中天山隧道高压富水段涌水量探测与连通试验研究

赵建宇

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

1 概述

1.1 工程概况

中天山隧道是南疆铁路吐库二线穿越中天山主脉的控制性工程，设计为并行的2座单线隧道，左线隧道长22 449 m，右线隧道长22 467 m，全隧道为单面上坡。左、右线线间距36 m。隧道穿越中天山北支博尔托乌山中山山地，平均海拔1 100～2 950 m，最高海拔为2 951.6 m，隧道最大埋深1 700 m。

1.2 设计地质及水文地质概况

中天山特长隧道穿越中天山北支博尔托乌山中山山地，博尔托乌山由元古界、古生界地层和华力西期侵入岩经历强烈褶皱和断裂的基础上形成，属剧烈切割陡峻的中山地貌。富水段洞身主要岩性为中元古界片麻岩、混合岩及加里东期闪长岩，通过f8、f9断层及f7断层影响带，岩体受构造影响较重，节理、裂隙较发育～发育，破碎～较破碎，含水不均匀。

2011年10月6日，出口右线隧道开挖至DyK154+901处(埋深约1400 m)在钻孔时出现较大涌水，至10月24日汇水里程至DyK155+830，洞内被淹930 m，右线停止掘进。为了了解隧道富水情况，2012年5月3日在左线隧道开挖至DK154+856后，采用RPD-150C多功能钻机进行超前钻孔探水，与右线一起进行水量、水压以及连通性等试验，以确定富水区范围，调整设计参数，调整排水管路设置，确保施工与结构安全。

2 探测与试验任务和方法

2.1 探测与试验任务

通过TSP超前地质预报、超前探孔以及地下水连通试验等综合措施，进行涌水探测与连通试验，全面收集整理相关测试数据，分析围岩裂隙发育状况、地下水来源及连通存储状态，确定富水区范围，进行突水涌水预测，为采取施工安全技术措施，调整设计参数等提供可靠的依据［1-3]。

2.2 探测与试验范围和方法

为探明前方地质水文情况，利用当前隧道探测与试验手段，采用TSP超前地质预报，探明前方地质状况;采用超前探孔释放地下水并进行地下水连通试验;采用水仓水位容积法测涌水量;采用物探对掌子面前方进行富水综合情况探测;综合整理分析相关数据资料。

3 涌水范围探测

3.1 超前地质预报

为探明前方地质情况，了解围岩整体情况，采用TSP对左线 DK154+856～DK154+706段(长150 m)、右线 DyK154+901～DyK154+733段(长168 m)进行超前地质预报。超前地质预报情况见表1、表2。

表1 右线超前地质预报分析

表2 左线超前地质预报分析

3.2 超前探孔

为更明确掌子面前方地质情况，测定涌水量，最直接，也是最有效的方法之一就是超前探孔。为此，根据现场实际情况，在左右线布孔进行钻孔探测，具体超前探孔布置见图1;右线采用RPD-180C型钻机钻进，左线采用RPD-150C型钻机钻进。

图1 超前钻孔布置(单位:cm)

3.2.1 右线钻孔

由于钻孔时前方水压大，引进了RPD-180C型钻机钻进。完成 Y1、Y2、Y3共3个孔，孔深6.7～38.3 m。钻探资料汇总见表3。

表3 右线超前钻孔资料汇总

3.2.2 左线钻孔

2012年5月3日掌子面开挖至DK154+856后，采用RPD-150C型钻机钻进。完成Z1、Z2、Z3共3个孔，孔深13.5～34 m。钻孔资料见表4。

表4 左线超前钻孔资料汇总

3.3 超前物探

根据左、右线物探150～168 m探测资料，右线富水段为DyK154+890～DyK154+792段(长98 m)，右线富水段为DK154+840～DyK154+774段(长66 m)。超前物探推断结果示意见图2。

图2 超前物探推断结果示意

4 水量观测、水压及连通试验

根据试验任务和目的，对左右线隧道涌水进行了水压、水量及掌子面涌水的连通试验，以了解隧道涌水特性。

4.1 涌水量量测

涌水量量测是在隧道掌子面水流处于无压状态下进行，用水仓水位容积法测得［4，5]。在右线掌子面DyK154+910、左线掌子面DK154+856附近开挖水仓，测得右线掌子面涌水量为8 064 m3/d，左线掌子面涌水量为6 524 m3/d，总涌水量14 588 m3/d。

4.2 连通性试验

右线超前钻孔3个，孔深6.7～38.3 m，揭露含水体最大宽度26.3 m，左线超前钻孔3个，孔深13.5～34 m，揭露含水体最大宽度24 m，在左、右线掌子面探孔上各安装3个阀门及压力表。

4.2.1 左右洞探孔不同时关闭压力观测

当右线3个探孔正常排水时，关闭左线3个探孔，观测左线3个孔的最大压力为0.35、0.6、0.6 MPa，压力变化曲线见图3。当左线3个探孔正常排水时，关闭右线3个探孔，观测右线3个孔的最大压力为1.6、1.8、1.9 MPa，压力变化曲线见图4中前40 min变化曲线部分。存在压力差的主要原因为两个掌子面有效排水能力不均衡。

图3 左线探孔水压力变化曲线

4.2.2 左右线掌子面同时关闭压力观测

4.2.2.1 右线观测情况

关闭左线3个探孔40 min后再关闭右线3个探孔，右线3孔水压力变化见图4中40 min后变化曲线部分。在测试过程中由于右线3号孔水阀出现泄水现象，最大压力值读数为4.9 MPa。

图4 右线探孔水压力变化曲线

4.2.2.2 左线观测情况

同时关闭左右线所有探孔，左线3个孔水压力变化曲线见图5(压力变化截止至右线5号孔水阀出现泄水后1 min)。

图5 左线探孔压力变化曲线

从压力升高图分析，地下水在2.5～3 MPa(洞顶以上250～300 m水头高度内)未形成有效降落漏斗。压力从3 MPa升高至4.9 MPa增加水量约456 m3，说明排水有效影响半径较小。

4.2.3 单孔压力、流量观测

在关闭左线3个探孔水阀的同时关闭右线Y2、Y3号探孔水阀，对Y1号探孔进行压力测试及排水流量测试。Y1号探孔，孔深为38.3 m，为最深的探孔。在先关闭其他所有水阀的情况下，再关闭Y1号探孔水阀，Y1号孔水压力由0到4.0 MPa，共用时28 min，根据观测在压力达到4 MPa左右时单孔最大排水量流量约350 m3/h，压力变化曲线见图6。然后打开Y1号探孔水阀，观测排出水量，到排水量稳定时，共历时约21 min，共排水98.44 m3，流量变化曲线见图7。

图6 右线Y1孔关闭后水压力变化曲线

图7 右线Y1孔水流量变化曲线

5 突涌水分析及水量预测

5.1 突涌水情况分析

从设计地质情况分析，掌子面前方岩性为灰黑色闪长岩，节理、裂隙发育，受断层影响，接触带层间水，富水带呈条带状分布。根据富水段的物探资料，富水段呈条带状，物性异常带宽度约300 m，主要地下水富集带宽度约106 m。根据实施的超前探孔资料分析，地下水主要分布在以节理密集带为主的岩体中，局部裂隙发育较宽，含水体倾向小里程方向，总体走向与节理延伸方向一致，相对隔水体分布明显。根据超前探孔终孔水量在100～200 m3/h不等可以看出，地下水分布具有一定的不均匀性。根据富水段水压水量观测及连通试验，说明岩体节理裂隙连通性好，地下水补给来源充分等特点［6，7]。综合分析，该段围岩节理裂隙发育，连通性好，岩体富水，但发生突涌水概率较小。

5.2 突涌水段水量预测

根据掌子面超前水平钻孔、水压及水量观测，采用古德曼经验式、水压力法及水文地质比拟法进行最大涌水量估算，综合分析预测左右隧道突涌水段的正常涌水量1.6万m3/d，可能出现的最大涌水量3.2万m3/d，滞后施工最大涌水量1.92万m3/d。

6 研究成果及应用

针对山岭隧道工程富水地段，通过多种探测与试验手段，能够采集相关数据，全面掌握隧道围岩状况、富水状态、涌水的可能性，为确保结构和安全提供了可靠依据。特别是在本隧道中，采用地下水连通试验，为左右洞超前注浆扩散情况、打孔排水统一协调提供了理论支持，保证了注浆堵水的效果。通过超前地质预报和探孔，探明了地下水分布状态，为调整前进式分段注浆参数提供了可靠依据。实践证明，富水地段采用超前帷幕注浆有效控制地下水，加强设计，达到了“限量排放”目标;根据涌水量预测，现场增加管道，提高储备，确保施工安全［8]。

［1]王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见［J].铁道勘察，2004(1):7-10.

［2]肖书安，吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术［J].工程地球物理学报，2004(2):159-165.

［3]何发亮，李苍松.隧道施工期地质超前预报技术的发展［J].现代隧道技术，2001(3):12-15.

［4]田海涛，董益华，王延辉.隧道涌水量预测的研究［J].水利与建筑工程学报，2007(3):75-77.

［5]康小兵，张强，许模.重庆走马岭岩溶隧道涌水量初步研究［J].工程地质学报，2006(1):68-71.

［6]汶文钊.精伊霍铁路北天山隧道高压富水段断层施工技术［J].铁道标准设计，2009(6):90-92.

［7]吴建荣.多孔地下水连通试验确定主径流带［J].煤矿安全，1994(6):11-13.

［8]张祯武.岩溶地下水管流场类型与示踪曲线的对应关系及在生产中的应用［J].中国岩溶，1990(3):211-219.

［9]王晓峰.宜万铁路白云山隧道软弱地质岩溶富水段施工技术［J].铁道标准设计，2010(8):145-149.

［10]祝廷建.新麒麟隧道进口涌水治理措施［J].科技之友(B版)，2009(10):42-43.