宝兰客运专线麦积山隧道2号斜井突涌水特征与防治措施研究

阎　渊

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



宝兰客运专线麦积山隧道2号斜井突涌水特征与防治措施研究

阎渊

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

铁路隧道大突涌水灾害一般认为发生于岩溶发育及断层构造带等易形成大型含水构造的地段，通过对宝兰客运专线麦积山隧道2号斜井的研究分析，普遍认为是工程地质及水文地质条件相对较好、富水性相对较弱的花岗岩隧道中的突涌水现象。并在勘察施工过程中运用地质调查法、物探法、超前水平钻法等多种勘察手段，结合区域背景资料综合分析，总结出花岗岩的构造节理定向等距、空间分布非均匀性、涌水量非线性变化、流态相对单一等特点及发育规律，并以此结论为基础论述突涌水防治措施方案的比选研究。最后施工验证了治理方案“顶水作业，辅助注浆封堵”的安全合理性。

铁路隧道；隧道突涌水;花岗岩;构造裂隙水;含导水构造设计；

麦积山隧道为新建铁路宝鸡至兰州客运专线的控制性工程，隧道全长13.932 km，最大埋深675 m，该隧道设斜井3座。其中2号斜井位于天水市麦积区元龙镇王家沟，长1.486 km，设计坡度9.91%，岩性为燕山期花岗岩[1]，隧道设计围岩为Ⅱ-Ⅲ级。该斜井施工至XK4+89 m(距正线交叉口489 m) 时，掌子面右侧出现较大涌水，其涌水点最大喷射距离达15 m，斜井积水长度约110 m，最大涌水量约16 494 m3/d，水压1.0 MPa。这在花岗岩地区的铁路隧道建设史上实属罕见。

1　影响隧道突涌水的因素及其分析思路

影响隧道涌水的因素错综复杂，但总体可以概化为地质因素和工程因素。一般地质因素为主要因素，工程因素为诱发因素[2]，详见表1。由于该隧道岩性为花岗岩，属非可溶岩隧道，突涌水主要受岩体内部构造影响(表1)。

表1　影响隧道涌水主要因素[3]

在隧道施工中不可避免地会破坏隐伏的含水构造，导致导水通道与开挖临空面连通，诱发地下水突然涌入开挖区，发生突水灾害。由于该隧道突涌水主要受岩体内部构造影响，而岩体内部构造研究的重点应放在分析致灾含水体与含导水构造形式上[4]。其具体分析思路是:在充分了解区域背景资料的基础上，结合调查法、物探法、勘探法等多种勘察方法，综合分析[5]，由此总结出致灾含水体与含导水的构造形式，从而提出有针对性的治理方案。详见图1。

图1　隧道涌水量分析思路

2　区域资料分析与综合勘察分析

麦积山隧道走向基本与渭河河谷平行。区域内花岗岩受渭河大断裂活动的强烈改造，形成了规模较大的弧形构造带，奠定了该区域的基本构造。区内断裂多为脆性断裂，展布方向多为近东西向与近南北向[6]。

由图2可知，麦积山隧道2号斜井恰好位于F5 (N10°W∠70°N)断裂延长线附近，距离渭河断裂F11(EW∠70°N)仅有2 km左右，节理裂隙发育程度受区域断裂控制。根据试验资料，区内花岗岩平均单轴饱和抗压强度RC=83 MPa，岩体完整。2号斜井范围内的最大主应力方向为N68°W～N80°W，优势方向为N75°W，最大主应力方向与区域断裂F11构造方向基本一致。

图2　构造纲要与线路关系

麦积山隧道2号斜井洞身岩性为华里西期花岗岩，层理不发育，岩体结构面主要以节理裂隙为主，所以含导水构造形态受节理裂隙影响显著。通过掌子面地质编录，结合地表调查，可以获得洞身范围内连续的节理产状，并通过数理统计绘制出节理走向玫瑰花图，分析出优势节理的走向及倾角，从而得出该岩体的含导水构造空间形态。

(1)洞室内地质编录分析

根据2号斜井XK10+89～XK4+89(600 m)段地质素描资料统计，共计201组节理，绘制节理玫瑰花图，见图3。

图3　节理走向玫瑰花图

根据节理玫瑰花图显示，该斜井洞身主要发育有两组共轭剪张节理，主节理走向为N70°～80°E∠65°～75°N，节理宽度大于5 mm，属宽张节理，节理面平直粗糙无填充，节理延伸长度普遍大于8 m，该组节理产状基本与F11 (EW∠70°N)断层走向近一致，说明斜井内节理裂隙受区域构造影响明显；次主节理走向为N30°～40°W∠60°～80°S，节理宽度大于5 mm，属宽张节理，节理面平直粗糙无填充，节理延伸长度普遍大于5 m，由于区域断裂F5(N10°W∠70°N)为正断层且具有右滑性质，使得次主组节理产状产生了略微的偏差[7]，但大走向是一致的。2组共轭节理大致将斜井洞身岩块切割成渔网状含导水体。

(2)施工过程涌水分析

2号斜井截止施工至XK4+89 m时，出现了3次较大集中涌水，涌水位置及涌水量详见表2。

表2　麦积山隧道2号斜井抽排水量量测

隧道洞身突涌水表现形式为涌水点随节理呈线状、水帘状及股状分布，水质清澈，无泥沙，从斜井内第一次出现渗水开始，每隔100～200 m左右(进入浅埋沟谷区域)便会出现一次相对较大线状的涌水现象。掌子面到达XK4+89时达到其水量峰值。

(3)补充地表调查分析

麦积山2号斜井位于两沟谷间，两沟谷与斜井形成环形包围状，汇水条件较好。斜井距离右侧大里程沟谷较远，距左侧小里程沟谷较近，垂直距离50～250 m，斜井涌水段落井底与对应沟心垂直高差168～228 m。小里程沟谷内常年流水，流量约3 320 m3/d，支沟发育。经调查，沟内出露花岗岩节理产状与斜井洞身主节理方向基本一致，且调查发现3次集中涌水位置XK7+51、XK6+12、XK4+89与小里程沟谷内发育支沟位置基本一致(图4)。

图4　2号斜井平面

对小里程地表水进行流量测试。从2号斜井与正洞交叉孔处及下游1.0km处布置2个过水断面，测试结果见表3。

由表3可知，地表水在2处断面，距离约1.1 km，损失约1 710 m3/d，由此可见，小里程沟谷对斜井有一定的侧向补给能力。

表3　地表水流量测试结果

随着斜井的掘进，网状含水岩体厚度逐渐增大，储水空间明显增大，当施工至支沟下部时，都会出现集中涌水。

(4)超前地质预报分析

掌子面前方未揭示地段含导水构造形态还需要超前地质预报资料与勘探资料的进一步验证。

在众多预报方法中，TSP超前地质预报作为目前最先进的长距离探测手段脱颖而出，该系统是利用弹性波在不同介质的不同波速，回声测量，从而反应不同介质的物性参数[8]。

根据TSP资料显示(图5)，XK4+89掌子面前方5、20、40 m可能为集中涌水点(段)，但整体波速较高，动态杨氏模量也较高，说明花岗岩岩体虽然局部发育有节理密集带，但总体完整性较好，岩质坚硬，且不宜软化。通过TSP显示的反射界面的走向，主要为N60°～50°E及N30°～40°W，与地质素描资料及区域资料主次节理产状向吻合，进一步验证了两组共轭节理控制含导水体构造形式的结论。

图5　TSP成果图

采用超前水平钻孔勘察隧道掌子面前方的地质情况是隧道施工中最直接的方法，并且物探结论都需要超前水平钻探的验证[9]。

在XK4+89～XK4+49(50m)布置超前水平钻孔3个。根据超前水平钻钻探结果显示，XK4+89前方50 m范围内，4～9 m、20～25 m、36～39 m为主要出水深度，即物探显示节理裂隙密集带位置，物探、钻探资料相互验证。由此可见，洞身每隔十几米就会出现节理裂隙密集带，显示规律的等距特性。

3　涌水量预测分析

由于2号斜井突涌水模式为构造带节理裂隙突涌水模式[10]，地下水空间赋存边界条件受构造控制，F5断层影响宽度有限，涌水量持续增长能力有限。对2号斜井未开挖段采用水文地质类比法、古德曼经验式、经验公式分别进行涌水量预测计算。

水文地质类比法是根据已开挖地段的涌水量预测未开挖地段的涌水量。古德曼经验式与经验公式则属于解析法[11]。经综合分析，采用古德曼经验式预测结果，2号斜井正常涌水量总计约5 827 m3/d，2号斜井所担负正洞施工段最大涌水量约15 729 m3/d，斜井工区总的最大涌水量约21 556 m3/d。

4　突涌水特征及规律

通过以上多种勘察方法综合分析得出2号斜井突涌水基本特征：隧道洞身岩性为花岗岩，以Ⅱ～Ⅲ级为主，岩质坚硬，突涌水类型属节理裂隙型，多为宽张型裂隙，裂隙面充填物少，延伸长度长。隧道洞身岩体受2条相互垂直断裂F11与F5影响，形成了以主节理为赋存空间，次主节理为导流通道的含导水体构造形式模型[12]，且主控导水通道位置与F5影响带范围高度相关，除具有以上特征外，还具有以下规律。

(1)定向等距分布

由于花岗岩为侵入岩，只有节理裂隙，结构面组合相对简单，受构造应力控制，节理发育规律性及方向性极强，具有平行于最大主应力方向且基本等距分布的特点。揭露的涌水表现为几个股状集中涌水，或线状面状涌水，各涌水点连线为主要储水构造走向。多条突涌水间距大致相同，表现较为突出的等距性。

(3)非均匀性

裂隙含导水系统受主控导水通道作用明显，使得裂隙含导水表现出显著的非均匀性，局部表现为突变性，若揭示主控导水通道则涌水量大，若揭示非主控裂隙，则导水能力有限，有时甚至无水，表现为极强的非均匀性。

(3)涌水量非线性变化

花岗岩隧道其涌水量变化具有明显的非线性的特征。若揭露单一的裂隙含导水系统，系统内地下水主要为静储量，则涌水量总体衰减，并直至枯竭；若揭露次级裂隙含导水系统，因其补给能力有限，隧道涌水量总体较少，且长期稳定的特征；若揭露主控含导水裂隙或主干裂隙系统，常沟通含水层(体)，隧道涌水量表现为水量大且逐渐衰减至稳定的特征，涌水量大小与沟通含水体层富水性有一定的相关性。

(4)流态相对单一

花岗岩质地坚硬，饱和单轴抗压强度通常大于60 MPa，富水节理裂隙多为宽张长大节理裂隙，岩体完整性好，软化作用弱，填充物质较少，流态多为清水流，或开始时夹有小碎石泥块等涌出物，流量稳定后逐渐清澈。

5　涌水治理方案比选分析

对隧道突涌水特征及规律的分析最终目的是指导突涌水的治理，根据铁路隧道设计规范:“隧道防排水应采取防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理的原则，达到防水可靠，经济合理的目的[13]。过去铁路隧道工程基本是“以排为主”。随着注浆工艺的日趋成熟，对环境及水资源保护的需求的不断提高，以及隧道防渗抗变形要求的提高，根据近两年国内工程实例，采用注浆封堵方法处理隧道涌水的案例也越来越多。但以排为主还是以堵为主还是要结合隧道的具体情况来确定。

根据本隧道的突涌水特征，大致确定了3个常见的涌水处理思路。

(1)采取“以堵为主，限量排放”的原则进行预注浆加固，使隧道形成一个注浆加固圈，隧道开挖后，再进行注浆封堵渗漏[14]。

(2)封堵掌子面，并向左或向右绕行，绕避含水体[15]。

(3)顶水作业，加大抽水能力，对集中涌水点进行辅助注浆封堵。

以上3个思路基本涵盖了目前处理隧道突涌水的常见方法，下面对3个思路进行逐个分析：思路(1)基本是“以堵为主”。由于隧道岩体完整性较好，节理多为宽张长大节理，注浆加固围岩的意义不大，主要为形成止水圈，但花岗岩节理较宽且延伸较长，使得注浆时，吃浆量较大，注浆时间长，充填效果差。且注浆工艺用时较长，工序搭接要求较高，价格昂贵，严重影响施工工期。虽然注浆封堵在其他工程中得到了广泛的应用，但此法并不适用于2号斜井的涌水特征及地质条件。思路(2)处理方案基本为“封堵绕避”，该方案比较适用于储水范围较小，水力联系差，较封闭孤立的含导水系统，由于2号斜井突涌水属节理裂隙类型，主节理为储水空间，次主节理为径流通道的地下水分布特征，且主控导水通道与隧道线路方向大角度相交，无论向左还是向右绕避，都必须与主控导水通道相交，没有实际意义。思路(3)处理方案基本是“以排为主，顶水作业”的思路。2号斜井岩性为花岗岩，围岩条件好，自稳能力强，遇水不宜软化，比较适合“顶水作业”，又根据上文分析预测，斜井总的最大涌水量约21 556 m3/d，且还会持续衰减。又由于主控导水通道受区域断裂F5控制，空间分布宽度有限。储水体静储量已经得到较为充分的释放，地下水补给来源有限，施工过程水量衰减明显，对排水作业也比较有利。

通过以上分析，“以排为主，顶水作业”的方案比较适合2号斜井目前的工程及水文地质条件，满足隧道设计“合理经济”的原则，具体方案如下。

(1)2号斜井工区抽排水能力按20 000～25 000 m3/d配设。斜井内使用3台280 m3/h的水泵进行抽水，抽排水能力达到20 000 m3/d，应配足抽排水设施，做好设备的维修养护，确保设备正常运转和及时排水[16]。

(2)对施工已出现的集中涌水点(段)及已衰减股状涌水进行辅助注浆封堵，以减轻斜井抽水压力。

(3)做好超前地质预报工作。对TSP异常点(段)，加强水平钻孔或加深炮孔的实施，重点对涌水量、涌水压力、水温及涌水变化进行观测和分析；掌子面地质编录应着重对节理性质、产状及其发育程度和岩体完整程度进行详细描述。

(4)对各涌水点(段)水量和井口涌水量应进行长期监控量测，并做好记录。

6　施工验证效果

麦积山隧道目前已贯通，施工过程中，无出现大的突涌水灾害，涌水量变化详见图6。由图6可知，涌水量在XK4+89、XK4+71、XK4+65、XK3+00、XK0+00、DK735+917分别达到涌水量的峰值，与预测的涌水位置相吻合，进一步验证了结论的正确性，特别是DK735+917这个位置恰好出现在F5断裂延长线与线路的交点位置，验证了主控导水通道与断裂影响范围高度相关这一结论。

涌水量的总体趋势也如预测一样，总体呈衰减的趋势，最大涌水量也没有超过20 000 m3/d，也在预测涌水量范围之内。

图6　麦积山隧道2号斜井及正洞小里程涌水量变化趋势

7　结论与建议

通过对影响隧道突涌水因素的分析，确定了花岗岩隧道突涌水的分析重点应放在致灾含水体与含导水构造的形式上。然后结合地质调查法、物探法、勘探法、超前地质预报等勘察方法与区域基础资料综合分析，总结出花岗岩隧道突涌水具有构造节理定向等距、空间分布非均匀性、涌水量非线性变化、流态相对单一等特点及发育规律，并根据此结论指导突涌水治理方案的比选，最终确定“以排为主，顶水作业，加大抽水能力，对集中涌水点进行辅助注浆封堵”的治理方案，并通过施工验证达到了预期的目的。

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Study on Characteristics and Control Measures of Water Burst of No.2 Deviated Well in Maijishan Tunnel on Bao-Lan Passenger Dedicated Line

YAN Yuan

(The First Railway Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Railway tunnel water burst often occurs in karst development section and fault tectonic belt. With reference to Maijishan Tunnel on Baoji-Lanzhou High-speed Railway， this paper discusses the water burst in granite tunnel with good engineering geological and hydrogeological conditions and weak water yield property. Geological investigation method， geophysical inspection method， advanced horizontal directional drilling method are employed during the survey and construction processes， and the characteristics and development rules of granite， such as directional isometry of tectonic joint， heterogeneity of spatial distribution， non-linear variation of water inflow are summarized in combination with regional background information. Based on this， the author conducts detailed comparison and analysis of water burst treatment schemes and the safety and rationality of the selected treatment scheme of operating under water and auxiliary blockage by grouting are verified by engineering practices

Railway tunnel; Water burst of tunnel; Granite; Tectonic fissure water; Water-bearing structure

2016-03-15；

2016-03-26

阎渊(1982—)，男，工程师，2005年毕业于西南交通大学，工学学士，E-mail：153225861@qq.com。

1004-2954(2016)09-0104-05

U456.3+3

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.023