水資源配置工程隧洞施工涌水分析

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摘要：涌水是隧洞施工中較為常見的地質災害之一。以鄂北地區水資源配置工程大竹園隧洞為研究對象，該隧洞在開挖至樁號214+556時發生涌水，最大涌水流量259.3m3/h，平均涌水流量達224.2m3/h，危及施工安全。通過采取鉆孔排水、超前預報、固結灌漿及管棚超前支護等處理措施，涌水量降至約87m3/h，處理效果較好。該涌水處理措施可為隧洞安全施工和涌水處理提供參考。

關鍵詞：隧洞施工；涌水處理；超前預報；固結灌漿；超前支護；鄂北地區水資源配置工程

1基本情況

1.1隧洞概況。鄂北地區水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）以丹江口水庫為水源地，從該水庫清泉溝取水，自西北向東南穿越襄陽市的老河口、襄州區和棗陽市，隨州市的隨縣、曾都區和廣水市，止于孝感市的大悟縣王家沖水庫。輸水線路總長269.67km，年均引水量7.7億m3，設計供水人口482萬人，灌溉面積約24.23萬hm2（363.5萬畝）。大竹園隧洞為自流無壓引水隧洞，全長4.07km，設計引水流量9.5m3/s，開挖斷面為城門洞型，成洞洞徑5.2m，埋深15~90m。隧洞地質條件復雜，隧洞沿線發育兩條斷層帶，施工難度較大，是鄂北工程廣悟段的關鍵性控制工程之一。1.2涌水情況。2019年3月20日，大竹園隧洞開挖至樁號214+556，正在進行鋼拱架支護施工，3月20日02：05時隧洞樁號214+553處底板右側發生冒水現象，有2處冒水點，相距0.50m左右，水質渾濁。3月21日14：00時涌水量未見明顯減少，隧洞水深1.50m。發生涌水現象后立即抽排，水泵排水量80m3/h。依據2019年3月20日02：05時至3月21日14：00時的洞內水深及抽排能力，測算得到樁號214+553處涌水量Q=726m（洞長214+556～213+830）×6m（洞挖寬度）×1.50m（洞內水深）/36h+80m3/h（水泵抽排量）-35m3/h（施工支洞上游隧洞涌水量）=226.5m3/h，即q=62.9L/s。大竹園隧洞樁號214+553處洞內發生涌水后，2019年3月23日安排3臺水泵進行抽排（2臺30kW、1臺22kW），根據同年4月3日10：20～15：00時段30kW水泵流量量測（總排水量540m3），30kW水泵排水量q1=540m3/4.6h=118m3/h，根據功率推算，22kW水泵排水量q2=86m3/h，現場觀測記錄見表1。從表1中可以看到，3月23日08：30至3月27日08：30涌水量Q=224.2m3/h，即q=62.3L/s。2019年4月4~8日洞內積水已基本排完，抽水水泵減少至2臺（1臺37kW、1臺30kW），測得37kW水泵流量107m3/h，30kW水泵流量86m3/h。測算得到樁號214+553處涌水量Q=107m3/h+86m3/h-35m3/h（施工支洞上游隧洞涌水量）=158m3/h，即q=43.9L/s。2019年4月14日，洞內涌水量進一步減小，抽水水泵減少至1臺，涌水量降至約87m3/h。根據施工單位同年4月11~17日大竹園支洞突水臺賬，施工支洞排水量見表2。綜上，2019年3月20日至4月17日大竹園隧洞樁號214+553～214+556處涌水量隨著時間推移逐漸減少。1.3隧洞工程地質情況。（1）地形地貌。隧洞沿線地面高程121.6～207.6m，相對高差約85.0m，為低山丘陵地形。洞線樁號212+540～212+680、212+830～212+980段地表為河谷低洼地，高程約125.0m，河谷走向與隧洞軸線平行，河谷常年有水流入先覺廟水庫，水庫正常蓄水位107.0m；214+550～214+650段穿越沖溝，溝底高程約137.0m，沖溝走向與隧洞軸線垂直，洞線南西側沖溝里有水塘分布，水塘水位高程約143.3m；樁號215+300及215+750處地表為沖溝，溝底高程分別約為152.7m和172.0m，沖溝走向與隧洞軸線近垂直，溝內有小水塘分布，沖溝無常年流水。隧洞出口為張家橋河，河床高程約105.0m，河谷走向與隧洞軸線交角約45°，河谷常年有水流入徐家河水庫，水庫正常蓄水位72.0m。（2）地層巖性。隧洞樁號214+010～215+450穿越的地層為震旦-青白口系白兆山組上段（Z2b2），主要為石英鈉長黑云片巖和鈉長綠泥片巖。（3）地質構造。工程區大地構造處于秦嶺褶皺系（I）南秦嶺冒地槽褶皺帶（I1）隨州應山復背斜（I13）應山褶皺束（I13-1）。大竹園隧洞位于張家橋倒轉復式向斜次一級構造——大竹園倒轉向斜。大竹園隧洞區域構造見圖1。震旦-青白口系白兆山組震旦-青白口系垸子灣組震旦-青白口系岔河組揚子期變輝長輝綠巖實測逆斷層實測正斷層地質界線實測、推測性質不明斷層線路工程軸線巖層產狀及傾角010kmSE52°229+120Z2bZ2c(Qn-z1)yβu22(Qn-z1)yZ2cZ2cβu22Z2cZ2bK2hg1K2hg1(Qn-z1)1βu22(Qn-z1)y(Qn-z1)yβu22βu22βu22Z2bZ2bpt1gK2gK2gZ2cZ2cZ2cZ2cZ2bZ2bZ2b(Qn-z1)yZ2cZ2c(Qn-z1)y(Qn-z1)yF10F22F21F19F20F14F17F15F16F12F11F10F13兩河口高城鎮老虎溝Z2bZ2cF18193+420圖1大竹園隧洞區域構造大竹園倒轉向斜走向290°左右，北翼向S倒轉，核部北西端揚起，向南東傾伏。向斜核部地層為震旦-青白口系白兆山組上段（Z2b2）石英鈉長黑云片巖、鈉長綠泥片巖，兩翼地層為震旦-青白口系白兆山組下段（Z2b1）中厚層大理巖、大理巖夾薄層鈉長綠泥片巖和震旦-青白口系岔河組（Z2c）綠簾鈉長黑云片巖。巖層及片理產狀330°～41°∠8°～37°、局部87°～98°∠26°～42°。（4）水文地質條件。隧洞沿線巖性多樣，地下水類型較為豐富。片巖段主要為基巖裂隙水，水量較貧乏且不均衡，主要靠大氣降水補給，溝河為其排泄基準面。砂巖段以孔隙水為主，砂巖總體厚度較小，水量有限，其上下均為片巖隔水層，部分段具有承壓水性質，主要靠大氣降水補給，溝河為其排泄基準面。大理巖夾片巖段以溶蝕孔隙水、溶蝕裂隙水為主，水量較為豐富，但受含水層厚度及補給條件限制，總體水量有限，其上下均為片巖隔水層，部分段有具承壓水性質，主要靠大氣降水補給，溝河為其排泄基準面。（5）圍巖評價。根據現場已開挖及施工階段地質測繪成果，隧洞214+535～214+660為Ⅴ類圍巖，主要為強-弱風化納長綠泥片巖，裂隙、片理發育，片理結合極差，片理產狀21°∠35°。地表為沖溝，風化帶，地下水較活躍，可見線狀流水，傾角較緩，圍巖極不穩定。

2涌水原因分析

通過前期地質資料、地質測繪、地面物探、TSP超前地質預報等對大竹園隧洞涌水進行分析。（1）地質測繪。地表地質測繪發現沖溝（樁號214+550～214+650）內水塘岸邊發育斷層F2，斷層產狀355°∠52°，斷層破碎帶地表寬度30～110cm。根據現場地質測繪及推測，涌水處（樁號214+553～214+556）與斷層的水平距離分別約為80m（地表）和50m（洞底板高程）。根據斷層產狀投影顯示，隧洞開挖至樁號214+630左右揭露斷層F2，推測該斷層向下穿透隔水片巖進入大理巖區。（2）地面物探。采用高密度電法勘探。樁號214+450～214+630段圍巖節理發育，地下水為基巖裂隙水，水量大。樁號214+630～214+650段隧洞通過斷層F2，斷層向深部延伸，傾角較大（剖面上視傾角約68°），推測隧洞涌水應為該斷層切穿深部導水地層或構造引起。隧洞軸線高密度電法視電阻率斷面見圖2。（3）超前地質預報（TSP）。樁號214+535～214+572段為強風化納長片巖，屬軟質巖，結構面較發育，以風化易剝離的片理面和構造節理為主，巖體完整性差，巖體呈薄層狀結構；樁號214+594～214+633段為強風化納長片巖，結構面發育，以風化易剝離的片理面和構造節理為主，巖體完整性差，巖體呈薄層狀結構，局部碎裂結構。TSP超前地質預報REC巖石參數變化情況見圖3。綜合地表地質測繪、地質素描、前期地質資料、地面物探及TSP成果，已開挖洞段樁號214+535（發生冒頂險情）～214+556（涌水處掌子面）段圍巖為震旦-青白口系白兆山組上段（Z2b2）薄層鈉長綠泥片巖，呈強～弱風化，屬軟質巖，片理傾角較緩，節理裂隙、片理發育，巖體完整性差，洞壁滴水，局部有線狀流水現象，屬Ⅴ類圍巖，圍巖極不穩定，地下水為基巖裂隙水。隧洞掌子面（樁號214+556）前方樁號214+600～214+650段巖體呈薄層狀結構，局部碎裂結構，發育有斷層，斷層貫穿下部地層并延伸至地表，具富水性。根據樁號214+606處鉆孔AZK2224地下水位高程136.64m，可知涌水處（樁號214+553～214+556）隧洞底板高程地下水埋深大于30m，由隧洞底板下部地層（Z2b1大理巖）至隧洞底板到地表，壓力水頭逐漸減少。綜合上述分析，大竹園隧洞樁號214+553～214+556處出現較大涌水現象，地下水來源于震旦-青白口系白兆山組下段（Z2b1）大理巖巖溶孔隙、裂隙儲存的地下水，承壓水沿斷層F2破碎帶上升至淺部，然后貫穿片巖中的節理裂隙等結構面薄弱部位形成通道，從開挖后洞室底板附近涌出。從涌水時間和涌水點多處等情況分析，涌水通道應該是分散的，而非集中管道式連通。

3處理方法

3.1管理措施。3.1.1加強排水。（1）洞內抽水。在涌水點（214+553）附近設置2圖3TSP超前地質預報REC巖石參數變化情況孔Φ108排水孔引排，排水孔為深5m鋼花管，排水孔間距50cm。在樁號214+553底板右側設置集水坑，集水坑尺寸1m×1m×1m，采用水泵進行抽排，大竹園隧洞洞內水泵抽排情況統計見表3，達到降低承壓水壓力、減少洞內積水的目的，抽水時間為5個月。后期混凝土襯砌施工時，用混凝土將集水坑回填。（2）布置超前鉆孔排水。大竹園隧洞正在施工的進口作業面、出口作業面以及支洞下游作業面前方都將會遇到震旦-青白口系白兆山組下段（Z2b1）中厚層大理巖夾片巖含水層，通過在掌子面或涌水處布置一定長度的超前鉆孔，將水集中引排，減小開挖面滲水量。優點是使大部分地下水沿鉆孔集中排出，即可改善掌子面前后的惡劣地下水環境［1］，缺點是影響施工速度。（3）洞頂水系截斷。因洞頂水塘距離隧洞較近，且F2斷層從水塘中部穿過，隧洞施工期間對洞頂水塘進行放空處理。3.1.2安全監測。在214+555~214+700范圍內，每隔10m布置1個收斂監測斷面，每個斷面布置5個測點，共設置14個監測斷面、70個收斂監測點。施工期圍巖收斂位移應小于洞室開挖洞徑的0.6%。3.1.3TSPTSP。是一種地下工程的地質預報技術。TSP最突出的優點是能探測開挖面前方150m范圍內地質條件的變化，且不影響正常施工［2］。采用TSP法進行地質超前預報，可分析前方圍巖性質、節理裂隙分布、軟弱巖層以及含水狀況，并為改進施工方法、調整施工工藝提供理論參考。根據地質測繪及物探成果，F2斷層于隧洞前方斜切洞軸線，其上部與地表塘堰連通，下部連通大理巖承壓含水層，本次涌水已釋放部分水壓，橫穿斷層處下方出現大涌水可能性較低，但上方與塘堰連通，塘堰蓄水則極有可能擊穿斷層并沿斷層發生突涌。因此，在隧洞施工至樁號214+600時，在掌子面采用復頻電導率（CFC）法預報前方水量情況，同時布置超前鉆孔排水。3.2工程措施。3.2.1洞壁固結灌漿。灌漿法是目前國內外隧洞工程中應用最廣、技術最成熟、最常用［3］的一種方法，特別適用于水下隧洞、高水壓地區及含水的斷層破碎帶［4］。在樁號214+545~214+555洞段范圍設置7排、每排9孔的固結灌漿孔，灌漿孔深5m，間排距1.5m，梅花形布置，灌漿壓力分級進行，最大灌漿壓力1.5MPa。灌漿按環間分序、環內加密的原則進行，環間采用兩序，按照距離涌水點由遠到近的順序進行施工，即同一斷面灌漿從左側洞壁最低一孔開始，向頂拱及右側洞壁依次加密施工。灌漿采用孔內循環式灌漿，灌漿水灰比為5，3，2，1，0.5，0.6，0.5等7個級別。當某一級別水灰比漿液灌入量達到300L而灌漿壓力及吸漿量均改變或改變量不顯著時，采用濃一級水灰比灌注。當某一級吃漿量大于30L/min時，可根據具體情況適當越級提高灌漿濃度。在設計壓力下，灌漿段的吸漿量不大于1L/min，再繼續灌注30min即可結束；群孔灌漿考慮一次灌注的總段長再確定。3.2.2管棚超前支護根據掌子面的地質條件及滲水情況，對掌子面進行超前管棚及超前預注漿支護。隧洞樁號214+555~214+700范圍內，掌子面設超前水平鉆孔作為超前地質探孔，探孔孔徑90mm，孔深30m，搭接長度10m。隧洞樁號214+555~214+700段設置7排共112孔Φ108管棚進行超前支護，管棚布置范圍為頂拱120°，上傾角3°~5°，間距40cm，單排長30m，排間搭接長度10m。隧洞樁號214+555~214+700段進行隧洞掌子面超前預注漿加固，超前注漿共7排，每排設4孔，外擴角10°，單排孔長30m，搭接長度10m。管棚灌漿及掌子面預注漿的注漿材料均為水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力1.5~2.0MPa，施工前進行灌漿試驗以確定灌漿參數。3.2.3隧洞開挖支護（1）開挖支護。214+535~214+700段長165m，圍巖類別為Ⅴ類，隧洞斷面為城門洞形，開挖尺寸為5.60m×5.95m，初期支護為I18型鋼拱架（間距50cm）+噴射20cm厚C25混凝土+Φ22系統錨桿（L=3m、間排距1.0m梅花形布置）+掛鋼筋網（Φ8@15×15cm）+鎖腳錨桿。后期隧洞過水全斷面襯砌60cm厚鋼筋混凝土，每10m設環向縫，設置651型橡膠止水。二襯混凝土澆筑前對涌水點進行引排、封堵，先采用排水管對集中涌水點涌水外排，排水管口設閥門，澆筑完畢封堵混凝土后，再關閉排水管閥門完成涌水點封堵。根據地質情況，在樁號214+555~214+575段及214+620~214+660段設置反拱，反拱厚20cm，并設I18型反拱拱架與初襯拱架封閉成環，在開挖實施過程中根據揭露的地質條件適當調整反拱樁號。（2）回填灌漿和固結灌漿。回填灌漿在襯砌混凝土強度達到設計強度70%后進行，沿隧洞軸線頂拱120°范圍內布置灌漿孔，每排2~3個孔，矩形布置。灌漿孔在預埋管中鉆孔，鉆孔直徑為40mm，鉆孔深入圍巖5~10m以上，灌漿壓力為0.3MPa，灌漿材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿。固結灌漿在回填灌漿結束后7d后進行，設置灌漿孔每排8孔，間排距3m，孔位對稱布置。灌漿孔在預埋管中鉆孔，孔深進入圍巖3m。灌漿壓力取0.3~0.5MPa，灌漿材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿。

4結語

本文以大竹園隧洞為例，分析了隧洞涌水的原因，通過采用加強排水、固結灌漿、管棚支護及超前預報等措施，對涌水地段進行處理，降低了施工安全風險，取得了較好效果。隧洞安全通過了涌水地段，為今后隧洞涌水處理積累了經驗。

參考文獻：

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［4］鄒靜嫻，許模，楊艷娜.隧道施工涌突水處理方法綜述［J］.地下水，2010，32（2）：162-163.

作者:羅應貴 劉晟 易曉麗 單位:鄂北地區水資源配置工程建設與管理局