長輸水隧洞中地下水影響評價(jià)分析及措施

王浩宇

（沈陽興禹水利建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，遼寧 沈陽 110006）

1 工程概況

新建岔河長輸水隧洞全長10.05 km，由進(jìn)口段、無壓洞身段及出口段組成。設(shè)計(jì)底坡i=1/1000，輸水隧洞洞身段為2.0 m×2.4 m城門洞型斷面，屬于特小斷面、特長型隧洞，隧洞設(shè)計(jì)流量為3.051 m3/s。

洞身埋深一般200 m～400 m，最大埋深704 m，巖性主要有泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖加砂巖，屬于軟弱工程地質(zhì)巖組，圍巖類別主要為IV類、V類圍巖。經(jīng)對隧洞沿線地質(zhì)情況進(jìn)行勘察，隧洞從進(jìn)口至出口分布發(fā)育向斜、背斜、向斜、斷層，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，地下水對隧洞施工的影響較大，施工過程中需考慮地下水對隧洞的施工影響，并充分做好排水等預(yù)防措施[1]。

2 隧洞圍巖地質(zhì)分段評價(jià)結(jié)果

主要評價(jià)含地下水活動強(qiáng)烈，可能發(fā)生涌水突泥的地段[1]。

（1）洞身4段(長隧1+910.00 m～長隧2+696.00 m、段長786 m)

該段洞身最大埋深380 m，位于老官山向斜西側(cè)，洞身穿越地層為馬頭山組中厚層狀細(xì)～粗粒長石石英砂巖。據(jù)地表勘察產(chǎn)狀38∠58°。巖層走向與隧洞軸線走向斜交。依據(jù)地質(zhì)資料推斷隧洞軸線與斷層破碎帶相交，向下延伸深度均超過隧洞底板以下。該段巖質(zhì)較硬，層理發(fā)育，層間結(jié)合一般，斷層破碎帶影響部位裂隙發(fā)育，巖體較破碎，整體圍巖強(qiáng)度及穩(wěn)定性較差，產(chǎn)狀陡傾，在層理及裂隙共同作用下易形成楔形體，段內(nèi)地下水活動程度較為強(qiáng)烈，受地下水影響，掘進(jìn)過程中存在順層面突發(fā)涌水、突泥的可能，需做好預(yù)防工作。洞身圍巖類別為Ⅴ類，該段屬不穩(wěn)定段，巖石堅(jiān)固系數(shù)2.0～3.0。

（2）洞身14段(長隧8+545.00 m～長隧8+707.00 m、段長162 m)：

該段洞身最大埋深為268 m，洞身穿越前段地層為普昌河組泥巖、砂質(zhì)泥巖夾砂巖，屬軟弱工程地質(zhì)巖組；后段為馬頭山組中厚層狀細(xì)～粗粒長石石英砂巖屬中硬巖組。依據(jù)地質(zhì)資料可知，洞段內(nèi)整體斷層破碎帶成條帶狀分布，向下延伸深度較大，斷層為正斷層，斷層下盤為馬頭山組中厚層狀細(xì)～粗粒長石石英砂巖；斷層上盤為江底河組泥巖夾鈣質(zhì)泥巖及泥灰?guī)r。巖層走向與隧洞軸線走向斜交，隧洞自西向東穿越斷層，斷裂走向北西、傾向北東、傾角約68°～90°、為一上盤下降，下盤上升的張性正斷層。視寬度約80 m，影響寬度約120 m，構(gòu)造垂向延伸深度較大，構(gòu)造水平展布長度較大。斷層或構(gòu)造破碎帶位置及其影響范圍內(nèi)巖石受構(gòu)造影響嚴(yán)重，帶內(nèi)裂隙發(fā)育，巖體破碎，易形成富水區(qū)域，巖體完整性及穩(wěn)定性差。洞身圍巖類別為Ⅴ類，該段屬極不穩(wěn)定段，巖石堅(jiān)固系數(shù) 1.0～2.5。

3 地下水情況分析

3.1 長隧洞涌水量計(jì)算

長輸水隧洞涌水量計(jì)算主要包括正常涌水量計(jì)算和最大涌水量計(jì)算。其中，正常涌水量計(jì)算采用大氣降水入滲估算法及正常涌水量經(jīng)驗(yàn)公式，最大涌水量采用最大涌水量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[2,3]。

①大氣降水入滲法：

式中：Q為隧洞涌水量，m3/d；a為大氣降水入滲系數(shù)，取10%；F為隧洞影響帶匯水面積，按隧洞兩側(cè)各400 m計(jì)；P為大氣降水量，當(dāng)?shù)啬昶骄邓可舷?，根?jù)水文資料，P=1058 mm。

②正常涌水量經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Q為隧洞涌水量，m3/s；L為輸水隧洞長，m；k為含水體的滲透系數(shù)（按各隧洞勘探鉆孔壓水呂榮值平均值換算），m/d；H為洞底以上潛水（含水體）的厚度（按分段地下水位線以下至隧洞底板厚度），m。

③最大涌水量經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Q為隧洞涌水量，m3/s；L為計(jì)算隧洞長，m；k為含水體的滲透系數(shù)，m/d；H為洞底以上潛水（含水體）的厚度，m。

現(xiàn)根據(jù)上述三種公式計(jì)算輸水工程線路長隧洞的施工涌水量，計(jì)算各隧洞施工涌水量見表1。

表1 長輸水隧洞施工用水量估算表

3.2 地下水地質(zhì)勘察分析

該長輸水隧洞根據(jù)工程需要，需在隧洞沿線鉆孔，獲得地質(zhì)勘察資料，本文在隧洞沿線鉆取18個鉆孔來探測地下水情況，孔深在100 m～200 m左右，篇幅所限，僅列出隧洞進(jìn)出口鉆孔勘察成果，見表2。

表2 長輸水隧洞鉆孔勘察成果表

根據(jù)鉆孔資料分析，進(jìn)出口段圍巖以泥巖為主，強(qiáng)風(fēng)化底界埋深淺，弱風(fēng)化巖體完整性好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，圍巖相對完整。進(jìn)口鉆孔ZK17未見地下水位，即大于110.2 m，孔底3段壓水呂榮值3.44 Lu～11.63 Lu，ZK18地下水位69.7 m，孔底3段壓水呂榮值0.48 Lu～0.77 Lu。鉆孔在洞身圍巖上下共壓水4段，呂榮值在7.3 Lu～11.94 Lu之間，洞身圍巖以弱透水層為主，局部為不透水層，說明洞身圍巖透水性相對較弱。根據(jù)長輸水隧洞工程地質(zhì)條件，隧洞（隧0+000～隧1+863,隧5+233～隧8+653，隧8+853～隧9+987）以泥巖為主，圍巖透水性相對較弱，不存在涌水和突水，洞壁一般存在股狀滲水、線狀滲水、滴水和潮濕等情況。在隧1+863～隧5+233向斜軸部，地下水由向斜兩翼向軸部補(bǔ)給，補(bǔ)給范圍較廣，并且?guī)r體受褶曲影響，張性節(jié)理較發(fā)育，可能存在涌水和突水問題，洞壁一般以股狀滲水、線狀滲水為主，在施工過程中，需做好預(yù)防工作，保證隧洞施工安全。在隧8+653～隧8+853正斷層區(qū)，斷層錯斷帶巖體較為破碎，完整性差，屬極不穩(wěn)定圍巖，該洞底板位于地下水位線以下，施工過程中需采取排水措施。

4 地下水涌水工程措施

由地質(zhì)鉆孔得到的水文地質(zhì)分段評價(jià)，結(jié)合涌水量的計(jì)算可知，該長輸水隧洞沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，涌水量大，部分洞段底板處于地下水位以下，段內(nèi)地下水活動程度較為強(qiáng)烈，施工中極易發(fā)生涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害。因此在施工中不僅要采取排水措施，還要對隧洞進(jìn)行支護(hù)處理，確保圍巖地質(zhì)穩(wěn)定。

4.1 排水措施

洞內(nèi)排水采用集水坑（長寬高為2.0 m×1.0 m×1.5 m）、集水井與水泵、排水管相結(jié)合的排水方式，首先把工作面的水排至集水坑（每隔500 m設(shè)一個），再通過水泵、排水管抽排至洞外的污水沉淀池，經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放；當(dāng)為支洞側(cè)工作面時，通過水泵、排水管道抽排至接力泵站，由接力泵站排至支洞底部的集水井（長寬高為2.0 m×1.5 m×2.0 m），由高揚(yáng)程泵排至洞外的污水沉淀池，經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放；當(dāng)為隧洞進(jìn)出口工作面時，通過水泵、排水管道抽排至接力泵站，由接力泵站排至洞外的污水沉淀池，經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放[4～6]。

在涌水量較大洞段，可將原回填灌漿孔改造成排水孔，排水孔伸入圍巖長度約3 m左右，根據(jù)地質(zhì)情況和涌水量的大小排水孔可延伸至5 m，排水量較大時，排水后圍巖應(yīng)進(jìn)行固結(jié)灌漿，以確保圍巖穩(wěn)定。

4.2 支護(hù)處理措施

本文根據(jù)地質(zhì)勘察情況，主要考慮遇斷裂擠壓破碎帶、強(qiáng)富水地層、高地應(yīng)力段、易塌及軟巖地帶時還應(yīng)認(rèn)真做好超前預(yù)報(bào)工作，采用C20噴鋼纖維砼初期支護(hù)，并結(jié)合超前小導(dǎo)管、超前錨桿以及預(yù)灌漿等措施進(jìn)行施工[7,8]。支護(hù)措施形式見圖1，具體支護(hù)措施見表3。

圖1 長輸水隧洞改進(jìn)后的支護(hù)形式示意圖

表3 隧洞支護(hù)措施表

4.3 地下水處理效果

隧洞出口向進(jìn)口方向開挖過程中，在施工至正斷層隧8+853前約50 m時（隧8+900），由超前地質(zhì)鉆孔探測到前方地下水水頭都較高，裂隙及構(gòu)造發(fā)育，巖體軟弱破碎。施工人員正在進(jìn)行鋼拱架初期支護(hù)，拱頂部位突然發(fā)生突水涌泥現(xiàn)象。與此同時,上方地表出現(xiàn)了一個約長40 m，寬50 m的塌陷坑，深50 m左右。對地表塌陷坑進(jìn)行了安全防護(hù)處理后，施工人員采取大功率水泵及排水管排水，并采取鋼拱架、噴C20鋼纖維砼、固結(jié)灌漿等措施進(jìn)行處理。待圍巖和隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，對前方正斷層區(qū)采取超前預(yù)報(bào)，結(jié)合超前小導(dǎo)管、超前固結(jié)灌漿等措施進(jìn)行進(jìn)尺、弱爆破、及時襯砌的施工方案，順利地完成了隧8+653～隧8+853正斷層區(qū)間的施工。

5 結(jié)語

本文根據(jù)該長輸水隧洞地下水水位特征、施工期間地下水涌水量大小對隧洞施工影響及危害程度進(jìn)行了分析研究，通過現(xiàn)場地質(zhì)鉆孔對隧洞沿線地下水賦存及分布，特別是對隧沿線裂隙發(fā)育、斷層及高水頭區(qū)間裂隙水進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并結(jié)合多年來設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)，對地下水影響較大的洞段進(jìn)行了排水處理，發(fā)生突水涌泥的區(qū)段進(jìn)行鋼支撐、噴C20鋼纖維砼、加大襯砌厚度等措施加強(qiáng)支護(hù)，同時還采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提前排水減壓，超前固結(jié)灌漿等措施，確保施工安全。