某铁路隧道穿越F2断层预防突发涌水抽排水关键施工安全技术研究

周斌鸿

（广东梅龙铁路有限公司    广东·广州）

[摘要]国内隧道斜井穿越F2断层，从设计及施工阶段进行风险分析，从隧道开挖方案、掘进参数、涌水量记录及涌水处理措施等方面进行分析，详细介绍了隧道通过断层的风险情况和突发涌水应急措施，总结隧道穿越F2断层预防突发涌水抽排水关键施工安全技术，为断层施工安全提供参考和技术保障。

[关键词]隧道工程；斜井；F2断层；渗水量；抽排水。

Research on Key Construction Safety Technologies for Preventing Sudden Water Inflow and Drainage in a Railway Tunnel Crossing F2 Fault

Zhou Binhong

(Guangdong Meilong Railway Co., Ltd. Guangzhou, Guangdong)

Abstract：The domestic tunnel inclined shaft passes through the F2 fault, and risk analysis is conducted from the design and construction stages. The analysis is conducted from the aspects of tunnel excavation plan, excavation parameters, water inflow record, and water inflow treatment measures. The risk situation of tunnel passing through the fault and emergency measures for sudden water inflow are introduced in detail. The key construction safety technologies for preventing sudden water inflow and drainage during tunnel crossing the F2 fault are summarized, providing reference and technical support for fault construction safety.

Keywords： Tunnel engineering; Inclined shaft; F2 fault; Infiltration amount; Pumping and drainage.

一、工程概况：

某铁路隧道为该项目的重点工程，隧道全长9814.54m，隧道纵曲线设置人字坡，为该铁路线最长隧道，为项目重点控制性工程，隧道主要穿越大南山山脉，隧址区主要为低山丘陵地貌，岩性以花岗岩为主，隧道最大埋深约423m，围岩级别主要为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级。根据施工总体工期需要，为保证项目建设工期，该隧道设乌丰斜井一座，为该隧道辅助坑道，起到加快隧道的施工进度和后期应急救援通道的作用。乌丰斜井斜井综合坡度为 9.86%，斜井平长 2414m，为目前国内最长、坡度最大的斜井。

二、田平-望岭断层（F2断层）

设计地质勘探资料显示，该隧道前后两次穿越田平-望岭断层（F2断层），该断裂沿北西 305°方向展布，倾向南西 215°，倾角 65°左右，北西向断裂也是影响隧道稳定性的主要断裂。延伸长约 20km，宽几米～25 米，为张扭性断裂。断裂通过燕山晚期第二次花岗侵入岩，与线位相交于 DK62+300 左右。在花岗岩中，岩石破碎，节理发育，沿裂隙有黄铁矿化现象。受水流影响，断层范围内全风化状花岗岩被水流带出，并掏蚀成空腔，富水情况下形成水囊。

隧道正洞穿越里程为DK62+100～500，断层厚度400m；乌丰斜井穿越里程为XDK00+704～804，断层厚度100m。 

F2断层与隧道正洞、斜井线位图

三、通过断层施工风险分析

隧道正洞、斜井均通过F2断层，与隧道线位大角度相交于 DK62+300左右，与斜井线位大角度相交于XDK0+750左右，交角均为约 79°。该断裂带对隧道施工影响大，断裂均为陡倾角断裂，规模大，延伸深，且为张扭性断裂。隧址区地表水系较发育，主要为水塘、水库水及山间沟溪水，山间沟溪水一般呈V型冲沟，隧址区分布多处水库，尤其是东侧连接白沙溪水库，该水库为构造水库且为一级水源保护区，水库和隧道相互制约，严重影响洞身的稳定性。在施工中突水和突泥量可能较大且易引起破碎岩体的崩塌，应特别重视。

四、隧道通过断层原设计情况及关键施工技术

隧道穿越的F2断层岩体破碎带、节理密集带、突然坍塌、涌水的可能性极大，水头压力大，止水极为困难。原设计采用 V 级复合式衬砌，初期支护采用φ22@150格栅，间距0.8m（中到中），超前支护采用φ50超期小导管，台阶法施工，并采用3m超前帷幕预注浆。斜井全段设计最大涌水量为 6380.57m³/d，地下水无侵蚀性，环境作用等级为T2。斜井掘进至DK0+735时，综合考虑掌子面地质情况、超前地质预报结果，经四方现场踏勘确认，DK0+735～720 段围岩已变更为Ⅳ级围岩，采用Ⅳ级复合式衬砌，初期支护采用φ22@150格栅，间距 1.0m（中到中），无超前支护，全断面法施工，采用3m超前帷幕预注浆

为保障本隧道工程施工安全，避免突水突泥突发事件给项目带来损失，建设单位通过组织各方力量认真研究，制定紧密的施工方案，采取成熟的施工工法和先进的工装设备投入。

（一）树牢指导思想：严格贯彻“先预报、预注浆、短进尺、弱爆破、强支护、严封闭、勤量测”的指导思想。强化地质超前预报，应及时监测围岩渗漏水情况，做好超前小导管注浆止水措施，并在施工中增加抽排水设施。隧道施工遵循新奥法原理，按锚喷构筑法组织施工，严格控制超、欠挖，确保施工质量和施工安全。

（二）应贯彻仰拱先行原则，采用仰拱防干扰作业平台（栈桥式）以保证仰拱的施工作业。仰拱填充与仰拱应分开施做，并应一次全跨灌筑，严禁分幅施工留下纵向施工缝。仰拱施工超前拱墙二次衬砌施作，软弱及不良地质段仰拱应紧跟，仰拱距开挖面距离控制35m以内。仰拱施做前，要求将隧底虚砟、杂物、积水清除干净，其超挖部分采用与衬砌同级混凝土回填，以保证隧底结构施工质量

（三）精心组织抽排水方案，强化突发涌水应急管理。结合隧道穿越岩层的具体情况，根据设计及地质勘探结果对渗水量进行工况分析，制定详细的抽排水方案，合理选择排水管径及排水泵。经计算预测本工程穿越F2断层时涌水量达到峰值，为每天6380.57m³/d。同时组织经验丰富的隧道专家对排水专项方案进行论证，结合专家意见改进及完善抽排水方案。

五、隧道穿越断层涌水情况。

斜井正常掘进至XDK0+724时，爆破钻孔作业过程中掌子面并没有出水情况。XDK0+724～721.5段实施爆破后，现场值班人员检查爆破效果时，发现该段拱部上方出现涌水，水流垂直从拱部流下，预测瞬时涌水流速3000m3，20分钟内涌水已淹至距离掌子面50m外的开挖台架位置（XDK0+774），8小时后淹水面已到达距离掌子面100m外的衬砌台车位置（XDK0+824），涌水事故造成洞内积水面淹至高位（XDK1+049）。

瞬间涌水后记录到初期涌水速度为360m³左右，日涌水量高达8640m³，水为清水无压。随着洞内积水面的上升逐渐平衡了涌水水压，涌水速度逐渐下降至85m3/h，其后水量继续衰减。

六、涌水原因分析及处理措施

（一）隧道穿越断层岩性突变判断不准确，施工措施不当。设计院地质、隧道专业、监理、施工等四方对断层岩性稳定性研判分析，判断失误，未充分预估存在岩性突变的可能。斜井过断层位置XDK0+720围岩设计级别为Ⅴ级围岩，斜井洞身开挖至XDK0+704时，现场掌子面显示岩面完整，岩性较好，参建各方现场踏勘，结合地质素描，超前地质预报结果，提出设计变更为Ⅳ级围岩，没有充分预估岩性突变的可能。涌水后地质补勘资料显示受田平-望岭断裂影响，隧道洞身在 XDK0+724 前方 20 范围内工程地质条件差，围岩破碎，围岩呈全~强风化状，强富水。XDK0+724~+704 段围岩级别为Ⅴ级。

（二）富水地带地下水水情研判不足。对隧道通过断层没有充分重视，开挖遇到水囊突发涌水的风险分析不够深入。该断层贯彻白沙溪水库及风吹涵水库，断层地下水十分丰富，加上近期降水较频繁，地下水长期侵蚀形成水囊的可能新极高。18天后洞内积水抽排完毕后，掌子面右上方揭示有一处空腔，与断层地质构造吻合。空腔里程为XDK0+721.5，处于拱顶位置，空腔尺寸为长4m,宽6m，高度约8m呈倒三角形。

（四）施工工法改变，措施不当。该隧道通过断层时，设计施工工法为Φ50超前小导管、3m超前帷幕注浆、三台阶挖法，初期支护为格栅钢架采用Φ22@150格栅，间距0.8m/榀（揭惠先施隧参6-20）。斜井洞身开挖至XDK0+704时，XDK0+785～+685段地质雷达、TSP、1孔超前水平钻及加深炮孔等超前地质预报措施，均未发现围岩及前方富水情况，参建各方提出变更，由三台阶开挖法变更为全断面开挖施工，一次开挖进尺3m，且未施作超前小导管及止水帷幕。全断面开挖加大了爆破炸药用量，爆破震动引起F2断层花岗岩裂隙激烈扩张，最终导致一次击穿水囊，触发水囊瞬间涌水，隧道大量积水。

（五）应急设备不足。风险评估报告显示，该斜井过断层位置隧道日涌水量为6380.57m³/d，而发生涌水前采用多级泵站抽排水方式，现场仅配置的两套抽水设备（50WQ180-80-110KW水泵、QXN50-110/3-22KW、管路采用Ф250），单日最大抽水能力约为3000 m³/d，小于设计涌水。涌水后通过增配4套抽水设备（MD280-43*4(220KW)、QY300-14-18.5A、MD46-50*8(132KW)、MD46-50*8(132KW)），历时18天才抽完积水。

（六）空腔处理措施：

通过采取瞬变电磁、超前水平钻孔、孔內成像等手段尽可能探明断层破碎带和空腔的走势和范围，设计对本段工程和水文地质重新分析，对掌子面砟体进行适当反压后进行注浆固结，然后施作模筑混凝土封闭，封堵墙厚度 100cm，封堵墙预留泄水孔。利用反压堆砟在塌腔底部预埋φ125 泵管和φ50 无缝钢管，通过预埋钢管向塌腔内泵送 C20 混凝土及砂浆回填密实，泵送 C20 混凝土填充高度不小于 3m，使混凝土在塌腔内形成护拱结构，以起到对拱顶处掉块的防护作用，注浆材料采用 1：1 水泥浆。

（七）过断层技术措施

在掌子面进行地质雷达扫描监测、瞬间电磁和超前水平钻，全面掌握掌子面前方围岩岩性及富水情况，根据地质补勘结果调整设计。

一是结合现场施工情况，设计考虑 XDK0+721.5~+696.5 段采取5m 超前帷幕注浆，注浆材料一般情况下采用纯水泥浆液（水灰比 1:1），也可采用双液浆。设计注浆压力（终压值）一般参考注浆处静水压力加上0.5~1.5MPa 进行。注浆参数应根据现场注浆试验结果进行调整，以确保注浆效果。

3m超前帷幕注浆

二是注浆加固完成后在塌腔边缘后方XDK0+721.5、XDK0+714.5、XDK0+707.5里程分三环打设φ89洞身管棚（壁厚 5mm）注浆预支护，管棚长度一般10m一环，两环之间搭接长度不小于3m。管棚注浆采用水泥浆液水灰比1：1（重量比），注浆压力0.5～2.0MPa。第一、二环管棚需延伸至左边墙墙角位置，且第一环管棚拱部采用双层超前管棚。

三是XDK0+724~+699 段初期支护采用 23cm 厚喷射混凝土，φ6 钢筋网（20×20cm），钢架采用φ22@150 格栅钢架，钢架间距 0.5m（中到中）。二次衬砌采用无轨运输双车道Ⅴ级围岩复合式衬砌，该段衬砌增设沉降缝，沉降缝结合施工缝设置。

通过设计及施工措施，遵循隧道施工“管超前、严注浆、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”方针，乌丰斜井顺利通过F2断层，我后续施工提供了宝贵的经验。

七、斜井穿越断层涌水结果应用

该斜井穿越F2断层发生涌水事件，一是对工期产生严重影响，隧道正洞贯通事件延后8个月。二是涌水抢险及后续抽排水工作中进行了大量的投入，共计投入人工10251人，设备10713台班，共计抽水300219.275立方米，使用电量593308度，造成较大的经济损失。

为深刻吸取涌水事件的教训，避免隧道正洞穿越F2断层再次突发涌水泡浸隧道，再次造成人员及财产损失。各参建单位多次组织对隧道施工方案进行梳理，修订和完善断层掘进施工方案。

（一）加强地质超前报告，对断层地段开展地质雷达扫描监测、瞬间电磁和超前水平钻，全面掌握掌子面前方围岩岩性及富水情况。

（二）严格控制开挖方式和循环进深。参建各方加强监督，严格按照Ⅳ、Ⅴ级围岩三台阶挖法，每次开挖进尺控制在0.8m以内。

（三）加强初支段和断层区域的变形监测观测，确保围岩变形在允许范围内。

（四）加强预警，监测掌子面水情变化。隧道施工过程中，注意观测初支面渗水、超前水平钻渗水情况，一旦发现浑水、水压增大等突泥、涌水预兆时，立即停止施工，并撤出危险区域的人员，分析原因，采取措施进行处理。

（五）做好应急措施，对于可能发生突水的地段（断层破碎带），主要须按“以疏为主、堵排结合、因地制宜、综合治理”的原则，及时调整方案。本案例发生涌水后，立刻是对主隧道掘进方式进行调整，原计划斜井进入正洞施工后，分两个工作面同时往大小里程两个方向掘进，调整为先开挖小里程方向，带小里程方向贯通后，再开始大里程方向施工，将大里程充分利用隧道顺坡排水，隧道渗水通过大里程往隧道进口设置的排水沟顺坡自然排出，从而避免了突发涌水泡浸隧道的发生。同时要加强抽排水设施的储备能力，储备的抽排水能力要预测隧道设计涌水量。根据距离、坡度、水量和设备情况确定反坡排水方案，抽排水能力须大于预测最大排水量的120%，并设有备用抽水设备及供电线路，应对突发涌水事故。

八、结束语。

针对富水断层隧道施工出现涌水的难题，应通过前期策划，综合分析，选择合理的施工工艺和技术措施来降低安全风险，从而减少引发隧道施工事故对工程进度的影响，避免后期事故处理产生的巨额费用，收到较好经济效益。

在隧道穿越断层施工中，应特别注意以下情况：一是加强地质勘探，必须做好地质超前预报工作，如实反映当前的地质情况，通过超前地质报告反馈的数据指导施工采取合适的施工工艺。二是通过合理布设泄水孔，密切记录泄水孔的泄水量，通过泄水量和水柱压力预测断层内水情变化。三是严格实施“管超前、严注浆、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”，通过减少一次开挖进尺来降低富水断层突发涌水的风险。

参考文献：
1.赵利民，程海云.《铁路工程建设安全生产事故预警与卡控》中国建筑工业出版社

2.吴宪富，郭碧槐.某隧道突泥涌水成因分析及处治技术研究[J].北方交通2023（6）

3.彭宇肸，曹俊，李春峰，曾耀.水富水构造山区岩溶隧道施工特大型涌水问题分析[J].交通科技2023（4）