水资源配置工程隧洞施工涌水分析

导语：水资源配置工程隧洞施工涌水分析一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

摘要：涌水是隧洞施工中较为常见的地质灾害之一。以鄂北地区水资源配置工程大竹园隧洞为研究对象，该隧洞在开挖至桩号214+556时发生涌水，最大涌水流量259.3m3/h，平均涌水流量达224.2m3/h，危及施工安全。通过采取钻孔排水、超前预报、固结灌浆及管棚超前支护等处理措施，涌水量降至约87m3/h，处理效果较好。该涌水处理措施可为隧洞安全施工和涌水处理提供参考。

关键词：隧洞施工；涌水处理；超前预报；固结灌浆；超前支护；鄂北地区水资源配置工程

1基本情况

1.1隧洞概况。鄂北地区水资源配置工程（以下简称“鄂北工程”）以丹江口水库为水源地，从该水库清泉沟取水，自西北向东南穿越襄阳市的老河口、襄州区和枣阳市，随州市的随县、曾都区和广水市，止于孝感市的大悟县王家冲水库。输水线路总长269.67km，年均引水量7.7亿m3，设计供水人口482万人，灌溉面积约24.23万hm2（363.5万亩）。大竹园隧洞为自流无压引水隧洞，全长4.07km，设计引水流量9.5m3/s，开挖断面为城门洞型，成洞洞径5.2m，埋深15~90m。隧洞地质条件复杂，隧洞沿线发育两条断层带，施工难度较大，是鄂北工程广悟段的关键性控制工程之一。1.2涌水情况。2019年3月20日，大竹园隧洞开挖至桩号214+556，正在进行钢拱架支护施工，3月20日02：05时隧洞桩号214+553处底板右侧发生冒水现象，有2处冒水点，相距0.50m左右，水质浑浊。3月21日14：00时涌水量未见明显减少，隧洞水深1.50m。发生涌水现象后立即抽排，水泵排水量80m3/h。依据2019年3月20日02：05时至3月21日14：00时的洞内水深及抽排能力，测算得到桩号214+553处涌水量Q=726m（洞长214+556～213+830）×6m（洞挖宽度）×1.50m（洞内水深）/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。大竹园隧洞桩号214+553处洞内发生涌水后，2019年3月23日安排3台水泵进行抽排（2台30kW、1台22kW），根据同年4月3日10：20～15：00时段30kW水泵流量量测（总排水量540m3），30kW水泵排水量q1=540m3/4.6h=118m3/h，根据功率推算，22kW水泵排水量q2=86m3/h，现场观测记录见表1。从表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日洞内积水已基本排完，抽水水泵减少至2台（1台37kW、1台30kW），测得37kW水泵流量107m3/h，30kW水泵流量86m3/h。测算得到桩号214+553处涌水量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，洞内涌水量进一步减小，抽水水泵减少至1台，涌水量降至约87m3/h。根据施工单位同年4月11~17日大竹园支洞突水台账，施工支洞排水量见表2。综上，2019年3月20日至4月17日大竹园隧洞桩号214+553～214+556处涌水量随着时间推移逐渐减少。1.3隧洞工程地质情况。（1）地形地貌。隧洞沿线地面高程121.6～207.6m，相对高差约85.0m，为低山丘陵地形。洞线桩号212+540～212+680、212+830～212+980段地表为河谷低洼地，高程约125.0m，河谷走向与隧洞轴线平行，河谷常年有水流入先觉庙水库，水库正常蓄水位107.0m；214+550～214+650段穿越冲沟，沟底高程约137.0m，冲沟走向与隧洞轴线垂直，洞线南西侧冲沟里有水塘分布，水塘水位高程约143.3m；桩号215+300及215+750处地表为冲沟，沟底高程分别约为152.7m和172.0m，冲沟走向与隧洞轴线近垂直，沟内有小水塘分布，冲沟无常年流水。隧洞出口为张家桥河，河床高程约105.0m，河谷走向与隧洞轴线交角约45°，河谷常年有水流入徐家河水库，水库正常蓄水位72.0m。（2）地层岩性。隧洞桩号214+010～215+450穿越的地层为震旦-青白口系白兆山组上段（Z2b2），主要为石英钠长黑云片岩和钠长绿泥片岩。（3）地质构造。工程区大地构造处于秦岭褶皱系（I）南秦岭冒地槽褶皱带（I1）随州应山复背斜（I13）应山褶皱束（I13-1）。大竹园隧洞位于张家桥倒转复式向斜次一级构造——大竹园倒转向斜。大竹园隧洞区域构造见图1。震旦-青白口系白兆山组震旦-青白口系垸子湾组震旦-青白口系岔河组扬子期变辉长辉绿岩实测逆断层实测正断层地质界线实测、推测性质不明断层线路工程轴线岩层产状及倾角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)yF10F22F21F19F20F14F17F15F16F12F11F10F13两河口高城镇老虎沟Z2bZ2cF18193+420图1大竹园隧洞区域构造大竹园倒转向斜走向290°左右，北翼向S倒转，核部北西端扬起，向南东倾伏。向斜核部地层为震旦-青白口系白兆山组上段（Z2b2）石英钠长黑云片岩、钠长绿泥片岩，两翼地层为震旦-青白口系白兆山组下段（Z2b1）中厚层大理岩、大理岩夹薄层钠长绿泥片岩和震旦-青白口系岔河组（Z2c）绿帘钠长黑云片岩。岩层及片理产状330°～41°∠8°～37°、局部87°～98°∠26°～42°。（4）水文地质条件。隧洞沿线岩性多样，地下水类型较为丰富。片岩段主要为基岩裂隙水，水量较贫乏且不均衡，主要靠大气降水补给，沟河为其排泄基准面。砂岩段以孔隙水为主，砂岩总体厚度较小，水量有限，其上下均为片岩隔水层，部分段具有承压水性质，主要靠大气降水补给，沟河为其排泄基准面。大理岩夹片岩段以溶蚀孔隙水、溶蚀裂隙水为主，水量较为丰富，但受含水层厚度及补给条件限制，总体水量有限，其上下均为片岩隔水层，部分段有具承压水性质，主要靠大气降水补给，沟河为其排泄基准面。（5）围岩评价。根据现场已开挖及施工阶段地质测绘成果，隧洞214+535～214+660为Ⅴ类围岩，主要为强-弱风化纳长绿泥片岩，裂隙、片理发育，片理结合极差，片理产状21°∠35°。地表为冲沟，风化带，地下水较活跃，可见线状流水，倾角较缓，围岩极不稳定。

2涌水原因分析

通过前期地质资料、地质测绘、地面物探、TSP超前地质预报等对大竹园隧洞涌水进行分析。（1）地质测绘。地表地质测绘发现冲沟（桩号214+550～214+650）内水塘岸边发育断层F2，断层产状355°∠52°，断层破碎带地表宽度30～110cm。根据现场地质测绘及推测，涌水处（桩号214+553～214+556）与断层的水平距离分别约为80m（地表）和50m（洞底板高程）。根据断层产状投影显示，隧洞开挖至桩号214+630左右揭露断层F2，推测该断层向下穿透隔水片岩进入大理岩区。（2）地面物探。采用高密度电法勘探。桩号214+450～214+630段围岩节理发育，地下水为基岩裂隙水，水量大。桩号214+630～214+650段隧洞通过断层F2，断层向深部延伸，倾角较大（剖面上视倾角约68°），推测隧洞涌水应为该断层切穿深部导水地层或构造引起。隧洞轴线高密度电法视电阻率断面见图2。（3）超前地质预报（TSP）。桩号214+535～214+572段为强风化纳长片岩，属软质岩，结构面较发育，以风化易剥离的片理面和构造节理为主，岩体完整性差，岩体呈薄层状结构；桩号214+594～214+633段为强风化纳长片岩，结构面发育，以风化易剥离的片理面和构造节理为主，岩体完整性差，岩体呈薄层状结构，局部碎裂结构。TSP超前地质预报REC岩石参数变化情况见图3。综合地表地质测绘、地质素描、前期地质资料、地面物探及TSP成果，已开挖洞段桩号214+535（发生冒顶险情）～214+556（涌水处掌子面）段围岩为震旦-青白口系白兆山组上段（Z2b2）薄层钠长绿泥片岩，呈强～弱风化，属软质岩，片理倾角较缓，节理裂隙、片理发育，岩体完整性差，洞壁滴水，局部有线状流水现象，属Ⅴ类围岩，围岩极不稳定，地下水为基岩裂隙水。隧洞掌子面（桩号214+556）前方桩号214+600～214+650段岩体呈薄层状结构，局部碎裂结构，发育有断层，断层贯穿下部地层并延伸至地表，具富水性。根据桩号214+606处钻孔AZK2224地下水位高程136.64m，可知涌水处（桩号214+553～214+556）隧洞底板高程地下水埋深大于30m，由隧洞底板下部地层（Z2b1大理岩）至隧洞底板到地表，压力水头逐渐减少。综合上述分析，大竹园隧洞桩号214+553～214+556处出现较大涌水现象，地下水来源于震旦-青白口系白兆山组下段（Z2b1）大理岩岩溶孔隙、裂隙储存的地下水，承压水沿断层F2破碎带上升至浅部，然后贯穿片岩中的节理裂隙等结构面薄弱部位形成通道，从开挖后洞室底板附近涌出。从涌水时间和涌水点多处等情况分析，涌水通道应该是分散的，而非集中管道式连通。

3处理方法

3.1管理措施。3.1.1加强排水。（1）洞内抽水。在涌水点（214+553）附近设置2图3TSP超前地质预报REC岩石参数变化情况孔Φ108排水孔引排，排水孔为深5m钢花管，排水孔间距50cm。在桩号214+553底板右侧设置集水坑，集水坑尺寸1m×1m×1m，采用水泵进行抽排，大竹园隧洞洞内水泵抽排情况统计见表3，达到降低承压水压力、减少洞内积水的目的，抽水时间为5个月。后期混凝土衬砌施工时，用混凝土将集水坑回填。（2）布置超前钻孔排水。大竹园隧洞正在施工的进口作业面、出口作业面以及支洞下游作业面前方都将会遇到震旦-青白口系白兆山组下段（Z2b1）中厚层大理岩夹片岩含水层，通过在掌子面或涌水处布置一定长度的超前钻孔，将水集中引排，减小开挖面渗水量。优点是使大部分地下水沿钻孔集中排出，即可改善掌子面前后的恶劣地下水环境［1］，缺点是影响施工速度。（3）洞顶水系截断。因洞顶水塘距离隧洞较近，且F2断层从水塘中部穿过，隧洞施工期间对洞顶水塘进行放空处理。3.1.2安全监测。在214+555~214+700范围内，每隔10m布置1个收敛监测断面，每个断面布置5个测点，共设置14个监测断面、70个收敛监测点。施工期围岩收敛位移应小于洞室开挖洞径的0.6%。3.1.3TSPTSP。是一种地下工程的地质预报技术。TSP最突出的优点是能探测开挖面前方150m范围内地质条件的变化，且不影响正常施工［2］。采用TSP法进行地质超前预报，可分析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层以及含水状况，并为改进施工方法、调整施工工艺提供理论参考。根据地质测绘及物探成果，F2断层于隧洞前方斜切洞轴线，其上部与地表塘堰连通，下部连通大理岩承压含水层，本次涌水已释放部分水压，横穿断层处下方出现大涌水可能性较低，但上方与塘堰连通，塘堰蓄水则极有可能击穿断层并沿断层发生突涌。因此，在隧洞施工至桩号214+600时，在掌子面采用复频电导率（CFC）法预报前方水量情况，同时布置超前钻孔排水。3.2工程措施。3.2.1洞壁固结灌浆。灌浆法是目前国内外隧洞工程中应用最广、技术最成熟、最常用［3］的一种方法，特别适用于水下隧洞、高水压地区及含水的断层破碎带［4］。在桩号214+545~214+555洞段范围设置7排、每排9孔的固结灌浆孔，灌浆孔深5m，间排距1.5m，梅花形布置，灌浆压力分级进行，最大灌浆压力1.5MPa。灌浆按环间分序、环内加密的原则进行，环间采用两序，按照距离涌水点由远到近的顺序进行施工，即同一断面灌浆从左侧洞壁最低一孔开始，向顶拱及右侧洞壁依次加密施工。灌浆采用孔内循环式灌浆，灌浆水灰比为5，3，2，1，0.5，0.6，0.5等7个级别。当某一级别水灰比浆液灌入量达到300L而灌浆压力及吸浆量均改变或改变量不显著时，采用浓一级水灰比灌注。当某一级吃浆量大于30L/min时，可根据具体情况适当越级提高灌浆浓度。在设计压力下，灌浆段的吸浆量不大于1L/min，再继续灌注30min即可结束；群孔灌浆考虑一次灌注的总段长再确定。3.2.2管棚超前支护根据掌子面的地质条件及渗水情况，对掌子面进行超前管棚及超前预注浆支护。隧洞桩号214+555~214+700范围内，掌子面设超前水平钻孔作为超前地质探孔，探孔孔径90mm，孔深30m，搭接长度10m。隧洞桩号214+555~214+700段设置7排共112孔Φ108管棚进行超前支护，管棚布置范围为顶拱120°，上倾角3°~5°，间距40cm，单排长30m，排间搭接长度10m。隧洞桩号214+555~214+700段进行隧洞掌子面超前预注浆加固，超前注浆共7排，每排设4孔，外扩角10°，单排孔长30m，搭接长度10m。管棚灌浆及掌子面预注浆的注浆材料均为水泥浆，水灰比1∶1，注浆压力1.5~2.0MPa，施工前进行灌浆试验以确定灌浆参数。3.2.3隧洞开挖支护（1）开挖支护。214+535~214+700段长165m，围岩类别为Ⅴ类，隧洞断面为城门洞形，开挖尺寸为5.60m×5.95m，初期支护为I18型钢拱架（间距50cm）+喷射20cm厚C25混凝土+Φ22系统锚杆（L=3m、间排距1.0m梅花形布置）+挂钢筋网（Φ8@15×15cm）+锁脚锚杆。后期隧洞过水全断面衬砌60cm厚钢筋混凝土，每10m设环向缝，设置651型橡胶止水。二衬混凝土浇筑前对涌水点进行引排、封堵，先采用排水管对集中涌水点涌水外排，排水管口设阀门，浇筑完毕封堵混凝土后，再关闭排水管阀门完成涌水点封堵。根据地质情况，在桩号214+555~214+575段及214+620~214+660段设置反拱，反拱厚20cm，并设I18型反拱拱架与初衬拱架封闭成环，在开挖实施过程中根据揭露的地质条件适当调整反拱桩号。（2）回填灌浆和固结灌浆。回填灌浆在衬砌混凝土强度达到设计强度70%后进行，沿隧洞轴线顶拱120°范围内布置灌浆孔，每排2~3个孔，矩形布置。灌浆孔在预埋管中钻孔，钻孔直径为40mm，钻孔深入围岩5~10m以上，灌浆压力为0.3MPa，灌浆材料为P.O42.5普通硅酸盐水泥浆。固结灌浆在回填灌浆结束后7d后进行，设置灌浆孔每排8孔，间排距3m，孔位对称布置。灌浆孔在预埋管中钻孔，孔深进入围岩3m。灌浆压力取0.3~0.5MPa，灌浆材料为P.O42.5普通硅酸盐水泥浆。

4结语

本文以大竹园隧洞为例，分析了隧洞涌水的原因，通过采用加强排水、固结灌浆、管棚支护及超前预报等措施，对涌水地段进行处理，降低了施工安全风险，取得了较好效果。隧洞安全通过了涌水地段，为今后隧洞涌水处理积累了经验。

参考文献：

［1］吴静，葛浩然.洞室施工中岩溶及地下水富集区的预测和处理［J］.云南水力发电，2007，23（1）：38-41.

［2］揣连成，杜士斌，卜丽华.隧洞工程涌水处理的对策和措施［J］.水利水电技术，2005，36（5）：53-55.

［3］余积新.梨树湾隧道岩溶涌水的处理［J］.铁道建筑，2005（7）：43-45.

［4］邹静娴，许模，杨艳娜.隧道施工涌突水处理方法综述［J］.地下水，2010，32（2）：162-163.

作者:罗应贵 刘晟 易晓丽 单位:鄂北地区水资源配置工程建设与管理局