TSP探测技术在引汉济渭工程秦岭隧洞S段上游突发涌水事故中的应用

第53卷第4

期

2 0 2

2

年4

月

人民长江Yangtze RiverVol. 53,No. 4

Apr. , 2022

文章编号：

1001 -4179(2022)

04 -0106 -06

引用本文：谷建强•基于微震监测的秦岭隧洞岩性转换带岩爆孕育机制

［J］.

人民长江,2022,53(4)

：106-111.

基于微震监测的秦岭隧洞岩性转换带岩爆孕育机制

谷建强(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安

710043)

摘要：多年来，岩爆的频发严重制约着最大深埋隧洞的工程建设进度，给现场施工安全造成极大的威胁。引汉 济渭秦岭输水隧洞具有地应力高、埋深大、地质结构复杂等特点，为减少在开挖过程中岩爆带来的危害，利用

微震监测技术对岭北TBM洞段实施全天候不间断监测。通过分析微震事件的时空演化规律，对

K46 + 735 ~

K45 +730

之间变砂岩与闪长岩交界面处岩性转换带的岩爆孕育机制开展了研究。研究结果表明：①微震事

件的时空演化规律可以有效揭示岩爆区岩体的破裂过程，并显示出了微震监测震源参数的变化情况与现场 发生的岩爆现象一致；②岩性转换带的岩爆孕育受开挖扰动影响，当岩爆区域在高应力作用下发生静力破坏 时，结构面滑移错动产生高应力，并与静应力形成叠加效应，最终诱发强忍岩爆。研究成果可以为最大深埋隧 洞施工过程中的岩爆预防措施制定提供参考，以保证现场施工人员和设备的安全

。

关 键 词：岩爆；岩性转换带；孕育机制；高地应力；微震监测；秦岭隧洞中图法分类号：

TU 45 文献标志码：A

DOI： 10.16232/j. cnki. 1001 -4179.2022.04.017

0引言岩爆是一种储能岩体在原始赋存环境扰动后，其 内部应力集中致使岩体承载强度达到极限而发生剥 离、崩落、弹射的物理现象［1'3］o

随着中国经济的不断

发展,各种大型地下工程的建设相继开展，

建设深度不

断增加，从而岩爆问题也日渐显现和突出。

岩爆发生时往往伴随着能量的突然释放,具有突 发性和猛烈性等特点，对工程建设的顺利进行和施工

文章编号：1673-9000（2019）05-0004-03引汉济渭工程对汉江中下游的影响分析牟勇1，张明2，王凡2，刘永孝3（1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西西安710010；2.西安理工大学水利水电学院,陕西西安710048；3.陕西沣西新城投资发展有限公司，陕西西咸新区712000）［摘要］从多年平均流量、水位、泥沙等方面分析引汉济渭工程建成后对汉江下游各控制断面的影响，以及对汉江中下游和南水北调中线一期项目的初步影响。

结果表明：黄金峡和三河口水利枢纽建成运行后，各断面多年平均流量、水位和泥沙的变幅有限，汉江中下游多年平均供水量减少0.37亿m 3，占供水量的0.2％；南水北调中线一期工程调水的多年平均调水量减少0.9亿m 3，占总调水量的1.0％，影响程度有限。

［关键词］河床冲淤；径流量；输沙量；冲刷深度；洪量［中图分类号］P333［文献标识码］A［收稿日期］2019-03-15［基金项目］水利部公益性行业科研专项经费项目，引汉济渭跨流域复杂水库群联合调度研究(201501058)；陕西省水利科技计划项目（2017s l kj -16;2017s l kj -27）；中国博士后科学基金资助项目（2017M 623332X B ）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2018J Q 5145）。

［作者简介］牟勇（1985-），男，陕西扶风人，工程师，主要从事防汛、水资源管理工作。

Analysis on the Influence of Hanjiang to Weihe River Project on theMiddle and Lower Reaches of the Hanjiang RiverMou Yong 1,Zhang Ming 2,Wang Fan 2,Liu Yongxiao 3(1.H anj i ng-t o-W ei heR i verV al l eyW at erD i ver s i on Pr oj ectConst r uct i on Co .,Lt d.,Shaanxi Pr ovi nce X i ’an 710010,Shaanxi ；2.SchoolofW at erR es our cesand H ydr opow er ,X i 'an U ni ver si t yof Technol ogy ,X i ’an 710048,Shaanxi ；3.ShaanxiFengxiX i nchengI nvest m entD evel opm entCo.,Lt d.，X i xi an new di s t r i ct712000,Shaanxi ）Abstract:The ar t i cl e i s bas ed on t he aspect s of aver age annual di s char ge,wat er l evel and s edi m ent and anal yz es t he i nf l uence oft he com pl et i on oft he pr oj ecton t he cont r ols ect i ons oft he l owerr eaches oft he H anj i ang R i verand t he pr el i m i nar y i m pacton t he m i ddl e and l ow er r eaches oft he H anj i ang R i ver and t he f i r s tphase oft he m i ddl e r out e oft he Sout h-t o-N or t h W at er Tr ans f er Pr oj ect .The r esul t s show t hataf t er t he com pl et i on oft he oper at i on oft he G ol den G or ge and Sanhekou W at er Cons er vancy Pr oj ect ,t he aver age annual f l ow ,wat er l evel and s edi m ent var i at i on of each s ect i on ar e l i m i t ed.The aver age annualwat er s uppl y i n t he m i ddl e and l ower r eaches oft he H an R i ver decr eased by 37m i l l i on m 3,account i ng f or 0.2%oft he wat ersuppl y;The aver age annualwat ert r ansf eroft he f i r stphas e oft he pr oj ecthas decr eas ed by 0.09bi l l i on m 3,account i ng f or 1.0%oft he t ot alwat ert r ans f er ,wi t h l i m i t ed i m pact .Keywords:R i verbed er os i on and s i l t at i on,r unof f ,s edi m entt r ans por t ,s cour i ng dept h0前言引汉济渭工程是国务院确定的172项重大水利工程之一，是陕西省全局性、战略性、基础性、公益性水资源配置工程[1]。

浅议引汉济渭几个关键技术问题蒋建军;刘家宏;严伏朝;张克强;刘扬;胡剑【摘要】引汉济渭工程是陕西省政府在21世纪初叶重点推动建设的战略性水资源配置工程.工程难度大,影响因素多.工程建设必将面临一系列的科学技术难题,现从控制测量、深埋超长隧洞、水库枢纽、泵站与电站、水资源配置、工程调度、移民及经济风险七个方面对该工程的关键技术问题进行了初步探讨.【期刊名称】《南水北调与水利科技》【年(卷),期】2010(008)005【总页数】4页(P133-136)【关键词】深埋超长隧洞;水资源配置;关键技术;引汉济渭工程【作者】蒋建军;刘家宏;严伏朝;张克强;刘扬;胡剑【作者单位】陕西省引汉济渭工程协调领导小组办公室,西安,710032;中国水利水电科学研究院,北京,100038;陕西省引汉济渭工程协调领导小组办公室,西安,710032;陕西省引汉济渭工程协调领导小组办公室,西安,710032;中国水利水电科学研究院,北京,100038;河海大学,水文水资源学院,南京,210098【正文语种】中文【中图分类】TV212.3陕西省关中地区作为陕西省经济和社会发展的主体和核心地带,其资源型缺水问题已经严重制约了区域经济社会的发展,同时,也引发了日益严重的生态环境问题。

引汉济渭是近期解决关中缺水问题的关键性工程,是支撑关中乃至全省可持续发展的重要基础。

工程投入运行后可以有效缓解该地区的缺水问题,保护和修复已严重退化的渭河流域水生态系统。

引汉济渭工程属陕西省内跨流域调水的骨干工程。

该工程以汉江干流黄金峡水库(规划)及其支流子午河三河口水库(规划)为水源,由黄金峡泵站自黄金峡水库提水,通过无压引水隧洞(分为“黄三段”和“越岭段”两段)、自流输水至黑河金盆水库下游黄池沟,连接关中供水网络,实现向关中地区供水。

汛期自黄金峡水库引来的部分多余水量通过设置在三河口水库坝址的地下泵站抽送到三河口水库调蓄,在枯水期经秦岭隧洞(越岭段)自流到黄池沟,接通关中供水网。

引汉济渭引水隧洞穿椒溪河段突涌水数值模拟作者：李立民刘国平许增光肖瑜来源：《人民黄河》2019年第02期摘要：陕西省引汉济渭工程引水隧洞突涌水问题是制约工程顺利开展的关键技术问题之一。

针对横穿椒溪河段的典型区段突涌水问题，采用ADINA软件建立水文地质概念模型，计算不同工况下该区段的地下水位、流速矢量、涌水量等。

结果表明：断层位置受开挖扰动影响较大，出现了集中渗漏，因此在断层位置极易形成渗漏通道，发生突涌水。

关键词：突涌水;数值模拟;引水隧洞;引汉济渭中图分类号：TV672; U459.6文献标志码：Adoi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.025近年来，突涌水问题对工程建设的影响越来越大，是制约工程顺利开展的关键技术问题之一。

在建的秦岭引水隧洞属于长大深埋水工隧洞，隧洞穿越地域范围广，地形、地质条件复杂，沿线穿越断裂、破碎带、软岩、岩溶等各种不良地质，尤其是在隧洞进口端穿越多个破碎带，其围岩类别低，岩溶发育，地下水丰富，渗流路径多样性造成在多个断裂及破碎带处突水突泥发生的概率增大，预测难度增大，对施工影响较大[1-3]。

由于地质条件复杂，难以通过勘察手段明确地质灾害体的分布情况，常常会带来突水涌泥等灾害，给隧洞开挖和运行造成严重的威胁[4-6].因此突涌水的研究变得越来越重要。

笔者收集整理了秦岭输水隧洞地质资料，在此基础上针对秦岭隧洞横穿椒溪河段典型区段的突涌水问题进行了分析研究，利用ADINA软件建立了水文地质数学模型，计算了不同工况下该区段的地下水位、流速矢量、涌水量等变化规律。

1 秦岭隧洞突涌水数学模型研究的重点是分析秦岭隧洞渗流场特征及突涌水数值模拟。

对于稳定渗流分析，将坝体及裂隙岩体按等效连续介质来处理[7-10]。

对于裂隙岩体，若裂隙较发育，表征单元体（REV）存在且不是过大，则一般认为该模型是有效的。

岩体中水流流速一般不大，因此可以认为地下水运动服从不可压缩流体的饱和稳定达西渗流规律。

TBM设备利用率分析及提高措施' 红（四川二滩国际工程咨询有限责任公司，成都,611130）【摘要】采用硬岩隧道掘进机（TBM ）进行隧道开挖施工具有工厂化的特点，为保证设备安全和提高设备操作效 率，均采用可编程逻辑控制器脑化控制，诸多设备相互联动， ，相 备故障均有可能导致TBM 停机。

为了能够在TBM 施工过程中抓住影响TBM 掘进的主要因素， 济渭工程岭南TBM 施工段在过程控制中详细统计和分析 了 TBM 设备利用率及其影响 ，通过长时间的统计和分析，剔除突发因素影响，根据各影响因素的影响时间及所占比例，列举出主要影响因素，指导现场施工。

分析结果表明，TBM 设备故障、刀具的检查和 、皮带机故障（包 备故障和皮带修 ）、停 支是影响岭南TBM 掘进的主要 ，采取的针对性措施也取得了良好的效果，设备利用率稳步上升，并到水平。

设备 用率和影响 的统计分 法可为同类工程施工所借 用 现场施工管理工作。

【关键词】TBM 引汉济渭工程设备利用率影响因素突涌水岩爆中图分类号:TV554. 2 文献标识码:A 文章编号：2095 -1809（2019）03 -0057 -061引隧道掘进机（Tunnel Boong Machine ），简称 TBM ,是 修建岩质隧道的工厂化施工技术，主要主机、连接桥、 及辅助设备组成，各 分分别由相应的液压系统、电器系统、PLC （逻辑程序）等 完成相 ；TBM 型化、 、流程化、系 于一体，在隧洞施工过程中 工厂% 于TBM 广泛利用监测、遥 及电子信息 对施工过程进行 监控,使掘进过程始终处于最佳状态，因此,相对于 具有高效、快速、优质和安全等优点⑴％而由于TBM 设备过于庞大，设备运转过程中需要电器、液、 设 相互配合，任何一处设备故障都有可能导致TBM 停机处理，因 此,TBM 设备利 TBM 正常掘占总施工 的百分比,就 反应2 TBM 应用工程概况济渭工程是陕西 跨流域调水工程， 水工程 分组成， 黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽、秦岭输水隧洞。

收稿日期:2003202217基金项目:铁道部科技开发项目(95G 482H )作者简介:刘丹(1957-),男,教授,博士. 文章编号:025822724(2003)0620629204利用环境同位素预测秦岭特长隧道的突水风险刘　丹,杨立中(西南交通大学环境科学与工程学院,四川成都610031)摘　要:对比地表水和下部地下水中环境同位素氘(D )和氚(3H 或T )的数据表明,秦岭特长隧道北坡F 4区域断层的水力传导性差,流经该断层的石砭峪河水与下部地下水无直接的水力联系.利用环境氚定量计算出河水对该段隧道潜在突水水量的贡献不足6%,从而完全排除了石砭峪河水通过F 4区域断层溃入该隧道的可能性.关键词:隧道;秦岭特长隧道;突水;预测;环境同位素中图分类号:U456.3+3 文献标识码:ARisk Prediction of W ater Inflow into Extra 2long Q inling Tunnelwith Environmental IsotopesL IU Dan ,YA N G L i 2z hong(School of Environmental Sci.and Eng.,S outhwest Jiaotong University ,Chengdu 610031,China )Abstract :A comparison of environmental isotopes D and 3H in surface water and deep underground water shows that F 4,a regional fault in the northern slope of extra 2long Qinling tunnel ,has a poor hydraulic conductivity and there is no direct hydraulic connection between Shibianyu river flowing across fault F 4and deep underground water.The calculated result with environmental isotope tritium shows that the possible amount of water inflow into the tunnel from the river will be less than 6%of total possible water amount.For this reason ,there is no the possibility that water in the river flows into the tunnel through fault F 4.K ey w ords :tunnel ;extra 2long Qinling tunnel ;water inflow into tunnel ;prediction ;environmental isotope 突(涌)水是隧道工程建设中最重要的水文地质问题之一,而隧道突(涌)水量预测是过去数十年中隧道水文地质工作者研究的核心内容.迄今为止,就隧道突(涌)水量已提出了3大类计10余种计算(预测)方法[1],但由于地质体高度的不确定性和复杂性,加之这些方法的计算结果较为粗略,或适用条件苛刻,或所需成本高昂,目前尚不具备广泛的适用性.随着测定超微量同位素技术的出现,环境同位素方法被广泛用于水文地质学领域.同位素水文地质学取得信息的主要依据是天然水体中既存在稳定同位素(如氘),也存在放射性同位素(如氚),两者均对水起标记作用[2].在隧道(尤其是长大隧道)的勘察、设计和施工中,利用天然水中环境同位素的标记特性,可定量预测隧道的突(涌)水量,这不仅有助于解决隧道水害防治中的专门水文地质问题,而且可大大拓宽和深化隧道突(涌)水预测研究的范围和内容.第38卷　第6期2003年12月 西　南　交　通　大　学　学　报J OU RNAL OF SOU THWEST J IAO TON G UN IV ERSIT Y Vol.38　No.6Dec.2003本文通过对比不同水源中的氘和氚同位素,探讨了秦岭特长隧道敏感地段突(涌)水的可能性,为隧道优化设计和施工组织设计提供科学依据.1　研究背景 秦岭特长隧道(长18.4km )横穿EW 向秦岭山脉,是新建西安—安康线上一控制工程.隧址区基岩裸露,岩性主要为混合花岗岩(M Y i )、混合片麻岩(M Gn i )和含绿色矿物的混合花岗岩(M n i ).隧道通过区分布10余条走向为近EW 向、NW 向、N E 向及近SN 向的断层(图1).其中,位于隧址区北坡近EW 向的F 4断层为控制秦岭地区构造格架的主要断裂构造之一,断裂带宽200余m ,其导水性是隧道建设者关注的热点问题之一.图1　秦岭特长隧道地质剖面图Fig.1G eologic profile of extra 2long Qinling tunnel石砭峪河是隧址区北坡的1条主要河流,丰水期最大流量达31.4m 3/s.石砭峪河支流众多,主要有水洞子沟、大板岔沟和仙人岔沟等.该河冉家坪段正好在F 4区域断裂带内流经隧道上方.尽管该段隧道埋深约200m 左右,但由于F 4断层这一潜在突水通道和石砭峪河这一丰富突水水源的存在,勘察、设计和施工单位对石砭峪河水通过F 4断层溃入隧道的突水问题极为关注.有关部门从勘测阶段开始直至施工阶段,都将该敏感段列为重点研究和防护对象,施工中也作好了采用包括超前预注浆止水在内的各种预防措施的准备.为了对该敏感段开挖过程中的突(涌)水风险作出明确的回答,为有关部门优化该段的防排水设计和施工组织设计提供科学的决策依据,我们依托铁道部专门设立的秦岭特长隧道“裂隙围岩涌水、突水预测预报研究”(95G482H )科研项目,采用环境同位素方法,就上述问题进行了深入研究.2　突水风险的定性预测 在勘测和施工阶段,对秦岭特长隧道北坡地表水和下部地下水(包括钻孔水及隧道水)进行了同位素样品的采集和分析,表1给出了岭北隧址区水样的同位素数据统计结果.表1　不同水体环境同位素测试结果Tab.1Measured results of environmental isoto pes in different water resources地表水QDSZ 22钻孔水隧道水δD/‰T /TU δD/‰T /TU δD/‰T /TU 备注变化范围-49.9～-70.97.6～26.5-69.9～-74.3 4.2～9.6平均值-58.617.0-71.9 6.7勘测阶段标准差7.70 5.905.91 2.71(1993)变化范围-56.6～-66.8315.0～20.03——-64.5～-86.7 2.0～16.0平均值-62.9318.33——-76.57.3施工阶段标准差 5.533 2.893—— 6.93 5.36(1995～1996)3代表石砭峪河水的数据.036西　南　交　通　大　学　学　报第38卷 勘测阶段的环境同位素数据(表1)显示:岭北隧址区地表水的氘含量δD 值介于-49.9‰～-70.9‰之间,平均为-58.6‰,明显较位于F 4断裂带上的冉家坪QDSZ 22钻孔中水样的δD 值(介于-69.9‰～-74.3‰之间,平均-71.9‰)重化,前者较后者平均富集氘13.3‰.不仅如此,地表水中的放射性氚含量T 普遍高于10TU ,最高达26.5TU ,平均为17.0TU ,较该钻孔水的平均氚含量(6.7TU )高出近3倍.而同期石砭峪河水的δD 和T 的平均值分别为-62.9‰和18.3TU ,与岭北隧址区其它地表水的同位素组成极为接近.由此可以判断,在天然状态下,F 4断层带本身的水力传导性是很差的,该断层带中的钻孔水,即下部地下水并非来源于石砭峪河水的渗漏补给,两者没有直接的水力联系.为了进一步证实上述判断的正确性,在Ⅱ隧道(先作为平道)施工期间,继续开展了地下水和地表水同位素的采样测试、分析工作.对隧道进口至F 4断层之间隧道地下水的δD 和T 值的统计结果(表1)表明,两者的变化范围(-64.5‰～-86.7‰及2.0～16.0TU )和均值(-76.5‰及7.3TU )都分别与冉家坪QDSZ 22钻孔中水样的δD 和T 值十分接近,而与石砭峪河水的δD 值(-56.6‰～-66.8‰,平均-62.9‰)和T 值(15.0～20.0TU ,平均18.3TU )明显不同,进一步证明了利用勘测阶段水样同位素数据得出的预测结果的正确性,同时再次证明隧道水与钻孔水应同属于下部构造裂隙含水系统,该系统与石砭峪河水及隧址区其它地表水没有直接的水力联系.因此,只要施工方法得当,不对围岩产生过大的干扰,F 4断层带就不会将石砭峪河水导入在其下穿越的隧道中,该段隧道溃入性突水就不会发生.3　潜在突水量预测及评价 文献[3]将隧址区地下水分为浅层风化裂隙水和下部构造裂隙水2类,前者的循环深度一般在地下40～50m 以上,后者多在数百米以上深度范围.由于F 4区域断层的存在,石砭峪河冉家坪段隧道潜在突水量由3部分构成:(1)石砭峪河水的直接溃入;(2)下部水的侧向径流;(3)浅层水的下渗补给.从水文地质角度分析,该敏感段突水的最大风险来自石砭峪河水通过F 4断层的大量导入.此外,该断层的发育对下部构造裂隙水的储存分布有利.相对而言,浅层风化裂隙水不甚发育,其下渗补给可忽略不计.据此可借助于放射性氚计算石砭峪河水的潜在溃入量[4]Q r =(T t -T g )Q t T r -T g ,(1)式中:T r 为石砭峪河水的氚浓度,TU ;T g 为下部水的氚浓度,TU ;T t 为隧道涌出水的氚浓度,TU ;Q r 为石砭峪河水的潜在溃入量,m 3/d ;Q t 为隧道突水量,m 3/d .T r ,T g 和T t 可按表1分别取石砭峪河水、钻孔水及隧道水相关参数的统计平均值.基于裂隙性围岩隧道在有无地表水补给2种条件下突水量的统计数据,对秦岭隧道石砭峪河段突水量作如下几种假设:Q t =100,500,2000,8000,40000和150000m 3/d .将上述数据带入式(1),即可计算出石砭峪河水的潜在溃入量(见表2).表2　石砭峪河水通过F 4断层带的潜在溃入量Tab.2　Possible amount of water inflow into the tunnel from Shibian yu river through fault F 4隧道潜在突水量/(m 3・d -1)1005002000800040000150000河水潜在溃入量/(m 3・d -1) 5.225.9103.4413.82069.07758.6由表2可知,如果该段隧道突水量为500m 3/d ,则石砭峪河水的贡献不足26m 3/d ;即使隧道突水量达到150000m 3/d ,石砭峪河水的贡献也仅7758.6m 3/d.也就是说,隧道下部的含水系统提供给该段隧道潜在突水量中的绝大部分水量,占总突水量的94%136第6期刘丹等:利用环境同位素预测秦岭特长隧道的突水风险236西　南　交　通　大　学　学　报第38卷以上,而石砭峪河水通过F4断层带溃入隧道的潜在水量不足隧道突水量的6%.相对于断层充水通道而言,石砭峪河水的贡献极小.严格地说,这个数量级的水量贡献,已不能称为溃入补给,而只能称作渗入补给.F4断层带极差的水力传导性由此可见一斑.如果考虑上覆浅层水的入渗补给影响,石砭峪河水的溃入补给量完全可以忽略不计.基于上述定性和定量分析结果,向有关部门提出了在该段取消帷幕注浆止水的建议,仅此一项为国家节省投资约800百万元.研究成果还为秦岭特长隧道的优化设计和施工组织设计提供了重要依据,间接经济效益更为显著.事实上,当后来隧道掘进通过F4断层带时,整个地段的实测涌水量不足200m3/d,可见石砭峪河水的补给微乎其微.由此证明对F4断层带水力性质的判断和石砭峪河水的下渗补给的预测,无论是定性分析还是定量计算都是正确的,环境同位素方法在隧道工程中的实用价值得到了充分体现.4　结　论 通过对秦岭特长隧道北坡不同水体环境同位素的研究,可以得出以下结论:(1)秦岭特长隧道北坡F4区域断层具不良导水性,流经该断层的石砭峪河水与下部地下水无直接的水力联系.(2)石砭峪河水通过F4断层溃入隧道的潜在流量不足隧道突水量的6%,该段隧道的突水风险可以排除.(3)用环境同位素方法分析、预测隧道突(涌)水风险简单可行,适用性强,有推广应用价值.参考文献:[1]　刘丹.铁路隧道涌水研究的发展趋势[J].铁道工程学报,1998(增刊):5992603.[2]　Brown L J著.张人权译.同位素方法在水文地质中的应用[M].北京:地质出版社,1983:628.[3]　Liu D,Y ang L Z,Mao J A.Application of environmental isotope to groundwater study of the Qinling railway tunnel[J].Tunneling and Underground S pace Technology,2000;15(2):1472151.[4]　刘进达,赵迎昌.用环境氚和水化学资料研究贝尔格莱德地区地下水[A].王东生,徐乃安.第二届全国同位素水文地质方法学术讨论会论文选[C].天津:天津大学出版社,1993:1612167.。

秦岭隧洞富水节理密集带处置方案研究及实践作者：魏军政来源：《人民黄河》2018年第12期摘要：地下工程中，常规外水压力的应对措施已经具有大量的工程实残和理论研究，但特殊区段的研究较少。

结合引汉济渭秦岭隧洞越岭段的工程实践，针对大埋深、围岩相对较好、富水、空腔发育的节理密集带的特殊段落，研究外水压处理方案。

通过数值计算、现场实施条件、实施效果等分析论证，提出推荐方案。

密集带外侧采用土工布填塞并注化学浆液速凝形成外模，内侧刻槽扩挖浇筑钢筋混凝土形成内模后，灌注双液浆，达到堵水抗水压的效果。

经现场组织实施，效果较好。

关键词：秦岭隧洞;富水;节理密集带;处理中图分类号：TV672+.1 文献标志码：A突涌水是地下工程建设与运营过程中的主要地质灾害，具有突发性高、致灾能力强、灾后处置困难等显著特点[1]。

公路、铁路等山岭交通隧道通常设有完善的防排水系统，地下水头难以聚集，一般衬砌结构不考虑地下水压。

水工隧洞多采用固结灌浆并设置排水孔的形式应对外水压力。

固结灌浆在二衬完成及回填灌浆完成后实施，一般灌浆压力控制在0.3～2.0MPa[2]。

但高压、富水、断层破碎带的水工隧洞若在二衬完成后实施，则破碎段空腔较大，外边界非常宽广，浆液扩散范围未知，浆液用量非常大。

另外，注浆压力很难控制，由于埋深大、水头高、空腔投影到二衬的面积大，因此注浆压力稍高将直接影响二衬安全;地下水稳定水量较大，注浆完成后，水压将急剧上升。

因此，该段采用常规的固结灌浆并设排水孔的方式不适宜，对此有必要进行研究分析。

1 工程概况引汉济渭秦岭隧洞长达98.3km、最大埋深2012m，埋深1000m以上的段落长达30km，工程规模及难度世界瞩目[3]。

秦岭隧洞区地下水以潜水为主，但其含水介质的各向异性，使地下水的补给、径流、排泄条件十分复杂[4]。

2016年5月11日，秦岭隧洞7号支洞上游掌子面开挖至桩号K68+851，该处埋深约1020m，出露岩性为花岗岩，节理裂隙较发育，测得3组主要节理，岩体大部分完整性较好，局部完整性较差，拱部局部有掉块现象。

第1篇随着我国社会经济的快速发展，水资源短缺问题日益凸显，保障水资源安全、提高水资源利用效率成为当务之急。

隧洞工程作为一种重要的水资源调配手段，在解决水资源短缺、优化水资源配置等方面发挥着重要作用。

本文将介绍供水施工隧洞工程的特点、施工技术以及在我国的应用。

一、供水施工隧洞工程的特点1. 节省土地资源：隧洞工程可以将水资源从水源地输送到目的地，无需占用大量土地，有利于节约土地资源。

2. 降低能耗：与传统的地表输水工程相比，隧洞工程在输送过程中能耗较低，有利于降低水资源输送过程中的能源消耗。

3. 抗震性能好：隧洞工程不受地面震动、洪水等自然灾害的影响，有利于提高水资源输送系统的稳定性。

4. 施工周期短：隧洞工程采用隧道掘进机等先进设备，施工速度快，有利于缩短工程建设周期。

二、供水施工隧洞工程施工技术1. 隧道掘进机（TBM）施工技术：TBM是一种高效的隧道掘进设备，适用于各种地质条件，具有施工速度快、开挖质量好、自动化程度高等优点。

2. 超前地质预报技术：通过地质雷达、地震波探测等手段，对隧洞施工前期的地质情况进行预测，为施工方案提供依据。

3. 支护技术：针对不同地质条件，采用相应的支护技术，如锚杆、喷射混凝土、钢支撑等，确保隧洞施工安全。

4. 通风排水技术：在隧洞施工过程中，采用机械通风、排水等手段，确保施工环境良好。

三、供水施工隧洞工程在我国的应用1. 西藏拉萨市旁多引水工程：该工程是我国首个在海拔4000米以上采用双护盾TBM施工工艺的引水工程，对高海拔地区长大隧洞掘进施工产生推动作用。

2. 滇中引水工程：该工程是我国在建最大引水工程之一，楚雄段最长隧洞凤凰山隧洞顺利贯通，为我国水资源调配提供了有力保障。

3. 引汉济渭工程：该工程采用世界先进的敞开式TBM硬岩掘进机进行施工，攻克了岩爆、高温、突涌水和超长距离通风等世界级隧洞施工难题。

4. 引大入秦景泰生态供水工程：该工程通过新建输水干管、调蓄水池和田间工程管道，每年可向城镇、农村提供生活用水及灌溉用水，对实施高标准农田建设、推进乡村振兴具有重要意义。

引汉济渭秦岭隧洞TBM施工风险 引汉济渭秦岭隧洞TBM施工风险与对策分析 张克强1 李凌志2 齐梦学3 （1、陕西省引汉济渭工程办公室，2、铁道第一勘察设计院集团公司，3、中铁十八局集团公司） 陕西省引汉济渭工程是一项从汉江上游调水到渭河流域关中地区的跨流域调水工程。调水主体工程由两座大型水库和长98.3km的秦岭输水隧洞组成。受地形条件限制，隧洞穿越秦岭主脊的约40km洞段必须采用TBM施工。与国内外大量的TBM隧洞比较，秦岭隧洞具有特殊的技术复杂性。本文对该隧洞TBM的施工风险和对策作初步研究。 1 、工程概况 1.1 调水工程布局 引汉济渭工程规划建设两处水源，一是汉江干流黄金峡水库，二是汉江支流子午河三河口水库。从黄金峡水库坝后汉江左岸向北开凿隧洞，连接三河口水库并继续向北穿越秦岭，在渭河支流黑河金盆水库东侧的黄池沟出洞到达秦岭北麓。工程总体布局可概括为两库、两站、两电、一洞两段。两库即黄金峡水库、三河口水库；两站、两电指两座水库坝后联合布置的抽水站、水电站；一洞两段指从汉江左岸到秦岭北麓

长98.3km的秦岭隧洞，由黄（金峡）三（河口）段及越岭段两段组成，参见图1。 图1 引汉济渭工程总体布置图 黄金峡泵站将库水抽高119m送入隧洞，隧洞在三河口水库坝后与二级泵站进水池（兼作电站尾水池）相接，当黄金峡来水多于关中所需时，将余水抽入三河口水库蓄存，黄金峡来水不足时由三河口水库放水补足。三河口水库是调水工程的核心调节设施，秦岭隧洞越岭段是调水进入关中的咽喉。 1.2 隧洞地形与地质条件 秦岭隧洞穿越区域在大地构造单元上属秦岭褶皱系，沉积巨厚，岩浆活动频繁，变质作用复杂，褶皱、断裂发育。隧洞横穿秦岭褶皱系中的南秦岭印支褶皱带、礼县—柞水华力西褶皱带和北秦岭加里东褶皱带 中的三个二级构造单元。 秦岭隧洞TBM施工段穿越2条区域性大断层、3条次一级断层和11条地区性一般性断层。区域性大断层具有切割深、延伸长、规模大的特点；一般性断裂规模较小，多为较窄的破碎带，断带物质破碎。受构造作用影响，岩体节理发育－较发育，主要节理方向为北西及北东向，以密闭节理为主，节理面较平直，延长数米至数十米。 区内主要地层岩性包括石炭系变砂岩、千枚岩；泥盆系变砂岩、千枚岩；中元古界绿泥片岩、云母片岩、石英片岩；并伴有燕山期花岗岩、印支期花岗岩、华力西期闪长岩、加里东晚期花岗岩、闪长岩体的侵入。隧洞围岩地质分段见表1。 地下水主要为基岩裂隙水。断裂带和影响带及岭北的加里东晚期花岗岩、下元古界片麻岩、下古生界片岩地层中地下水较发育，属中等富水区，其余地段多为弱富水及贫水区。隧洞施工涌水预测情况见表2。 隧洞区山高谷深，地形起伏大，隧洞埋深大，存在热害、岩爆、突涌水、围岩失稳及塑性变形等工程地质问题，工程地质条件和水文地质条件较为复杂。 1.3 隧洞工程设计概况 过三河口水库大坝后，秦岭隧洞傍岭南蒲河、岭北黑河支流王家河、黑河走线，以尽可能方便地布置施工支洞。经比较设计走线方案具有洞线最短、与地质构造带接近正交等优点。 秦岭隧洞越岭段长81.779km，设计在该段布置了9条施工支洞，其中岭南6条（0、0-1及1~4号支洞），岭北3条（5~7号支洞）（参见图1）。综合地形和地质条件，3号支洞以南的约26km洞段、6号支洞以北的约16km洞段设计用钻爆法施工。3号支洞与6号支洞 之间穿越秦岭主脊的约39km主洞采用TBM施工。两台TBM分别由3、6号支洞进入，在洞内组装，南北相向掘进。综合评价地质条件，设计推荐选用敞开式TBM。TBM施工区段划分示意图参见图2。 根据不同段落的围岩分类情况，TBM施工隧洞采用两种洞身结构：对III类及以下围岩，在一次锚喷支护的基础上再进做现浇混凝土衬砌；对I、II类围岩，仅做锚喷支护。衬砌断面内径6.92m，锚喷断面内径7.76m，TBM设计开挖直径8.02m。为方便TBM施工时铺设运输轨道，并为衬砌台车提供基础，所有TBM施工段均铺设钢筋混凝土预制底拱，不同洞段的洞底均保持顺坡衔接。 2、主要工程地质问题与TBM施工风险分析 秦岭隧洞越岭段穿越区域地质条件复杂，地壳经历了漫长的地质时期，在强烈的构造应力和外应力作用下，形成了一个复杂的地质环境，埋深大、破碎带密集、软硬岩兼具、地应力高、存在突涌水、岩温高等 地质问题，使得长距离TBM掘进存在诸多施工风险。 2.1 TBM通过地质构造带的风险 岭南3号支洞工区TBM将穿越QF4、f7两条断层，其中QF4属区域性断裂，断带宽度达400m。岭北6号支洞工区穿越f8~f19、QF3等17条断层及褶皱带。TBM施工过程中遇到地质构造带，往往围岩稳定性差甚至不能自然稳定，将严重影响TBM掘进施工，主要表现为如下几个方面： （1）掌子面或刀盘后方频发塌方，刀盘前方局部临空，不能有效破岩，清碴支护工作量大； （2）出碴量瞬间增加导致输碴系统瘫痪，被迫频繁停机； （3）洞壁不能为TBM撑靴提供必要的承载力，致使TBM推进困难，掘进方向难以控制； （4）围岩坍塌落石占用TBM主机区域设备空间，清碴占用大量时间，或因初期支护量大大增加，还需要回填或灌浆处理空洞，使TBM 掘进单元经常待工，效率显著降低； （5）围岩失稳引起坍塌并可能会伴随发生突涌（泥）水，对TBM 设备、作业人员安全带来威胁。 2.2 岩爆对TBM施工的威胁 秦岭隧洞通过岭脊地段最大主应力值σ1（为水平应力）一般为15～22MPa，最大达27～30MPa，方向介于N16°W～N54°W之间，平均N43°W。三项主应力关系为SH＞Sh＞SV,具有明显的水平构造应力作用，地应力值偏大。在坚硬完整、干燥无水的Ⅰ、Ⅱ类围岩地段的花岗岩、闪长岩地层中进行开挖时，由于应力集中，在掌子面或离掌子面一定距离范围内有发生岩爆、甚至较强烈岩爆的可能。预测隧洞通过岭脊花岗岩、闪长岩地段约20km范围内时岩爆在所难免。与处于同一山脉、相距不远的西康铁路秦岭隧道相比，本工程埋深增加约400m，岩爆发生的几率和强度将高于西康铁路隧道。 TBM施工具有对围岩扰动较小、掘进速度快、开挖边界光滑等特点，掘进成洞后，围岩应力集中较弱，在一段时间内保持稳定；然而，经过一段时间的应力重分布后可能就会发生岩爆，即TBM施工中的岩爆具有滞后性，这种现象对于施工安全的危害更大。 2.3 软岩大变形 隧洞穿越岭脊段大多数岩石的单轴抗压强度大于30MPa，少数岩石如云母片岩、炭质片岩、炭质千枚岩等单轴抗压强度小于30MPa，断层泥砾小于5MPa。高地应力下的软岩洞段，TBM开挖后极有可能发生较大的变形，将对TBM施工安全、成洞质量、施工进度产生较大影 响，主要表现为： （1）如果收敛变形发生较为迅速，变形较大时会导致TBM护盾被卡； （2）已经安装完毕的钢拱架，在围岩发生较大变形的情况下自身强度不足以抵抗围岩压力，发生严重变形甚至破坏； （3）软岩洞段如果节理较为发育，一旦发生大变形，势必带来围岩坍塌； （4）如果发生大变形的软岩洞段完整性较好，可能不至于坍塌，但围岩收敛之后将导致洞径变小。 2.4 突涌（泥）水 据地质勘察，本工程所穿断层多具有隔水性质，在向斜核部由于岩石碎裂也可能形成储水构造。当TBM接近此类富水区域时，处理不当有可能因隔水层击穿出现涌水，断带富含细粒物质时也有可能发生涌泥，对正常施工和人身与设备安全带来威胁。 2.5 通风 秦岭隧洞埋深大于1000m的地段，预测岩温超过28℃，推测埋深最大段最高可达42℃。隧洞TBM施工段通风只能由支洞送入，最大独 头通风距离达到15km，国内TBM独头通风鲜有达到如此长度的实例。长距离通风，对风量、风压都有较高要求，而本工程开挖直径为8.02m，没有空间安装大直径的风管。如果不能实施有效通风，不仅将直接影响TBM掘进效率，施工人员的健康也会受到影响。 2.6极硬岩对TBM的影响 秦岭隧洞TBM施工涉及到的极硬岩有印支期花岗岩、下元古界长角坝岩群黑龙潭岩组石英岩及华力西期闪长岩，岩石单轴抗压强度较高，取样试验强度达到91.2-133Mpa、91.8-114.8 Mpa、73.9-100.2 Mpa，节理不发育、不易破碎。限于钻孔取样的局限性，参考临近的西康铁路秦岭隧道施工实际情况，本工程TBM掘进完全可能遇到抗压强度200MPa以上的极硬岩。极硬岩条件下掘进对TBM施工的危害主要表现为： 1、岩石坚硬，如果完整性较好，则需要更大的推力和扭矩才能完成破岩，并且盘形滚刀贯入度小，破岩效率降低，掘进缓慢，刀具磨损严重； 2、如果围岩坚硬而节理发育，则破岩过程中滚刀受到的冲击会加剧，易造成滚刀轴承漏油、刀圈偏磨、刀圈崩刃等异常损坏，加大刀具消耗，增加刀具更换的时间，导致掘进速度大幅降低。 3、应对风险的技术对策 3.1 TBM通过地质构造带的对策 TBM在地质构造带中掘进会发生围岩失稳，根据表现形式以及严重程度，分别采取不同的应对措施。 （1）加强地质工作，尽可能探明前方地质条件。结合地质资料以及掘进参数和出碴情况，可初步判断前方地质是否有变化；同时，可以配置相应的超前地质预报设备，如BEAM、TSP、HSP、ISIS等，每天利用TBM整备时间或者在不影响正常掘进的情况下实施预报；虽然目前TBM配置的超前地质预报手段还无法达到较高精度，但仍然可以提供一定的参考，有针对性地选择综合预报手段，能对TBM掘进施工提供较大帮助。 （2）轻微或一般围岩失稳洞段，通常不会严重影响TBM掘进，坍塌量不大，可采用先掘进后处理的办法。通过减小撑靴撑紧压力、减小推进力与推进速度、降低刀盘转速等掘进参数的调整，继续掘进；围岩在护盾后面出露后，根据围岩的表现形式与失稳程度，选取合适的形式及时加强初期支护。可采用的支护形式有喷射混凝土、或纤维混凝土、锚杆、钢筋网、钢拱架等。 需特别注意，该情况下希望TBM尽快掘进通过，但必须严格控制掘进速度，充分利用TBM掘进对围岩扰动小的特点，维持围岩基本稳定，否则会加剧围岩失稳。 （3）严重围岩失稳发生时，TBM无法继续掘进，必须停机，先处理后通过。利用TBM自身设备或采用其他方法超前处理，然后TBM掘进通过或直接步进通过。对前方的断层破碎带超前加固处理，对于大的区域性断层破碎带，可先采用钻爆法进行开挖，并进行相应预加固处理，然后再TBM掘进通过或直接步进通过。 超前加固的措施包括超前锚杆、超前小导管、超前注浆、超前管棚等；可以采用加固速度快、效果较明显的新型化学浆液材料。 （4）围岩失稳洞段，TBM掘进方向容易发生偏离，需高度关注掘进方向的变化，及时调整，避免出现较大偏离。 3.2 岩爆段TBM施工措施 （1）加强超前地质探测，预报岩爆发生的可能性及地应力的大小。可采用超前钻探、声反射等方法，同时利用隧道内地质编录观察岩石特性，综合判断可能发生岩爆高地应力的范围、岩爆规模。