秦岭隧洞椒溪河段工程地质条件及涌水特征分析

李立民

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

秦岭隧洞椒溪河段工程地质条件及涌水特征分析

李立民

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

隧洞突涌水是山岭隧洞施工中遇到的主要地质灾害之一。秦岭隧洞下穿椒溪河段，隧洞埋深浅，岩性以大理岩为主，断裂构造发育，形成良好的富水区，隧洞穿越时发生3次大的突涌水现象。施工中先期安排地质超前预报，再实施超前水平钻孔进行验证，并利用超前水平钻孔进行双液浆预注浆。最终采用多种注浆形式对洞内突涌水进行处理，洞外河床修筑挡水围堰及防渗墙有效减少了洞内涌水，确保秦岭隧洞顺利通过椒溪河段落。

秦岭隧洞；地质超前预报；涌水

1 概述

近年来我国工程建设中长大隧道的突水、涌水风险明显增加，隧道通过的构造断裂带、岩溶发育区突水涌水等问题比较突出。隧道涌水的围岩介质以裂隙型和裂隙岩溶型为主，在渗透性能方面具有强烈的非均质性和各向异性，表现为突水方位不确定，突水量大，水压力强，涌水量衰减缓慢，持续时间长等，威胁隧道施工的安全，严重者造成巨大的经济损失。

秦岭隧洞是陕西省引汉济渭工程的重点工程， 为规划的陕西省内南水北调跨流域调水工程之一，全长81.779 km。该隧洞位于秦岭西部山区，横穿秦岭山脉，区内山峰高耸，沟壑纵横，最高海拔为2 705 m。隧洞通过椒溪河段K2+685～K2+962时突涌水问题突出。

2 工程地质条件

2.1 自然地理、气象及水文

隧洞通过的椒溪河段位于秦岭岭南中低山区，地形起伏，相对高差600～700 m，多年平均气温13 ℃。椒溪河为汉江支流子午河的支流，为常年流水，水量较大，水量随季节性变化较大，夏季有山洪爆发，主要受大气降水补给(图1)。

图1 隧洞工程区水系分布

2.2 地层岩性

椒溪河段揭露地层岩性主要为下古生界志留系中统斑鸠关组(S2b-m)大理岩、石英片岩等(图2)。

图2 隧洞通过椒溪河段地质剖面

2.3 地质构造

隧洞通过椒溪河段大地构造单元上位于秦岭造山带之商丹断裂带和勉略巴山弧形断裂构造所夹持的南秦岭构造带，是秦岭造山带的蜂腰部位，经过多期次构造、岩浆等地质事件的叠加和改造，形成了现今复杂的构造格局。隧洞椒溪河段自南向北依次揭露，见表1。

(1)三河口-十亩地断层(fs2)：断层走向在N40°～60°W(30°～50°)范围内，断层带物质主要为断层角砾及断层泥，断层带宽度50～100 m。

(2)秧田坝-十亩地断层(fs3)：早期为韧-脆性剪切带的继承性断层。断层走向多在N50°～75°W(15°～40°)范围内，向南或向北陡倾(55°～80°)，断层带物质主要为断层角砾及断层泥，宽度30～100 m，在断层带有下降泉出露。

表1 秦岭隧洞椒溪河段断层特征

2.4 水文地质特征

本段地下水类型主要为岩溶裂隙水、基岩裂隙水和构造裂隙水，富水性中等。岩溶裂隙水主要发育于志留系中统斑鸠关组大理岩中，基岩裂隙水主要赋存于志留系中统斑鸠关组(S2b-m)石英片岩中，构造裂隙水主要赋存于断层破碎带及影响带中。由于含水介质的各向异性，地下水的补给、径流、排泄条件十分复杂，主要受地形地貌、地层岩性及断裂构造的控制。地下水主要接受大气降水的补给，径流方向近南北向，排泄方式除以河流、沟谷作线状排泄外，还以泉点作点状排泄。

隧洞通过椒溪河段埋深浅(小于20 m)，勘察阶段就曾对椒溪河河段做过详细的地质调查及勘探测试工作。在椒溪河河谷中布置了5个钻孔，其中4个钻孔在封闭上部第四系孔隙潜水的情况下，对下部基岩含水层进行了抽水和压水试验。

3 综合超前预报研究

隧洞通过的椒溪河段构造发育，岩性复杂多变，施工中不可预见因素较多，为保证施工人员及机具安全，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体，实施了综合地质超前预报工作，见表2。

表2 秦岭隧洞椒溪河段综合超前预报统计

4 隧洞涌水特征分析及处理措施

4.1 第一次涌水及处理

K2+677～K2+699段从TSP超前预报物性参数上看，围岩物性参数波动较大，纵波波速及横波波速变小，局部有强反射界面或绕射界面。预测隧洞开挖过程中可能有较大基岩裂隙水出露，表现为集中涌水。

2013年2月7日施工开挖至K2+691处，掌子面左侧上部发生小股状涌水，初期涌水量约1 400 m3/d。2月20日，隧洞开挖至K2+692.5、距下穿椒溪河段约17.5 m处时，爆破后掌子面正中央上部突然出现较大涌水，初期涌水量约11 000 m3/d，随即采用超前水平钻孔辅助排水减压，涌水量随后有一定衰减，减小至约4 800 m3/d。后来由于大气降水影响，加之地下水对岩石节理裂隙中充填物的潜蚀，涌水量最大增至约12 700 m3/d。该段开挖揭示岩性为石英片岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，围岩局部不稳定，涌水为基岩裂隙水。经在K2+688.5处设止浆墙(墙上布置注浆孔)及周边帷幕注浆处理通过了该段，涌水量维持在200 m3/d左右。

4.2 第二次涌水及处理

K2+699～K2+725段从TSP超前预报物性参数上看，围岩物性参数波动较大，纵波波速及横波波速变小，反射界面或绕射界面较多；从红外探水物性参数上看，沿隧洞轴线方向的6条红外探测曲线波动较大，掌子面附近红外场强数值有所降低。综合分析本段岩体富水性较好，隧洞开挖过程中可能发生突然涌水现象。

2013年6月15日，隧洞开挖至K2+706.9处，爆破前掌子面炮眼没水，又在掌子面上部增加了3个超前探孔(5 m)，仍无出水点，爆破后，也无涌水现象。但在出渣过程中，掌子面底部及左侧边墙底部发生突然涌水，初期涌水量约9 800 m3/d，随后有一定衰减，后由于大气降水影响及地下水对岩石节理裂隙中充填物的潜蚀，7月21日涌水量最大增至约23 600 m3/d。该段开挖揭示岩性主要为大理岩，夹有少量石英片岩，受构造作用影响，节理裂隙发育，岩体较破碎，围岩局部不稳定，涌水为岩溶裂隙水。

当时正值汛期，通过在隧洞处椒溪河上下游布设水文断面及洞内涌水量监测，对比分析表明隧洞内涌水量随椒溪河水位突涨有明显增大趋势，说明洞内突涌水和椒溪河河水存在水力联系。为防止由于扰动而导致涌水进一步加大，形成更大的涌水通道，施工中采取局部止浆墙结合出水点处堆碴，碴体内部预埋排水管，并安装DN300闸阀，同时对涌水部位注双液浆的处理措施，涌水量维持在1 200 m3/d左右。

4.3 第三次涌水及处理

K2+725～K2+752段从TSP超前预报物性参数上看，围岩物性参数波动较大，纵波波速及横波波速变小，反射界面或绕射界面密集。预测本段岩体富水性较好，隧洞开挖过程中可能发生较大突然涌水。

2013年9月16日，隧洞K2+735处施作的9个水平探孔中有5个孔存在不同程度的出水，其中3个孔满孔出水，施工时按要求进行提前注浆。在检查孔无出水的情况下，继续开挖至K2+738处。此时，左侧边墙上部由少量渗水变为少量集中出水并逐渐增大，随着冲刷范围扩大形成涌水通道，涌水量最大增至约18 500 m3/d。该段开挖揭示岩性主要为大理岩，受fs3断层影响，节理裂隙发育，岩体破碎，围岩不稳定，涌水为构造裂隙水及岩溶裂隙水；且隧洞涌水量大小随河水水位涨落变化明显，表明突涌水和椒溪河河水存在水力联系。施工时为了减小洞内抽排水压力，在椒溪河河床上对岩溶裂隙通道口周边进行开挖，回填黄土修筑简单防渗墙，并在防渗墙前修筑挡水围堰。同时，对洞内涌水部位进行灌浆堵水，目前涌水量维持在1 300 m3/d左右。

本次涌水处理过程中，利用超前水平探孔较准确地探明了前方的涌水情况，并提前进行灌浆处理。由于洞内涌水点与河道有一定的连通关系，通过挡水围堰和防渗墙的修筑，有效地减小了洞内涌水量，使得本次涌水处理时间较前两次大大减少。地质超前预报结果与施工揭示情况对比见表3。

表3 地质超前预报结果与施工揭示情况对比表

5 结语

(1)隧洞通过椒溪河浅埋段时，岩性以大理岩为主，断裂构造及节理裂隙发育，各种裂隙相互切割成网络，形成了良好的储水与导水通道，是造成该段围岩涌水的主要原因。

(2)采用综合地质超前预报方法(TSP、地质雷达、红外探测及超前水平钻孔)相互补充及印证，能提高地质预测的准确性，降低施工安全风险。

(3)在施工处理中，抓住隧洞涌水主因，根据不同地质条件、水压和涌水量等实际情况，应采取灵活的注浆堵水处理措施。

[1] 马若飞.青岛胶州湾海底隧道TSP203+超前预报应用探讨[J].铁道标准设计，2015(1):91-95．

[2] 李立民.秦岭隧洞突泥涌水段处理措施研究[J].铁道标准设计，2014(S1):171-174．

[3] 赵建宇.中天山隧道高压富水段涌水量探测与连通试验研究[J].铁道标准设计，2013(5):86-89．

[4] 郭佳奇，乔春生.岩溶隧道掌子面突水机制及岩墙安全厚度研究[J].铁道学报，2012(3)：109-115．

[5] 颜志伟.象山隧道岩溶突水涌泥原因分析及处理措施[J].铁道标准设计，2012(7):98-102．

[6] 资谊，马士伟.岩溶隧道涌突水灾害发生机理与工程防治[J].铁道工程学报，2011(2)：86-91．

[7] 刘小刚.大路梁子隧道治水综述[J].铁道标准设计，2010(4):89-92.

[8] 魏云杰，陶连金，许有俊.贵州某岩溶隧道构造特征及涌水危害分析[J].工程地质学报，2008，16(S):78-82.

[9] 陈志平，郑强，叶兴军，俞良.慈母山隧道施工涌水量预测[J].工程地质学报，2010，18(S):88-92．

[10]雷春英，尚亿军，李晓虎，等.综合地质超前预报技术在马桑哨隧道中的应用研究[J].工程地质学报，2012，20(6):1007-1012．

[11]中铁第一勘察设计院集团有限公司.山岭隧道涌水量分析预测的指导性意见(R).西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011．

[12]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50487—2008水利水电工程地质勘察规范[S].北京:中国计划出版社，2009．

[13]中华人民共和国铁道部.铁建设[2008]105号铁路隧道施工地质超前预报技术指南[S].北京:中国铁道出版社，2008．

[14]铁道部经济规划研究院.TZ204—2008铁路隧道工程施工技术指南[S].北京:中国铁道出版社，2008．

The Analysis of Geological Conditions and Water Gushing in Jiaoxihe Section of Qinling Tunnel

LI Li-min

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd.， Xi’an 710043， China)

Water inrush is one of the main geological hazards in the construction of the tunnel. Qinling tunnel passes through Jiaoxi River where it is buried shallow in lithology dominated with marble， developed faults and rich water. Big water inrushing occurred three times when tunneling passed the river. To prevent disasters， advanced geological forecast was conducted ahead of construction and horizontal boreholes were drilled for verification. Additionally， pre-grouting was implemented with advanced horizontal drilling. Finally， multiple grouting， the combination of grouting in tunnel and retaining cofferdam and cutoff wall outside the tunnel were applied to minimize water gushing and to guarantee successful tunneling．

Qinling Tunnel; Advanced geological forecast; Water gushing

2015-01-15；

2015-03-12

陕西省科技统筹创新工程计划项目(2013KTZB03-01-01)

李立民(1969—)，男，高级工程师，工学学士，E-mail：llm185@163.com。

1004-2954(2015)10-0086-03

U452.1+1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.020