圓形小斷面引水隧洞滲涌水特征分析與控制措施

王學軍

(中鐵十二局集團第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

滲涌水災害因其高度隱蔽性與預測的局限性，嚴重威脅地下工程運營安全，限制地下空間的開發(fā)利用[1－2]。同時，現(xiàn)場施工人員難以直觀地獲知隧洞內(nèi)滲涌水誘發(fā)條件與地質環(huán)境的變化，對災害作用規(guī)律缺乏科學準確的評價，這些問題導致隧洞災害控制往往達不到預期效果[3－4]。隧洞滲涌水災害受到諸多因素影響，若對隧洞施工過程中的突水突泥災害處置不當，將會導致隧洞在施工和運營期間出現(xiàn)滲漏水、滲涌水、塌方、冰凌、結構性能劣化、凍融破壞等問題。

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程是貴州省有史以來最大的水利工程，其北干渠位于畢節(jié)市大方縣、黔西縣境內(nèi)，該地區(qū)為典型的高山峽谷地段，隧洞埋深大，受貴州喀斯特地貌影響，隧洞圍巖巖溶和節(jié)理裂隙發(fā)育，滲涌水現(xiàn)象嚴重，特別是小斷面水工隧洞受空間的限制須在掘進全部完成后才能開始施工襯砌，開挖后的圍巖暴露時間長，受滲涌水影響大，安全風險大。因此，深入研究圓形小斷面引水隧洞滲涌水形成機制[5]，對準確定位災害位置、有效減少災害頻率、提高施工速度、提升結構安全具有重要的科學意義與工程應用價值。

2 工程概況

2.1 地層巖性

水打橋隧洞為夾巖水利樞紐及黔西北供水工程北干渠上的深埋特長隧洞，總長20.36 km，埋深在80～432 m之間，該隧洞開挖半徑為3 m，為小斷面圓形隧洞(根據(jù)《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》SL 378—2007界定)。隧洞處在 T1yn1、T1yn3、T1y3隔水層及T1yn1強透水層分界線附近，巖性為T1yn4溶塌角礫巖以及T2g1泥質白云巖地層等。隧洞洞身巖體部分地層受斷裂帶影響，中部穿過落腳河向斜、大方背斜和F103、F103-1、F104、F106、F106-1、F106-2、F106-3、F106-4、F106-5 斷層，除斷層破碎帶及其影響帶外，洞室圍巖巖體較完整，以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主，局部為Ⅴ類，沿線地層分布情況如表1所示。

表1 北干渠2標段沿線主要分布地層巖性

2.2 巖溶水文地質條件

輸水線路沿線地表水系多呈近SN流向，沿線地下水以六沖河為排泄基準面，在T1yn碳酸鹽巖分布地段，巖溶發(fā)育，地下水為巖溶裂隙水與巖溶管道水，在T1f、T1y碎屑巖分布地段，地下水為基巖裂隙水。隧洞洞身穿越可溶性碳酸鹽巖分布段長7 km左右，占總長的70%。

3 滲涌水特征分析

水打橋隧洞位于地下水位線以下，隧洞節(jié)理裂隙及巖溶發(fā)育，在隧洞開挖后，地下水通過節(jié)理裂隙及巖溶管道進入隧洞，造成隧洞開挖后滲涌水嚴重，施工難度增大，安全隱患突出。本文選取DK11＋600～DK11＋680滲水段及DK11＋930掌子面涌水段為代表對其特征展開重點分析。

3.1 滲水特征分析

對 DK11＋600～DK11＋680段滲水破壞[6－7]形態(tài)、滲水量及圍巖特性進行分析，發(fā)現(xiàn)滲水特征與圍巖裂隙密集程度及巖溶管道發(fā)育程度密切相關，巖溶管道發(fā)育或圍巖裂隙越密集、張開度越大、延伸能力越好，其透水能力越強，滲水災害面積越大。

根據(jù)滲水表現(xiàn)形式將其分為點狀滲水、線狀滲水和面狀滲水。

(1)點狀滲水:表現(xiàn)為垂直于隧洞開挖面的小型巖溶管道被開挖切斷，造成地下水通過巖溶管道進入隧洞，其基巖裂隙數(shù)量較少、張開度小、滲水量少，表現(xiàn)為股狀滲水。

(2)線狀滲水:表現(xiàn)為斷層及與隧洞走向平行的巖溶管道被隧洞切割，其基巖較破碎、裂隙較密、滲水量較大，表現(xiàn)為縱向或環(huán)向的滲水。

(3)面狀滲水:表現(xiàn)在斷層破碎帶及巖溶影響帶節(jié)理裂隙發(fā)育地段，其基巖裂隙高度密集，且張開度、延伸性較好，滲水通道發(fā)達，滲水量增大。

3.2 涌水特征分析

隧洞施工至DK11＋930處突發(fā)涌水，掌子面探孔內(nèi)涌水噴出約12 m遠，水質渾濁，涌水量約5 000 m3/d，水壓0.4 MPa。此后又在掌子面增加1個探孔，涌水噴出20 m左右(水平距離)，致使工作面涌水量預計達8 000 m3/d。

涌水發(fā)生后，對隧洞涌水區(qū)域、涌水點前方及洞身段進行了地質雷達和TSP預報探測，探測結果結合超前探孔勘察，該區(qū)段巖體中存在大量具有不同程度的張開度與延伸性的裂隙、節(jié)理甚至溶洞，且地下水補給及時、水量充足。當區(qū)段內(nèi)地下水壓較大時，水壓崩塌巖體導致涌水災害，該處涌水屬于典型的巖溶類致災構造突水突泥[8－10]，是掌子面前方的防突巖體由穩(wěn)定－劣化－失穩(wěn)的漸進發(fā)展過程。此類突水突泥主要特征為受開挖爆破擾動的影響，隔水巖體發(fā)生弱化，內(nèi)部裂紋擴展、貫通直至破裂失穩(wěn)。

4 滲涌水控制措施

4.1 滲水控制措施

引水隧洞滲水水壓小、流量大，襯砌施工前對滲水段進行妥善引排，襯砌施工后對排水孔進行封堵，利用襯砌自身的強度和抗?jié)B性能抵消外水壓力，保證隧洞安全。

4.1.1 點狀滲水控制措施

采用楔型凹槽排水管引排法處理，首先在點狀滲水位置向圍巖內(nèi)部鑿25 cm×25 cm(長×寬)楔型凹槽，將φ100 mm PVC管插入巖溶管道，管道周邊楔形槽采用快硬水泥進行封堵，利用PVC管將賦存水引排至襯砌臺車外。待混凝土強度、抗?jié)B等級達標后，回填灌漿(P.O42.5水泥、單液漿水灰比1∶1、灌漿壓力為實測壓力加0.1 MPa)封堵滲水管道，如圖1所示。

圖1 點狀滲水控制措施

4.1.2 線狀滲水控制措施

采用線槽預埋管引排法處理，首先沿滲水走向鑿楔形槽(尺寸根據(jù)滲水寬度定)，埋入φ100 mm軟式透水管，然后采用快硬水泥將槽封堵，使隧洞滲水沿軟式透水管排至襯砌外。待混凝土強度、抗?jié)B等級達標后，回填灌漿(P.O42.5水泥、單液漿水灰比1∶1、灌漿壓力為實測壓力加0.1 MPa)封堵滲水管道，如圖2所示。

圖2 線狀滲水控制措施

4.1.3 面狀滲水控制措施

采用防水卷材配合環(huán)縱向排水法處理，襯砌施工后，對該段回填灌漿，回填灌漿孔間排距為3 m×3 m，每環(huán)6個孔，孔深入巖10 cm。泄水孔在回填灌漿施工后灌漿封堵，封堵參數(shù)同點狀滲水灌漿參數(shù)且灌漿壓力不小于0.3 MPa，如圖3所示。

圖3 面狀滲水控制措施

4.2 涌水控制措施[11]

涌水段因其涌水量大、水壓高等特點，易造成隧洞塌方冒頂，常規(guī)的引排措施無法減小涌水對施工的影響，采用超前圓環(huán)預加固灌漿法[12]對涌水段間隔分段灌漿是解決涌水的有效手段，如DK11＋930掌子面涌水處置采用此辦法，取得了成效，保證了施工安全。

4.2.1 超前圓環(huán)預加固間隔分段灌漿法特點分析

注漿過程中只對隧洞開挖輪廓線外的圍巖進行灌漿固結，以加強圍巖自身穩(wěn)定性和抗?jié)B性，從而達到減少地質災害的目的。同時間隔分段灌漿較全孔一次性灌漿減少了單孔灌漿的長度，有利于灌漿設備的小型化，降低了在圓形小斷面隧洞的施工難度，并且在前段灌漿完成后進行下一段灌漿時，可以對前段的灌漿質量進行進一步加強，提高了灌漿的整體質量。相比傳統(tǒng)的超前灌漿方法，本法可降低成本、加快施工速度且保證施工安全。

4.2.2 超前圓環(huán)預加固間隔分段灌漿施工

根據(jù)TSP(203)及超前探孔探測結果，對涌水段地質情況進行綜合分析，確定每段縱向灌漿長度為15 m。灌漿完成后，只開挖13 m，開挖完成后在掌子面施作超前物探及超前探孔，決定是否進行下一段灌漿。灌漿施工流程見圖4。

圖4 超前圓環(huán)預加固間隔分段灌漿法施工工藝流程

(1)止?jié){墻

因DK11＋930掌子面及前方的巖溶管道和節(jié)理裂隙發(fā)育，為防止在灌漿過程中漿液受灌漿壓力影響而沿巖溶管道或裂隙沖出，甚至掌子面崩塌，影響灌漿效果和隧洞內(nèi)施工人員安全，因此在灌漿前，在掌子面施作2 m厚C25混凝土止?jié){墻，以確保施工安全。

(2)鉆孔

沿洞壁環(huán)向單排均勻布置24個灌漿孔(Ⅰ號孔6個、Ⅱ號孔6個、Ⅲ號孔12個)，孔徑90 mm，孔距76 cm，孔深17.4 m，由YQ100潛孔鉆鉆孔分段進行鉆孔作業(yè)。灌漿孔布置見圖5，鉆孔作業(yè)順序見圖6。

圖5 DK11+930超前圓環(huán)預加固間隔分段灌漿孔布置(單位:mm)

圖6 超前圓環(huán)預加固間隔分段灌漿施工順序

(3)灌漿作業(yè)

采用Z-ZB1/4/18.5注漿機按照環(huán)向間隔加密的原則進行灌漿作業(yè)，先灌Ⅰ號孔，再灌Ⅱ號孔，最后灌Ⅲ號孔。Ⅰ號孔單孔分4段灌注:第1段長2 m，灌注止?jié){墻與掌子面間隙，第2段長5 m，第3段長5 m，第4段長5.4 m；Ⅱ、Ⅲ號孔單孔分3段灌注:第1段長7 m(包括2 m止?jié){墻)，第2段長5 m，第3段長5.4 m。單孔分段灌漿施工順序見圖7。

圖7 單孔分段灌漿施工順序

(4)洗孔和壓水試驗

軟巖段鉆孔完成后，采用壓縮空氣沖凈孔內(nèi)巖粉和泥渣。硬巖段采用壓力水沖洗裂隙，沖洗時間為20 min或至水清凈時止，沖水壓力為灌漿壓力的80%且不大于1 MPa。

選擇不少于總孔數(shù)的5%進行壓水試驗，以確定圍巖的滲透系數(shù)，壓水試驗可結合裂隙沖洗進行，壓力為灌漿壓力的80%，并不大于1 MPa。

(5)外加劑及配合比選擇

由于DK11＋930掌子面涌水壓力較大，涌水稀釋漿液會造成漿液無法及時凝固，故在水泥漿液中加入16°Bé水玻璃，以減少涌水對漿液的稀釋，及時凝固漿液，水玻璃摻量及凝固時間見表2。

表2 16°Bé水玻璃摻量及膠凝時間現(xiàn)場試驗統(tǒng)計

根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，施工配合比在水壓大的地段取 1∶0.7、水壓小的地段取1∶0.8 或1∶0.9。

(6)水泥漿液配合比

根據(jù)現(xiàn)場試驗，漿液配合比分為 3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1四個等級，由于DK11＋930掌子面涌水壓力大，現(xiàn)場試驗顯示以開灌水灰比為3∶1、2∶1漿液壓入巖體后，漿液受涌水稀釋的影響而長時間無法凝固封堵涌水，后將開灌水灰比調為1∶1且摻入水玻璃得以封堵圍巖裂隙，當灌漿量大于30 L/min時，水灰比調整為0.5∶1，確保了巖溶管道等大空間的封堵效果。

(7)壓力選擇

①Ⅰ號孔壓力選擇

隨著分段灌漿，巖溶管道及節(jié)理裂隙被分段封閉，水壓漸高，漿液擴散范圍逐步縮減，封孔灌漿壓力增大，靈活選取灌漿壓力，確保漿液擴散范圍不縮減是灌漿成敗的關鍵。詳見表3。

表3 Ⅰ號孔分段灌漿壓力選取

隨著漿液注入，外水壓力逐漸增高，從而縮減了漿液擴散范圍，封孔時增大灌漿壓力，確保漿液擴散范圍不縮減，以確保掌子面爆破開挖后的安全。

②Ⅱ號孔壓力選擇

因Ⅰ號孔灌漿施工封閉了部分裂隙及巖溶通道致水壓增大，為保證有足夠的灌漿加固圈，Ⅱ號孔灌漿初壓與終壓應大于Ⅰ號孔，Ⅱ號孔灌漿壓力值見表4。

表4 Ⅱ號孔分段灌漿壓力選取

③Ⅲ號孔壓力選擇

Ⅰ號孔和Ⅱ號孔已封堵了大部分裂隙及巖溶通道，Ⅲ號孔第1段基本無滲水，第2段和第3段鉆孔過程中有滲水，Ⅲ號孔灌漿主要是補強加固灌漿圈，故灌漿壓力根據(jù)鉆孔情況參照Ⅱ號孔靈活選取。

4.2.3 效果評定

灌漿后，通過超前探孔勘察，探孔內(nèi)有少量滲水且無壓力，達到了間隔分段灌漿堵水的效果。爆破開挖后可從開挖輪廓清晰看到漿液封堵巖溶管道及裂隙的痕跡，且對灌漿圈未造成破壞。

5 結論

結合地質調查、地質雷達和TSP203超前預報等勘察方法，分析了水打橋隧洞滲涌水災害賦存特征，總結了災害發(fā)生原因，為類似復雜工程條件下隧洞滲涌水災害控制提供了參考。

(1)針對隧洞不同形式滲水情況，采用襯砌前楔型凹槽排水管引排法，有效減小了外水對初期支護和未支護圍巖的影響，減少了滲水對襯砌混凝土的影響，降低了隧洞滲水、蜂窩麻面等質量缺陷的產(chǎn)生。

(2)針對隧洞涌水情況，對水打橋隧洞DK11＋930掌子面涌水采用超前圓環(huán)預加固間隔分段灌漿法封堵圍巖中的含水構造，提高了圍巖的整體性與穩(wěn)定性，從源頭上解決了隧洞破碎富水區(qū)的涌水問題，達到了更好的注漿治理效果，保證了工程安全，保護了地下水資源。