翠屏隧道強(qiáng)補(bǔ)給淹井積水抽排技術(shù)研究

劉擁華,萬 飛,張 翾

(1.中交一公局廈門工程有限公司,福建 廈門 361000；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

特長隧道多通過增設(shè)斜井的方法以增加施工作業(yè)面，從而實(shí)現(xiàn)“長隧短打”，達(dá)到縮短工期的目的[1]。但當(dāng)在富水地層施工時(shí)，由于斜距長、坡度大，斜井反坡抽排水難度大，一旦遇到突涌水災(zāi)害，常常導(dǎo)致淹井事故發(fā)生，給工程造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失或工期延誤[2-3]。

目前，國內(nèi)外在斜井反坡抽排水技術(shù)方面積累了較多的施工經(jīng)驗(yàn)[4-7]，包括泵站位置、水泵選型、管徑選擇、抽排能力和揚(yáng)程選擇、供電系統(tǒng)等方面。王鑫[8]介紹了西山特長隧道斜井抽排水設(shè)備選型、泵站建設(shè)及供電系統(tǒng)。解師尚[9]介紹了康家樓隧道1號斜井多級泵站接力排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。李建軍[10]介紹了雅瀘高速公路大相嶺隧道陡坡富水斜井抽排水設(shè)備選型、泵站建設(shè)及供電系統(tǒng)。鄭劍鋒[11]介紹了杭州市紫之隧道通風(fēng)斜井采用固定、移動泵站相結(jié)合、協(xié)調(diào)工作的方案。劉海榮[12]介紹了高海拔特長關(guān)角隧道長大斜井反坡排水系統(tǒng)，總結(jié)出了國內(nèi)外水泵配置、雙聯(lián)拱式固定泵站、供電線路并網(wǎng)等技術(shù)措施。但依托工程翠屏隧道1#斜井工區(qū)(已進(jìn)主洞)被突發(fā)大流量涌水(約6 450 m3/h)整體淹沒，由于1#斜井抽水能力不能滿足降水要求，需要從尚未貫通的主洞進(jìn)口工區(qū)抽排淹井積水，沒有類似的施工經(jīng)驗(yàn)可以借鑒參考。因此，針對依托工程翠屏隧道采用的超前鉆孔泄水+上臺階貫通進(jìn)洞抽水的方法，建立數(shù)值模型分析巖體需要保留的安全厚度(以下簡稱“安全巖盤厚度”)，采用短管出水公式結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析泄水孔的孔徑和臺階開挖高度，以保證翠屏隧道強(qiáng)補(bǔ)給淹井積水抽排方案的安全性與合理性。

1 隧道涌水淹井情況

云南都香高速公路A4標(biāo)段翠屏隧道位于云南省昭通市魯?shù)榭h境內(nèi)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為分離式雙向四車道隧道，左線全長10 133 m，右線全長10 046 m，洞身最大埋深約950 m，隧道縱坡采用單向坡-1.98%，全線設(shè)置3座通風(fēng)斜井(1#～3#斜井)。隧道斷面為單心圓型式，內(nèi)輪廓凈空10.25 m×5 m(寬×高)，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，鉆爆法施工。隧道主要穿越二疊系～寒武系灰?guī)r、泥灰?guī)r、頁巖、砂巖并頻繁穿越向斜軸部、斷層導(dǎo)水帶、灰?guī)r與非可溶巖接觸帶等富水構(gòu)造區(qū)。隧址區(qū)屬亞熱帶、暖溫帶共存的高原季風(fēng)氣候，2010—2020年的氣象統(tǒng)計(jì)資料：年降水量455.1～1 148.7 mm，平均874.2 mm，日最大降雨量76.7 mm。

2020年9月，翠屏隧道1#斜井(斜井縱坡坡率為8.26%)主洞工區(qū)施工過程中，先后揭露3處明顯巖溶出水點(diǎn)，發(fā)生2次大規(guī)模涌水，最終造成1#斜井主洞工區(qū)整體淹沒(主洞累計(jì)淹沒長度4 028 m，其中左線2 502 m，右線1 526 m)，隧道內(nèi)淹沒水量達(dá)35.9萬m3。最高水位淹沒至1#斜井1 566.8 m高程(斜井淹沒長度358 m)，最終穩(wěn)定在1 544 m，與小里程端ZK46+464掌子面拱頂(標(biāo)高 1 543 m)水頭差約1 m，與大里程端的ZK48+120的最大水頭差約43 m。淹沒段與進(jìn)口左洞間的未開挖段為44 m，與進(jìn)口右洞間的未開挖段為44 m，如圖1所示。

淹井發(fā)生后，翠屏隧道1#斜井按照最大電力容量配置抽水能力2 120 m3/h設(shè)備進(jìn)行了試抽水，由于地下水補(bǔ)給量大(估算約6 450 m3/h)，斜井水位在下降0.2 m(高程)后即不再下降。于是決定采用從進(jìn)口左洞實(shí)施超前鉆孔泄水+上臺階先行貫通進(jìn)洞抽水的方法與斜井聯(lián)合排水，即進(jìn)口左洞采用臺階法開挖至與ZK46+464斷面間的巖體達(dá)到安全厚度，在中臺階施工超前鉆孔將淹井積水水頭降至上臺階標(biāo)高(該過程以下簡稱“第1階段”)。待貫通上臺階后，進(jìn)入洞內(nèi)抽排涌水，洞內(nèi)水位下降后再進(jìn)行中臺階和下臺階的開挖，直至貫通(該過程以下簡稱“第2階段”)。其中第1階段的淹井積水抽排為主要控制難點(diǎn)，抽排水效果取決于巖盤厚度、鉆孔直徑、上臺階高度等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1 隧道總體施工情況Fig.1 Overall construction situation of tunnel

2 安全巖盤厚度分析

淹沒1#斜井的積水作用在ZK46+464掌子面上的水壓為0～0.1 MPa(對應(yīng)位置：拱頂～底板)，水壓力較小，不會造成進(jìn)口左洞掌子面巖盤的整體擠出失穩(wěn)與壓力致裂破壞。但由于進(jìn)口左洞的開挖擾動，將造成新開挖掌子面至ZK46+464斷面間的巖盤變形開裂，淹井水體將沿開裂區(qū)流動，貫通的開裂區(qū)將導(dǎo)致1#斜井淹井積水涌向隧道進(jìn)口左洞。因此，以ZK46+414～ZK46+484區(qū)段地質(zhì)條件為背景，建立三維數(shù)值模型分析進(jìn)口左洞施工保留不同的巖盤厚度時(shí)巖體破裂情況。鑒于ZK46+414～ZK46+484區(qū)段溶腔、溶槽等發(fā)育的不確定性，本計(jì)算模型中不考慮巖溶發(fā)育情況，最終確定的安全巖盤厚度需根據(jù)物探、鉆探情況進(jìn)行修正。

2.1 計(jì)算模型

隧道設(shè)計(jì)埋深為600 m，為加快計(jì)算速度，計(jì)算模型按照隧道埋深取100 m、頂部邊界施加500 m高度圍巖自重壓力的方法進(jìn)行了簡化，模型上表面作用法相應(yīng)力，4個(gè)側(cè)面為水平約束，底面為垂直約束。

計(jì)算采用三維模型?？紤]到隧道開挖對圍巖初始地應(yīng)力的影響范圍，為減少其影響，模型計(jì)算范圍的左右邊界距隧道中心線距離約為5倍洞徑，底部邊界距隧道底部的距離按4倍隧道高度考慮[13-14]。指定y軸的正方向?yàn)殚_挖方向，豎直向上為z軸正向，隧道掘進(jìn)橫斷面向右方向?yàn)閤軸正向，故模型長×寬×高=132 m×70 m×218 m，模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格(單位:m)Fig.2 Model griding(unit:m)

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，ZK46+414～ZK46+464區(qū)段(未開挖，為進(jìn)口左洞開挖)的圍巖級別有可能為Ⅳ2級、Ⅳ3級或Ⅴ1級，計(jì)算模型的圍巖分別按Ⅳ2級、Ⅳ3級或Ⅴ1級考慮。計(jì)算不考慮二次襯砌階段的支護(hù)作用，圍巖和初期支護(hù)采用實(shí)體單元、Morh-Coulomb理想彈塑性材料模擬[15]。模型采用臺階法開挖，開挖單元采用Null Model模擬，開挖循環(huán)進(jìn)尺為1～2榀鋼架，初期支護(hù)厚度22～24 cm。初期支護(hù)彈性模量采用剛度等效方法予以考慮，黏聚力與摩擦角依據(jù)莫爾-庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行換算。圍巖物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)資料及現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)確定，計(jì)算所采用的地層及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of surrounding rock and support structure

2.2 巖體破裂評判指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)分析

巖體破裂包括剪切破壞與拉裂破壞2種形式，并分別以臨界剪應(yīng)變與臨界拉應(yīng)變進(jìn)行評判。本節(jié)通過對不同厚度的巖盤掌子面一側(cè)施加逐漸升高的壓力，直至巖盤發(fā)生明顯的破壞變形，分析巖盤在破壞前后的掌子面位移、剪應(yīng)變、拉應(yīng)變等指標(biāo)的變化情況，從而確定臨界剪應(yīng)變與臨界拉應(yīng)變。

經(jīng)計(jì)算，Ⅴ1級、Ⅳ3級、Ⅳ2級圍巖在保留不同巖盤厚度時(shí)的剪切破壞和拉裂破壞的評判標(biāo)準(zhǔn)(臨界剪應(yīng)變、臨界拉應(yīng)變)見表2。

表2 巖體破裂評判標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation criteria for rock mass fracture

由表2看出，各級圍巖破裂臨界剪、拉應(yīng)變受巖盤厚度的影響很小。Ⅳ2級圍巖的臨界剪應(yīng)變?yōu)?.05～0.06、臨界拉應(yīng)變?yōu)?.03；Ⅳ3級圍巖的臨界剪應(yīng)變?yōu)?.07～0.08、臨界拉應(yīng)變?yōu)?.04～0.05；Ⅴ1級圍巖的臨界剪應(yīng)變?yōu)?.30～0.31、臨界拉應(yīng)變?yōu)?.17～0.19；基于最不利工況考慮，Ⅴ1級、Ⅳ2級、Ⅳ3級圍巖開裂時(shí)的評判指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)可取臨界應(yīng)變區(qū)間的低值。

為節(jié)省篇幅，僅以Ⅴ1級圍巖巖盤厚度6 m為代表，詳述表2中臨界剪應(yīng)變、拉應(yīng)變的確定過程。

(1)分析巖盤位移隨著掌子面壓力增大的變化情況。當(dāng)掌子面壓力2.5 MPa時(shí)，巖盤位移主要集中在中部偏上，向四周位移逐漸減??；掌子面壓力升高到3.0 MPa時(shí)，巖盤周邊輪廓的位移梯度明顯增大，并且?guī)r盤最大位移由192.0 mm增大至408.3 mm?？梢钥闯?，巖盤在2.5 MPa壓力作用下已呈現(xiàn)破壞變形形態(tài)，如圖3所示。

圖3 位移云圖(單位：m)Fig.3 Nephograms of displacement (unit: m)

(2)分析掌子面壓力2.5 MPa時(shí)的剪應(yīng)變、拉應(yīng)變集中區(qū)域。2.5 MPa時(shí)剪應(yīng)變集中區(qū)域的應(yīng)變值主要為>0.31，拉應(yīng)變集中區(qū)域的應(yīng)變值主要為>0.19，如圖4所示。

圖4 剪應(yīng)變、拉應(yīng)變云圖Fig.4 Nephograms of shear strain and tensile strain

(3)分析掌子面壓力2.5 MPa時(shí)的剪切破壞、拉裂破壞情況。以2.5 MPa時(shí)的剪應(yīng)變、拉應(yīng)變集中區(qū)邊界值0.31和0.19作為臨界應(yīng)變，認(rèn)為超過臨界應(yīng)變時(shí)巖體發(fā)生剪切破壞或拉裂破壞。2.5 MPa、3.0 MPa時(shí)的剪切破壞與拉裂破壞區(qū)如圖5所示?？梢钥闯?，2.5 MPa水壓時(shí)巖盤中部偏上發(fā)生了剪切與拉裂破壞，該處表層巖體將剝落；3.0 MPa水壓時(shí)巖盤的拱部發(fā)生剪切破壞與拉裂破壞，表現(xiàn)為中部偏上巖體的進(jìn)一步剝落與拱部巖體的破裂現(xiàn)象。

2.3 巖盤破裂區(qū)分析

巖盤發(fā)生剪切破壞或拉裂破壞形成的裂縫性質(zhì)不同[16-17]，剪切破壞主要由剪應(yīng)力造成，形成的裂縫主要為切向的相對位移，在開裂面法相上沒有張開度，并且開裂面仍然具有較高的法相應(yīng)力(壓應(yīng)力)。拉裂破壞主要由拉應(yīng)力造成，形成的裂縫法向有較大的張開度，拉裂破壞后形成的裂縫可為地下水在巖體中提供流動空間，一旦出現(xiàn)貫通的拉裂破壞區(qū)，水體將從巖盤涌入主洞工區(qū)。因此，選取臨界拉應(yīng)變?yōu)樵u判標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算分析巖盤厚度不同時(shí)隧道施工擾動造成的巖盤拉裂破壞程度，確定防止1#淹井積水涌出的安全巖盤厚度。

經(jīng)計(jì)算，Ⅴ1級、Ⅳ3級、Ⅳ2級圍巖在保留不同巖盤厚度時(shí)的拉裂區(qū)長度及貫通情況統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 拉裂區(qū)長度及貫通情況Tab.3 Length and breakthrough of fracture zone

為節(jié)省篇幅，以下僅以Ⅴ1級圍巖為代表，詳述巖盤厚度8～14 m時(shí)的拉裂區(qū)情況，如圖6所示。

圖6 Ⅴ1級圍巖拉裂區(qū)Fig.6 Fracture zone of grade Ⅴ1 surrounding rock

由圖6看出，14 m巖盤厚度時(shí)主洞工區(qū)側(cè)巖盤出現(xiàn)約2 m縱深的拉裂區(qū)，1#斜井側(cè)巖盤出現(xiàn)3 m縱深的拉裂區(qū)，淹井水體不會從巖盤涌出；12 m巖盤厚度時(shí)主洞工區(qū)側(cè)巖盤出現(xiàn)約5 m縱深拉裂區(qū)，1#斜井側(cè)巖盤出現(xiàn)約3 m縱深的拉裂區(qū)，有4 m的巖盤未出現(xiàn)拉裂區(qū)，淹井水體有可能從巖盤涌出；10 m巖盤厚度時(shí)主洞工區(qū)側(cè)巖盤出現(xiàn)約5 m縱深拉裂區(qū)，1#斜井側(cè)巖盤出現(xiàn)約3 m縱深的拉裂區(qū)，有2 m的巖盤未出現(xiàn)拉裂區(qū)，淹井水體很有可能從巖盤涌出；8 m巖盤厚度時(shí)巖盤拉裂區(qū)貫通，淹井水體從巖盤涌出。

由表3看出，要保證淹井水體不會沿巖盤涌出，Ⅳ2級、Ⅳ3級、Ⅴ1級圍巖巖盤厚度應(yīng)至少為8，12，14 m?？紤]到鉆爆法施工爆破振動會顯著降低巖體完整性，并且?guī)r體在發(fā)生破裂后巖體強(qiáng)度也會發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象(本模型為理想彈塑性，巖體強(qiáng)度不隨應(yīng)變變化)，應(yīng)對巖盤的安全厚度進(jìn)行適當(dāng)修正，Ⅳ2級、Ⅳ3級、Ⅴ1級圍巖的安全巖盤厚度應(yīng)為10，15，18 m。

3 泄水孔流量分析

淹井水體泄水過程符合伯努利流體方程，采用短管自由流出公式[18]計(jì)算分析泄水孔直徑及上臺階高度對泄水孔流量的影響，泄水孔流量Q的計(jì)算公式為：

(1)

式中，A為泄水孔面積；∈為收縮系數(shù)；φ為流速系數(shù)；u為流量系數(shù)；h0為水頭高度。

按照工程經(jīng)驗(yàn)，兩車道隧道臺階法施工上臺階高度h上一般為5 m，故h0=1.0+5.0+1.0=7 m(自由水面距掌子面拱頂約1.0 m，上臺階與鉆孔中心距離約1.0 m)，流量系數(shù)u通過現(xiàn)場試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。如圖7所示。

圖7 淹井水體泄水過程示意Fig.7 Schematic diagram of water discharge process in flooded well

3.1 流量系數(shù)

施工現(xiàn)場于2020年3月3日完成S1#，S2#，S3#共3個(gè)φ75試驗(yàn)孔，在洞口排水管安裝流量計(jì)，測得3月3日和3月4日平均約150 m3/h，因S3#鉆孔由于堵塞水流變小，考慮一定的富余度，單孔流量約50～60 m3/h。將h0=7 m代入式(1)，反算得流量系數(shù)u=0.3～0.4。

3.2 泄水孔直徑

假設(shè)不同孔徑的流量系數(shù)相同，以泄水孔數(shù)量為20、單孔流量Q≥300 m3/h為目標(biāo)，將u=0.3～0.4，h0=7 m等條件代入式(1)計(jì)算得到：設(shè)計(jì)鉆孔直徑d≥150～175 mm(對應(yīng)流量系數(shù)u=0.3～0.4，流量分別為298～304 m3/h。

3.3 臺階高度

在排水過程中水頭高度h0是不斷降低的，按照上臺階高度5 m，水位降至與上臺階標(biāo)高齊平時(shí)h0=1.0 m。此時(shí)將d=150 mm，將u=0.3代入式(1)計(jì)算得到Q=85 m3/h，20個(gè)孔全部排水的情況下總流量Q總=1 700 m3/h。上臺階高度3 m時(shí)，h0=3 m，d=150 mm鉆孔(u=0.3)的單孔Q=146 m3/h，單孔流量提高71.6%，20個(gè)孔全部排水的情況下總流量Q總=2 927 m3/h；上臺階高度2 m時(shí)，h0=4 m，d=150 mm鉆孔(u=0.3)的單孔Q=169 m3/h，單孔流量提高98.8%，20個(gè)孔全部排水的情況下總流量Q總=3 380 m3/h。

4 隧道抽排水系統(tǒng)配置

隧道采用多級接力排水的總體思路，主洞和斜井的抽排水系統(tǒng)配置如下。

(1)泵站設(shè)置

主洞：選取2#加寬段(ZK45+863)作為1#泵站(如圖8所示)，為臨時(shí)泵站，作為進(jìn)口與1#斜井貫通前排水主泵站，距離掌子面打孔出水點(diǎn)距離為557 m。ZK46+372處設(shè)置集水坑儲蓄鉆孔水，采用22 kW水泵進(jìn)行接力排水至1#泵站。待進(jìn)口左洞與1#斜井貫通后，待水位下降后，選取4#加寬段(ZK47+387)作為2#永久泵站，同時(shí)設(shè)置攔水壩，攔截左洞前3 km出水；選取5#加寬段(ZK48+150)位置作為3#永久泵站，大里程的淹井積水采用22 kW 水泵集中抽至泵站。

1#斜井：水泵設(shè)置于XKJ0+320位置，距離洞口高程約107 m。淹井積水抽排完成后，暫停斜井排水設(shè)施，僅啟動主洞多級接力排水設(shè)施，斜井排水設(shè)施作為備用安全儲備。

(2)電力、管道及水泵配備

主洞：隧道左洞布置4條DN300 mm管道、3條DN200 mm管道，右洞布置1條DN300管道、1條DN200 mm管道作為抽水管道，通過車行通道連接至左洞。按照每根DN300 mm配備2臺355 kW水泵，每根DN200 mm配備2臺185 kW水泵，隧道主洞共配備6臺185 kW水泵、10臺355 kW水泵，管道排水量為600×2×5+230×2×4=7 840 m3/h。配備5臺1 000 kVA、1臺2 000 kW變壓器，其中2臺1 000 kVA變壓器負(fù)責(zé)后續(xù)洞內(nèi)施工，考慮功率因子取0.85，則變壓器負(fù)荷能力為P=7 000×0.85=5 950 kW，滿足6臺185 kW水泵、10臺355 kW水泵(總功率為4 660 kW)使用。

1#斜井：使用2條φ200管道和1條φ300管道,1條φ200管道配置2臺185 kW水泵，1條φ300管道配置2臺355 kW水泵，共配備4臺185 kW水泵和2臺355 kW水泵抽水。配備2臺1 000 kVA變壓器，考慮功率因子取0.85，則變壓器負(fù)荷能力為P=2 000×0.85=1 700 kW，滿足4臺185 kW水泵、2臺355 kW水泵(總功率為1 450 kW)使用。

5 抽排水方案現(xiàn)場實(shí)施

由于ZK46+442～ZK46+464段超前物探、超前鉆探結(jié)果顯示溶管或溶腔極發(fā)育，翠屏隧道采用了三臺階法開挖至ZK46+424斷面(安全巖盤厚度18+22=40 m)停止掘進(jìn)，在中臺階范圍施工50 cm厚C30防水混凝土止水墻，預(yù)留DN200 mm排水管(共2排，每排10根)進(jìn)行φ150 mm超前鉆孔泄水施工，在淹井積水水面降至拱頂標(biāo)高以下3 m后將上臺階開挖貫通，之后進(jìn)入洞內(nèi)實(shí)施第2階段抽排水工作。截至目前，翠屏隧道1#斜井涌水淹井積水已抽排完畢，采用的巖盤超前鉆孔泄水聯(lián)合斜井降水的方案取得了較好的效果，在較短時(shí)間(約3個(gè)月)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了隧道上臺階貫通。但在貫通后由于多次經(jīng)歷強(qiáng)降雨，隧道瞬時(shí)涌水量高達(dá)9 500 m3/h，導(dǎo)致淹井積水抽排工期延誤，最終總工期約1.5 a。

6 結(jié)論

依托翠屏隧道，采用數(shù)值模擬、理論分析及現(xiàn)場實(shí)施驗(yàn)證，綜合分析后得到以下結(jié)論：

(1)以巖盤拉裂破壞區(qū)聯(lián)通與否作為淹井積水涌出的判別標(biāo)準(zhǔn)，考慮隧道施工條件影響，翠屏隧道Ⅳ2級、Ⅳ3級、Ⅴ1級圍巖的巖盤厚度應(yīng)至少為10，15，18 m。

(2)通過應(yīng)用短管自由流公式分析泄水孔流量設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，單個(gè)泄水孔要達(dá)到設(shè)計(jì)流量300 m3/h，直徑至少應(yīng)為150 mm；臺階法先行開挖的上臺階高度由5 m降低為3 m，泄水孔流量可提高71.6%。隧道應(yīng)盡可能采用較低的臺階高度開挖貫通，采用2～3 m的臺階高度進(jìn)洞抽水，隧道排水工期和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)可大幅降低。

(3)由于隧道巖盤泄水孔孔徑較小，在泄水過程中，泄水孔很容易堵塞，需要經(jīng)常性清孔，建議采用防堵塞技術(shù)措施進(jìn)行改進(jìn)；減小安全巖盤厚度可提高泄水孔的出水流量并降低堵塞的可能性，應(yīng)在后續(xù)研究中進(jìn)一步優(yōu)化。