引水隧洞断裂地质缺陷分析及工程应对策略

占 艳 平，林 仕 祥，刘 恒

(长江设计集团 长江岩土工程有限公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

许多在建或已建工程，如引大济湟[1]、滇中引水[2]等工程显示，穿越大型断裂(断层)破碎带的隧洞段往往是隧洞工程施工与运行的安全隐患段，常常导致工期延误，投资增加，甚至造成重大人员伤亡。因此，穿越大的断裂(断层)破碎带的隧洞工程往往是勘察、设计、施工研究的重点和热点，如滇中引水工程香炉山隧洞穿越芹菜塘断裂[3]、引大济湟引水隧洞穿越大坂山北缘断裂、大坂山南缘断裂等多条区域性断裂[4]等。研究大型断裂(断层)破碎带的工程地质特性及其对隧洞工程的影响，提出具有针对性的应对策略意义重大。

正在建设中的十堰市中心城区水资源配置工程的主线引水隧洞(2号隧洞)穿越竹山断裂洞段是制约该工程进度与投资的关键地段。目前，公开发表的工程技术文献，除了前人编制的区域地质调查报告对竹山断裂做了一般基础性描述外[5]，尚未发现对竹山断裂工程地质特性研究的专门性研究成果。随着水利、交通[6]、市政等行业工程建设的发展，越来越多工程建设正在或将要涉及到竹山断裂，且避不开该断裂的影响。因此，开展竹山断裂专项工程地质特性研究，对当地工程建设同样具有重要的现实意义。

本文利用2号隧洞穿越竹山断裂段前期地质勘察、试验(测试)资料及临时工程1号施工支洞施工编录地质资料，分析了该断裂的地质条件，研究工程应对策略，提出了解决2号隧洞穿越竹山断裂段地质缺陷的工程措施。研究成果对类似工程的建设具有一定的参考价值。

1 工程概况

十堰市中心城区水资源配置工程为引水线路工程，该工程位于鄂西北的十堰市城区西南侧，自竹山县境内的潘口水库取水口，途径竹山县的傅家坪村，房县的化口村、大木村，茅箭区的赛武当风景区，引水至马家河水库，引水线路整体沿东北向展布。引水干线以隧道输水为主，全长68.984 km，包含倒虹吸4座，总长1.782 km，暗涵1处，总长0.201 km，隧洞5条，总长67.007 km，引水底板高程327.50～310.92 m。

引水线路穿越志留系的软岩区、赛武当的高地应力区；志留系软岩区断层和煤系地层发育[7]，地下水丰富，其中区域性大断裂——竹山断裂通过志留系软岩区。工程区地质条件复杂，施工风险高。设计的2号隧洞(干线隧洞)和1号施工支洞(临时工程)穿过竹山断裂。2号隧洞过竹山断裂的桩号为K8+200～K9+030，竹山断裂带走向与洞轴线夹角约59°，洞身埋深64～156 m，设计开挖断面为城门洞型，开挖尺寸3.5 m×4.0 m(宽×高)，洞室底板高程325.0～324.4 m，尚未施工；1号施工支洞于桩号K0+189～K0+235.4穿越竹山断裂，开挖断面为城门洞型，开挖尺寸3.8 m×4.5 m(宽×高)，已完成开挖支护施工。2号隧洞过竹山断裂洞段被列为前期工程勘察和施工期地质服务工作的重难点。前期勘察采用了综合勘察手段，获得了丰富的第一手资料；1号施工支洞洞挖揭露的地质情况与变形监测数据进一步校证了前期勘察成果，为分析竹山断裂工程地质缺陷，制定隧洞通过竹山断裂段的工程应对策略提供了充足的依据。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

干线2号隧洞过竹山断裂段位于竹山县城东侧低山-丘陵地貌区，沿线地面高程390～527 m，山体斜坡坡度20°～40°，地形起伏较大(见图1)。

竹山断裂分布于七里沟及其左侧斜坡，大致沿冲沟走向NWW方向延伸。七里沟为堵河的支沟，沟底坡降25‰，沟底宽80～120 m，地面高程390～408 m，坡度3°～10°，沟底地形宽缓；冲沟两侧斜坡坡度一般20°～38°；沟两侧小冲沟发育，小冲沟切深20～85 m，延伸长度一般小于1 km。麻安高速公路沿七里沟通过。

2.2 地层岩性

研究区基岩为志留系下统梅子垭组(S1m)，第四系覆盖层主要为全新统坡洪积层(Q4dl+pl)。

志留系下统梅子垭组(S1m)：岩性主要为灰色薄层-中厚层状粉砂质千枚岩夹绢云母千枚岩，风化色为黄褐色、灰黄色，为软质岩[8]。岩层厚度大于200 m，区内斜坡上露头较好。

全新统坡洪积层(Q4dl+pl)：为含碎、块石粉质黏土，厚度2.0～6.5 m，主要分布于七里沟沟底平缓地带。

2.3 水文地质

地表水系主要由七里沟和两侧支沟组成。七里沟常年有水，枯水季节沟水流量约1 L/s，其两侧小冲沟沟内仅有季节性水流。

地下水类型主要为基岩裂隙水，其次为第四系孔隙水。基岩裂隙水分布不均一，主要赋存于断层及其影响带破碎岩体中。竹山断裂破碎带及其影响带岩体裂隙发育，是裂隙水富集区。区内基岩裂隙水主要受大气降水和径流上游地下水补给，向冲沟和径流下游排泄。第四系孔隙水主要赋存于全新统坡洪积层含碎、块石粉质黏土中，一般以上层滞水[9]的形式存在，另在竹山断裂破碎带的断层泥条带或团块中亦赋存有少量孔隙水。

基于现场和室内渗透试验成果，结合工程经验提出不同水文地质单元的透水性：微新岩体一般具极微-弱透水性(K=i×10-7～i×10-5cm/s，其中1≤i<10，K为渗透系数，下同)；断层破碎带及其影响带一般具中等透水性(K=i×10-3cm/s)，局部具强透水性；全新统坡洪积层中的含碎、块石粉质黏土一般具微透水性(K=i×10-6cm/s)。

2.4 地质构造

研究区内地层产状总体为340°～356°∠35°～45°，岩层走向与洞轴线夹角约20°。局部由于构造原因产状有所变化。

基岩裂隙较发育，特别是断层影响带裂隙一般密集发育[10]。区内裂隙大都为构造裂隙，少量为卸荷裂隙，卸荷裂隙主要分布于地表部岩体中。

竹山断裂为区域性大断裂，位于西南部，走向NW，总体表现为由NE→SW的逆冲性质，常造成地层的缺失并破坏两侧褶皱的完整性。断裂面呈舒缓波状，区域宽10～1 000 m不等。主体倾向北东，走向290°～310°，倾角30°～70°。研究区内竹山断裂由F6(南支)和F7(北支)两条分支断层组成。其中F6断层位于麻安高速(G4213)SW侧约550 m，F7断层位于麻安高速NE侧约30～95 m。DZK2钻孔于孔深44.7～126.3 m揭露F6断层破碎带，DZK3钻孔于孔深26.6～92.3 m揭露F7断层破碎带。F6和F7断层工程地质特性详见表1。断层带岩芯普遍软弱、破碎，含石英脉，局部夹含断层泥[11]，局部含泥量增大构成断层泥条带(或团块)，铅直厚度达2.4 m(DZK2钻孔揭露孔深79.4～81.8 m)。

表1 F6和F7断层工程地质特性Tab.1 Engineering geological properties of F6 and F7 faults

2.5 岩石(体)物理力学性质

对区内岩石取样进行了室内物理力学性质试验，试验成果统计列于表2。

表2 研究区岩石物理力学性质试验成果统计Tab.2 Statistics of test results of main rock’s physical and mechanical properties in the study area

根据岩石物理力学性质试验成果，结合工程经验，提出各类岩石(体)的物理力学性质参数建议值(见表3)。

表3 研究区主要岩石(体)物理力学性质参数建议值Tab.3 Recommended values of physical and mechanical parameters of main rocks

根据现场地质鉴定，竹山断裂断层泥属粉质黏土类或黏土类，呈可塑状，较湿。借鉴工程经验，提出断层泥的物理力学性质参数建议值：天然重度约为19.7 kN/m3；天然抗剪强度c为8～10 kPa，φ为10°～13°。

3 竹山断裂地质缺陷分析

沿干线隧洞轴线，竹山断裂影响范围包括F6和F7两条分支断层及其上、下盘影响带(见图2)，断层破碎带及影响带岩体软弱、破碎。其中F6断层及影响带厚约73.9 m，沿洞轴线宽约100 m；F7断层及影响带厚约134.4 m，沿洞轴线宽约159.7 m，其影响范围大。预测其影响范围内隧洞围岩类别为Ⅴ类，极不稳定，存在塑性大变形[12]、坍塌、涌水突泥[13]问题，需加强工程处理措施，采取超前支护措施[14]，势必会增加工期和工程量。总结竹山断裂主要有3大地质缺陷：① 断裂带物质组成复杂；② 断裂带岩性软弱、破碎；③ 破碎带含水丰富。

(1) 断层及其影响带物质组成复杂，加大了洞室超前地质预报的难度，增加了施工风险。根据前期野外调查、钻孔揭示及施工期1号施工支洞开挖揭露，竹山断裂分支断层及其影响带主要由破碎岩体和断层泥条带或团块组成，各类组成物质分布规律性差。其中影响带主要为破碎岩体，断层泥较少。破碎岩体根据岩类可分为粉砂质千枚岩类和绢云母千枚岩类，根据完整程度又可分为较破碎类和破碎类[8]。断层泥分布无规律，呈条带状或团块状，随机分布，规模大小不一，大的厚度超过1 m，长度超过6 m，小的厚约数厘米，长数十厘米。根据土类分类，断层泥可分为黏土类、粉质黏土类[15]等。由此可见断层及其影响带物质组成复杂，而且物质组成有其自身相对独有的特点：组成物质主要为破碎岩体和断层泥，断层泥分布无规律，局部断层泥条带或团块分布规模比较大。这样加大了洞室超前地质预报的难度，增加了施工风险。

(2) 断层及其影响带物质软弱、破碎，洞挖时极易产生塑性大变形。断层及其影响带主要由破碎岩体和断层泥条带或团块组成，其中破碎岩体岩性为粉砂质千枚岩、绢云母千枚岩，岩性软弱；其呈碎裂状，受裂隙切割，岩石块度仅数厘米到十余厘米，岩体较破碎-破碎。组成物质中破碎岩体岩性软弱，断层泥为可塑状黏性土，其性状极其软弱，该类断层工程上较为少见。破碎岩体组成的洞室围岩极不稳定[16]，围岩易产生塑性大变形；断层泥条带或团块组成的洞室围岩极易产生塑性大变形。

(3) 断层及影响带含水丰富，高地下水压力下易产生突泥现象。竹山断裂中分支断层(F6和F7)及其影响带岩体破碎，岩体透水性较强，根据现场渗透试验成果，断层及其影响带一般具中等透水性(K=i×10-3cm/s)，局部具强透水性。断层及影响带内地下水位为365.5～370.5 m，埋深为数米，高于隧洞底板约65～90 m。竹山断裂中断层及影响带含水丰富，是有一定规模的富水体，亦是地下水径流的主要通道[17]。分别采用裘布依理论公式和古德曼经验公式[18]对施工期主洞中正常涌水量和施工初期最大涌水量进行预测[19]。竹山断裂分支断层F6及其影响带施工期正常涌水量和施工初期最大涌水量分别为10.6 m3/h和178.3 m3/h；分支断层F7及其影响带施工期正常涌水量和施工初期最大涌水量分别为9.8 m3/h 和254.1 m3/h。断层及影响带含水丰富，为涌水突泥提供了补给水源，在高地下水压力下产生突泥现象。不过该水源仅是断层及影响带内自身赋存的地下水，水量有限，突泥规模有限。

4 1号施工支洞过竹山断裂段工程建设经验

4.1 洞室工程地质条件及围岩稳定性评价

1号施工支洞穿过竹山断裂分支断层F6，穿越段洞身埋深77～101 m，围岩湿润。F6断层破碎带物质主要为断层泥条带和团块(见图3)断层带宽约46 m；断层两侧影响带宽7～12 m，岩性为粉砂质千枚岩和绢云母千枚岩，影响带内岩体较破碎-破碎。F6断层破碎带及其两侧影响带工程特性差，特别是断层破碎带部位围岩稳定性极差，基本无自稳能力。综合分析，1号施工支洞过竹山断裂段洞室围岩类别为Ⅴ类。

4.2 洞室开挖支护措施

该洞段成洞后不久就产生了较大变形。洞室开挖支护措施主要为：① 首先利用超前物探技术探测掌子面前方的地质情况；② 采用注浆小导管对掌子面前洞顶围岩进行超前支护；③ 采用上、下台阶法进行开挖和支护，机械开挖方法能用即用，严格控制单循环开挖进尺，并及时支护；④ 初期支护措施为系统锚杆+钢筋网+钢拱架(间距1 m)+喷射混凝土；⑤ 支护完成后，立即设置变形观测点对洞室进行变形监测。

4.3 洞室变形破坏特征及工程影响评价

过竹山断裂洞段的支护施工完成后不久，变形监测发现过断裂段洞室变形较严重：2021年4月10日发现桩号K0+190～K0+235段洞室左壁中部鼓胀，在支护结构表面出现张开度约1 cm的纵向变形裂缝，右壁中部鼓胀不明显，但可见张开度为数毫米的纵向变形裂缝，另见少量横向和斜向裂缝；至4月16日纵向变形裂缝进一步延伸至桩号K0+182～K0+246，洞室左壁中部鼓胀变大，变形裂缝张开度增大至2～3 cm。洞室左、右壁中部鼓胀部位正好位于上、下部支护结构的连接处，钢拱架两侧直立段上、下分部连接处可见明显弯折变形。洞室收敛变形6 d内最大达30 mm，此后几天洞室收敛变形不断发展，变形范围进一步扩大，变形量不断增大。

收敛变形后洞室的横断面尺寸缩小，不能满足洞室设计尺寸的要求，造成侵限。如果不及时采取工程措施控制洞室变形，任由变形发展，势必会使洞室变形不断加大，直至洞室坍塌。

4.4 洞室变形处理措施及处理效果

鉴于K0+182～K0+246段洞室变形在不断发展，为防止洞室大变形，甚至坍塌，并解决“侵限”问题，经业主、设计、监理和施工四方共同讨论确定变形处理方案：逐根拆装钢拱架，重新安装的钢拱架间距由原来的1.0 m缩小至0.5～0.8 m，其中K0+189～K0+235.4段(断层泥为主的洞段)钢拱架间距缩小至原来的一半(0.5 m)，K0+181～K0+189和K0+235.4～K0+247.7两段(破碎岩体为主的洞段)钢拱架间距缩小至0.8 m；洞室直立侧壁由原来上、下两小段工字钢相接改为整根工字钢；钢拱架两侧底脚进入基岩并采用工字钢横撑连接，及时硬化洞室底板。2021年4月20日开始对洞室变形进行工程处理。变形处理后定期进行变形监测，经半年多的变形监测成果显示，1号施工支洞过竹山断裂段洞室变形得到了有效的控制。

4.5 工程建设经验总结

1号施工支洞过竹山断裂段洞室变形处理过程，可作为2号隧洞过竹山断裂前的一次生产性试验。施工中积累了丰富的经验和深刻的教训，主要经验和教训总结如下：

(1) 在1号施工支洞过竹山断裂的隧洞工程施工中，无论从施工技术，还是人力、物力上，均没有考虑对竹山断裂地质缺陷可能导致的工程安全隐患采取有针对性的应对措施。

(2) 施工中超前勘探手段单一，仅采用的超前物探手段，应对复杂的地质条件具有明显的局限性，难以准确地探测出断层的位置和特性。为准确查明掌子面前方的地质情况，应进行精细化勘察。配合超前物探，采用超前钻探手段查明掌子面前方的地质情况是必然选择。

(3) 施工中严格控制单循环开挖进尺，并及时支护，使得施工时未出现大的掉块和塌方。说明控制好单循环进尺能有效地提高围岩临时自稳能力，有力地保证初期支护的施工安全。

(4) 围岩支护措施与施工存在的主要问题有：钢拱架两侧直立段上、下分部连接处为施工控制的薄弱点，在围岩压力作用下易向洞室内弯折变形，导致洞室左、右两壁中部鼓胀；钢拱架底脚未落实，底脚悬空或坐落在虚土上；洞底保护不到位，导致运渣车、反铲挖机等机械碾压洞底形成较深水坑，影响支护结构的支护效果，危及洞室安全；与钢拱架连接的锚杆的锚固力未达到设计要求。出现上述问题的主要原因在于，围岩支护措施未充分考虑复杂的地质条件和围岩软弱破碎情况，施工过程中又未予以高度重视。因此，在施工中，业主、监理和施工方应加强施工管理，进行信息化施工，加大施工质量的管控力度。

(5) 针对不同特性的物质成分组成的围岩采用不同的支护措施，进行精细化工程处理。对于组成物质以黏性土(断层泥)为主的围岩，注浆小导管超前支护效果较差，施工中经常产生掉块和塌方，建议采用管棚进行超前支护。

(6) 应在充分论证围岩工程地质特性的基础上，科学设置钢拱架间距，以控制围岩变形，提高围岩稳定性。

(7) 变形监测对于确保工程施工安全、工程保质保量顺利实施具有重要作用。利用变形监测数据可及时了解洞室变形情况、变形趋势、洞室稳定性，以便对可能出现的施工安全隐患和施工质量问题采取针对性的处理措施。

5 工程应对策略探讨

根据竹山断裂地质缺陷，借鉴该工程中1号施工支洞过竹山断裂的工程建设经验，提出2号隧洞穿过竹山断裂的工程应对策略总的原则是：先查后治，变形监测；周密策划，稳妥施工[20]。应对策略具体技术路线为：应用“精细化”工程技术理念，制定经济合理、技术可行的隧洞开挖、支护方案；采用综合勘察手段，开展精细化超前地质预报工作；研究精细化施工处理措施，及时调整隧洞开挖、支护方案；按照确定的隧洞开挖、支护方案，开展隧洞施工工作；加强洞身变形监测，根据施工揭露的地质情况及时进行设计变更。

5.1 应用“精细化”工程技术理念，制定经济合理、技术可行的隧洞开挖、支护方案

针对竹山断裂的地质缺陷，应用“精细化”工程技术理念，制定经济合理、技术可行的隧洞开挖、支护方案，并组织有经验的专家对方案的可行性进行论证：

(1) 预先配置相应抽水能力的抽水设备，应对可能出现的涌水问题。

(2) 开挖前实施超前支护，对不同的围岩条件采取不同的超前支护措施，即实施精细化超前支护：对地质条件相对较差的以断层泥为主的洞段，采用管棚[21]进行超前支护，管棚间距可适当加密；对于地质条件相对较好的以破碎岩体为主的洞段，可采用超前注浆小导管[22]进行超前支护。

(3) 洞内开挖采用机械开挖方式，不宜采用钻爆法。

(4) 洞内初期支护采用系统锚杆+钢筋网+钢拱架+喷射混凝土进行强支护[23]。钢拱架间距根据围岩情况确定，力求精细化，一般为0.5～0.8 m，比原设计钢拱架间距有所缩小；围岩地质条件相对较差的洞段，即以断层泥为主的洞段，钢拱架间距取小值，以破碎岩体为主的洞段，钢拱架间距取大值。

(5) 二衬采用钢筋混凝土进行强支护。

5.2 采用综合勘察手段，开展精细化超前地质预报工作

受到地下岩体地质条件复杂性和相对不均一性的限制，以及受到经济、技术局限性制约，前期勘察工作很难查清地下微观岩体地质条件，甚至局部宏观岩体地质条件亦难以查清。而隧洞工程对微观岩体地质条件十分敏感，要求查清掌子面前方每一处的工程地质条件，即进行精细化勘察，及时对围岩的稳定性及围岩类型进行判断，并对掌子面前方的围岩地质条件进行分段，以便及时对不同性质、不同规模、不同程度[24]的工程地质问题采取相应的处理措施，使工程处理精细化，避免大的地质灾害的产生。

竹山断裂具有3大地质缺陷：断层及其影响带物质组成复杂，物质软弱、破碎，且为富水地质体，其所在洞段地质条件极其复杂和不均一，为了详细查清隧洞掌子面前方的地质条件，可采用综合勘察手段(包括地质分析法、超前物探法和超前水平钻孔法)，开展精细化超前地质预报工作[25]。首先采用超前物探法大致探查出掌子面前方的物性异常情况，初步预测竹山断裂的分布位置及物质组成，以及地下水情况，再在超前物探的基础上采用超前水平钻孔法[26]，精准探查出掌子面前方的地质情况。及时收集分析前期及施工期地质资料，包括前期勘察成果、物探成果、试验成果和施工期地表调查、洞内地质勘查、地质编录、风钻孔探测等资料，了解掌子面前方洞段的地质条件。超前物探法可采用地震波法(适用于长距离探测，常用的有TSP)、地质雷达法[27](适用于短距离探测)和红外线探水仪法，实际超前探测中可采用长距离和短距离探测相结合进行，大致探测掌子面前方洞段的地质条件；超前水平钻孔法系通过钻取掌子面前方地质体的岩芯，直接地、准确地探测掌子面前方地质情况。通过采取综合勘察手段进行超前勘查，对竹山断裂所在洞段进行实时超前地质预报，并提出精细化工程处理措施建议。

5.3 研究精细化施工处理措施，及时调整隧洞开挖、支护方案

应充分利用超前地质预报成果，研究精细化施工处理措施，及时调整隧洞开挖、支护方案，以使施工方案更加经济、合理、安全。调整方案需做好以下几点：

(1) 就前期对掌子面前方围岩工程地质分段的预判进行调整，使工程地质分段更加精细化。围岩工程地质分段的预判包括分段的段数、分段的范围，以及分段的围岩地质特征、主要工程地质问题和类别。

(2) 根据调整后的掌子面前方围岩工程地质分段的预判结果，研究精细化工程处理措施，相应对掌子面前方围岩的工程处理措施进行调整。对工程处理进行精细化分段，应确定分段的段数，每个分段的范围和对每个分段围岩需采取的具体的工程处理措施。

(3) 进一步对与工程处理措施相关的工艺、工序、工法和施工组织进行相应调整。

(4) 工程处理措施的调整应符合设计要求。

5.4 按照确定的隧洞开挖、支护方案，开展隧洞施工工作

在对竹山断裂所在洞段进行掘进施工时，应按照确定的隧洞开挖、支护方案，开展隧洞施工工作，杜绝马虎大意和偷工减料。施工单位应该安排工法熟练、有经验的施工队伍，配备经验丰富的专业技术人员和充足的设备、器材；监理单位应认真履行自己的监督管理职责；业主单位应从资金、物质、协调等方面大力给与支持。施工时需注意如下几点：

(1) 隧洞开挖后及时进行支护，开挖一个循环进尺就支护一个循环进尺，禁止连续开挖两个及以上的循环进尺再进行支护。

(2) 管棚施工中应按从试验注浆获取的施工参数(包括水泥浆的水灰比、注浆压力等)进行注浆施工。

(3) 做好施工记录。

(4) 如果施工中出现异常情况，如施工前预测的掌子面前方的地质情况与实际开挖揭露的有一定出入、一些支护措施未达到预期效果等，应及时分析研究，可对施工方案进行微调，以使施工效果达到最佳。

5.5 加强洞身变形监测

变形监测是工程建设必不可少的重要环节。变形监测是工程的“眼睛”，洞身收敛变形量及变形趋势一般是肉眼看不出来的，但可通过专业的变形监测设备定期进行测量得出。竹山断裂所在洞段地质条件复杂，为地质灾害风险极高的地段，应加强洞身的收敛变形监测，特别是断层泥条带、团块分布较多的洞段，应加密变形监测点或断面，以起到检验工程处理的效果和安全预防作用。

6 结 语

通过对竹山断裂地质缺陷的深入分析，并借鉴已完工的穿越竹山断裂的隧洞工程建设经验，总结出有针对性的隧洞穿越竹山断裂的工程应对策略。在分析研究过程中，充分利用施工期间揭露出的地质情况，不断修正和完善前期地质勘察成果，为竹山断裂地质缺陷的分析提供了可靠的依据；已完工隧洞的工程建设经验为隧洞穿越断裂的工程应对策略的制定提供了强有力的技术保障。在工程应对策略中，创新性提出了精细化勘察、精细化工程处理等“精细化”工程技术理念。本文分析研究的过程和成果，特别是“精细化”工程技术理念，对类似工程的建设有很好的借鉴参考作用，对其他一般工程建设也有一定启发作用。