深埋硬巖長隧洞高壓地下水控制技術(shù)研究

■ 中鐵十八局集團第五工程有限公司 張詩雨

深埋特長隧洞是指埋深超過400m、長度10km以上的隧洞。隨著我國水利水電工程的發(fā)展，深埋長隧洞大量出現(xiàn)，單洞長度已由20世紀(jì)80年代的10余km發(fā)展到現(xiàn)在的80余km。隧洞工程地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，不良工程地質(zhì)問題已成為工程的重要制約因素。因此，勘察、認識與評價這些問題以及采取正確的工程對策十分重要。

本文以四川錦屏二級水電站引水隧洞為工程背景，基于引水隧洞埋深大、水壓大、涌水多、處理難度大等特點，提出了“先易后難、先排后堵、兼顧其他、綜合治理”的“擇機封堵”地下水處理基本原則，歸納了以地下水滲流路徑查探、施工分流孔、灌漿封堵為主的高壓大流量地下水處理關(guān)鍵技術(shù)，通過引水隧洞揭露出的高壓地下水三種形態(tài)實例，分析采用不同封堵方案，總結(jié)出行之有效的引水隧洞高壓地下水處理經(jīng)驗，以供參考。

1.工程概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州，是雅礱江干流上的重要梯級電站。水電站樞紐主要由首部攔河閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房三大部分組成。引水隧洞長約16.67km，斷面為馬蹄形，洞徑13m，上覆巖體埋深1500m～2000m，埋深大于1500m的洞段占隧道全長的73.1%，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點。引水系統(tǒng)中四條平行布置的引水隧洞平均洞線長度約16.7km，由于引水隧洞工程地下水發(fā)育，突涌水點多，具有高壓性、突發(fā)性、流量大的特點，因此面臨眾多施工重難點。其中，高壓大流量地下水擇機封堵，尤其是對突涌水點進行系統(tǒng)封堵是該工程的難點之一。

2.地下水處理基本原則

先易后難：當(dāng)引水隧洞同時存在不同水壓或不同水量的出水部位時，應(yīng)先從較易處理的小水量或低水壓部位開始進行處理，然后向大水量高水壓部位進行處理。

先排后堵：對水量較大或水壓較高部分處理地下水時，宜先有序引排，合理設(shè)置泄水孔，分散釋放涌水點的流量和壓力；當(dāng)水量水壓有所降低時，再封堵原有位置出水點。鉆孔引排方式可根據(jù)富水區(qū)域巖石完整性選擇。當(dāng)巖石完整性良好時，應(yīng)從富水巖石內(nèi)直接鉆大孔引排；當(dāng)巖石較破碎時，宜從遠端打深孔引排。

兼顧其他：地下水處理過程不單單是處理強富水部位，這樣會導(dǎo)致別處水壓提高，進一步導(dǎo)致水量增大或出現(xiàn)新的出水點等情況。因此，必須根據(jù)富水地區(qū)出水量和水壓情況，綜合考慮附近隧道段，兼顧其他部位進行預(yù)處理，防止出現(xiàn)“堵西墻、漏東墻”的事故，增大處理難度。

綜合治理：應(yīng)綜合考慮引水隧洞所處水文地質(zhì)條件，結(jié)合錨桿、掛網(wǎng)和噴射混凝土等支護手段，采取灌漿封堵、圍堰、抽排或直接截斷前方來水等多種輔助處理措施。

3.高壓大流量地下水處理關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工方法

3.1.1 滲流路徑查探

首先應(yīng)使用大口徑潛孔鉆、液壓鉆機或地質(zhì)鉆機盡可能多且深地隨機鉆孔，埋入耐壓鋼管，探查涌水范圍，查清滲流路徑。根據(jù)鉆孔返水、水量大小、水壓強弱等特征，分析裂隙、巖溶管道貫通情況和滲水路徑延伸方向等地下水流通情況。當(dāng)引水隧洞發(fā)生高壓大流量涌水時，安裝法蘭蓋，實現(xiàn)可控引排；當(dāng)深孔無滲水或少量滲水時，可進行灌漿封堵。

3.1.2 施工分流孔

當(dāng)引水隧洞發(fā)生高壓大流量涌水時，應(yīng)先進行鉆孔引排、分流降壓，根據(jù)實際情況擇機封堵。鉆引排孔可采用φ89～φ150孔徑潛孔鉆在涌水點附近以一定孔距、傾斜角打孔，角度與巖面呈30°～45°， 將巖溶水和裂隙水由排水管排出，降低水量和壓力。對未出水的鉆孔，采用水泥漿液壓式灌漿，如果冒漿明顯，可在水泥漿液添加50%左右的砂進行灌漿處理。

3.1.3 主通道封堵

鉆孔引排完成后，當(dāng)分流孔水量和壓力減小，主滲流通道嘗試進行封堵操作時，采用一種特殊的紡織材料——模袋對主滲流通道進行封堵。模袋注漿后強度較高，施工方便，灌注成型快，且固化強度有所提高。模袋灌漿技術(shù)包括兩種：單管模袋注漿法和雙管模袋灌漿法。單管模袋注漿法只能形成止水屏障阻擋部分地下水，讓大量高壓地下水改道從其他部位滲流而出；雙管模袋灌漿法有兩根注漿管，一根用于水泥注漿形成模袋封堵地下水，另一根注漿管伸向裂隙部位，然后灌注或集中引排分流孔，引導(dǎo)地下水向分流孔流動，最后依次分散進行封堵。

3.1.4 灌漿封堵分流孔

將主滲流通道封堵完成后，其他部位分流空水量水壓隨之增加，在封堵周邊分流孔時，所有引排孔閥門打開，需由近及遠依次推進，觀察串漿孔漿液達到一定濃度后關(guān)閉串漿孔。灌注方式由淺入深，逐步向深層出水孔擴散填充，實現(xiàn)相當(dāng)深度的封堵巖溶水通道的目的，這樣不僅可以加固圍巖的完整性，而且能夠切斷引水隧洞與地下水的水力聯(lián)系。

3.1.5 最后封堵

當(dāng)其他分流孔封堵完成后，剩余最后一個封堵孔應(yīng)設(shè)置為大且深的分流孔，采取注漿埋管入巖2m以上的深埋鉆孔，為防止高壓水涌出后安裝法蘭盤閥門困難，在封堵其他分流孔之前即應(yīng)該安裝，終孔灌漿開始灌注時，起始壓力宜小于0.4MPa，觀察有無串漿現(xiàn)象，若灌注壓力上升且串冒漿嚴(yán)重時，采用螺旋砂漿泵將摻入一定比例纖維的水泥砂漿進行灌注；若灌注壓力穩(wěn)定且明顯串冒漿時，則在水泥砂漿摻入一定比例水玻璃灌注；當(dāng)壓力持續(xù)上升時，停止添加摻入材料；當(dāng)出水位置分流孔無串冒漿時，可采用比例為0.5～1.0的水泥砂漿，最大壓力為3MPa～4MPa，盡量使水泥漿液擴散，封堵隔離地下水滲流通道。

3.2 灌漿技術(shù)參數(shù)

3.2.1 選擇灌漿壓力

分流孔設(shè)置完成后，經(jīng)現(xiàn)場涌水壓力測試，當(dāng)水壓力小于3MPa時，在選擇灌漿壓力上應(yīng)約為涌水壓力的1.5～2倍；當(dāng)涌水壓力大于3MPa小于6MPa時，灌漿壓力可為用水壓力的1.2～1.5倍；當(dāng)涌水壓力大于6MPa時，灌漿壓力比涌水壓力大3MPa～4MPa即可。

3.2.2 選擇灌注漿液及比例

灌注漿液選用方面應(yīng)以水泥和水泥砂漿為主，必要時輔助纖維、麻絲、水玻璃等輔助材料。水泥漿液采用0.5：1、0.8：1和1：1三種比例，特殊漿液可使用0.8：1的比例。

3.2.3 結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

在設(shè)計灌漿壓力下，當(dāng)吸漿量小于5L/min時，繼續(xù)灌注10min堵漏灌漿即可結(jié)束；第二次當(dāng)吸漿量不大于3L/min時，繼續(xù)灌注10min堵漏灌漿可結(jié)束。灌漿結(jié)束后，采用濃漿置換孔內(nèi)稀漿的方法對灌漿結(jié)束的空洞進行封孔。

3.3 安全質(zhì)量控制方法

3.3.1 地下涌水安全控制

從引水隧洞現(xiàn)場揭露高壓大流量突涌水位置情況來看，采用地下水超前預(yù)報，可以較準(zhǔn)確地獲得較大的水文構(gòu)造，對于水壓小或流量小的涌水位置探測難度較大且準(zhǔn)確性較低。因此，現(xiàn)階段提高涌水突水的預(yù)報準(zhǔn)確性有利于提前定位高壓大流量地下水的位置，采取相應(yīng)預(yù)灌漿加固處理，可以避免隧洞開挖時大流量涌水的情況發(fā)生。當(dāng)遇到大流量涌水時，不應(yīng)貿(mào)然進行堵水，應(yīng)結(jié)合排水通道，保證高壓涌水自然流通，才能有條件處理涌水，確保開挖的順利進行。針對不同揭露涌水形態(tài)和類型，需要采取不同的“擇機封堵”方案，在可能發(fā)生高壓涌水位置需提前預(yù)留泄水孔，避免未提前注漿時隧洞圍巖受高壓水壓力發(fā)生大規(guī)模塌方或涌水。

3.3.2 混凝土襯砌滲水質(zhì)量控制

襯砌滲水不僅影響美觀，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致鋼筋銹蝕，整體力學(xué)性質(zhì)遭到破壞，從而影響隧道安全及使用壽命。因此，首先要優(yōu)化施工縫排水，施工縫橫向施工縫未設(shè)有止水，最易發(fā)生滲水。針對此類情況，可采用在橫向施工縫面預(yù)留一條縱向槽的引后排法及時排出滲水，降低施工縫處水壓力。其次要采用合理的混凝土配比，提高和易性，增強混凝土抗?jié)B性能，降低裂縫產(chǎn)生的概率。

4.引水隧洞高壓涌水處理案例

輔助引水隧洞揭露出的高壓地下水主要存在高壓超前孔出水、鉆孔高壓涌水以及高壓管道涌水三種形態(tài)，根據(jù)不同的高壓出水揭露形態(tài)采用不同封堵方案。

4.1 超前孔出高壓水

當(dāng)超前鉆孔位置出現(xiàn)大流量高壓水時，應(yīng)改變以往直接堵水的思路，首先考慮對高壓大流量地下水進行引排，確保作業(yè)面的施工條件，當(dāng)鉆孔出水位置水量及壓力降低后，考慮安裝止?jié){塞封堵超前孔，然后采用雙液漿進行灌漿封堵。

圖1 分流孔施工示意圖

圖2 涌水處理導(dǎo)洞布置圖

4.2 鉆孔高壓涌水封堵技術(shù)

當(dāng)部分鉆孔位置發(fā)生高壓涌水現(xiàn)象時，應(yīng)在離出水孔2m的位置選擇適當(dāng)角度打設(shè)直徑為64mm的引流孔，在分流孔或炮孔安裝止?jié){塞，如圖1所示。用鋼管引流使掌子面具備施工條件，高壓涌水炮孔選用三臂鉆+非中空止?jié){塞進行封堵，減壓孔選用三臂鉆+中空機械止?jié){塞進行封堵。當(dāng)出水量減少到75%以上后，采用混凝土止水墻封堵掌子面，在隧洞洞壁、掌子面與止水墻相連接部位，使用化學(xué)漿液和水泥漿液封堵，待隧洞止水墻強度達到設(shè)計要求后進行超前注漿封堵。

4.3 高壓管道涌水封堵技術(shù)

當(dāng)管道地下水流量超過1.0m3/s時，直接封堵很難達到止水效果，可設(shè)置內(nèi)埋壓力鋼管的引水導(dǎo)洞處理管道涌水，如圖2所示。首先要在探明地下水補給區(qū)的基礎(chǔ)上，在與引水隧洞管道高壓出水點之間采用鉆爆法開挖引水導(dǎo)洞，引水導(dǎo)洞開挖至一期混凝土堵頭位置時使底板高于管道涌水水面標(biāo)高，安裝鋼管及四通導(dǎo)流管；澆筑一期混凝土堵頭，安裝并打開高壓閥門，采用2個大膜袋、6個小膜袋填塞縫隙；膜袋灌漿后，水位上升進入導(dǎo)流管，由此排出；再施工二期混凝土堵頭，進行鋼筋混凝土襯砌段的擴挖和初期支護以及二襯固結(jié)灌漿，關(guān)閉高壓閥門，高壓灌漿出水點，拆除高壓鋼管，完成封堵。

5.結(jié)論

隧洞地下水處理要根據(jù)高壓地下水高壓超前孔出水、鉆孔高壓涌水和高壓管道涌水揭露形態(tài)，采取不同的止水方案。隧洞掌子面掘進與地下水的處理可同步進行，加快施工進度，使用常規(guī)鉆孔灌漿設(shè)備，漿液材料就能滿足地下水的處理要求，不僅對材料設(shè)備投入要求不高，還可以有效地解決引水隧洞的涌水問題，為后期施工創(chuàng)造條件。