寶蘭客運專線麥積山隧道2號斜井突涌水特征與防治措施研究

閻　淵

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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寶蘭客運專線麥積山隧道2號斜井突涌水特征與防治措施研究

閻淵

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

鐵路隧道大突涌水災害一般認為發生于巖溶發育及斷層構造帶等易形成大型含水構造的地段，通過對寶蘭客運專線麥積山隧道2號斜井的研究分析，普遍認為是工程地質及水文地質條件相對較好、富水性相對較弱的花崗巖隧道中的突涌水現象。并在勘察施工過程中運用地質調查法、物探法、超前水平鉆法等多種勘察手段，結合區域背景資料綜合分析，總結出花崗巖的構造節理定向等距、空間分布非均勻性、涌水量非線性變化、流態相對單一等特點及發育規律，并以此結論為基礎論述突涌水防治措施方案的比選研究。最后施工驗證了治理方案“頂水作業，輔助注漿封堵”的安全合理性。

鐵路隧道；隧道突涌水;花崗巖;構造裂隙水;含導水構造設計；

麥積山隧道為新建鐵路寶雞至蘭州客運專線的控制性工程，隧道全長13.932 km，最大埋深675 m，該隧道設斜井3座。其中2號斜井位于天水市麥積區元龍鎮王家溝，長1.486 km，設計坡度9.91%，巖性為燕山期花崗巖[1]，隧道設計圍巖為Ⅱ-Ⅲ級。該斜井施工至XK4+89 m(距正線交叉口489 m) 時，掌子面右側出現較大涌水，其涌水點最大噴射距離達15 m，斜井積水長度約110 m，最大涌水量約16 494 m3/d，水壓1.0 MPa。這在花崗巖地區的鐵路隧道建設史上實屬罕見。

1　影響隧道突涌水的因素及其分析思路

影響隧道涌水的因素錯綜復雜，但總體可以概化為地質因素和工程因素。一般地質因素為主要因素，工程因素為誘發因素[2]，詳見表1。由于該隧道巖性為花崗巖，屬非可溶巖隧道，突涌水主要受巖體內部構造影響(表1)。

表1　影響隧道涌水主要因素[3]

在隧道施工中不可避免地會破壞隱伏的含水構造，導致導水通道與開挖臨空面連通，誘發地下水突然涌入開挖區，發生突水災害。由于該隧道突涌水主要受巖體內部構造影響，而巖體內部構造研究的重點應放在分析致災含水體與含導水構造形式上[4]。其具體分析思路是:在充分了解區域背景資料的基礎上，結合調查法、物探法、勘探法等多種勘察方法，綜合分析[5]，由此總結出致災含水體與含導水的構造形式，從而提出有針對性的治理方案。詳見圖1。

圖1　隧道涌水量分析思路

2　區域資料分析與綜合勘察分析

麥積山隧道走向基本與渭河河谷平行。區域內花崗巖受渭河大斷裂活動的強烈改造，形成了規模較大的弧形構造帶，奠定了該區域的基本構造。區內斷裂多為脆性斷裂，展布方向多為近東西向與近南北向[6]。

由圖2可知，麥積山隧道2號斜井恰好位于F5 (N10°W∠70°N)斷裂延長線附近，距離渭河斷裂F11(EW∠70°N)僅有2 km左右，節理裂隙發育程度受區域斷裂控制。根據試驗資料，區內花崗巖平均單軸飽和抗壓強度RC=83 MPa，巖體完整。2號斜井范圍內的最大主應力方向為N68°W～N80°W，優勢方向為N75°W，最大主應力方向與區域斷裂F11構造方向基本一致。

圖2　構造綱要與線路關系

麥積山隧道2號斜井洞身巖性為華里西期花崗巖，層理不發育，巖體結構面主要以節理裂隙為主，所以含導水構造形態受節理裂隙影響顯著。通過掌子面地質編錄，結合地表調查，可以獲得洞身范圍內連續的節理產狀，并通過數理統計繪制出節理走向玫瑰花圖，分析出優勢節理的走向及傾角，從而得出該巖體的含導水構造空間形態。

(1)洞室內地質編錄分析

根據2號斜井XK10+89～XK4+89(600 m)段地質素描資料統計，共計201組節理，繪制節理玫瑰花圖，見圖3。

圖3　節理走向玫瑰花圖

根據節理玫瑰花圖顯示，該斜井洞身主要發育有兩組共軛剪張節理，主節理走向為N70°～80°E∠65°～75°N，節理寬度大于5 mm，屬寬張節理，節理面平直粗糙無填充，節理延伸長度普遍大于8 m，該組節理產狀基本與F11 (EW∠70°N)斷層走向近一致，說明斜井內節理裂隙受區域構造影響明顯；次主節理走向為N30°～40°W∠60°～80°S，節理寬度大于5 mm，屬寬張節理，節理面平直粗糙無填充，節理延伸長度普遍大于5 m，由于區域斷裂F5(N10°W∠70°N)為正斷層且具有右滑性質，使得次主組節理產狀產生了略微的偏差[7]，但大走向是一致的。2組共軛節理大致將斜井洞身巖塊切割成漁網狀含導水體。

(2)施工過程涌水分析

2號斜井截止施工至XK4+89 m時，出現了3次較大集中涌水，涌水位置及涌水量詳見表2。

表2　麥積山隧道2號斜井抽排水量量測

隧道洞身突涌水表現形式為涌水點隨節理呈線狀、水簾狀及股狀分布，水質清澈，無泥沙，從斜井內第一次出現滲水開始，每隔100～200 m左右(進入淺埋溝谷區域)便會出現一次相對較大線狀的涌水現象。掌子面到達XK4+89時達到其水量峰值。

(3)補充地表調查分析

麥積山2號斜井位于兩溝谷間，兩溝谷與斜井形成環形包圍狀，匯水條件較好。斜井距離右側大里程溝谷較遠，距左側小里程溝谷較近，垂直距離50～250 m，斜井涌水段落井底與對應溝心垂直高差168～228 m。小里程溝谷內常年流水，流量約3 320 m3/d，支溝發育。經調查，溝內出露花崗巖節理產狀與斜井洞身主節理方向基本一致，且調查發現3次集中涌水位置XK7+51、XK6+12、XK4+89與小里程溝谷內發育支溝位置基本一致(圖4)。

圖4　2號斜井平面

對小里程地表水進行流量測試。從2號斜井與正洞交叉孔處及下游1.0km處布置2個過水斷面，測試結果見表3。

由表3可知，地表水在2處斷面，距離約1.1 km，損失約1 710 m3/d，由此可見，小里程溝谷對斜井有一定的側向補給能力。

表3　地表水流量測試結果

隨著斜井的掘進，網狀含水巖體厚度逐漸增大，儲水空間明顯增大，當施工至支溝下部時，都會出現集中涌水。

(4)超前地質預報分析

掌子面前方未揭示地段含導水構造形態還需要超前地質預報資料與勘探資料的進一步驗證。

在眾多預報方法中，TSP超前地質預報作為目前最先進的長距離探測手段脫穎而出，該系統是利用彈性波在不同介質的不同波速，回聲測量，從而反應不同介質的物性參數[8]。

根據TSP資料顯示(圖5)，XK4+89掌子面前方5、20、40 m可能為集中涌水點(段)，但整體波速較高，動態楊氏模量也較高，說明花崗巖巖體雖然局部發育有節理密集帶，但總體完整性較好，巖質堅硬，且不宜軟化。通過TSP顯示的反射界面的走向，主要為N60°～50°E及N30°～40°W，與地質素描資料及區域資料主次節理產狀向吻合，進一步驗證了兩組共軛節理控制含導水體構造形式的結論。

圖5　TSP成果圖

采用超前水平鉆孔勘察隧道掌子面前方的地質情況是隧道施工中最直接的方法，并且物探結論都需要超前水平鉆探的驗證[9]。

在XK4+89～XK4+49(50m)布置超前水平鉆孔3個。根據超前水平鉆鉆探結果顯示，XK4+89前方50 m范圍內，4～9 m、20～25 m、36～39 m為主要出水深度，即物探顯示節理裂隙密集帶位置，物探、鉆探資料相互驗證。由此可見，洞身每隔十幾米就會出現節理裂隙密集帶，顯示規律的等距特性。

3　涌水量預測分析

由于2號斜井突涌水模式為構造帶節理裂隙突涌水模式[10]，地下水空間賦存邊界條件受構造控制，F5斷層影響寬度有限，涌水量持續增長能力有限。對2號斜井未開挖段采用水文地質類比法、古德曼經驗式、經驗公式分別進行涌水量預測計算。

水文地質類比法是根據已開挖地段的涌水量預測未開挖地段的涌水量。古德曼經驗式與經驗公式則屬于解析法[11]。經綜合分析，采用古德曼經驗式預測結果，2號斜井正常涌水量總計約5 827 m3/d，2號斜井所擔負正洞施工段最大涌水量約15 729 m3/d，斜井工區總的最大涌水量約21 556 m3/d。

4　突涌水特征及規律

通過以上多種勘察方法綜合分析得出2號斜井突涌水基本特征：隧道洞身巖性為花崗巖，以Ⅱ～Ⅲ級為主，巖質堅硬，突涌水類型屬節理裂隙型，多為寬張型裂隙，裂隙面充填物少，延伸長度長。隧道洞身巖體受2條相互垂直斷裂F11與F5影響，形成了以主節理為賦存空間，次主節理為導流通道的含導水體構造形式模型[12]，且主控導水通道位置與F5影響帶范圍高度相關，除具有以上特征外，還具有以下規律。

(1)定向等距分布

由于花崗巖為侵入巖，只有節理裂隙，結構面組合相對簡單，受構造應力控制，節理發育規律性及方向性極強，具有平行于最大主應力方向且基本等距分布的特點。揭露的涌水表現為幾個股狀集中涌水，或線狀面狀涌水，各涌水點連線為主要儲水構造走向。多條突涌水間距大致相同，表現較為突出的等距性。

(3)非均勻性

裂隙含導水系統受主控導水通道作用明顯，使得裂隙含導水表現出顯著的非均勻性，局部表現為突變性，若揭示主控導水通道則涌水量大，若揭示非主控裂隙，則導水能力有限，有時甚至無水，表現為極強的非均勻性。

(3)涌水量非線性變化

花崗巖隧道其涌水量變化具有明顯的非線性的特征。若揭露單一的裂隙含導水系統，系統內地下水主要為靜儲量，則涌水量總體衰減，并直至枯竭；若揭露次級裂隙含導水系統，因其補給能力有限，隧道涌水量總體較少，且長期穩定的特征；若揭露主控含導水裂隙或主干裂隙系統，常溝通含水層(體)，隧道涌水量表現為水量大且逐漸衰減至穩定的特征，涌水量大小與溝通含水體層富水性有一定的相關性。

(4)流態相對單一

花崗巖質地堅硬，飽和單軸抗壓強度通常大于60 MPa，富水節理裂隙多為寬張長大節理裂隙，巖體完整性好，軟化作用弱，填充物質較少，流態多為清水流，或開始時夾有小碎石泥塊等涌出物，流量穩定后逐漸清澈。

5　涌水治理方案比選分析

對隧道突涌水特征及規律的分析最終目的是指導突涌水的治理，根據鐵路隧道設計規范:“隧道防排水應采取防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理的原則，達到防水可靠，經濟合理的目的[13]。過去鐵路隧道工程基本是“以排為主”。隨著注漿工藝的日趨成熟，對環境及水資源保護的需求的不斷提高，以及隧道防滲抗變形要求的提高，根據近兩年國內工程實例，采用注漿封堵方法處理隧道涌水的案例也越來越多。但以排為主還是以堵為主還是要結合隧道的具體情況來確定。

根據本隧道的突涌水特征，大致確定了3個常見的涌水處理思路。

(1)采取“以堵為主，限量排放”的原則進行預注漿加固，使隧道形成一個注漿加固圈，隧道開挖后，再進行注漿封堵滲漏[14]。

(2)封堵掌子面，并向左或向右繞行，繞避含水體[15]。

(3)頂水作業，加大抽水能力，對集中涌水點進行輔助注漿封堵。

以上3個思路基本涵蓋了目前處理隧道突涌水的常見方法，下面對3個思路進行逐個分析：思路(1)基本是“以堵為主”。由于隧道巖體完整性較好，節理多為寬張長大節理，注漿加固圍巖的意義不大，主要為形成止水圈，但花崗巖節理較寬且延伸較長，使得注漿時，吃漿量較大，注漿時間長，充填效果差。且注漿工藝用時較長，工序搭接要求較高，價格昂貴，嚴重影響施工工期。雖然注漿封堵在其他工程中得到了廣泛的應用，但此法并不適用于2號斜井的涌水特征及地質條件。思路(2)處理方案基本為“封堵繞避”，該方案比較適用于儲水范圍較小，水力聯系差，較封閉孤立的含導水系統，由于2號斜井突涌水屬節理裂隙類型，主節理為儲水空間，次主節理為徑流通道的地下水分布特征，且主控導水通道與隧道線路方向大角度相交，無論向左還是向右繞避，都必須與主控導水通道相交，沒有實際意義。思路(3)處理方案基本是“以排為主，頂水作業”的思路。2號斜井巖性為花崗巖，圍巖條件好，自穩能力強，遇水不宜軟化，比較適合“頂水作業”，又根據上文分析預測，斜井總的最大涌水量約21 556 m3/d，且還會持續衰減。又由于主控導水通道受區域斷裂F5控制，空間分布寬度有限。儲水體靜儲量已經得到較為充分的釋放，地下水補給來源有限，施工過程水量衰減明顯，對排水作業也比較有利。

通過以上分析，“以排為主，頂水作業”的方案比較適合2號斜井目前的工程及水文地質條件，滿足隧道設計“合理經濟”的原則，具體方案如下。

(1)2號斜井工區抽排水能力按20 000～25 000 m3/d配設。斜井內使用3臺280 m3/h的水泵進行抽水，抽排水能力達到20 000 m3/d，應配足抽排水設施，做好設備的維修養護，確保設備正常運轉和及時排水[16]。

(2)對施工已出現的集中涌水點(段)及已衰減股狀涌水進行輔助注漿封堵，以減輕斜井抽水壓力。

(3)做好超前地質預報工作。對TSP異常點(段)，加強水平鉆孔或加深炮孔的實施，重點對涌水量、涌水壓力、水溫及涌水變化進行觀測和分析；掌子面地質編錄應著重對節理性質、產狀及其發育程度和巖體完整程度進行詳細描述。

(4)對各涌水點(段)水量和井口涌水量應進行長期監控量測，并做好記錄。

6　施工驗證效果

麥積山隧道目前已貫通，施工過程中，無出現大的突涌水災害，涌水量變化詳見圖6。由圖6可知，涌水量在XK4+89、XK4+71、XK4+65、XK3+00、XK0+00、DK735+917分別達到涌水量的峰值，與預測的涌水位置相吻合，進一步驗證了結論的正確性，特別是DK735+917這個位置恰好出現在F5斷裂延長線與線路的交點位置，驗證了主控導水通道與斷裂影響范圍高度相關這一結論。

涌水量的總體趨勢也如預測一樣，總體呈衰減的趨勢，最大涌水量也沒有超過20 000 m3/d，也在預測涌水量范圍之內。

圖6　麥積山隧道2號斜井及正洞小里程涌水量變化趨勢

7　結論與建議

通過對影響隧道突涌水因素的分析，確定了花崗巖隧道突涌水的分析重點應放在致災含水體與含導水構造的形式上。然后結合地質調查法、物探法、勘探法、超前地質預報等勘察方法與區域基礎資料綜合分析，總結出花崗巖隧道突涌水具有構造節理定向等距、空間分布非均勻性、涌水量非線性變化、流態相對單一等特點及發育規律，并根據此結論指導突涌水治理方案的比選，最終確定“以排為主，頂水作業，加大抽水能力，對集中涌水點進行輔助注漿封堵”的治理方案，并通過施工驗證達到了預期的目的。

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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

閻淵(1982—)，男，工程師，2005年畢業于西南交通大學，工學學士，E-mail：153225861@qq.com。

1004-2954(2016)09-0104-05

U456.3+3

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.023