隧洞穿越活动断裂带突涌水工程对策研究

摘 要：【目的】以引汉济渭二期工程黄午隧洞20号支洞为依托，综合考虑隧洞断面、地质及地下水情况，研究适用于复杂地质条件的水工隧洞突涌水处理方案，保障隧洞施工安全。【方法】结合地质超前预报结果，对20号支洞穿越秦岭山前活动断裂带过程中发生的掌子面突涌水灾害，采用现场勘察、超前地质预报和工程分析等多种手段进行致灾机理及处理方案研究。【结果】结果表明，隧洞在穿越强富水性活动断裂带过程中极易发生突涌水灾害，且具有突发性强、出水量大、持续时间长、水量衰减缓慢等特点。【结论】活动断裂带通常节理裂隙发育、岩体破碎，在地下水发育的情况下，由于隧洞开挖对掌子面的扰动，极易在掌子面释放水压，从而诱发突涌水灾害。根据工程实际情况及突涌水灾害特点，研究确定了洞内抽排水、帷幕注浆、加强超前管棚支护的综合处理措施方案，并取得了良好效果。研究成果可为类似工程灾害治理提供参考。

关键词：隧洞；突涌水；超前预报；活动断裂带；帷幕注浆

中图分类号：TV672 文献标志码：A 文章编号：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

随着国家水网的建设，引调水工程在全国范围内也越来越多，水工隧洞作为引调水工程中最常见的水工建筑物发挥着重要作用。目前，国内外水工隧洞建设中，断层破碎带是常见的不良地质之一，隧洞穿越富水性断层破碎带的施工过程中往往易发生坍塌、突涌水等灾害事故，其对隧洞施工安全、工期和结构安全等均有不利影响［1］。

突涌水是隧洞穿越断裂带施工时最常见的灾害之一。近年来，针对突涌水治理的研究也越来越多。李术才等［2］通过实际案例分析，划分了突涌水致灾构造，提出了隧洞突涌水的不同孕灾模式；张民庆等［3］针对兰新二线大梁隧道穿越岩层接触带过程中发生的突水突泥现象，分析了其发生的原因并采取了有效的治理措施；李生杰等［4］针对乌鞘岭公路隧道穿越F4断层破碎带发生的突涌水事故，分析了涌水塌方的发生机制及其导致初期支护破坏的原因，并提出了相应的工程对策。唐锐等［5］基于折多山隧道穿越断裂带过程中发生的多次突涌水灾害，分析了灾害发生机制，并采取了帷幕注浆等一系列处治措施；杨南辉［6］对向莆铁路青云山特长隧道穿越断层破碎带产生的涌水进行了分析，并详细阐述了涌水地段的治理方案，取得了良好效果；蒋建平等［7］运用系统分析方法、岩体结构控制理论和岩土优势面理论，分析了隧道工程的突水机制及其对策。

综上所述，由于隧洞穿越断裂带导致突涌水发生是常见的地下工程灾害，而且其对工程及人员安全所产生的不良后果较大，因此，有必要针对具体工程进一步深入研究其发生机理，并提出科学、合理、有效的处理措施。本研究对引汉济渭二期引调水工程施工支洞穿越活动断裂带所产生的突涌水现象进行针对性分析，并提出相应的治理措施，取得了良好效果。

1 工程概况

1.1 工程简介

引汉济渭工程是陕西省内的跨流域调水工程。该工程从陕南汉江流域调水至关中渭河流域，向关中渭河沿岸的重要城市、县城、工业园区供水，缓解关中地区严重缺水状况，替代超采的地下水，逐步退还挤占的农业与生态用水，改善渭河流域的生态环境状况，促进区域经济社会可持续发展。

引汉济渭工程由调水工程和输配水工程组成。引汉济渭二期工程是输配水工程的骨干工程，由黄池沟配水枢纽、南干线黄池沟至灞河分水口段、北干线黄池沟至泾河新城分水口段组成。南干线长100.4 km，始端设计流量47 m3/s。南干线工程由隧洞、倒虹、渡槽、箱涵及分退水设施组成。其中，黄午隧洞是南干线的控制性工程，全长69.5 km，隧洞断面采用圆拱直墙型断面，钻爆法施工，共设置18座施工支洞。其中，20号支洞是施工难度较大的支洞之一。

1.2 设计概况

黄午隧洞20号施工支洞全长1 254 m，采用双车道圆拱直墙型断面，隧洞综合坡度5.08%。支洞在里程支0+150～0+266段通过秦岭北缘山前断裂F2，初期支护采用“喷锚网+型钢钢架”支护形式，衬砌采用40 cm厚模筑衬砌，超前支护采用拱部Φ89 mm超前管棚+Φ42 mm超前小导管注浆支护。

1.3 地质情况

20号支洞支0+150～0+266段岩性为断层角砾，洞室位于地下水位以下，支0+174～0+262段为基岩裂隙水强富水段，该段最大涌水量为4 768 m3/d，洞室穿越秦岭北缘山前断裂F2，岩体破碎，属于极不稳定的Ⅴ类围岩，成洞条件极差。地质纵断面如图1所示。

1.4 现场突涌水情况

2022年5月23日，20号支洞施工至支0+141，开挖揭露岩性为断层角砾，岩体破碎，已进入山前断裂带，围岩稳定性极差，地下水弱发育，围岩潮湿。

2022年7月16日18点左右，上台阶施工至支0+211.4，拱顶埋深约60 m，揭露岩性为断层角砾，左侧局部为角砾岩，掌子面上台阶右侧拱部突然发生涌水，水质浑浊，初期水量约2 500 m3/d，涌水导致右侧拱部产生较大塌方，塌腔深约3 m。现场突涌水情况如图2所示。

2022年7月16日18点左右，在掌子面（支0+211.4）上台阶正常开挖过程中，右侧拱架连接板位置突发涌水，夹带泥沙冲出，带出泥沙约240 m3。塌方泥沙将抽水设备掩埋，掌子面水淹约40 m。现场临时增加抽排水设施，掌子面用沙袋反压，防止掌子面继续垮塌，产生次生灾害。初步估计涌水量约2 000 m3/d，掌子面右前方长度为5～6 m，宽度为4～5 m，深度为3～4 m，形成塌方空腔，初步断定前方地质状况为断层角砾，强富水区，开挖困难。

2 突涌水原因分析

2.1 超前探孔分析

在掌子面左侧拱部利用管棚钻机设置9个超前探孔，孔深12 m，揭示地层情况大致为：0～2 m为较硬的断层角砾；2～7 m为软弱的断层角砾，局部为断层泥砾；7～8 m为较硬的断层角砾；8 m以下为软弱的断层角砾，局部为断层泥砾；6 m处开始出水，水量较小，水质浑浊。在正上方实施1孔，设计孔深12 m，成孔仅7 m，揭示地层情况为：0～2 m为较硬的断层角砾；2 m之后均为断层角砾；2～4 m塌孔严重，未成孔，全进尺出水，水量较大，水质浑浊。掌子面右侧布置6孔，孔深12 m，揭示基本全部为断层角砾，局部夹杂断层泥砾，孔内水量大，水质浑浊。

2.2 地质雷达超前地质预报

2.2.1 测线布置。在黄午隧洞20号支洞里程0+212.6开挖面上水平布置两条测线。采用100 MHz天线对掌子面前方的地质情况进行探测。

2.2.2 预报结果。地质雷达预报结果如图4所示，对结果进行分析如下。

①支0+212.6～0+231.6段，长度19 m，从物性参数来看，本段反射信号能量较强，同相轴连续性较差，本段岩体注浆加固后岩体完整性仍然较破碎，原地层为断层角砾，受地质构造影响严重，注浆加固后，围岩稳定性仍然较差，少量含水。

②支0+231.6～0+242.6段，长度11 m，本段岩性主要为断层角砾岩。从物性参数来看，电磁波反射信号能量较弱，反射波波形有畸变，同相轴连续性较差，推测本段受地质构造影响严重，岩体破碎，围岩不稳定，富含水。

2.3 瞬变电磁法超前地质预报

2.3.1 测线布置。掌子面里程为支0+212.6，在掌子面附近布置4个扫描剖面（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），通过移动发射接收线圈，形成4条实测剖面，测线布置如图4所示。

隧洞瞬变电磁法超前地质预报装置类型采用中心回线组合装置，使用边长2 m的激发正方形线圈，激发线圈匝数为10匝，采样时间为100 ms。每个测点至少采用100次叠加方式来提高信噪比，以确保原始数据的可靠性。

2.3.2 预报结果。瞬变电磁法地质超前预报结果如图5所示。

根据预报结果对其进行分析如下：①支0+212.6～0+222.6段，长度为10 m，为探测盲区；②支0+222.6～0+232.6段，长度为10 m，前方无相对低阻异常，判断本段岩体整体地下水弱发育，但隧洞右侧存在低阻异常，推测地下水中等发育；③支0+232.6～0+332.6段，长度为100 m，掌子面水平斜向下30°扫描测试掌子面前方40～70 m位置、右侧25～75 m位置存在相对低阻异常，掌子面水平扫描测试、掌子面水平斜向上30°扫描测试掌子面前方偏右侧10～120 m位置存在相对低阻异常；掌子面中央垂向扫描探测掌子面前方无相对低阻异常，综合以上探测判断掌子面前方整体地下水弱～中等发育，局部很发育，尤其是隧洞右侧存在相对低阻异常，推测地下水发育。

3 突涌水处理方案

3.1 设计措施

3.1.1 超前支护。支洞洞身下穿秦岭北缘山前断裂带时，采用拱部Φ89 mm超前管棚+Φ42 mm超前小导管注浆的超前支护措施。超前小导管长L=3.5 m，外插角10°，环向间距60 cm，纵向2.4 m一环，配合钢架使用，相邻两排小导管之间水平搭接长度不小于1 m。管棚长12 m，环向间距60 cm，纵向9 m一环，相邻两环之间水平搭接长度不小于3 m。

3.1.2 支护措施。隧洞全断面设置工16型钢钢架，间距0.8 m，喷混凝土厚23 cm，拱墙设系统锚杆，锚杆长3.5 m，间距1 m×1 m，二次衬砌采用C30混凝土，厚40 cm。支护参数见表1。

3.2 帷幕注浆方案

为确保施工安全，对支0+211至预测活动断裂带终点0+266段采用帷幕注浆方案［8］进行加固，一是为稳固掌子面，避免掌子面由于长期涌水导致掌子面后方产生空腔，在开挖过程中导致掌子面的突然垮塌以及突然的突泥涌水出现；二是为封闭掌子面的涌水，涌水经过一段时间的抽排未见明显的衰减迹象，为避免长期涌水造成地下水大量流失，对周边环境造成影响。

超前帷幕注浆纵向长度为25 m（含止浆墙），每循环开挖20 m，预留5 m作为下循环止浆岩盘。第一环采用C20混凝土设置1.5 m厚止浆墙。为保证注浆加固效果，开挖轮廓线外布设2圈孔，浆液扩散半径设计为2.0 m，终孔间距不大于3.0 m，共设66个注浆孔，施工中根据钻孔情况和出水情况，可对薄弱位置考虑增加注浆孔。

3.2.1 帷幕注浆加固范围。循环纵向加固长度为25 m，径向加固范围为隧洞断面及开挖线外4 m，共设置3个注浆断面，其中8 m和17 m处设两个补充注浆断面，以消除注浆盲区，25 m处设终孔断面。帷幕注浆设计如图6所示。

3.2.2 开孔布置。开孔断面注浆孔按3环布设，相邻各环间距50 cm。内环共布设5个注浆孔，各注浆孔圆弧段环向间距约2.35 m，直线段间距约2.6 m。外环共布设17个注浆孔，中间环共布设10个注浆孔，各注浆孔圆弧段环向间距约0.54 m，直线段间距约0.7 m。开孔布置如图7所示。

3.2.3 终孔布置。8 m和17 m处补充注浆断面均布置17个注浆孔，终孔断面共设置32个注浆孔，共设置66个注浆孔。

3.2.4 止浆墙设计。在掌子面设置止浆墙以抵抗注浆压力，止浆墙厚度为1.5 m，嵌入围岩不小于50 cm，采用C35喷射混凝土，在止浆墙拱部打设两排2.5 m长Φ42 mm的导管进行锚固，钢管打入初支1.5 m，预留1.0 m嵌入止浆墙，底部打设2.5 m长Φ89 mm的钢管桩，嵌入围岩1.5 m，预留1 m嵌入墙体。

3.3 帷幕注浆效果

根据现场开挖揭露，通过帷幕注浆加固后，破碎围岩加固为整体状，掌子面围岩呈现树根状浆脉。

由于帷幕注浆对断裂带导水通道的封堵填充，注浆堵水效果良好，现场施工过程中掌子面出水量明显减少。本研究通过洞内超前帷幕注浆，进一步加固了掌子面前方的断层破碎带，提高了围岩的整体稳定性和完整性，极大地封堵了掌子面涌水，确保了隧洞施工的正常推进。

4 结论

黄午隧洞20号支洞洞口支0+150～0+266段位于秦岭北缘断裂带内，其在施工过程中极易发生突涌水灾害，本研究结合工程现场实例，采取理论分析和地质超前预报等综合手段，对水工隧洞突涌水致灾机理及治理方案进行分析，得出以下结论。

①隧洞位于活动断裂带影响段，围岩节理裂隙发育，岩体破碎，富水性强，加之进口段隧洞埋深较浅，地下水循环较快，导致隧洞在通过断层泥砾带、含泥质地层影响带施工中极易产生突水涌泥现象。

②通过地质超前预报可以有效预测掌子面前方地下水情况，现场实际施工过程中应加强超前预报，实时掌握隧洞前方情况，及时调整施工工艺，实现动态施工。

③采用帷幕注浆处理掌子面突涌水具有明显效果，帷幕注浆可以进一步稳固掌子面，避免掌子面由于长期涌水导致后方产生空腔。同时，帷幕注浆可以加固掌子面前方岩体，封堵断层破碎带的导水通道，可以极大减少掌子面出水量。

参考文献：

［1］赵小荣.浅谈湖山隧道凝灰岩突水及处治措施［J］.河南科技，2013（17）：40，45.

［2］李术才，许振浩，黄鑫，等.隧道突水突泥致灾构造分类、地质判识、孕灾模式与典型案例分析［J］.岩石力学与工程学报，2018，37（5）：1041-1069.

［3］张民庆，何志军，黄鸿健，等.兰新二线大梁隧道突水突泥原因分析与治理［J］.铁道工程学报，2015，32（3）：77-80.

［4］李生杰，谢永利，朱小明.高速公路乌鞘岭隧道穿越F4断层破碎带涌水塌方工程对策研究［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（S2）：3602-3609.

［5］唐锐，李世琦，王俊，等.富水断裂带隧道涌水突泥灾害机制及处治技术研究［J］.地下空间与工程学报，2021， 17（4）：1264-1272，1290.

［6］杨南辉.青云山特长隧道F9断层带涌水治理方案研究［J］.铁道工程学报，2018，35（4）：87-91.

［7］蒋建平，高广运，李晓昭，等.隧道工程突水机制及对策［J］.中国铁道科学，2006（5）：76-82.

［8］李辉.客运专线铁路大断面隧道断层涌水、涌泥处治技术研究［J］.铁道标准设计，2017，61（7）：131-136.