果；蔣建平等［7］運(yùn)用系統(tǒng)分析方法、巖體結(jié)構(gòu)控制理論和巖土優(yōu)勢(shì)面理論，分析了隧道工程的突水機(jī)制及其對(duì)策。

綜上所述，由于隧洞穿越斷裂帶導(dǎo)致突涌水發(fā)生是常見(jiàn)的地下工程災(zāi)害，而且其對(duì)工程及人員安全所產(chǎn)生的不良后果較大，因此，有必要針對(duì)具體工程進(jìn)一步深入研究其發(fā)生機(jī)理，并提出科學(xué)、合理、有效的處理措施。本研究對(duì)引漢濟(jì)渭二期引調(diào)水工程施工支洞穿越活動(dòng)斷裂帶所產(chǎn)生的突涌水現(xiàn)象進(jìn)行針對(duì)性分析，并提出相應(yīng)的治理措施，取得了良好效果。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

引漢濟(jì)渭工程是陜西省內(nèi)的跨流域調(diào)水工程。該工程從陜南漢江流域調(diào)水至關(guān)中渭河流域，向關(guān)中渭河沿岸的重要城市、縣城、工業(yè)園區(qū)供水，緩解關(guān)中地區(qū)嚴(yán)重缺水狀況，替代超采的地下水，逐步退還擠占的農(nóng)業(yè)與生態(tài)用水，改善渭河流域的生態(tài)環(huán)境狀況，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

引漢濟(jì)渭工程由調(diào)水工程和輸配水工程組成。引漢濟(jì)渭二期工程是輸配水工程的骨干工程，由黃池溝配水樞紐、南干線(xiàn)黃池溝至灞河分水口段、北干線(xiàn)黃池溝至涇河新城分水口段組成。南干線(xiàn)長(zhǎng)100.4 km，始端設(shè)計(jì)流量47 m3/s。南干線(xiàn)工程由隧洞、倒虹、渡槽、箱涵及分退水設(shè)施組成。其中，黃午隧洞是南干線(xiàn)的控制性工程，全長(zhǎng)69.5 km，隧洞斷面采用圓拱直墻型斷面，鉆爆法施工，共設(shè)置18座施工支洞。其中，20號(hào)支洞是施工難度較大的支洞之一。

1.2 設(shè)計(jì)概況

黃午隧洞20號(hào)施工支洞全長(zhǎng)1 254 m，采用雙車(chē)道圓拱直墻型斷面，隧洞綜合坡度5.08%。支洞在里程支0+150～0+266段通過(guò)秦嶺北緣山前斷裂F2，初期支護(hù)采用“噴錨網(wǎng)+型鋼鋼架”支護(hù)形式，襯砌采用40 cm厚模筑襯砌，超前支護(hù)采用拱部Φ89 mm超前管棚+Φ42 mm超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)。

1.3 地質(zhì)情況

20號(hào)支洞支0+150～0+266段巖性為斷層角礫，洞室位于地下水位以下，支0+174～0+262段為基巖裂隙水強(qiáng)富水段，該段最大涌水量為4 768 m3/d，洞室穿越秦嶺北緣山前斷裂F2，巖體破碎，屬于極不穩(wěn)定的Ⅴ類(lèi)圍巖，成洞條件極差。地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)突涌水情況

2022年5月23日，20號(hào)支洞施工至支0+141，開(kāi)挖揭露巖性為斷層角礫，巖體破碎，已進(jìn)入山前斷裂帶，圍巖穩(wěn)定性極差，地下水弱發(fā)育，圍巖潮濕。

2022年7月16日18點(diǎn)左右，上臺(tái)階施工至支0+211.4，拱頂埋深約60 m，揭露巖性為斷層角礫，左側(cè)局部為角礫巖，掌子面上臺(tái)階右側(cè)拱部突然發(fā)生涌水，水質(zhì)渾濁，初期水量約2 500 m3/d，涌水導(dǎo)致右側(cè)拱部產(chǎn)生較大塌方，塌腔深約3 m?，F(xiàn)場(chǎng)突涌水情況如圖2所示。

2022年7月16日18點(diǎn)左右，在掌子面（支0+211.4）上臺(tái)階正常開(kāi)挖過(guò)程中，右側(cè)拱架連接板位置突發(fā)涌水，夾帶泥沙沖出，帶出泥沙約240 m3。塌方泥沙將抽水設(shè)備掩埋，掌子面水淹約40 m。現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)增加抽排水設(shè)施，掌子面用沙袋反壓，防止掌子面繼續(xù)垮塌，產(chǎn)生次生災(zāi)害。初步估計(jì)涌水量約2 000 m3/d，掌子面右前方長(zhǎng)度為5～6 m，寬度為4～5 m，深度為3～4 m，形成塌方空腔，初步斷定前方地質(zhì)狀況為斷層角礫，強(qiáng)富水區(qū)，開(kāi)挖困難。

2 突涌水原因分析

2.1 超前探孔分析

在掌子面左側(cè)拱部利用管棚鉆機(jī)設(shè)置9個(gè)超前探孔，孔深12 m，揭示地層情況大致為：0～2 m為較硬的斷層角礫；2～7 m為軟弱的斷層角礫，局部為斷層泥礫；7～8 m為較硬的斷層角礫；8 m以下為軟弱的斷層角礫，局部為斷層泥礫；6 m處開(kāi)始出水，水量較小，水質(zhì)渾濁。在正上方實(shí)施1孔，設(shè)計(jì)孔深12 m，成孔僅7 m，揭示地層情況為：0～2 m為較硬的斷層角礫；2 m之后均為斷層角礫；2～4 m塌孔嚴(yán)重，未成孔，全進(jìn)尺出水，水量較大，水質(zhì)渾濁。掌子面右側(cè)布置6孔，孔深12 m，揭示基本全部為斷層角礫，局部夾雜斷層泥礫，孔內(nèi)水量大，水質(zhì)渾濁。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

2.2.1 測(cè)線(xiàn)布置。在黃午隧洞20號(hào)支洞里程0+212.6開(kāi)挖面上水平布置兩條測(cè)線(xiàn)。采用100 MHz天線(xiàn)對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)。

2.2.2 預(yù)報(bào)結(jié)果。地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果如圖4所示，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析如下。

①支0+212.6～0+231.6段，長(zhǎng)度19 m，從物性參數(shù)來(lái)看，本段反射信號(hào)能量較強(qiáng)，同相軸連續(xù)性較差，本段巖體注漿加固后巖體完整性仍然較破碎，原地層為斷層角礫，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，注漿加固后，圍巖穩(wěn)定性仍然較差，少量含水。

②支0+231.6～0+242.6段，長(zhǎng)度11 m，本段巖性主要為斷層角礫巖。從物性參數(shù)來(lái)看，電磁波反射信號(hào)能量較弱，反射波波形有畸變，同相軸連續(xù)性較差，推測(cè)本段受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體破碎，圍巖不穩(wěn)定，富含水。

2.3 瞬變電磁法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

2.3.1 測(cè)線(xiàn)布置。掌子面里程為支0+212.6，在掌子面附近布置4個(gè)掃描剖面（掌子面水平斜向下30°方向、掌子面水平方向、掌子面水平斜向上30°方向及掌子面中央垂向方向），通過(guò)移動(dòng)發(fā)射接收線(xiàn)圈，形成4條實(shí)測(cè)剖面，測(cè)線(xiàn)布置如圖4所示。

隧洞瞬變電磁法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)裝置類(lèi)型采用中心回線(xiàn)組合裝置，使用邊長(zhǎng)2 m的激發(fā)正方形線(xiàn)圈，激發(fā)線(xiàn)圈匝數(shù)為10匝，采樣時(shí)間為100 ms。每個(gè)測(cè)點(diǎn)至少采用100次疊加方式來(lái)提高信噪比，以確保原始數(shù)據(jù)的可靠性。

2.3.2 預(yù)報(bào)結(jié)果。瞬變電磁法地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行分析如下：①支0+212.6～0+222.6段，長(zhǎng)度為10 m，為探測(cè)盲區(qū)；②支0+222.6～0+232.6段，長(zhǎng)度為10 m，前方無(wú)相對(duì)低阻異常，判斷本段巖體整體地下水弱發(fā)育，但隧洞右側(cè)存在低阻異常，推測(cè)地下水中等發(fā)育；③支0+232.6～0+332.6段，長(zhǎng)度為100 m，掌子面水平斜向下30°掃描測(cè)試掌子面前方40～70 m位置、右側(cè)25～75 m位置存在相對(duì)低阻異常，掌子面水平掃描測(cè)試、掌子面水平斜向上30°掃描測(cè)試掌子面前方偏右側(cè)10～120 m位置存在相對(duì)低阻異常；掌子面中央垂向掃描探測(cè)掌子面前方無(wú)相對(duì)低阻異常，綜合以上探測(cè)判斷掌子面前方整體地下水弱～中等發(fā)育，局部很發(fā)育，尤其是隧洞右側(cè)存在相對(duì)低阻異常，推測(cè)地下水發(fā)育。

3 突涌水處理方案

3.1 設(shè)計(jì)措施

3.1.1 超前支護(hù)。支洞洞身下穿秦嶺北緣山前斷裂帶時(shí)，采用拱部Φ89 mm超前管棚+Φ42 mm超前小導(dǎo)管注漿的超前支護(hù)措施。超前小導(dǎo)管長(zhǎng)L=3.5 m，外插角10°，環(huán)向間距60 cm，縱向2.4 m一環(huán)，配合鋼架使用，相鄰兩排小導(dǎo)管之間水平搭接長(zhǎng)度不小于1 m。管棚長(zhǎng)12 m，環(huán)向間距60 cm，縱向9 m一環(huán)，相鄰兩環(huán)之間水平搭接長(zhǎng)度不小于3 m。

3.1.2 支護(hù)措施。隧洞全斷面設(shè)置工16型鋼鋼架，間距0.8 m，噴混凝土厚23 cm，拱墻設(shè)系統(tǒng)錨桿，錨桿長(zhǎng)3.5 m，間距1 m×1 m，二次襯砌采用C30混凝土，厚40 cm。支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 帷幕注漿方案

為確保施工安全，對(duì)支0+211至預(yù)測(cè)活動(dòng)斷裂帶終點(diǎn)0+266段采用帷幕注漿方案［8］進(jìn)行加固，一是為穩(wěn)固掌子面，避免掌子面由于長(zhǎng)期涌水導(dǎo)致掌子面后方產(chǎn)生空腔，在開(kāi)挖過(guò)程中導(dǎo)致掌子面的突然垮塌以及突然的突泥涌水出現(xiàn)；二是為封閉掌子面的涌水，涌水經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的抽排未見(jiàn)明顯的衰減跡象，為避免長(zhǎng)期涌水造成地下水大量流失，對(duì)周邊環(huán)境造成影響。

超前帷幕注漿縱向長(zhǎng)度為25 m（含止?jié){墻），每循環(huán)開(kāi)挖20 m，預(yù)留5 m作為下循環(huán)止?jié){巖盤(pán)。第一環(huán)采用C20混凝土設(shè)置1.5 m厚止?jié){墻。為保證注漿加固效果，開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外布設(shè)2圈孔，漿液擴(kuò)散半徑設(shè)計(jì)為2.0 m，終孔間距不大于3.0 m，共設(shè)66個(gè)注漿孔，施工中根據(jù)鉆孔情況和出水情況，可對(duì)薄弱位置考慮增加注漿孔。

3.2.1 帷幕注漿加固范圍。循環(huán)縱向加固長(zhǎng)度為25 m，徑向加固范圍為隧洞斷面及開(kāi)挖線(xiàn)外4 m，共設(shè)置3個(gè)注漿斷面，其中8 m和17 m處設(shè)兩個(gè)補(bǔ)充注漿斷面，以消除注漿盲區(qū)，25 m處設(shè)終孔斷面。帷幕注漿設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.2.2 開(kāi)孔布置。開(kāi)孔斷面注漿孔按3環(huán)布設(shè)，相鄰各環(huán)間距50 cm。內(nèi)環(huán)共布設(shè)5個(gè)注漿孔，各注漿孔圓弧段環(huán)向間距約2.35 m，直線(xiàn)段間距約2.6 m。外環(huán)共布設(shè)17個(gè)注漿孔，中間環(huán)共布設(shè)10個(gè)注漿孔，各注漿孔圓弧段環(huán)向間距約0.54 m，直線(xiàn)段間距約0.7 m。開(kāi)孔布置如圖7所示。

3.2.3 終孔布置。8 m和17 m處補(bǔ)充注漿斷面均布置17個(gè)注漿孔，終孔斷面共設(shè)置32個(gè)注漿孔，共設(shè)置66個(gè)注漿孔。

3.2.4 止?jié){墻設(shè)計(jì)。在掌子面設(shè)置止?jié){墻以抵抗注漿壓力，止?jié){墻厚度為1.5 m，嵌入圍巖不小于50 cm，采用C35噴射混凝土，在止?jié){墻拱部打設(shè)兩排2.5 m長(zhǎng)Φ42 mm的導(dǎo)管進(jìn)行錨固，鋼管打入初支1.5 m，預(yù)留1.0 m嵌入止?jié){墻，底部打設(shè)2.5 m長(zhǎng)Φ89 mm的鋼管樁，嵌入圍巖1.5 m，預(yù)留1 m嵌入墻體。

3.3 帷幕注漿效果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭露，通過(guò)帷幕注漿加固后，破碎圍巖加固為整體狀，掌子面圍巖呈現(xiàn)樹(shù)根狀漿脈。

由于帷幕注漿對(duì)斷裂帶導(dǎo)水通道的封堵填充，注漿堵水效果良好，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中掌子面出水量明顯減少。本研究通過(guò)洞內(nèi)超前帷幕注漿，進(jìn)一步加固了掌子面前方的斷層破碎帶，提高了圍巖的整體穩(wěn)定性和完整性，極大地封堵了掌子面涌水，確保了隧洞施工的正常推進(jìn)。

4 結(jié)論

黃午隧洞20號(hào)支洞洞口支0+150～0+266段位于秦嶺北緣斷裂帶內(nèi)，其在施工過(guò)程中極易發(fā)生突涌水災(zāi)害，本研究結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，采取理論分析和地質(zhì)超前預(yù)報(bào)等綜合手段，對(duì)水工隧洞突涌水致災(zāi)機(jī)理及治理方案進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

①隧洞位于活動(dòng)斷裂帶影響段，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，富水性強(qiáng)，加之進(jìn)口段隧洞埋深較淺，地下水循環(huán)較快，導(dǎo)致隧洞在通過(guò)斷層泥礫帶、含泥質(zhì)地層影響帶施工中極易產(chǎn)生突水涌泥現(xiàn)象。

②通過(guò)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)可以有效預(yù)測(cè)掌子面前方地下水情況，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)，實(shí)時(shí)掌握隧洞前方情況，及時(shí)調(diào)整施工工藝，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)施工。

③采用帷幕注漿處理掌子面突涌水具有明顯效果，帷幕注漿可以進(jìn)一步穩(wěn)固掌子面，避免掌子面由于長(zhǎng)期涌水導(dǎo)致后方產(chǎn)生空腔。同時(shí)，帷幕注漿可以加固掌子面前方巖體，封堵斷層破碎帶的導(dǎo)水通道，可以極大減少掌子面出水量。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙小榮.淺談湖山隧道凝灰?guī)r突水及處治措施［J］.河南科技，2013（17）：40，45.

［2］李術(shù)才，許振浩，黃鑫，等.隧道突水突泥致災(zāi)構(gòu)造分類(lèi)、地質(zhì)判識(shí)、孕災(zāi)模式與典型案例分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，37（5）：1041-1069.

［3］張民慶，何志軍，黃鴻健，等.蘭新二線(xiàn)大梁隧道突水突泥原因分析與治理［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2015，32（3）：77-80.

［4］李生杰，謝永利，朱小明.高速公路烏鞘嶺隧道穿越F4斷層破碎帶涌水塌方工程對(duì)策研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（S2）：3602-3609.

［5］唐銳，李世琦，王俊，等.富水?dāng)嗔褞淼烙克荒酁?zāi)害機(jī)制及處治技術(shù)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2021， 17（4）：1264-1272，1290.

［6］楊南輝.青云山特長(zhǎng)隧道F9斷層帶涌水治理方案研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2018，35（4）：87-91.

［7］蔣建平，高廣運(yùn)，李曉昭，等.隧道工程突水機(jī)制及對(duì)策［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2006（5）：76-82.

［8］李輝.客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路大斷面隧道斷層涌水、涌泥處治技術(shù)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2017，61（7）：131-136.