新建輸水隧洞受地下水影響下支護(hù)方式的改進(jìn)分析

李萬金

(新疆水利水電項(xiàng)目管理有限公司，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某新建輸水隧洞全長5.32 km，為無壓洞，輸水流量 0.37 m3/s，開挖斷面形式3.0 m×3.3 m 城門洞型，襯砌形式為鋼筋砼厚 0.3和0.35 m 兩種，設(shè)計(jì)底坡1/2 000。 輸水隧洞穿越的地層巖性主要為砂巖、礫巖及粉質(zhì)黏土，初步勘察圍巖類別為II～V類，其中輸水隧洞進(jìn)出口段圍巖類別為 V 類，里程分別為隧0+040.00～隧0+280.00 m、隧4+630.00～隧 5+360.00 m，共計(jì)長度為 970 m。隧洞穿越II、III類圍巖洞段，巖性為弱風(fēng)化中礫巖、微風(fēng)化泥灰質(zhì)砂巖，巖石屬于中硬巖-硬巖，隧洞巖性較好，地下水對(duì)施工影響較小。隧洞工程區(qū)地下水類型為第四系孔隙水及基巖裂隙水，在進(jìn)出口洞段?？辈熨Y料表明，隧洞進(jìn)口段地下水位為 667.5～668.5 m，高于隧洞進(jìn)口底板高程，施工期間地下水對(duì)施工影響較大，應(yīng)考慮排水及圍巖支護(hù)措施[1-2]。因此,本文針對(duì)輸水隧洞進(jìn)出口段圍巖類別為V類圍巖隧洞施工中的涌水量、支護(hù)及排水措施進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及研究[3]，供今后隧洞施工時(shí)作為參考。

2 地下水處理

2.1 涌水量計(jì)算

經(jīng)對(duì)輸水工程線路沿線走訪踏勘，該新建輸水隧洞(隧洞長5.32 km，最大埋深374 m)的隧洞洞身長、埋深大，地層巖性較繁多、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，沿線穿越河流及溝谷較多，地下水對(duì)隧洞施工的影響較大。本文針對(duì)輸水隧洞進(jìn)出口段圍巖類別為V類的隧洞施工中涌水量，采用大氣降水入滲估算法、正常涌水量經(jīng)驗(yàn)公式及最大涌水量經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行涌水量計(jì)算[4-6]。

1) 大氣降水入滲法。公式如下：

Q=aFP/365

(1)

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，計(jì)P=1 058 mm。

2) 正常涌水量經(jīng)驗(yàn)公式。公式如下：

Q=LkH(676-0.06k)

(2)

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。公式如下：

Q=L(0.025 5+1.922 4kH)

(3)

式中：各物理量含義同式(2)。

現(xiàn)根據(jù)上述3種公式計(jì)算輸水工程線路該隧洞的施工涌水量，見表1。

表1 輸水隧洞的施工涌水量估算表

2.2 現(xiàn)場(chǎng)涌水量量測(cè)

工程隧洞底板高程低于附近村莊河道及居民水井高程(表2)，再加上隧洞巖石裂隙較為發(fā)育，隧洞開挖后，附近村民水井、河道水位均下降，水流流向隧洞內(nèi)，洞內(nèi)滲水、涌水量大，最大涌水量達(dá)到 504 m3/h。隧洞內(nèi)涌水量通過污水泵外抽，流量計(jì)量測(cè)，結(jié)果見表3。

表2 輸水隧洞進(jìn)出口高程值

表3 輸水隧洞施工涌水量統(tǒng)計(jì)

采用流量計(jì)測(cè)得水量與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的隧洞施工涌水量值大致相同，進(jìn)出口段涌水量多，開挖后工程區(qū)附近河道、水井水位下降，嚴(yán)重影響河道、水井水量，也影響了隧洞正常施工，花費(fèi)了大量的財(cái)力、人力和物力來處理地下水和加固圍巖，同時(shí)也影響了施工進(jìn)度。本文除采用常規(guī)地下水處理措施外，重點(diǎn)對(duì)隧洞支護(hù)進(jìn)行研究。

2.3 地下水處理措施及效果

2.3.1 地下水處理措施

按照“封、堵、截、排”的原則，對(duì)隧洞進(jìn)出口地下水進(jìn)行處理，具體處理措施如下[7-8]：

1) 進(jìn)出口開挖及地下水處理應(yīng)遵循“先探后掘、以堵為主、堵排結(jié)合、可控排放、擇機(jī)封堵”的原則。

2) 進(jìn)出口段開挖前應(yīng)采用超前孔探明掌子面前方地下水的活動(dòng)規(guī)律，測(cè)定漏水量、壓力，防止突然涌水。

3) 將補(bǔ)給水源(河道、水井)截?cái)?，利用橫向排水通道、側(cè)導(dǎo)洞、集水井、抽水泵、打探孔或平行支洞等手段排除地下水，降低地下水位及封堵難度。

4) 采用超前固結(jié)灌漿等手段降低其滲透性或形成帷幕阻水。

5) 對(duì)出口段的開挖，應(yīng)根據(jù)探明或揭露的地下水分布情況，分別采用超前灌漿、堵水灌漿或先分流導(dǎo)水后期封堵灌漿等措施，以免影響隧洞掘進(jìn)進(jìn)度。

2.3.2 處理效果分析

經(jīng)過以上地下水處理措施處理后，施工過程中隧洞內(nèi)沒用出現(xiàn)較大的涌水及突泥情況，洞壁有滲水，進(jìn)出口呈線狀流水，水量較小，處理效果顯著。再次采用流量計(jì)量測(cè)隧洞進(jìn)出口處水量情況，結(jié)果見表4。

表4 處理前后進(jìn)出口涌水量對(duì)比表

3 支護(hù)型式改進(jìn)

3.1 原支護(hù)型式

進(jìn)口V類圍巖洞段、出口V類圍巖洞段(隧5+155.00～隧5+360.00)長205 m，原支護(hù)采用“注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)+工12.6鋼拱架噴10 cm砼+C25鋼筋砼厚35 cm”，出口V類圍巖洞段(隧4+630.00～隧5+155.00)長525 m，原支護(hù)采“網(wǎng)噴砼厚10 cm+砂漿錨桿+C25 鋼筋砼厚 30 cm”，支護(hù)方式見圖1。

施工中存在的問題：①開挖后洞頂巖體破碎掉塊，地下水涌入隧洞，使邊墻巖體變軟，排水后隧洞圍巖仍坍方嚴(yán)重；②原支護(hù)措施網(wǎng)噴砼掛網(wǎng)困難，噴砼隨巖體掉下；③工12.6鋼支撐剛度小，其強(qiáng)度不能維持圍巖穩(wěn)定，使斷面變形嚴(yán)重，噴10 cm砼不能與襯砌緊密結(jié)合。

3.2 改進(jìn)的支護(hù)措施

隧洞進(jìn)出口 V 類圍巖洞段改進(jìn)支護(hù)措施有兩種：第一種在出口V類圍巖洞段(隧4+630.00～隧5+155.00 m)改進(jìn)為“注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)+工14鋼拱架噴 14 cm砼+系統(tǒng)錨桿+C30鋼筋砼40 cm”；第二種在進(jìn)口段、出口V類圍巖洞段(隧5+155.00～隧5+360.00)改進(jìn)為采用工14鋼支撐結(jié)合系統(tǒng)錨桿支護(hù)，噴C20砼14 cm厚，襯砌厚度加大為50 cm，并結(jié)合超前高壓預(yù)灌漿進(jìn)行掘進(jìn)，局部掉塊嚴(yán)重地段掛鋼筋網(wǎng)，高外水頭洞段考慮排水后進(jìn)行固結(jié)灌漿。改進(jìn)后的支護(hù)措施見圖2[9]。

圖2 改進(jìn)后的支護(hù)措施圖

支護(hù)方式改進(jìn)后，對(duì)隧洞進(jìn)出口開挖洞段及時(shí)支護(hù)，可以保證圍巖穩(wěn)定，斷面變形也隨之變小。盡管在工程投資上因鋼支撐、鋼筋砼及固結(jié)灌漿量的增加而增大，但是改進(jìn)的支護(hù)措施不僅保證了開挖后圍巖穩(wěn)定時(shí)間，確保了施工安全，而且因施工進(jìn)度加快，縮短了工期，可以加快工程效益[10]。

3.3 工程投資對(duì)比和效益分析

3.3.1 投資對(duì)比

新建輸水隧洞工程建設(shè)總投資4 400萬元，支護(hù)措施改進(jìn)后增加工程投577.51萬元。主要增加投資體現(xiàn)在鋼支撐、鎖腳錨桿、鋼筋砼、固結(jié)灌漿等工程量方面，同時(shí)還有新增加的超前支護(hù)措施(超前小導(dǎo)管、超前灌漿孔等)，占總投資的 13.1%。支護(hù)形式改變前后工程量變化的項(xiàng)目情況見表5和圖4。

根據(jù)表3和圖4結(jié)果對(duì)比可知，支護(hù)措施改進(jìn)后，除Φ6.5鋼筋網(wǎng)制作及安裝費(fèi)用比原來減少16.16萬元，其余投資比原來均有所增加。鋼支撐投資增加122.63萬元，這是由于采用鋼支撐代替掛網(wǎng)錨噴C20砼的支護(hù)方式；同時(shí)，石方洞挖、鋼筋砼的投資增加均在100萬以上，超前支護(hù)措施投資增加35萬左右，固結(jié)灌漿投資增加30萬元，支護(hù)組合形式改進(jìn)后比改進(jìn)前增加577.51萬元。改進(jìn)后的支護(hù)設(shè)計(jì)在很大程度上解決了該隧洞開挖后因巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、圍巖破碎導(dǎo)致的洞頂坍塌、掉塊及開挖過程中遇到的涌水、突泥導(dǎo)致隧洞變形破壞問題，改進(jìn)效果顯著。盡管支護(hù)形式的改進(jìn)增加了工程投資，但使得工程施工更安全，工程進(jìn)度加快。支護(hù)改進(jìn)的合理與否，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行工程效益分析[11]。

表5 支護(hù)形式改變前后工程量及投資變化對(duì)比表

圖3 改進(jìn)前后的主要工程量投資對(duì)比表

3.3.2 效益分析

該輸水隧洞輸水流量 0.37 m3/s，全年總供水量1 166.8 m3，主要供水范圍為平泉縣城中心城區(qū)，供水對(duì)象為居民生活用水、公用建筑、工業(yè)企業(yè)、市政公共設(shè)施以及瀑河生態(tài)及景觀用水。規(guī)劃城區(qū)近期、遠(yuǎn)期人口分別為13和20萬人，平泉縣水資源現(xiàn)狀已經(jīng)不能滿足當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)及人民生活所需，因此該輸水隧洞供水迫在眉睫。采用改進(jìn)的支護(hù)形式投資比原投資增加557.51萬元，加上地下水抽水、排水等各種處理措施，投資增加約650萬元。但是若按平均1.5元/m3水費(fèi)計(jì)，輸水提前完成4個(gè)月時(shí)間，便可產(chǎn)生650萬元的效益。施工期，因排水支護(hù)措施增加的投資效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于運(yùn)行期產(chǎn)生的效益；相反，如因地下水影響施工使得工期延長，會(huì)產(chǎn)生更多的費(fèi)用。

4 結(jié)論與建議

該輸水隧洞已經(jīng)施工完畢，實(shí)際施工中的支護(hù)形式與本文改進(jìn)的支護(hù)措施存在差異。本文是作者在施工期間查閱讀大量專著、規(guī)范，并根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的支護(hù)形式，經(jīng)過驗(yàn)證是可行的，現(xiàn)得到以下結(jié)論：

1) 長輸水隧洞施工中，地下水涌水、涌泥等不良地質(zhì)問題的處理會(huì)花費(fèi)較長的時(shí)間，也會(huì)投入較多的人力、財(cái)力和物力，因此在施工前應(yīng)花費(fèi)更多的時(shí)間進(jìn)行地質(zhì)勘查。

2) 長輸水隧洞在地質(zhì)勘查期間，由于隧洞埋深較大，不能完全準(zhǔn)確地確定工程地質(zhì)條件。因此在設(shè)計(jì)中，對(duì)Ⅴ類及不良地質(zhì)洞段應(yīng)采取一定的排水、排泥沙及圍巖支護(hù)措施，并計(jì)入工程投資。

3) 改進(jìn)的支護(hù)措施可有效解決因地下水作用造成隧洞圍巖洞頂及邊墻坍塌、掉塊問題，保證了圍巖穩(wěn)定，確保了施工人員和設(shè)備的安全。

4) 該輸水隧洞若采用改進(jìn)后的支護(hù)措施，通水后帶來的效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于施工期間因改進(jìn)的支護(hù)措施產(chǎn)生的費(fèi)用，提前進(jìn)入供水會(huì)解決平泉縣水資源供水不足現(xiàn)狀，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。