天目山隧道地質超前預報及突水防治研究

韓　浩　中國鐵路上海局集團有限公司杭黃鐵路有限公司

21世紀是地下工程的世紀，隨著我國重大基礎設施建設工程的推進，隧道修建規模與難度與日俱增。地質條件復雜、巖溶斷層發育的隧道施工屢見不鮮，建設過程中極易遭遇突水、突泥等重大災害。據統計，僅2001～2010年間，隧道重大安全事故達97起，突水事故占其中77.3%，傷亡人數1000余人，大量設備報廢，工程停建，損失巨大。若想及時有效的處置該類工程事故，精準的超前地質探測顯得尤為重要。本文以天目山隧道突水防治工程為例，采用地質超前預報技術進行分析，提出具體注漿防治方案，以期為后續類似工程提供經驗借鑒。

1 工程概況

天目山隧道地處中低山區，位于天目山山脈西南。該區地形陡峻、溝谷深切、地質構造復雜。隧道起訖里程DK201+823～DK213+836，全長12.013km，雙線隧道，目前掌子面往進口方向已開挖到DK207+294，距隧道進口5471m。本次預報段為 DK207+294～DK207+344。

該段隧道處在F4斷層附近，該為一區域性正斷層，斷層視傾角約80°。洞身圍巖為震旦系上統雷公塢組（Z2l）灰綠、暗綠色千枚狀凝灰質含礫粉砂巖，夾透鏡體狀含錳白云質灰巖。弱風化，厚層狀，巖質堅硬，節理裂隙較發育，受斷層的影響，節理裂隙發育，巖體破碎，構造裂隙水發育。該斷層切割溝谷，與地表水有水力聯系，鉆探時孔內有漏水現象，預測DK206+000～DK207+800段最大涌水量14697m3/d，設計時需加強支護和防排水措施，DK207+294～DK207+344段隧道圍巖設計分級為Ⅲ級。

洞身掘進至DK207+294時，掌子面為含礫粉砂巖、白云質灰巖，灰色。左半側掌子面裂隙稍發育，巖體稍破碎；右半側掌子面裂隙較發育，巖體較為破碎，地下水發育，主要呈股狀出水。

2016年3月31 日10時，杭黃鐵路站前1標天目山隧道聞家斜井正洞黃山方向掌子面DK207+294里程鉆孔作業時，掌子面右側拱腰部位加深炮孔鉆進至3.5m深時有突水現象，呈股狀水噴出，水流噴射距離為20m，水質呈黃色、夾泥，約30min后，聽見掌子面前方有兩次響聲（兩次響聲間隔約20min），第一次響聲之后出水量有所減小，水流噴射距離穩定在6m左右，再次響聲之后，噴射狀水流消失，僅有清水淌出（推測孔身被沖出物堵塞）。

2 超前地質預報技術

根據超前地質預報設計，結合現場實際情況，地質復雜程度為復雜，采用了地震波法、地質雷達，地質素描進行超前地質預報。

2.1 地震波法

采用TETSP隧道地質超前預報系統進行隧道地震超前地質預報，探測結果如圖1所示。

圖1 地震波探測結果

DK207+294～+372段，長度78m，該段巖體縱波速度約5470m/s～5760m/s，橫波速度約 3170m/s～3280m/s，縱波速度值有較大的起伏變化。同時，此段縱橫波偏移歸位圖上強反射界面極為密集。結合掌子面現場及地質雷達超前地質預報資料，推測此段圍巖整體上裂隙發育～較發育，局部可能發育有不規則溶槽或溶腔，巖體破碎～較破碎，基巖裂隙水整體上較為發育，且與地表水有一定的水力聯系，可呈股狀或涌水狀出水或涌泥，圍巖穩定性差。施工時應注意做好超前水平鉆探措施及支護工作，并做好防排水措施，防止出現坍塌或塌方。其中 DK207+328～+336段、K207+356～+370段縱橫波均存在明顯的強反射異常界面，推測此兩段發育有一定規模的裂隙或裂隙組合，也有可能為溶槽或溶腔發育，巖體破碎～較破碎，基巖裂隙水可能較為發育，可呈股狀或涌水狀出水或涌泥，圍巖穩定性較差，施工至相應里程段前后應予以小心。

2.2 地質雷達法

2016年04月01 日，在隧道掌子面DK207+294掌子面進行地質雷達法物探測試工作，地質雷達法超前預報探測結果如圖2所示。

圖2 地質雷達探測結果

掌子面右側前方3m～10m內（DK207+297～DK207+304段）雷達電磁波呈極強的反射狀，推測此段巖石豎向或近豎向裂隙發育，也有可能為溶槽或溶腔發育，巖體破碎，基巖裂隙水發育，可呈股狀或涌水狀出水或涌泥，圍巖穩定性差。掌子面中部前方16m～23m內（DK207+310～DK207+317段）雷達電磁波呈大面積強反射狀，推測此段可能為裂隙發育，也有可能為溶槽或溶腔發育，巖體可能較為破碎，基巖裂隙水可能較發育，可呈股狀或涌水狀出水或涌泥，圍巖穩定性差。綜合上述兩處異常特征及掌子面現場，推測DK207+294～DK207+319段圍巖整體上裂隙發育～較發育，不排除局部不規則溶槽或溶腔發育的可能性，巖體破碎～較破碎，基巖裂隙水較為發育，局部可呈股狀或涌水狀出水或涌泥，圍巖整體上穩定性較差，施工時應注意做好超前水平鉆探措施及支護工作，并做好防排水措施，防止出現坍塌或塌方。

2.3 地質素描

地質素描圖如圖3所示，DK207+294掌子面揭示地層為凝灰質含礫粉砂巖，灰色，弱風化。左半側掌子面裂隙稍發育，巖體稍破碎。右半側掌子面裂隙較發育，巖體較為破碎，地下水發育，主要呈股狀出水。其中，掌子面拱頂偏右側處及右拱腰位置各有一加深炮孔有大量地下水涌出，水質清澈。

圖3 地質素描圖

3 超前地質預報成果綜合分析

綜合上述超前預報方法推測，DK207+294～DK207+344段揭示地層為凝灰質含礫粉砂巖、夾透鏡體狀含錳白云質灰巖，灰色，弱風化，該段處在F4斷層附近，受斷層構造的影響，DK207+294～DK207+344段圍巖整體上裂隙發育～較發育，巖體破碎～較破碎，其中 DK207+297～DK207+304、DK207+310～DK207+317、DK207+328～+336不排除局部不規則溶槽或溶腔發育的可能性，待施工時進行地質素描核查，該段構造裂隙水發育，施工過程中鉆有7個加深炮孔，其中有兩孔涌水，呈股狀或涌水狀出水，涌水量為40m3/h，預估掌子面涌水量為6500m3/d。圍巖整體上穩定性較差，施工時應注意做好超前水平鉆探措施及支護工作，并做好防排水措施，防止出現坍塌或塌方及突水事故的發生。

地下水主要為基巖裂隙水，發育。不排除局部不規則溶槽或溶腔發育的可能性，為巖溶水。推測天目山隧道DK207+294～DK207+344段隧道圍巖分級為Ⅳ級。施工期間應加強地質核查，尤其在+297～+304，+310～+317，+328～+336，如發現與設計情況不符時應及時通知設計人員，進行動態設計。

4 突水防治措施

2016年4月1 日開始將注漿堵水設備、材料及應急物資調入洞內。2016年4月2日，掌子面DK207+291～+294段進行全環徑向擴挖，擴挖深度為50cm，并沿擴挖斷面周邊全環施作錨桿。2016年4月3日至4月9日止漿墻施工完畢（安裝模板、澆筑混凝土、拆模板、止漿墻周邊噴射混凝土封閉、鋪墊鉆孔作業平臺）。施作3m止漿墻，止漿墻施作前預埋3m長A108孔口管，并在止漿墻周邊全環預埋A42注漿管用于注漿密封止漿墻周邊滲水、漏漿。2016年4月3日至4月10日，搭設水泥存放平臺、注漿作業平臺。2016年4月10日，在掌子面右側拱腰處（2#探孔）開始超前探孔，探孔鉆至11m開始出水，沖洗液呈黃色，水量隨著鉆孔深度逐漸增大，水質渾濁，鉆進13m深時，頂鉆、卡鉆嚴重，無法進鉆；在2#探孔下方1m位置另開孔，鉆進4m出水，進鉆速度均勻，鉆至8.5m時，沖洗液呈黃色、夾泥，8.5m至12m進鉆速度較快，12m至25m進鉆速度均勻，水量隨著鉆孔深度逐漸增大，水質逐步變清。2016年4月11日，2#孔出水量為130m3/h、靜水壓力為1.6Mpa～1.8Mpa（第一次壓力表穩定12h實測水壓為1.8Mpa，第二次更換同量程2.5Mpa壓力表，穩定4h水壓為1.6Mpa）。

對掌子面采取施作5個超前探孔進行排水泄壓：對已施作2#超前探孔采取放水泄壓，同時施作其余4個超前鉆孔進行泄壓；并在止漿墻下部增加兩個斜向下方探孔，探明隧道地質情況。確定DK207+294～DK207+324段圍巖級別由III級變更為V級，襯砌支護類型由IIIa復合式襯砌變更為Vb復合式襯砌，拱部設置Φ89長管棚+II型超前小導管，開挖工法采用三臺階法；并對DK207+294～DK207+324段采取徑向5m超前預注漿進行加固堵水，注漿漿液采用水泥～水玻璃雙液漿。經治理后，掌子面突水量及水壓明顯減小，效果良好。

5 結論與建議

根據超前地質預報設計，結合現場實際情況，地質復雜程度為復雜，采用了地震波法、地質雷達，地質素描進行超前地質預報。結果表明：在F4斷層附近，受斷層構造的影響，DK207+294～DK207+344段圍巖整體上裂隙發育～較發育，巖體破碎～較破碎，預估掌子面涌水量為6500m3/d，圍巖整體上穩定性較差。確定DK207+294～DK207+324段圍巖級別由III級變更為V級，襯砌支護類型由IIIa復合式襯砌變更為Vb復合式襯砌，拱部設置Φ89長管棚+II型超前小導管，開挖工法采用三臺階法；并對DK207+294～DK207+324段采取徑向5m超前預注漿進行加固堵水，注漿漿液采用水泥～水玻璃雙液漿。

隧道開挖遇到突水情況時，建議采用超前地質預報，盡可能探明前方水壓、水量、地質等相關情況，為詳細制定突水治理方案、減少施工事故提供科學依據。

[1]許振浩,李術才,李利平,陳軍,張之淦,石少帥.一種典型的巖溶隧道襯砌壓裂突水災害成因與防治 [J].巖石力學與工程學報,2011,30(07)：1396-1404.

[2]周宗青,李術才,李利平,隋斌,石少帥,張乾青.淺埋隧道塌方地質災害成因及風險控制[J].巖土力學,2013,24(05)：1375-1382.

[3]李浪,戎曉力,王明洋,盧浩,夏沅譜,張志成.深長隧道突水地質災害三維模型試驗系統研制及其應用[J].巖石力學與工程學報,2016,35(03)：491-497.

[4]李術才,石少帥,李利平,陳軍,許振浩,周宗青,袁永才.三峽庫區典型巖溶隧道突涌水災害防治與應用 [J].巖石力學與工程學報,2014,33(09)：1887-1896.

[5]李術才,劉斌,李樹忱,張慶松,聶利超,李利平,許振浩,鐘世航.基于激發極化法的隧道含水地質構造超前探測研究 [J].巖石力學與工程學報,2011,30(07)：1297-1309.

[6]韓德品,李丹,程久龍,王鵬.超前探測災害性含導水地質構造的直流電法[J].煤炭學報,2010,35(04)：635-639.

[7]邱道宏,李術才,張樂文,崔偉,蘇茂鑫,謝富東.基于隧洞超前地質探測和地應力場反演的巖爆預測研究[J].巖土力學,2015,36(07)：2034-2040.

[8]劉傳孝,蔣金泉,楊永杰.斷層特征參數地質雷達探測與識別的應用研究[J]. 巖土力學,2004,(05)：832-834+838.

[9]劉傳孝,蔣金泉,楊永杰.地質雷達應用于探測拱橋、空洞的效果驗證[J].巖土力學,2001,(01)：106-108.

[10]張淑坤,張向東,李永靖.高速公路下伏老采空區探測及驗證技術[J].中南大學學報(自然科學版),2015,(9)：3361-3367.