地下水對(duì)水工隧洞施工的影響分析

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院長(zhǎng)沙市410007）

地下水對(duì)水工隧洞施工的影響分析

徐 濤

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院長(zhǎng)沙市410007）

斯里蘭卡水電站工程主洞引水隧洞和調(diào)水隧洞在施工過(guò)程中發(fā)生了突水涌泥事故，對(duì)施工產(chǎn)生了很大的影響。根據(jù)地質(zhì)情況分析，主洞突水涌泥事故是由巖溶水引起，調(diào)水隧洞則是由構(gòu)造裂隙水所引起，具有水頭高、流量大的特點(diǎn)。經(jīng)研究，決定采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前探孔、超前固結(jié)灌漿、超前管棚支護(hù)、鋼拱架支撐、短進(jìn)尺、弱爆破、及時(shí)襯砌的施工方案。施工實(shí)踐表明，所采用的施工方案合理可行，及時(shí)有效地處理了事故，并保證了后續(xù)施工的順利進(jìn)行。

斯里蘭卡水電站工程突水涌泥事故巖溶水構(gòu)造裂隙水隧洞施工

在隧洞施工的過(guò)程中，常遇沿線地質(zhì)條件復(fù)雜、高外水壓力、高地應(yīng)力、巖爆、軟巖流變塌陷、突泥、涌砂及涌水等工程地質(zhì)問(wèn)題，極大地增加了施工難度。特別是當(dāng)隧洞處于地下水類(lèi)型復(fù)雜、水頭高、活動(dòng)強(qiáng)烈地段時(shí)，此類(lèi)工程地質(zhì)問(wèn)題處理更為棘手，如不能采取有效的處理措施，地下水帶來(lái)的問(wèn)題會(huì)成為制約工期和投資的關(guān)鍵性因素。

地下水按賦存介質(zhì)可分為第四系孔隙水、裂隙水及巖溶水。下面結(jié)合斯里蘭卡水電站工程主洞和調(diào)水隧洞穿越突水涌泥區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)分析裂隙水和巖溶水對(duì)施工的影響，對(duì)隧洞施工中地下水與突水涌泥的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究。

1 地下水對(duì)隧洞施工的影響[1]

1.1 孔隙水

在水工隧洞施工中，孔隙水一般賦存于第四系松散堆積物中，埋藏較淺，動(dòng)態(tài)較穩(wěn)定，水量貧乏，對(duì)洞身段圍巖穩(wěn)定基本無(wú)影響，僅對(duì)隧洞進(jìn)出口段有影響，在進(jìn)出口開(kāi)挖過(guò)程中就可以直接抽排，處理措施相對(duì)簡(jiǎn)單。

1.2 巖溶水

巖溶水一般分布在碳酸鹽巖地層中，其發(fā)育特征、富水性及運(yùn)移條件均取決于地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地貌等因素，巖溶水主要賦存于地下溶隙、溶孔、巖溶管道及溶蝕洞穴中，一般埋藏較深，可以是潛水，也可以是承壓水。

巖溶水主要受巖溶發(fā)育程度所控制，主要特征為：含水性具顯著的各向異性與不均勻性，取決于巖溶發(fā)育程度；巖溶水在垂直和水平方向上均具有一定的發(fā)育規(guī)律，在垂直方向上一般隨著深度的增加而減弱，水平方向上與巖溶發(fā)育的規(guī)律一致，一般都是沿著巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的厚層碳酸鹽巖分布帶、斷層破碎帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶等呈條帶狀分布；地下水與地表水轉(zhuǎn)換頻繁，根據(jù)相關(guān)資料揭示，巖溶地區(qū)一般可吸收降雨量的40%～50%；由于受大氣降水影響較大，地下水動(dòng)態(tài)變化劇烈；巖溶水運(yùn)移狀態(tài)復(fù)雜，是以溶隙及溶洞為運(yùn)移通道，大小和連通程度對(duì)其運(yùn)移狀態(tài)有著至關(guān)重要的影響。

巖溶水對(duì)水工隧洞的洞身段開(kāi)挖有重要的影響，主要存在集中突水涌泥及短暫性溶洞涌泥等工程地質(zhì)問(wèn)題，圍巖極不穩(wěn)定，施工難度較大。

1.3 裂隙水

裂隙水主要分布在隧洞洞身圍巖體中，受?chē)鷰r巖性、構(gòu)造及節(jié)理裂隙發(fā)育程度所控制，具有顯著的各向異性，其富水性具有裂隙尺度效應(yīng)，根據(jù)裂隙性質(zhì)的不同可分為：層狀裂隙水、構(gòu)造裂隙水及風(fēng)化裂隙水。

（1）層狀裂隙水。其具有顯著的成層分布特征，主要分布于可溶巖與非可溶巖相間或以砂巖、礫巖為主的夾泥頁(yè)巖地層中，砂礫巖中裂隙一般較發(fā)育，深度較深，裂隙充填物少，連通性好富水性強(qiáng)，屬中等至強(qiáng)透水層；在可溶巖與非可溶巖相間地層中，可溶巖為含水層，非可溶巖為隔水層，一般在可溶巖與非可溶巖接觸帶位置，溶蝕裂隙較發(fā)育，呈層狀排泄，各層間水力聯(lián)系一般，地下水動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

層狀裂隙水主要影響水工隧洞洞身的開(kāi)挖，易產(chǎn)生線狀滲水、流水。在可溶巖與非可溶巖接觸帶位置容易產(chǎn)生突水涌泥，對(duì)圍巖穩(wěn)定及施工的影響極大。

（2）構(gòu)造裂隙水。主要展布于張性斷裂帶、節(jié)理裂隙密集帶及地層接觸帶中，斷裂帶及節(jié)理密集帶在堅(jiān)硬的巖體中較為富水，而在軟巖及軟硬相間的巖體中富水性較弱，沿?cái)嗔褞Ц浇捎谄渥杷蛲杆詮?qiáng)，易形成地下水集中分布區(qū)。地層接觸帶位置往往因蝕變作用強(qiáng)烈，易形成地下水匯集帶，故構(gòu)造裂隙水常呈條帶狀展布，對(duì)隧洞施工的影響很大，同時(shí)由于構(gòu)造裂隙及節(jié)理密集帶具有顯著的隱蔽性，很難摸清其分布規(guī)律及規(guī)模，構(gòu)造裂隙水的分布及處理措施往往是施工中重點(diǎn)研究的水文地質(zhì)問(wèn)題。

構(gòu)造裂隙水主要影響水工隧洞洞身的開(kāi)挖，易產(chǎn)生較大的突水涌泥現(xiàn)象，對(duì)施工的影響極大。

（3）風(fēng)化裂隙水。主要賦存于巖體全～強(qiáng)風(fēng)化帶中，分布較均勻，埋藏較淺，含水量較小，近地表處呈殼狀展布。裂隙分布均勻且連通性較好的風(fēng)化裂隙構(gòu)成含水層，未風(fēng)化或風(fēng)化較輕的構(gòu)成相對(duì)隔水層。風(fēng)化裂隙在垂直方向上，一般隨深度的增加而減弱，一般由大氣降水補(bǔ)給，排泄于溝谷處，動(dòng)態(tài)變化較大。

風(fēng)化裂隙水主要影響水工隧洞進(jìn)出口及淺埋段，一般會(huì)產(chǎn)生滴滲水現(xiàn)象，對(duì)隧洞的施工有一定的影響。

2 地下水與突水涌泥機(jī)理

國(guó)內(nèi)外的相關(guān)工程資料表明，地下水類(lèi)型對(duì)隧洞的突水涌泥起著決定性作用，大規(guī)模的突水涌泥往往是發(fā)生在裂隙水或巖溶水富集區(qū)，裂隙水一般埋藏較淺，水頭高，隱蔽性強(qiáng)，處理復(fù)雜且很難控制，巖溶水一般埋藏較深，水頭相對(duì)較低，常發(fā)生突水或短暫性溶洞涌泥，處理起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。因此在施工過(guò)程中要加強(qiáng)對(duì)地下裂隙水的研究，超前預(yù)報(bào)，提前采取預(yù)處理措施。裂隙水區(qū)域發(fā)生大規(guī)模突水涌泥現(xiàn)象一般具有以下特征：①地下水埋藏淺，地下水位高；②圍巖巖體破碎，節(jié)理裂隙或斷裂帶發(fā)育；③巖體以軟巖、較軟巖為主或軟硬相間；④地下水區(qū)域隧洞開(kāi)挖過(guò)程中掌子面附近的一次支護(hù)或超前支護(hù)距離小于突水涌泥的臨界水壓力，水力梯度大于圍巖介質(zhì)允許的安全值。

相關(guān)模型試驗(yàn)表明：富含裂隙水的斷裂帶或節(jié)理密集帶中裂隙密度越大，透水性越好，圍巖突水及固體涌出量也就越大，且隨著圍巖裂隙密度的增加，突水涌泥發(fā)生突變的臨界水壓力也不斷減小，因?yàn)榱严睹芏仍酱?，圍巖的整體性越差，強(qiáng)度越低，越容易發(fā)生突水涌泥，如圖1所示[2]。因此地下水與突水涌泥機(jī)理的關(guān)系實(shí)際上是有高水頭的水源，隧洞的開(kāi)挖改變了原水文的地質(zhì)邊界條件，在圍巖斷裂破碎帶或裂隙密集帶地段中，形成高速高壓水流，從而導(dǎo)致圍巖發(fā)生滲透破壞。

圖1 隧洞模型試驗(yàn)突水涌泥量與斷層承壓水壓力關(guān)系

3 工程實(shí)例

斯里蘭卡水電站工程主洞引水線路總長(zhǎng)3.4 km，開(kāi)挖洞徑（6.4～7.0）m，調(diào)水隧洞總長(zhǎng)1.0 km，開(kāi)挖洞徑5.0 m。主洞Ⅴ類(lèi)圍巖段和調(diào)水隧洞過(guò)F2斷層破碎帶施工過(guò)程中，在高水頭作用下發(fā)生了較大規(guī)模的突水涌泥事件。主洞突水類(lèi)型為可溶巖與非可溶巖接觸帶巖溶水，調(diào)水隧洞突水類(lèi)型為構(gòu)造裂隙水，事件造成洞內(nèi)泥石流災(zāi)害，泥石涌出量分別達(dá)到2 000 m3及1 000 m3以上。設(shè)計(jì)施工單位通過(guò)采取適宜的施工方案措施，成功地處理了突水涌泥事故，克服了這類(lèi)復(fù)雜地質(zhì)洞段施工的技術(shù)難題。

3.1 主洞引水隧洞突水涌泥處理

（1）地質(zhì)環(huán)境。主洞與1號(hào)施工支洞交叉口段樁號(hào)F0+084，隧洞埋深45 m，洞身穿越前寒武系花崗片麻巖與大理巖接觸帶，帶內(nèi)充填物以泥質(zhì)、砂質(zhì)粘土為主，膠結(jié)差，富含地下水，圍巖極不穩(wěn)定，成洞條件極差，圍巖為Ⅴ類(lèi)。地下水以巖溶水為主，見(jiàn)圖2。

圖2 主洞引水隧洞突水涌泥段地質(zhì)示意剖面

（2）突水涌泥情況。2014年12月8日1號(hào)施工支洞開(kāi)挖至主洞交叉口位置樁號(hào)F0+080，12月11日主洞施工至樁號(hào)F0+084時(shí)，施工單位正在清渣，發(fā)現(xiàn)掌子面頂拱位置有線狀滲水，然后突然發(fā)生突水涌泥，造成洞內(nèi)泥石流，沖出掌子面涌向上游1號(hào)施工支洞，泥石涌出量約2000m3，涌水量達(dá)到（120～150）m3/h，整個(gè)1號(hào)施工支洞全線滿(mǎn)洞充水直至支洞口附近。

（3）處理方案。經(jīng)多次論證，由于該可溶巖與非可溶巖接觸帶呈條帶狀展布，主洞不能采用改線方案，只能穿過(guò)接觸帶。后續(xù)施工時(shí)，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前探孔探明地質(zhì)情況、對(duì)圍巖頂拱、邊墻及底板采用了超前固結(jié)灌漿、超前管棚支護(hù)、鋼拱架支撐、短進(jìn)尺或分臺(tái)階開(kāi)挖、不爆破或弱爆破的開(kāi)挖支護(hù)原則，順利完成了該接觸帶洞段的施工。

3.2 調(diào)水隧洞突水涌泥處理

（1）地質(zhì)環(huán)境。調(diào)水隧洞從樁號(hào)Y0+760開(kāi)始就進(jìn)入F2斷層破碎帶，斷層延伸長(zhǎng)度超過(guò)5 km，產(chǎn)狀為N15°～17°W.SW∠75°～80°，破碎帶寬（30～35）m，破碎帶由糜棱巖、角礫巖、斷層泥組成。隧洞埋深20 m，圍巖為Ⅴ類(lèi)。地下水以構(gòu)造裂隙水為主，見(jiàn)圖3。

圖3 調(diào)水隧洞突水涌泥段地質(zhì)示意剖面

（2）突水涌泥情況。2014年9月20日調(diào)水洞開(kāi)挖至樁號(hào)Y0+732.6時(shí)，施工單位正在進(jìn)行隧洞頂拱的鋼拱架支護(hù)工作，掌子面頂拱位置發(fā)生突水涌泥現(xiàn)象，并伴隨有較大的轟鳴聲，開(kāi)始時(shí)突水，后面轉(zhuǎn)變?yōu)橥荒啵嗍髀又炼纯?，方量約1 000 m3，與此同時(shí)，上方地表出現(xiàn)了一個(gè)直徑約10 m的塌陷坑，深10 m左右。

（3）處理方案。經(jīng)多次論證，后續(xù)施工時(shí)，對(duì)地表塌陷坑進(jìn)行了安全防護(hù)和防水處理，施工遵循超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前探孔、超前固結(jié)灌漿、短進(jìn)尺、不爆破或弱爆破以及及時(shí)支護(hù)的開(kāi)挖支護(hù)原則，順利完成了該斷層帶的施工。

3.3 機(jī)理分析

通過(guò)上述工程實(shí)例可以看出，兩條水工隧洞中，主洞引水隧洞引發(fā)突水涌泥事件的地下水是巖溶水，調(diào)水隧洞是屬于構(gòu)造裂隙水，地下水水頭都比較高，裂隙及構(gòu)造發(fā)育，巖體軟弱破碎，均具有易發(fā)生突水涌泥事件的典型地質(zhì)特征。主洞突水涌泥段為可溶巖與非可溶巖接觸帶，以巖溶水為主，調(diào)水洞洞段為F2斷層破碎帶，以構(gòu)造裂隙水為主。兩個(gè)隧洞均是在較高水頭壓力作用下，地下水發(fā)生滲透破壞的結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)總結(jié)不同類(lèi)型地下水特征，對(duì)水工隧洞地下水賦存分布、影響及危害程度進(jìn)行了分析研究，特別是對(duì)裂隙水和巖溶水作了重點(diǎn)分析，并結(jié)合國(guó)外斯里蘭卡水電站工程主洞及調(diào)水隧洞突水涌泥區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)較高水頭地下水區(qū)發(fā)生突水涌泥事件的機(jī)理作了分析。

分析結(jié)果表明：地下水類(lèi)型中的裂隙水和巖溶水是導(dǎo)致隧洞洞身發(fā)生大規(guī)模突水涌泥的關(guān)鍵性因素。在隧洞施工開(kāi)挖時(shí)，產(chǎn)生了高陡水力梯度或高速水流，地下水對(duì)圍巖產(chǎn)生滲透破壞的情況下發(fā)生的，因此，較高水頭地下水是隧洞發(fā)生突水涌泥的高危因素。在施工開(kāi)挖的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)地下水類(lèi)型進(jìn)行分析，加強(qiáng)高水頭段的水文地質(zhì)研究，對(duì)后續(xù)可能會(huì)發(fā)生突水涌泥段采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前固結(jié)灌漿、超前探孔及超前管棚支護(hù)等措施，確保施工順利進(jìn)行。

[1]趙發(fā)輝，周銳.高水頭地下水對(duì)長(zhǎng)水工隧洞施工的影響探討[J].人民長(zhǎng)江，2013，（6）：1－4.

[2]王媛，陸宇光.深埋隧洞開(kāi)挖過(guò)程中突水與突泥的機(jī)理研究[J].水利學(xué)報(bào)，2011，（5）：1－3.

2016－09－21）

徐濤（1983－），湖北武漢人，碩士，工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)工作，手機(jī)：15974257229。