摘 要：【目的】以引漢濟渭二期工程黃午隧洞20號支洞為依托，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)報結(jié)果，對20號支洞穿越秦嶺山前活動斷裂帶過程中發(fā)生的掌子面突涌水災(zāi)害，采用現(xiàn)場勘察、超前地質(zhì)預(yù)報和工程分析等多種手段進(jìn)行致災(zāi)機理及處理方案研究。【結(jié)果】結(jié)果表明，隧洞在穿越強富水性活動斷裂帶過程中極易發(fā)生突涌水災(zāi)害，且具有突發(fā)性強、出水量大、持續(xù)時間長、水量衰減緩慢等特點。【結(jié)論】活動斷裂帶通常節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎，在地下水發(fā)育的情況下，由于隧洞開挖對掌子面的擾動，極易在掌子面釋放水壓，從而誘發(fā)突涌水災(zāi)害。根據(jù)工程實際情況及突涌水災(zāi)害特點，研究確定了洞內(nèi)抽排水、帷幕注漿、加強超前管棚支護的綜合處理措施方案，并取得了良好效果。研究成果可為類似工程災(zāi)害治理提供參考。

關(guān)鍵詞：隧洞；突涌水；超前預(yù)報；活動斷裂帶；帷幕注漿

中圖分類號：TV672 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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

隨著國家水網(wǎng)的建設(shè)，引調(diào)水工程在全國范圍內(nèi)也越來越多，水工隧洞作為引調(diào)水工程中最常見的水工建筑物發(fā)揮著重要作用。目前，國內(nèi)外水工隧洞建設(shè)中，斷層破碎帶是常見的不良地質(zhì)之一，隧洞穿越富水性斷層破碎帶的施工過程中往往易發(fā)生坍塌、突涌水等災(zāi)害事故，其對隧洞施工安全、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最常見的災(zāi)害之一。近年來，針對突涌水治理的研究也越來越多。李術(shù)才等［2］通過實際案例分析，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］針對蘭新二線大梁隧道穿越巖層接觸帶過程中發(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)生機制及其導(dǎo)致初期支護破壞的原因，并提出了相應(yīng)的工程對策。唐銳等［5］基于折多山隧道穿越斷裂帶過程中發(fā)生的多次突涌水災(zāi)害，分析了災(zāi)害發(fā)生機制，并采取了帷幕注漿等一系列處治措施；楊南輝［6］對向莆鐵路青云山特長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］運用系統(tǒng)分析方法、巖體結(jié)構(gòu)控制理論和巖土優(yōu)勢面理論，分析了隧道工程的突水機制及其對策。

綜上所述，由于隧洞穿越斷裂帶導(dǎo)致突涌水發(fā)生是常見的地下工程災(zāi)害，而且其對工程及人員安全所產(chǎn)生的不良后果較大，因此，有必要針對具體工程進(jìn)一步深入研究其發(fā)生機理，并提出科學(xué)、合理、有效的處理措施。本研究對引漢濟渭二期引調(diào)水工程施工支洞穿越活動斷裂帶所產(chǎn)生的突涌水現(xiàn)象進(jìn)行針對性分析，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 工程簡介

引漢濟渭工程是陜西省內(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)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

引漢濟渭工程由調(diào)水工程和輸配水工程組成。引漢濟渭二期工程是輸配水工程的骨干工程，由黃池溝配水樞紐、南干線黃池溝至灞河分水口段、北干線黃池溝至涇河新城分水口段組成。南干線長100.4 km，始端設(shè)計流量47 m3/s。南干線工程由隧洞、倒虹、渡槽、箱涵及分退水設(shè)施組成。其中，黃午隧洞是南干線的控制性工程，全長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號支洞是施工難度較大的支洞之一。

1.2 設(shè)計概況

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

1.3 地質(zhì)情況

20號支洞支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類圍巖，成洞條件極差。地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

1.4 現(xiàn)場突涌水情況

2022年5月23日，20號支洞施工至支0+141，開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點左右，上臺階施工至支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。現(xiàn)場突涌水情況如圖2所示。

2022年7月16日18點左右，在掌子面（支0+211.4）上臺階正常開挖過程中，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?，F(xiàn)場臨時增加抽排水設(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。初步估計涌水量約2 000 m3/d，掌子面右前方長度為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，強富水區(qū)，開挖困難。

2 突涌水原因分析

2.1 超前探孔分析

在掌子面左側(cè)拱部利用管棚鉆機設(shè)置9個超前探孔，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處開始出水，水量較小，水質(zhì)渾濁。在正上方實施1孔，設(shè)計孔深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

2.2.1 測線布置。在黃午隧洞20號支洞里程0+212.6開挖面上水平布置兩條測線。采用100 MHz天線對掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行探測。

2.2.2 預(yù)報結(jié)果。地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報結(jié)果如圖4所示，對結(jié)果進(jìn)行分析如下。

①支0+212.6～0+231.6段，長度19 m，從物性參數(shù)來看，本段反射信號能量較強，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，長度11 m，本段巖性主要為斷層角礫巖。從物性參數(shù)來看，電磁波反射信號能量較弱，反射波波形有畸變，同相軸連續(xù)性較差，推測本段受地質(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

2.3.1 測線布置。掌子面里程為支0+212.6，在掌子面附近布置4個掃描剖面（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），通過移動發(fā)射接收線圈，形成4條實測剖面，測線布置如圖4所示。

隧洞瞬變電磁法超前地質(zhì)預(yù)報裝置類型采用中心回線組合裝置，使用邊長2 m的激發(fā)正方形線圈，激發(fā)線圈匝數(shù)為10匝，采樣時間為100 ms。每個測點至少采用100次疊加方式來提高信噪比，以確保原始數(shù)據(jù)的可靠性。

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

根據(jù)預(yù)報結(jié)果對其進(jìn)行分析如下：①支0+212.6～0+222.6段，長度為10 m，為探測盲區(qū)；②支0+222.6～0+232.6段，長度為10 m，前方無相對低阻異常，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，推測地下水中等發(fā)育；③支0+232.6～0+332.6段，長度為100 m，掌子面水平斜向下30°掃描測試掌子面前方40～70 m位置、右側(cè)25～75 m位置存在相對低阻異常，掌子面水平掃描測試、掌子面水平斜向上30°掃描測試掌子面前方偏右側(cè)10～120 m位置存在相對低阻異常；掌子面中央垂向掃描探測掌子面前方無相對低阻異常，綜合以上探測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)存在相對低阻異常，推測地下水發(fā)育。

3 突涌水處理方案

3.1 設(shè)計措施

3.1.1 超前支護。支洞洞身下穿秦嶺北緣山前斷裂帶時，采用拱部Φ89 mm超前管棚+Φ42 mm超前小導(dǎo)管注漿的超前支護措施。超前小導(dǎo)管長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)管之間水平搭接長度不小于1 m。管棚長12 m，環(huán)向間距60 cm，縱向9 m一環(huán)，相鄰兩環(huán)之間水平搭接長度不小于3 m。

3.1.2 支護措施。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3.5 m，間距1 m×1 m，二次襯砌采用C30混凝土，厚40 cm。支護參數(shù)見表1。

3.2 帷幕注漿方案

為確保施工安全，對支0+211至預(yù)測活動斷裂帶終點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，避免掌子面由于長期涌水導(dǎo)致掌子面后方產(chǎn)生空腔，在開挖過程中導(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)過一段時間的抽排未見明顯的衰減跡象，為避免長期涌水造成地下水大量流失，對周邊環(huán)境造成影響。

超前帷幕注漿縱向長度為25 m（含止?jié){墻），每循環(huán)開挖20 m，預(yù)留5 m作為下循環(huán)止?jié){巖盤。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，開挖輪廓線外布設(shè)2圈孔，漿液擴散半徑設(shè)計為2.0 m，終孔間距不大于3.0 m，共設(shè)66個注漿孔，施工中根據(jù)鉆孔情況和出水情況，可對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)縱向加固長度為25 m，徑向加固范圍為隧洞斷面及開挖線外4 m，共設(shè)置3個注漿斷面，其中8 m和17 m處設(shè)兩個補充注漿斷面，以消除注漿盲區(qū)，25 m處設(shè)終孔斷面。帷幕注漿設(shè)計如圖6所示。

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

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

3.2.4 止?jié){墻設(shè)計。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)場開挖揭露，通過帷幕注漿加固后，破碎圍巖加固為整體狀，掌子面圍巖呈現(xiàn)樹根狀漿脈。

由于帷幕注漿對斷裂帶導(dǎo)水通道的封堵填充，注漿堵水效果良好，現(xiàn)場施工過程中掌子面出水量明顯減少。本研究通過洞內(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)，其在施工過程中極易發(fā)生突涌水災(zāi)害，本研究結(jié)合工程現(xiàn)場實例，采取理論分析和地質(zhì)超前預(yù)報等綜合手段，對水工隧洞突涌水致災(zāi)機理及治理方案進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

①隧洞位于活動斷裂帶影響段，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，富水性強，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通過地質(zhì)超前預(yù)報可以有效預(yù)測掌子面前方地下水情況，現(xiàn)場實際施工過程中應(yīng)加強超前預(yù)報，實時掌握隧洞前方情況，及時調(diào)整施工工藝，實現(xiàn)動態(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，避免掌子面由于長期涌水導(dǎo)致后方產(chǎn)生空腔。同時，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。

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