引水工程輸水隧洞掘進(jìn)中的涌水與治理

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司，430022，武漢）

一、工程概況

南渡江引水工程為海南省?？谑兄形鞑恐鞒菂^(qū)供水工程，通過(guò)在南渡江設(shè)置攔河閘壩及提水泵站提水至高地后通過(guò)箱涵、渡槽及隧洞自流輸送至永莊水庫(kù)。輸水線路采用有壓+無(wú)壓輸水方式，為避免大開挖對(duì)環(huán)境的破壞，輸水線路穿越雷瓊地質(zhì)公園段，該段采用隧洞輸水。輸水隧洞全長(zhǎng)12.96 km,全程采用無(wú)壓洞型式，城門洞形斷面，設(shè)計(jì)最大開挖斷面為4.4 m×4.6 m（寬×高）。根據(jù)本線路水源點(diǎn)、受水點(diǎn)及沿線控制點(diǎn)高程特點(diǎn)，采取無(wú)壓重力自流輸水。

1.水文地質(zhì)特性

該工程地處玄武巖風(fēng)化臺(tái)地和南渡江河口三角洲沖洪積平原，地下水主要為基巖裂隙水和風(fēng)化土及南渡江兩岸河流沖積層中的孔隙性潛水，隨地形起伏變化，局部深部地下水具承壓水，承壓水頭高出地面約0.20 m。工程地質(zhì)以玄武巖為主，部分洞段為殘坡積粉質(zhì)黏土層、全風(fēng)化生物碎屑巖。根據(jù)初步設(shè)計(jì)顯示，隧洞段Ⅲ類圍巖主要為弱風(fēng)化玄武巖、Ⅳ圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，呈碎裂巖體結(jié)構(gòu)，主要為碎石夾土狀，Ⅴ類圍巖主要為全風(fēng)化玄武巖、粉質(zhì)黏土等。

2.隧洞掘進(jìn)中遇到的困難

由于洞身位于地下水水位以下，施工受地下水影響較大。玄武巖地層透水性強(qiáng)，開挖后掌子面滲水量大。部分強(qiáng)風(fēng)化玄武巖地層巖體破碎，在無(wú)法承受地下水壓力的情況下圍巖被擊穿，造成大量地下水涌入。在全風(fēng)化玄武巖、粉質(zhì)黏土地層，土體內(nèi)含砂量高，開挖后圍巖自穩(wěn)能力差，在受到滲、涌水作用下，發(fā)生突水、突泥現(xiàn)象，對(duì)隧洞施工安全、進(jìn)度造成極大影響。

3.解決思路

為解決以上不良地質(zhì)條件下的施工難題，首先要詳細(xì)掌握本區(qū)域水文地質(zhì)特點(diǎn)，進(jìn)一步分析突水、涌泥發(fā)生的機(jī)理，然后采取超前預(yù)防、超前支護(hù)措施以及降、排水綜合防治。

二、突水涌泥分析及影響

突涌水分為兩種：一是裂隙（溶隙）突涌水，二是構(gòu)造帶突涌水，其突水機(jī)理存在較大的區(qū)別。

1.裂隙（溶隙）突涌水

地下水從掌子面局部節(jié)理以及裂隙之中涌出，因?yàn)榱严叮ㄈ芟叮┖橘|(zhì)的過(guò)水、蓄水能力較差，因此涌水水量、水壓均不高，但在滲涌水的作用下，掌子面無(wú)法完成快速封閉。本隧洞#3上游洞段為弱風(fēng)化玄武巖地層，透水性強(qiáng)，掌子面在揭露后有滲水，汛期滲水量迅速增大，對(duì)施工造成較大影響。

2.構(gòu)造帶突涌水

掌子面前方構(gòu)造帶中存在大量的地下水，因?yàn)樗?、水壓均較大，一旦隔水層達(dá)到承壓極限出現(xiàn)破壞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大量地下水涌出，造成突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害。本隧洞#3下游洞段圍巖為弱風(fēng)化玄武巖，局部為風(fēng)化夾層完整性較差，掌子面右側(cè)風(fēng)化夾層曾被地下水擊穿，屬于典型的構(gòu)造帶突涌水。

三、突涌水預(yù)防和治理

1.超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

本隧洞采用探地雷達(dá)法，選用世界上技術(shù)領(lǐng)先的LTD—2100型探地雷達(dá)，探測(cè)中使用了GC100MHz頻率屏蔽天線，時(shí)窗設(shè)置為600 ns，對(duì)掌子面前方20 m地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)。通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，大大提高了對(duì)圍巖狀態(tài)、特性的判定，為施工超前謀劃支護(hù)方案、采取更加科學(xué)合理的開挖方式奠定基礎(chǔ)。

2.因地制宜分類治理

（1）玄武巖地層

裂隙（溶隙）型掌子面突涌水進(jìn)行防治時(shí)，若是出水量小且分散，則應(yīng)將重點(diǎn)放在排水上，施工時(shí)可帶水作業(yè)，一切以掘進(jìn)為主；若是出水量大且集中，則必須以堵為主、超前封堵，利用頂水注漿方式。本隧洞采取超前灌注水泥漿，每循環(huán)超前長(zhǎng)度20 m，通過(guò)掌子面超前注漿，有效減少掌子面滲水，為開挖支護(hù)提供了良好、安全的施工環(huán)境。

構(gòu)造帶型掌子面突涌水進(jìn)行防治時(shí)，必須保證有足夠厚度隔水層能夠有效承受裂隙水壓力，或?qū)⒍瓷硪酝獾牡叵滤M(jìn)行封堵攔截，減小地下水對(duì)洞身圍巖壓力。在南渡江引水工程隧洞#3下游洞段發(fā)生突涌水后，由于涌水量過(guò)大，無(wú)法在洞內(nèi)實(shí)施堵水。經(jīng)組織專家探討，采取對(duì)涌水點(diǎn)一定范圍實(shí)施地面帷幕灌漿，形成四周帷幕墻止水，洞內(nèi)涌水量變小后，在涌水處砌筑止?jié){墻實(shí)施洞內(nèi)注漿，有效將涌水點(diǎn)封堵。

（2）玄武巖與富水黏土結(jié)合地層

本工程新增#4支洞地質(zhì)屬于富水殘坡積粉質(zhì)黏土和含泥砂層為主的洞段，屬于V類圍巖，洞身位于地下水水位以下，洞室圍巖整體穩(wěn)定性較差。在涌水作用下，掌子面曾發(fā)生大體積塌方、突泥，洞身被埋約80 m，嚴(yán)重影響進(jìn)度和安全，必須采取必要措施進(jìn)行防治。通過(guò)組織技術(shù)專家討論，針對(duì)軟土及含砂層特點(diǎn)，采取防護(hù)與治理相結(jié)合的原則進(jìn)行處理。

采用地表帷幕灌漿方案，于涌水點(diǎn)四周采取地表垂直灌漿，對(duì)涌水點(diǎn)外圍來(lái)水進(jìn)行堵截。帷幕灌漿頂高程以高于地下水水位1m控制，底高程以深入相對(duì)不透水層 （粉質(zhì)黏土層）1 m控制。帷幕灌漿按照兩排帷幕布置，鉆孔間距2 m，排間距1 m。根據(jù)地質(zhì)條件，采用水泥—水玻璃漿液灌漿，注漿壓力為0.2～0.5 MPa，水泥和水玻璃漿液體積比 1∶0.1～1∶1，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)地層可注性，適當(dāng)調(diào)整水玻璃用量，以保證灌漿效果。地表帷幕灌漿的實(shí)施，有效減少了洞身輪廓線以外地下水進(jìn)入隧洞。

采用高壓旋噴樁支護(hù)以提高側(cè)墻土體穩(wěn)定性。施工前，選取了部分高噴孔作為先導(dǎo)孔，采取先導(dǎo)孔的芯樣核對(duì)地層。鉆孔深度以深入底板以下1 m控制，樁長(zhǎng)度以深入底板以下1 m控制，頂高程以深入土石分界線以上1 m控制。按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范（JGJ 79—2012）》質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用鉆孔取芯方式對(duì)成樁質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。

洞內(nèi)在開挖輪廓線外插入密排小導(dǎo)管，擋砂排水穩(wěn)定洞壁。密排小導(dǎo)管采用壁厚4 mm的無(wú)縫鋼管，單根長(zhǎng)6 m，環(huán)向緊密排列，縱向搭接長(zhǎng)度≥2 m，前端做成長(zhǎng)約10 cm的圓錐狀，在該洞段開挖前，預(yù)先水平插在設(shè)計(jì)開挖輪廓線外25 cm處。

在掌子面插入若干鋼管錨釘，通過(guò)鋼管錨釘群對(duì)臨空掌子面的約束作用，可達(dá)到穩(wěn)定上半洞掌子面土體的同時(shí)，也使得下半洞可預(yù)留核心土。

在掌子面中下部預(yù)留核心土，分區(qū)分序開挖支護(hù)，通過(guò)噴射混凝土快速封閉掌子面。

（3）粉質(zhì)黏土層

本工程新增#4支洞上游為粉質(zhì)黏土層，且含砂量高，施工過(guò)程中洞頂用作天然隔水層的粉質(zhì)黏土層太薄而被上部地下水擊穿，造成隧洞突水、塌方。在深入分析原因后，本段后續(xù)隧洞開挖為避免涌水問(wèn)題再次出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，將原洞頂粉質(zhì)黏土層較薄段洞身采取倒虹吸設(shè)計(jì)，降低洞身設(shè)計(jì)高程，使洞頂粉質(zhì)黏土層厚度增加，加大天然隔水層效果，有效解決了地下水擊穿洞頂隔水層導(dǎo)致涌水的難題。考慮到防止淤積等因素，通過(guò)縮減過(guò)水面積使倒虹吸段流速提高，避免正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)淤積。

四、結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)?？谑心隙山こ梯斔矶垂こ趟牡刭|(zhì)特性、突涌水機(jī)理、圍巖穩(wěn)定性分析，結(jié)合施工實(shí)踐，總結(jié)出一套超前物探、鉆探與地質(zhì)編錄相結(jié)合的地質(zhì)預(yù)報(bào)，再根據(jù)不同洞段的地質(zhì)條件，通過(guò)地表帷幕灌漿攔截地下水、高壓旋噴樁固結(jié)土體、超前支護(hù)、穩(wěn)定掌子面、設(shè)置倒虹吸等有針對(duì)性的技術(shù)組合措施，為海口市乃至瓊北地區(qū)隧洞工程的地下水影響治理提供了一定的技術(shù)參考。