鄂北地區(qū)水資源配置工程隧洞施工涌水分析及處理措施探討

羅應(yīng)貴 劉晟 易曉麗

摘要：涌水是隧洞施工中較為常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一。以鄂北地區(qū)水資源配置工程大竹園隧洞為研究對(duì)象，該隧洞在開(kāi)挖至樁號(hào)214+556時(shí)發(fā)生涌水，最大涌水流量259.3 m3/h，平均涌水流量達(dá)224.2 m3/h，危及施工安全。通過(guò)采取鉆孔排水、超前預(yù)報(bào)、固結(jié)灌漿及管棚超前支護(hù)等處理措施，涌水量降至約87 m3/h，處理效果較好。該涌水處理措施可為隧洞安全施工和涌水處理提供參考。

關(guān)鍵詞：隧洞施工;涌水處理;超前預(yù)報(bào);固結(jié)灌漿;超前支護(hù);鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.008

Abstract： Gushing water is one of the common geological disasters in tunnel construction. Water gushing accident occurred at pile 214+556 of the Dazhuyuan tunnel of North Hubei Water Transfer Project in the tunnel excavation construction，with the maximum gushing water flow of 259.3 m3/h and the average flow of 224.2 m3/h，which endangered the construction safety. By drilling drainage，advance forecast， consolidation grouting and advance pipe-shed support， the water inflow was reduced to about 87 m3/h. The ?treatment method can be referred for tunnel safety construction and gushing water treatment.

Key words： tunneling; water gushing treatment; advance forecast;consolidation grouting; advance support; North Hubei Water Transfer Project

1 基本情況

1.1 隧洞概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鄂北工程”）以丹江口水庫(kù)為水源地，從該水庫(kù)清泉溝取水，自西北向東南穿越襄陽(yáng)市的老河口、襄州區(qū)和棗陽(yáng)市，隨州市的隨縣、曾都區(qū)和廣水市，止于孝感市的大悟縣王家沖水庫(kù)。輸水線(xiàn)路總長(zhǎng)269.67 km，年均引水量7.7億m3，設(shè)計(jì)供水人口482萬(wàn)人，灌溉面積約24.23萬(wàn)hm2（363.5萬(wàn)畝）。

大竹園隧洞為自流無(wú)壓引水隧洞，全長(zhǎng)4.07 km，設(shè)計(jì)引水流量9.5 m3/s，開(kāi)挖斷面為城門(mén)洞型，成洞洞徑5.2 m，埋深15～90 m。隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞沿線(xiàn)發(fā)育兩條斷層帶，施工難度較大，是鄂北工程廣悟段的關(guān)鍵性控制工程之一。

1.2 涌水情況

2019年3月20日，大竹園隧洞開(kāi)挖至樁號(hào)214+556，正在進(jìn)行鋼拱架支護(hù)施工，3月20日02：05時(shí)隧洞樁號(hào)214+553處底板右側(cè)發(fā)生冒水現(xiàn)象，有2處冒水點(diǎn)，相距0.50 m左右，水質(zhì)渾濁。3月21日14：00時(shí)涌水量未見(jiàn)明顯減少，隧洞水深1.50 m。發(fā)生涌水現(xiàn)象后立即抽排，水泵排水量80 m3/h。

依據(jù)2019年3月20日02：05時(shí)至3月21日14：00時(shí)的洞內(nèi)水深及抽排能力，測(cè)算得到樁號(hào)214+553處涌水量Q=726 m（洞長(zhǎng)214+556～213+830）×6 m（洞挖寬度）×1.50 m（洞內(nèi)水深）/36 h +80 m3/h（水泵抽排量）-35 m3/h（施工支洞上游隧洞涌水量）=226.5 m3/h，即q=62.9 L/s。

大竹園隧洞樁號(hào)214+553處洞內(nèi)發(fā)生涌水后，2019年3月23日安排3臺(tái)水泵進(jìn)行抽排（2臺(tái)30 kW、1臺(tái)22 kW），根據(jù)同年4月3日10：20～15：00時(shí)段30 kW水泵流量量測(cè)（總排水量540 m3），30 kW水泵排水量q1=540 m3/4.6 h=118 m3/h，根據(jù)功率推算，22 kW水泵排水量q2=86 m3/h，現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)記錄見(jiàn)表1。從表1中可以看到，3月23日08：30至3月27日08：30涌水量Q=224.2 m3/h，即q=62.3 L/s。

2019年4月4～8日洞內(nèi)積水已基本排完，抽水水泵減少至2臺(tái)（1臺(tái)37 kW、1臺(tái)30 kW），測(cè)得37 kW水泵流量107 m3/h，30 kW水泵流量86 m3/h。測(cè)算得到樁號(hào)214+553處涌水量Q=107 m3/h+86 m3/h-35 m3/h（施工支洞上游隧洞涌水量）=158 m3/h，即q=43.9 L/s。

2019年4月14日，洞內(nèi)涌水量進(jìn)一步減小，抽水水泵減少至1臺(tái)，涌水量降至約87 m3/h。根據(jù)施工單位同年4月11～17日大竹園支洞突水臺(tái)賬，施工支洞排水量見(jiàn)表2。

綜上，2019年3月20日至4月17日大竹園隧洞樁號(hào)214+553～214+556處涌水量隨著時(shí)間推移逐漸減少。

1.3 隧洞工程地質(zhì)情況

（1）地形地貌。隧洞沿線(xiàn)地面高程121.6～207.6 m，相對(duì)高差約85.0 m，為低山丘陵地形。洞線(xiàn)樁號(hào)212+540～212+680、212+830～212+980段地表為河谷低洼地，高程約125.0 m，河谷走向與隧洞軸線(xiàn)平行，河谷常年有水流入先覺(jué)廟水庫(kù)，水庫(kù)正常蓄水位107.0 m;214+550～214+650段穿越?jīng)_溝，溝底高程約137.0 m，沖溝走向與隧洞軸線(xiàn)垂直，洞線(xiàn)南西側(cè)沖溝里有水塘分布，水塘水位高程約143.3 m;樁號(hào)215+300及215+750處地表為沖溝，溝底高程分別約為152.7 m和172.0 m，沖溝走向與隧洞軸線(xiàn)近垂直，溝內(nèi)有小水塘分布，沖溝無(wú)常年流水。隧洞出口為張家橋河，河床高程約105.0 m，河谷走向與隧洞軸線(xiàn)交角約45°，河谷常年有水流入徐家河水庫(kù)，水庫(kù)正常蓄水位72.0 m。

（2）地層巖性。隧洞樁號(hào)214+010～215+450穿越的地層為震旦-青白口系白兆山組上段（Z2b2），主要為石英鈉長(zhǎng)黑云片巖和鈉長(zhǎng)綠泥片巖。

（3）地質(zhì)構(gòu)造。工程區(qū)大地構(gòu)造處于秦嶺褶皺系（I）南秦嶺冒地槽褶皺帶（I1）隨州應(yīng)山復(fù)背斜（I13）應(yīng)山褶皺束（I13-1）。大竹園隧洞位于張家橋倒轉(zhuǎn)復(fù)式向斜次一級(jí)構(gòu)造——大竹園倒轉(zhuǎn)向斜。大竹園隧洞區(qū)域構(gòu)造見(jiàn)圖1。

大竹園倒轉(zhuǎn)向斜走向290°左右，北翼向S倒轉(zhuǎn)，核部北西端揚(yáng)起，向南東傾伏。向斜核部地層為震旦-青白口系白兆山組上段（Z2b2）石英鈉長(zhǎng)黑云片巖、鈉長(zhǎng)綠泥片巖，兩翼地層為震旦-青白口系白兆山組下段（Z2b1）中厚層大理巖、大理巖夾薄層鈉長(zhǎng)綠泥片巖和震旦-青白口系岔河組（Z2c）綠簾鈉長(zhǎng)黑云片巖。巖層及片理產(chǎn)狀330°～41°∠8°～37°、局部87°～98°∠26°～42°。

（4）水文地質(zhì)條件。隧洞沿線(xiàn)巖性多樣，地下水類(lèi)型較為豐富。片巖段主要為基巖裂隙水，水量較貧乏且不均衡，主要靠大氣降水補(bǔ)給，溝河為其排泄基準(zhǔn)面。砂巖段以孔隙水為主，砂巖總體厚度較小，水量有限，其上下均為片巖隔水層，部分段具有承壓水性質(zhì)，主要靠大氣降水補(bǔ)給，溝河為其排泄基準(zhǔn)面。大理巖夾片巖段以溶蝕孔隙水、溶蝕裂隙水為主，水量較為豐富，但受含水層厚度及補(bǔ)給條件限制，總體水量有限，其上下均為片巖隔水層，部分段有具承壓水性質(zhì)，主要靠大氣降水補(bǔ)給，溝河為其排泄基準(zhǔn)面。

（5）圍巖評(píng)價(jià)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已開(kāi)挖及施工階段地質(zhì)測(cè)繪成果，隧洞214+535～214+660為Ⅴ類(lèi)圍巖，主要為強(qiáng)-弱風(fēng)化納長(zhǎng)綠泥片巖，裂隙、片理發(fā)育，片理結(jié)合極差，片理產(chǎn)狀21°∠35°。地表為沖溝，風(fēng)化帶，地下水較活躍，可見(jiàn)線(xiàn)狀流水，傾角較緩，圍巖極不穩(wěn)定。

2 涌水原因分析

通過(guò)前期地質(zhì)資料、地質(zhì)測(cè)繪、地面物探、TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等對(duì)大竹園隧洞涌水進(jìn)行分析。

（1）地質(zhì)測(cè)繪。地表地質(zhì)測(cè)繪發(fā)現(xiàn)沖溝（樁號(hào)214+550～214+650）內(nèi)水塘岸邊發(fā)育斷層F2，斷層產(chǎn)狀355°∠52°，斷層破碎帶地表寬度30～110 cm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪及推測(cè)，涌水處（樁號(hào)214+553～214+556）與斷層的水平距離分別約為80 m（地表）和50 m（洞底板高程）。根據(jù)斷層產(chǎn)狀投影顯示，隧洞開(kāi)挖至樁號(hào)214+630左右揭露斷層F2，推測(cè)該斷層向下穿透隔水片巖進(jìn)入大理巖區(qū)。

（2）地面物探。采用高密度電法勘探。樁號(hào)214+450～214+630段圍巖節(jié)理發(fā)育，地下水為基巖裂隙水，水量大。樁號(hào)214+630～214+650段隧洞通過(guò)斷層F2，斷層向深部延伸，傾角較大（剖面上視傾角約68°），推測(cè)隧洞涌水應(yīng)為該斷層切穿深部導(dǎo)水地層或構(gòu)造引起。隧洞軸線(xiàn)高密度電法視電阻率斷面見(jiàn)圖2。

（3）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（TSP）。樁號(hào)214+535～214+572段為強(qiáng)風(fēng)化納長(zhǎng)片巖，屬軟質(zhì)巖，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，以風(fēng)化易剝離的片理面和構(gòu)造節(jié)理為主，巖體完整性差，巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu);樁號(hào)214+594～214+633段為強(qiáng)風(fēng)化納長(zhǎng)片巖，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，以風(fēng)化易剝離的片理面和構(gòu)造節(jié)理為主，巖體完整性差，巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部碎裂結(jié)構(gòu)。TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)REC巖石參數(shù)變化情況見(jiàn)圖3。

綜合地表地質(zhì)測(cè)繪、地質(zhì)素描、前期地質(zhì)資料、地面物探及TSP成果，已開(kāi)挖洞段樁號(hào)214+535（發(fā)生冒頂險(xiǎn)情）～214+556（涌水處掌子面）段圍巖為震旦-青白口系白兆山組上段（Z2b2）薄層鈉長(zhǎng)綠泥片巖，呈強(qiáng)～弱風(fēng)化，屬軟質(zhì)巖，片理傾角較緩，節(jié)理裂隙、片理發(fā)育，巖體完整性差，洞壁滴水，局部有線(xiàn)狀流水現(xiàn)象，屬Ⅴ類(lèi)圍巖，圍巖極不穩(wěn)定，地下水為基巖裂隙水。隧洞掌子面（樁號(hào)214+556）前方樁號(hào)214+600～214+650段巖體呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部碎裂結(jié)構(gòu)，發(fā)育有斷層，斷層貫穿下部地層并延伸至地表，具富水性。根據(jù)樁號(hào)214+606處鉆孔AZK2224地下水位高程136.64 m，可知涌水處（樁號(hào)214+553～214+556）隧洞底板高程地下水埋深大于30 m，由隧洞底板下部地層（Z2b1大理巖）至隧洞底板到地表，壓力水頭逐漸減少。

綜合上述分析，大竹園隧洞樁號(hào)214+553～214+556處出現(xiàn)較大涌水現(xiàn)象，地下水來(lái)源于震旦-青白口系白兆山組下段（Z2b1）大理巖巖溶孔隙、裂隙儲(chǔ)存的地下水，承壓水沿?cái)鄬覨2破碎帶上升至淺部，然后貫穿片巖中的節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面薄弱部位形成通道，從開(kāi)挖后洞室底板附近涌出。從涌水時(shí)間和涌水點(diǎn)多處等情況分析，涌水通道應(yīng)該是分散的，而非集中管道式連通。

3 處理方法

3.1 管理措施

3.1.1 加強(qiáng)排水

（1）洞內(nèi)抽水。在涌水點(diǎn)（214+553）附近設(shè)置2孔Φ108排水孔引排，排水孔為深5 m鋼花管，排水孔間距50 cm。在樁號(hào)214+553底板右側(cè)設(shè)置集水坑，集水坑尺寸1 m×1 m×1 m，采用水泵進(jìn)行抽排，大竹園隧洞洞內(nèi)水泵抽排情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，達(dá)到降低承壓水壓力、減少洞內(nèi)積水的目的，抽水時(shí)間為5個(gè)月。后期混凝土襯砌施工時(shí)，用混凝土將集水坑回填。

（2）布置超前鉆孔排水。大竹園隧洞正在施工的進(jìn)口作業(yè)面、出口作業(yè)面以及支洞下游作業(yè)面前方都將會(huì)遇到震旦-青白口系白兆山組下段（Z2b1）中厚層大理巖夾片巖含水層，通過(guò)在掌子面或涌水處布置一定長(zhǎng)度的超前鉆孔，將水集中引排，減小開(kāi)挖面滲水量。優(yōu)點(diǎn)是使大部分地下水沿鉆孔集中排出，即可改善掌子面前后的惡劣地下水環(huán)境[1] ，缺點(diǎn)是影響施工速度。

（3）洞頂水系截?cái)?。因洞頂水塘距離隧洞較近，且F2斷層從水塘中部穿過(guò)，隧洞施工期間對(duì)洞頂水塘進(jìn)行放空處理。

3.1.2 安全監(jiān)測(cè)

在214+555～214+700范圍內(nèi)，每隔10 m布置1個(gè)收斂監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置14個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、70個(gè)收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)。施工期圍巖收斂位移應(yīng)小于洞室開(kāi)挖洞徑的0.6%。

3.1.3 TSP

TSP是一種地下工程的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)。TSP最突出的優(yōu)點(diǎn)是能探測(cè)開(kāi)挖面前方150 m范圍內(nèi)地質(zhì)條件的變化， 且不影響正常施工[2]。采用TSP法進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，可分析前方圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、軟弱巖層以及含水狀況，并為改進(jìn)施工方法、調(diào)整施工工藝提供理論參考。

根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪及物探成果，F(xiàn)2斷層于隧洞前方斜切洞軸線(xiàn)，其上部與地表塘堰連通，下部連通大理巖承壓含水層，本次涌水已釋放部分水壓，橫穿斷層處下方出現(xiàn)大涌水可能性較低，但上方與塘堰連通，塘堰蓄水則極有可能擊穿斷層并沿?cái)鄬影l(fā)生突涌。因此，在隧洞施工至樁號(hào)214+600時(shí)，在掌子面采用復(fù)頻電導(dǎo)率（CFC）法預(yù)報(bào)前方水量情況，同時(shí)布置超前鉆孔排水。

3.2 工程措施

3.2.1 洞壁固結(jié)灌漿

灌漿法是目前國(guó)內(nèi)外隧洞工程中應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟、最常用[3]的一種方法，特別適用于水下隧洞、高水壓地區(qū)及含水的斷層破碎帶[4]。

在樁號(hào)214+545～214+555洞段范圍設(shè)置7排、每排9孔的固結(jié)灌漿孔，灌漿孔深5 m，間排距1.5 m，梅花形布置，灌漿壓力分級(jí)進(jìn)行，最大灌漿壓力1.5 MPa。

灌漿按環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則進(jìn)行，環(huán)間采用兩序，按照距離涌水點(diǎn)由遠(yuǎn)到近的順序進(jìn)行施工，即同一斷面灌漿從左側(cè)洞壁最低一孔開(kāi)始，向頂拱及右側(cè)洞壁依次加密施工。

灌漿采用孔內(nèi)循環(huán)式灌漿，灌漿水灰比為5，3，2，1，0.5，0.6，0.5等7個(gè)級(jí)別。當(dāng)某一級(jí)別水灰比漿液灌入量達(dá)到300 L而灌漿壓力及吸漿量均改變或改變量不顯著時(shí)，采用濃一級(jí)水灰比灌注。當(dāng)某一級(jí)吃漿量大于30 L/min時(shí)，可根據(jù)具體情況適當(dāng)越級(jí)提高灌漿濃度。

在設(shè)計(jì)壓力下，灌漿段的吸漿量不大于1 L/min，再繼續(xù)灌注30 min即可結(jié)束;群孔灌漿考慮一次灌注的總段長(zhǎng)再確定。

3.2.2 管棚超前支護(hù)

根據(jù)掌子面的地質(zhì)條件及滲水情況，對(duì)掌子面進(jìn)行超前管棚及超前預(yù)注漿支護(hù)。

隧洞樁號(hào)214+555～214+700范圍內(nèi)，掌子面設(shè)超前水平鉆孔作為超前地質(zhì)探孔，探孔孔徑90 mm，孔深30 m，搭接長(zhǎng)度10 m。隧洞樁號(hào)214+555～214+700段設(shè)置7排共112孔Φ108管棚進(jìn)行超前支護(hù)，管棚布置范圍為頂拱120°，上傾角3°～5°，間距40 cm，單排長(zhǎng)30 m，排間搭接長(zhǎng)度10 m。隧洞樁號(hào)214+555～214+700段進(jìn)行隧洞掌子面超前預(yù)注漿加固，超前注漿共7排，每排設(shè)4孔，外擴(kuò)角10°，單排孔長(zhǎng)30 m，搭接長(zhǎng)度10 m。

管棚灌漿及掌子面預(yù)注漿的注漿材料均為水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力1.5～2.0 MPa，施工前進(jìn)行灌漿試驗(yàn)以確定灌漿參數(shù)。

3.2.3 隧洞開(kāi)挖支護(hù)

（1）開(kāi)挖支護(hù)。214+535～214+700段長(zhǎng)165 m，圍巖類(lèi)別為Ⅴ類(lèi)，隧洞斷面為城門(mén)洞形，開(kāi)挖尺寸為5.60 m×5.95 m，初期支護(hù)為I18型鋼拱架（間距50 cm）+噴射20 cm厚C25混凝土+Φ22系統(tǒng)錨桿（L=3 m、間排距1.0 m梅花形布置）+掛鋼筋網(wǎng)（Φ8@15×15 cm）+鎖腳錨桿。后期隧洞過(guò)水全斷面襯砌60 cm厚鋼筋混凝土，每10 m設(shè)環(huán)向縫，設(shè)置651型橡膠止水。

二襯混凝土澆筑前對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行引排、封堵，先采用排水管對(duì)集中涌水點(diǎn)涌水外排，排水管口設(shè)閥門(mén)，澆筑完畢封堵混凝土后，再關(guān)閉排水管閥門(mén)完成涌水點(diǎn)封堵。

根據(jù)地質(zhì)情況，在樁號(hào)214+555～214+575段及214+620～214+660段設(shè)置反拱，反拱厚20 cm，并設(shè)I18型反拱拱架與初襯拱架封閉成環(huán)，在開(kāi)挖實(shí)施過(guò)程中根據(jù)揭露的地質(zhì)條件適當(dāng)調(diào)整反拱樁號(hào)。

（2）回填灌漿和固結(jié)灌漿?；靥罟酀{在襯砌混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后進(jìn)行，沿隧洞軸線(xiàn)頂拱120°范圍內(nèi)布置灌漿孔，每排2～3個(gè)孔，矩形布置。灌漿孔在預(yù)埋管中鉆孔，鉆孔直徑為40 mm，鉆孔深入圍巖5～10 m以上，灌漿壓力為0.3 MPa，灌漿材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿。

固結(jié)灌漿在回填灌漿結(jié)束后7 d后進(jìn)行，設(shè)置灌漿孔每排8孔，間排距3 m，孔位對(duì)稱(chēng)布置。灌漿孔在預(yù)埋管中鉆孔，孔深進(jìn)入圍巖3 m。灌漿壓力取0.3～0.5 MPa，灌漿材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以大竹園隧洞為例，分析了隧洞涌水的原因，通過(guò)采用加強(qiáng)排水、固結(jié)灌漿、管棚支護(hù)及超前預(yù)報(bào)等措施，對(duì)涌水地段進(jìn)行處理，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，取得了較好效果。隧洞安全通過(guò)了涌水地段，為今后隧洞涌水處理積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳靜，葛浩然. 洞室施工中巖溶及地下水富集區(qū)的預(yù)測(cè)和處理[J]. 云南水力發(fā)電，2007，23（1）：38-41.

[2] 揣連成，杜士斌，卜麗華. 隧洞工程涌水處理的對(duì)策和措施[J]. 水利水電技術(shù)，2005，36（5）：53-55.

[3] 余積新. 梨樹(shù)灣隧道巖溶涌水的處理[J]. 鐵道建筑，2005（7）：43-45.

[4] 鄒靜嫻，許模，楊艷娜. 隧道施工涌突水處理方法綜述[J]. 地下水，2010，32（2）：162-163.

（編輯：唐湘茜）