引汉济渭工程深长隧洞突水综合预报与治理

李玉波

摘要：山岭隧洞在穿越大埋深围岩段落时常遇到复杂突水涌泥灾害。赋存于围岩中的基岩裂隙水具有埋藏、分布不均及赋存和运动规律复杂的特点，加之受含水灾害体埋深大、围岩介质不均匀以及洞内观测条件复杂恶劣等因素的制约，在深长随洞中开展突水涌泥灾害的预报工作是业内广泛关注的工程技术难题。为探明引汉济渭工程秦岭隧洞掌子面前方基岩裂隙水的埋藏位置、分布范围以及赋存形式，采用由三维地震法、瞬变电磁法以及激发极化法所构成的综合预报方法探明了掌子面前方的突涌水致灾构造，采用全断面超前帷幕注浆对探明的灾害区域进行治理，并结合7号洞主洞上游突涌水的超前地质预报、模型试验分析及超前帷幕注浆处理措施等，总结了一套在特殊地质条件下对不良地质体进行精确预报及综合治理的施工方法，为钻爆法施工隧洞中突水灾后治理以及超前帷幕注浆工作提供有益指导。

关键词：突涌水；综合超前地质预报；超前帷幕注浆；深长隧洞；引汉济渭工程

中图分类号：TV672+.1；P642.5 文献标志码：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.031

地下工程施工中，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相连通或处于准连通状态，进一步扰动会诱发地下水或与导水通道有水力联系的其他水体（地表水、地下暗河以及溶腔水等）突然涌入開挖区，发生突水突泥灾害川。因此，应用地球物理方法对隧洞施工过程中的突水突泥地质灾害进行超前地质预报，成为保障隧洞施工安全、高效开展施工作业的关键，国内外学者对此进行了大量的理论与技术研究。在钻爆法施工隧洞超前地质探测方面，已经由起初的超前导坑、超前钻探等方法发展到地震波反射法、电法、电磁法等地球物理勘探方法。其中，地震波类超前预报技术主要用于远距离（120m范围内）不良地质界面探测，主要有瑞士Amberg公司开发的TSP技术（Tunnel Seismic Prediction）[2]，美国NSA工程公司研制的真反射层析TRT技术（True ReflectionTomography）[3]，ZHAO Yonggui等研发的TST技术（Tunnel Seismic Tomography ）[4]等。直流电阻率与激发极化超前预报技术，主要用于近距离（30m范围内）含水致灾构造探测并估算其含水量。李术才等[5-6]提出了可定量探测掌子面前方30m内含水体水量的多同性源阵列电阻率、激发极化隧洞超前预报方法，在突水突泥不良地质定量探测方面取得了重要进展，研究成果在多个工程中得到成功应用。电磁感应类超前预报技术以瞬变电磁法和地质雷达法为代表，分别用于中远距离（80m范围内）与近距离（20m）储水、导水构造的探测。李貅等[7-10]在隧洞瞬变电磁法超前预报装置、数值模拟以及解释技术等方面取得了重要进展。

由于地球物理反演具有多解性，单一物探方法仅对某种物性参数敏感，因此在深长隧洞所穿越的复杂地质环境中，采用多种物探方法进行综合超前预报是探明掌子面前方不良地质的有效方法[11-13]。本文研究的引汉济渭工程隧洞的控制性工程秦岭隧洞（越岭段），穿越秦岭山脉，具有大埋深（最大埋深近2km）、长距离（81.8km）的工程特征。同时，区域地表地形复杂，地下岩溶、断裂构造极为发育，地下水富集情况复杂多变，在隧洞开挖过程中极易发生突水涌泥等地质灾害，严重影响施工进度，危害施工安全，并可能引发施工区地下水资源流失、地表沉陷等次生地质环境问题。解决此类隧洞中突涌水超前预报问题应采取洞内综合超前预报方法，使得多种物探方法的结果能够相互印证、互为补充。结合引汉济渭秦岭隧洞7号洞主洞上游突涌水过程中的超前地质预报、模型试验分析及超前帷幕注浆处理等，总结一套在特殊地质条件下对不良地质体进行精确预报及综合治理的方法与措施。

1 钻爆法施工隧洞中突涌水综合超前预报

综合超前地质预报是在地质分析的基础上利用多种地球物理探测方法和解释手段，对隧洞掌子面前方与附近围岩中的不良地质体进行识别与定位的技术。按照“长距、中远距、短距”预报手段相结合、洞内洞外相结合的指导思想，综合超前预报主要涉及三维地震波、瞬变电磁与三维激发极化法。其中：三维地震波法对掌子面前方100m范围内的不良地质界面、断层以及破碎带进行预报；瞬变电磁法对掌子面前方60～80m范围内的含水不良地质体进行预报；激发极化法对掌子面前方30m范围内的含水体进行定量预报。在探明掌子面前方不良地质与含水体的空间位置、赋存形式以及含水情况后，对掌子面及其附近的围岩开展注浆治理，达到加固围岩的目的。在注浆治理方法中，全断面超前帷幕注浆对裂隙发育程度高或围岩破碎的岩体具有较好的工程效果。

1.1 三维地震波法超前预报

三维地震波法超前预报是利用地震波遇到存在声学阻抗（密度和波速的乘积）差异界面时所发生的透射与反射现象对界面进行三维定位[5]。在钻爆法施工隧洞中，三维地震波法超前预报的观测系统见图1，其中黑色星号代表激发地震波的震源点、黑色圆圈代表接收发射地震波的检波器。在断层破碎带或岩性交界面处，反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，震波从一种低阻抗物质传播到一种高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软岩传播到硬的围岩时，回波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显。

1.2 瞬变电磁法超前预报

瞬变电磁法是利用掌子面前方岩体的导电性差异对可能存在的含水体进行定位的时间域电磁探测方法。在钻爆法施工隧洞超前预报中，瞬变电磁法多采用中心回线装置，其观测系统布置见图2。在瞬变电磁激发脉冲关断的时刻，瞬变电磁场在掌子面前方岩体中的良导体中感生出二次涡流场，二次场以磁通的形式被接收线圈（探头）接收放大后用于后续的资料解释。由于矩形波脉冲具有宽频带频谱特征，因此瞬变电磁场具有一定的穿透辐射与分辨能力。首先，根据傅里叶分析理论，一定宽度的脉冲信号的频率响应占据一定频带宽，且二者之间存在定量对偶关系。因此，通过控制激发脉宽能够实现对脉冲频率响应带宽的定量控制，进而实现对瞬变电磁场穿透辐射能力的有效控制。其次，根据电磁波成像理论，单频电磁波对目标体的最小分辨尺寸与其对应的波长（频率）成正比（反比），又由于瞬变电磁法所发射的宽频带矩形波含有多频率分量，因此其对一定尺寸范围内的地质目标体均具有一定的分辨能力。

1.3 三维激发极化法超前预报

激发极化法超前预报方法是以不同隧洞围岩间的激发极化效应（简称激电效应）为物性基础的电法勘探方法。在钻爆法施工隧洞中，激发极化法的观测模式有定点源二极法、定点源三极法[14]和多同性源观测模式[5]。多同性源观测模式见图3，其通过布置在掌子面边墙上的同性电流源向围岩内供人恒定的直流供电电流，可观测到不同测量电极之间的电位差随时间逐渐变化并在一段时间后趋于稳定的饱和值；当供电电流关断后，测量电极电位差在最初的一瞬间快速下降，而后随时间缓慢下降并趋于零。三维激发极化法能够探查隧洞掌子面前方的不良地质体，尤其是含水致灾构造。

2 工程应用

2.1 隧址区工程地质与施工情况

引汉济渭工程秦岭隧洞7号洞主洞设计里程为K67+163.517-K75+286.000，工程长度8122.483m。秦岭隧洞在大地构造单元上属于秦岭褶皱系，7号洞主洞位于秦岭岭北中低山区，该区多为V形峡谷，洞室最大埋深约1230m。7号洞主洞上游段发育刘家坪—木匠河断层，北西向延伸约10km。断层破碎带宽80～150m，主要构造岩为碎裂岩、构造角砾岩、断层泥、碎粉岩等。K67+163.517-K70+500.000段岩性主要为花岗岩、花崗闪长岩及花岗斑岩。隧址区地下水主要为基岩网状裂隙水和部分断层脉状裂隙水，水量较丰富，受大气降水补给。地下水主要储存于风化及构造节理、裂隙中，节理、裂隙的充填性较好。隧址区附近地表水较发育，水量随季节变化较大，主要为王家河中的常年流水。预测该段正常涌水量为1168m3，可能出现的最大涌水量为2336m3。

2015年7月9日掌子面施工至K68+995时出现多处股状、面状流水及线状滴水，初期最大涌水流量约8000m3/d，主要涌水点随掌子面开挖向前推移，7月12日K68+984拱部一炮孔钻至3.5m深度时，发生突水，涌水将风枪推出炮孔后，喷射距离达15m，初期最大涌水流量约 10000m3/d。至23日，洞内涌水仍未衰减，上游涌水流量达10600m3/d。8月7日19时在掌子面正中偏下部位，采用RPD-180CBR多功能钻机实施一超前钻孔，至8日7时钻探结束，孔深63.4m，沿钻眼有地下水喷出，初期射程达14m，上游掌子面附近涌水流量约13000m3/d。整个突涌水过程中的水量变化见图4。涌水处隧洞埋深约1000m，未见明显的地质构造，长大节理裂隙发育。

2.2 洞内综合超前预报

为探明突涌水段落附近围岩不良地质的空间三维展布，利用三维地震波法[15]与三维多同性源激发极化法[5，16]以及瞬变电磁法在洞内开展预报作业。

三维地震波法隧洞超前预报的成像结果见图5。根据反射波的强弱与极性可以得出如下判断：

（1）K68+932-K68+912段，长度20m，段内存在负反射，推断该段节理裂隙发育，岩体完整性差，K68+925-K68+917节理裂隙很发育。

（2）K68+912-K68+902段，长度10m，段内无明显正负反射，推断该段节理裂隙弱发育，围岩较为均一，岩体较完整，局部节理裂隙发育。

（3）K68+902-K68+877段，长度25m，段内存在多处负反射，推断该段节理裂隙较发育-发育，岩体整体完整性一般，局部完整性差。

（4）K68+877-K68+832段，长度45m，段内无明显正负反射，推断该段节理裂隙弱发育，围岩较为均一，岩体完整性较好，局部节理裂隙发育。

在三维地震波法预报的基础上，推断掌子面前方60m范围内的围岩较为破碎、裂隙发育。结合隧址区地下水的赋存情况，破碎的围岩中极可能存在裂隙水，因此需采用电磁类方法进一步探测。考虑到探测距离因素，开展了瞬变电磁预报作业，预报结果见图6。据掌子面前方围岩的导电性分布得到以下推断：

（1）K68+932-K68+917段，长度15m，为探测盲区，不做解释。

（2）K68+917-K68+907段，长度10m，测试显示左右各有一个低阻异常区，推断该段两边围岩相对中间的完整性差一些，且左右两侧存在赋水区。

（3）K68+907-K68+897段，长度10m，掌子面左侧前方31一34m（K68+901-K68+898段）存在一低阻异常区，推断该掌子面右半部分围岩较完整，左半部分存在赋水区。

（4）K68+897-K68+877段，长度20m，视电阻率整体呈高阻，推断该段岩体整体完整性较好。

在三维地震波法与瞬变电磁法预报的基础上，推断掌子面前方30m是基岩裂隙水发育的重点段落，应对该段落内的围岩含水情况进行近距离预报。为此在洞内开展了三维多同性源激发极化超前预报，探测结果见图7，其中X表示竖直方向、Y表示掌子面宽度方向、Z表示开挖方向，坐标原点为掌子面中心位置，反演区域为Y（-9m，9m）、X（-11m，11m），掌子面坐标为Y（-4.05m，4.05m）、X（-3.7m，3.7m），根据反演得到异常推断：

（1）K68+913-K68+893段，三维反演图像中掌子面范围内出现电阻率低值区域，结合地质分析，推断该段围岩完整性差，裂隙发育，易出现股状涌水。

（2）K68+893-K68+883段，三维反演图像中该段电阻率逐渐升高，结合地质情况，推断该段围岩完整性差，较上一段围岩质量稍好，可能出现线状流水。2.3预报结果验证

根据前期物探结果，推断掌子面前方30m范围内基岩裂隙水发育，其中左侧富水可能性较大。因此对掌子面开展了超前水平钻探，采用Z-GPZ150型冲击钻机，对掌子面进行3～4孔超前钻探，在K68+913掌子面左上、右上和中部三个区域分别进行超前钻探钻孔，位置见图8。三个探孔不同程度出现涌水现象，其详细记录见表1。其中，左上侧与中部钻孔开孔2.8m时开始出水，钻探至16m时钻机无法正常压进，拔出钻杆后，掌子面左上侧探孔涌水流量达到9240m3/d，水压达1.4mPa，右上部位探孔出水流量较小。综合三个钻孔的出水情况，掌子面左侧出水流量与水压均较大，与前期物探结果印证较好。

2.4 突涌水治理

综合超前地质探测及数值模型试验分析后，决定采用全断面帷幕注浆法进行堵水处理，以普通水泥单液浆、普通水泥一水玻璃双液浆、硫铝酸盐水泥单液浆、硫铝酸盐水泥一水玻璃双液浆作为注浆材料，采用合金钻头、Z-GPZ150型前冲击钻机钻进成孔。

结合超前地质预报情况，掌子面前方采用帷幕注浆方案，每环注浆长度25m，开挖长度20m，留5m的注浆岩盘作为下一循环的止浆墙，首环设4m止浆墙，止浆墙嵌入基岩1m，并用锚杆锚固。注浆加固的范围为开挖轮廓外不小于5m，通过试验酌情调整一次注浆的长度及注浆孔的布置。止浆墙施工时，预埋2～3根带有泄压阀的长6m、直径200mm钢管，以便在施工止浆墙时排水。帷幕注浆设计见图9～图11，注浆参数见表2。

通过对突涌水围岩的注浆治理，根据现场钻孔所揭示的地质状况，注浆结束后，采取注浆过程中尸一Q—t曲线分析及反算注浆后地层的浆液填充率判断注浆效果。同时选择掌子面左侧的薄弱环节进行钻孔检查，检查钻孔不坍孔、不卡钻，单孔涌水流量小于2L/（m·min），说明治理效果较好。

3 结语

长大深埋隧洞大多地质条件极为复杂，尽管前期勘察期间经过大量的地质調查，但由于地质条件的复杂性、多变性、不确定性以及勘察手段的局限性，勘察成果难以保证施工需要，因此配合施工的针对性强、手段多样、准确度较高的地质超前预报方法尤为重要。引汉济渭工程秦岭隧洞超前预报采用的激发极化法、三维地震波法及瞬变电磁法是目前国内先进的超前预报技术，经施工验证，超前预报准确率较高，预报成果互为印证、效果良好，可有效指导施工掘进，降低工程风险。超前水平钻探是最直接有效的探水方法，可以根据钻孔出水量、水压来判断前方整体涌水量，以此来确定相应的防治措施，同时根据地质超前预报成果来布设孔位，提高准确率。

隧洞开挖面超前帷幕注浆对隧洞围岩的堵水及加固具有不可替代的作用，根据压浆试验结果确定合理的注浆参数。浆液配比、泵压及注浆量是帷幕注浆的重要参数。通过地质超前预报综合分析，结合丰富的施工经验，对注浆方案进行动态设计，优化施工参数，减少相应的施工成本，显著提高工作效率。

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