中天山隧道高壓富水段涌水量探測與連通試驗研究

趙建宇

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

1 概述

1.1 工程概況

中天山隧道是南疆鐵路吐庫二線穿越中天山主脈的控制性工程，設計為并行的2座單線隧道，左線隧道長22 449 m，右線隧道長22 467 m，全隧道為單面上坡。左、右線線間距36 m。隧道穿越中天山北支博爾托烏山中山山地，平均海拔1 100～2 950 m，最高海拔為2 951.6 m，隧道最大埋深1 700 m。

1.2 設計地質及水文地質概況

中天山特長隧道穿越中天山北支博爾托烏山中山山地，博爾托烏山由元古界、古生界地層和華力西期侵入巖經歷強烈褶皺和斷裂的基礎上形成，屬劇烈切割陡峻的中山地貌。富水段洞身主要巖性為中元古界片麻巖、混合巖及加里東期閃長巖，通過f8、f9斷層及f7斷層影響帶，巖體受構造影響較重，節理、裂隙較發育～發育，破碎～較破碎，含水不均勻。

2011年10月6日，出口右線隧道開挖至DyK154+901處(埋深約1400 m)在鉆孔時出現較大涌水，至10月24日匯水里程至DyK155+830，洞內被淹930 m，右線停止掘進。為了了解隧道富水情況，2012年5月3日在左線隧道開挖至DK154+856后，采用RPD-150C多功能鉆機進行超前鉆孔探水，與右線一起進行水量、水壓以及連通性等試驗，以確定富水區范圍，調整設計參數，調整排水管路設置，確保施工與結構安全。

2 探測與試驗任務和方法

2.1 探測與試驗任務

通過TSP超前地質預報、超前探孔以及地下水連通試驗等綜合措施，進行涌水探測與連通試驗，全面收集整理相關測試數據，分析圍巖裂隙發育狀況、地下水來源及連通存儲狀態，確定富水區范圍，進行突水涌水預測，為采取施工安全技術措施，調整設計參數等提供可靠的依據［1-3]。

2.2 探測與試驗范圍和方法

為探明前方地質水文情況，利用當前隧道探測與試驗手段，采用TSP超前地質預報，探明前方地質狀況;采用超前探孔釋放地下水并進行地下水連通試驗;采用水倉水位容積法測涌水量;采用物探對掌子面前方進行富水綜合情況探測;綜合整理分析相關數據資料。

3 涌水范圍探測

3.1 超前地質預報

為探明前方地質情況，了解圍巖整體情況，采用TSP對左線 DK154+856～DK154+706段(長150 m)、右線 DyK154+901～DyK154+733段(長168 m)進行超前地質預報。超前地質預報情況見表1、表2。

表1 右線超前地質預報分析

表2 左線超前地質預報分析

3.2 超前探孔

為更明確掌子面前方地質情況，測定涌水量，最直接，也是最有效的方法之一就是超前探孔。為此，根據現場實際情況，在左右線布孔進行鉆孔探測，具體超前探孔布置見圖1;右線采用RPD-180C型鉆機鉆進，左線采用RPD-150C型鉆機鉆進。

圖1 超前鉆孔布置(單位:cm)

3.2.1 右線鉆孔

由于鉆孔時前方水壓大，引進了RPD-180C型鉆機鉆進。完成 Y1、Y2、Y3共3個孔，孔深6.7～38.3 m。鉆探資料匯總見表3。

表3 右線超前鉆孔資料匯總

3.2.2 左線鉆孔

2012年5月3日掌子面開挖至DK154+856后，采用RPD-150C型鉆機鉆進。完成Z1、Z2、Z3共3個孔，孔深13.5～34 m。鉆孔資料見表4。

表4 左線超前鉆孔資料匯總

3.3 超前物探

根據左、右線物探150～168 m探測資料，右線富水段為DyK154+890～DyK154+792段(長98 m)，右線富水段為DK154+840～DyK154+774段(長66 m)。超前物探推斷結果示意見圖2。

圖2 超前物探推斷結果示意

4 水量觀測、水壓及連通試驗

根據試驗任務和目的，對左右線隧道涌水進行了水壓、水量及掌子面涌水的連通試驗，以了解隧道涌水特性。

4.1 涌水量量測

涌水量量測是在隧道掌子面水流處于無壓狀態下進行，用水倉水位容積法測得［4，5]。在右線掌子面DyK154+910、左線掌子面DK154+856附近開挖水倉，測得右線掌子面涌水量為8 064 m3/d，左線掌子面涌水量為6 524 m3/d，總涌水量14 588 m3/d。

4.2 連通性試驗

右線超前鉆孔3個，孔深6.7～38.3 m，揭露含水體最大寬度26.3 m，左線超前鉆孔3個，孔深13.5～34 m，揭露含水體最大寬度24 m，在左、右線掌子面探孔上各安裝3個閥門及壓力表。

4.2.1 左右洞探孔不同時關閉壓力觀測

當右線3個探孔正常排水時，關閉左線3個探孔，觀測左線3個孔的最大壓力為0.35、0.6、0.6 MPa，壓力變化曲線見圖3。當左線3個探孔正常排水時，關閉右線3個探孔，觀測右線3個孔的最大壓力為1.6、1.8、1.9 MPa，壓力變化曲線見圖4中前40 min變化曲線部分。存在壓力差的主要原因為兩個掌子面有效排水能力不均衡。

圖3 左線探孔水壓力變化曲線

4.2.2 左右線掌子面同時關閉壓力觀測

4.2.2.1 右線觀測情況

關閉左線3個探孔40 min后再關閉右線3個探孔，右線3孔水壓力變化見圖4中40 min后變化曲線部分。在測試過程中由于右線3號孔水閥出現泄水現象，最大壓力值讀數為4.9 MPa。

圖4 右線探孔水壓力變化曲線

4.2.2.2 左線觀測情況

同時關閉左右線所有探孔，左線3個孔水壓力變化曲線見圖5(壓力變化截止至右線5號孔水閥出現泄水后1 min)。

圖5 左線探孔壓力變化曲線

從壓力升高圖分析，地下水在2.5～3 MPa(洞頂以上250～300 m水頭高度內)未形成有效降落漏斗。壓力從3 MPa升高至4.9 MPa增加水量約456 m3，說明排水有效影響半徑較小。

4.2.3 單孔壓力、流量觀測

在關閉左線3個探孔水閥的同時關閉右線Y2、Y3號探孔水閥，對Y1號探孔進行壓力測試及排水流量測試。Y1號探孔，孔深為38.3 m，為最深的探孔。在先關閉其他所有水閥的情況下，再關閉Y1號探孔水閥，Y1號孔水壓力由0到4.0 MPa，共用時28 min，根據觀測在壓力達到4 MPa左右時單孔最大排水量流量約350 m3/h，壓力變化曲線見圖6。然后打開Y1號探孔水閥，觀測排出水量，到排水量穩定時，共歷時約21 min，共排水98.44 m3，流量變化曲線見圖7。

圖6 右線Y1孔關閉后水壓力變化曲線

圖7 右線Y1孔水流量變化曲線

5 突涌水分析及水量預測

5.1 突涌水情況分析

從設計地質情況分析，掌子面前方巖性為灰黑色閃長巖，節理、裂隙發育，受斷層影響，接觸帶層間水，富水帶呈條帶狀分布。根據富水段的物探資料，富水段呈條帶狀，物性異常帶寬度約300 m，主要地下水富集帶寬度約106 m。根據實施的超前探孔資料分析，地下水主要分布在以節理密集帶為主的巖體中，局部裂隙發育較寬，含水體傾向小里程方向，總體走向與節理延伸方向一致，相對隔水體分布明顯。根據超前探孔終孔水量在100～200 m3/h不等可以看出，地下水分布具有一定的不均勻性。根據富水段水壓水量觀測及連通試驗，說明巖體節理裂隙連通性好，地下水補給來源充分等特點［6，7]。綜合分析，該段圍巖節理裂隙發育，連通性好，巖體富水，但發生突涌水概率較小。

5.2 突涌水段水量預測

根據掌子面超前水平鉆孔、水壓及水量觀測，采用古德曼經驗式、水壓力法及水文地質比擬法進行最大涌水量估算，綜合分析預測左右隧道突涌水段的正常涌水量1.6萬m3/d，可能出現的最大涌水量3.2萬m3/d，滯后施工最大涌水量1.92萬m3/d。

6 研究成果及應用

針對山嶺隧道工程富水地段，通過多種探測與試驗手段，能夠采集相關數據，全面掌握隧道圍巖狀況、富水狀態、涌水的可能性，為確保結構和安全提供了可靠依據。特別是在本隧道中，采用地下水連通試驗，為左右洞超前注漿擴散情況、打孔排水統一協調提供了理論支持，保證了注漿堵水的效果。通過超前地質預報和探孔，探明了地下水分布狀態，為調整前進式分段注漿參數提供了可靠依據。實踐證明，富水地段采用超前帷幕注漿有效控制地下水，加強設計，達到了“限量排放”目標;根據涌水量預測，現場增加管道，提高儲備，確保施工安全［8]。

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