翠屏隧道強補給淹井積水抽排技術研究

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.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

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

目前，國內外在斜井反坡抽排水技術方面積累了較多的施工經驗[4-7]，包括泵站位置、水泵選型、管徑選擇、抽排能力和揚程選擇、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備選型、泵站建設及供電系統(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)設計。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備選型、泵站建設及供電系統(tǒng)。鄭劍鋒[11]介紹了杭州市紫之隧道通風斜井采用固定、移動泵站相結合、協調工作的方案。劉海榮[12]介紹了高海拔特長關角隧道長大斜井反坡排水系統(tǒng)，總結出了國內外水泵配置、雙聯拱式固定泵站、供電線路并網等技術措施。但依托工程翠屏隧道1#斜井工區(qū)(已進主洞)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口工區(qū)抽排淹井積水，沒有類似的施工經驗可以借鑒參考。因此，針對依托工程翠屏隧道采用的超前鉆孔泄水+上臺階貫通進洞抽水的方法，建立數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合現場測試數據分析泄水孔的孔徑和臺階開挖高度，以保證翠屏隧道強補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標段翠屏隧道位于云南省昭通市魯甸縣境內，建設標準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%，全線設置3座通風斜井(1#～3#斜井)。隧道斷面為單心圓型式，內輪廓凈空10.25 m×5 m(寬×高)，采用復合式襯砌結構，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、斷層導水帶、灰?guī)r與非可溶巖接觸帶等富水構造區(qū)。隧址區(qū)屬亞熱帶、暖溫帶共存的高原季風氣候，2010—2020年的氣象統(tǒng)計資料：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，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(主洞累計淹沒長度4 028 m，其中左線2 502 m，右線1 526 m)，隧道內淹沒水量達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。淹沒段與進口左洞間的未開挖段為44 m，與進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設備進行了試抽水，由于地下水補給量大(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。于是決定采用從進口左洞實施超前鉆孔泄水+上臺階先行貫通進洞抽水的方法與斜井聯合排水，即進口左洞采用臺階法開挖至與ZK46+464斷面間的巖體達到安全厚度，在中臺階施工超前鉆孔將淹井積水水頭降至上臺階標高(該過程以下簡稱“第1階段”)。待貫通上臺階后，進入洞內抽排涌水，洞內水位下降后再進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，抽排水效果取決于巖盤厚度、鉆孔直徑、上臺階高度等關鍵設計參數。

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(對應位置：拱頂～底板)，水壓力較小，不會造成進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)將導致1#斜井淹井積水涌向隧道進口左洞。因此，以ZK46+414～ZK46+484區(qū)段地質條件為背景，建立三維數值模型分析進口左洞施工保留不同的巖盤厚度時巖體破裂情況。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物探、鉆探情況進行修正。

2.1 計算模型

隧道設計埋深為600 m，為加快計算速度，計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行了簡化，模型上表面作用法相應力，4個側面為水平約束，底面為垂直約束。

計算采用三維模型?？紤]到隧道開挖對圍巖初始地應力的影響范圍，為減少其影響，模型計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軸的正方向為開挖方向，豎直向上為z軸正向，隧道掘進橫斷面向右方向為x軸正向，故模型長×寬×高=132 m×70 m×218 m，模型網格如圖2所示。

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

根據超前地質預報結果，ZK46+414～ZK46+464區(qū)段(未開挖，為進口左洞開挖)的圍巖級別有可能為Ⅳ2級、Ⅳ3級或Ⅴ1級，計算模型的圍巖分別按Ⅳ2級、Ⅳ3級或Ⅴ1級考慮。計算不考慮二次襯砌階段的支護作用，圍巖和初期支護采用實體單元、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)進尺為1～2榀鋼架，初期支護厚度22～24 cm。初期支護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莫爾-庫倫準則進行換算。圍巖物理力學參數根據地質資料及現行《公路隧道設計規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)確定，計算所采用的地層及支護物理力學參數見表1。

表1 圍巖及支護結構計算參數Tab.1 Calculation parameters of surrounding rock and support structure

2.2 巖體破裂評判指標標準分析

巖體破裂包括剪切破壞與拉裂破壞2種形式，并分別以臨界剪應變與臨界拉應變進行評判。本節(jié)通過對不同厚度的巖盤掌子面一側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、剪應變、拉應變等指標的變化情況，從而確定臨界剪應變與臨界拉應變。

經計算，Ⅴ1級、Ⅳ3級、Ⅳ2級圍巖在保留不同巖盤厚度時的剪切破壞和拉裂破壞的評判標準(臨界剪應變、臨界拉應變)見表2。

表2 巖體破裂評判標準Tab.2 Evaluation criteria for rock mass fracture

由表2看出，各級圍巖破裂臨界剪、拉應變受巖盤厚度的影響很小。Ⅳ2級圍巖的臨界剪應變?yōu)?.05～0.06、臨界拉應變?yōu)?.03；Ⅳ3級圍巖的臨界剪應變?yōu)?.07～0.08、臨界拉應變?yōu)?.04～0.05；Ⅴ1級圍巖的臨界剪應變?yōu)?.30～0.31、臨界拉應變?yōu)?.17～0.19；基于最不利工況考慮，Ⅴ1級、Ⅳ2級、Ⅳ3級圍巖開裂時的評判指標標準可取臨界應變區(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中臨界剪應變、拉應變的確定過程。

(1)分析巖盤位移隨著掌子面壓力增大的變化情況。當掌子面壓力2.5 MPa時，巖盤位移主要集中在中部偏上，向四周位移逐漸減小；掌子面壓力升高到3.0 MPa時，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時的剪應變、拉應變集中區(qū)域。2.5 MPa時剪應變集中區(qū)域的應變值主要為>0.31，拉應變集中區(qū)域的應變值主要為>0.19，如圖4所示。

圖4 剪應變、拉應變云圖Fig.4 Nephograms of shear strain and tensile strain

(3)分析掌子面壓力2.5 MPa時的剪切破壞、拉裂破壞情況。以2.5 MPa時的剪應變、拉應變集中區(qū)邊界值0.31和0.19作為臨界應變，認為超過臨界應變時巖體發(fā)生剪切破壞或拉裂破壞。2.5 MPa、3.0 MPa時的剪切破壞與拉裂破壞區(qū)如圖5所示。可以看出，2.5 MPa水壓時巖盤中部偏上發(fā)生了剪切與拉裂破壞，該處表層巖體將剝落；3.0 MPa水壓時巖盤的拱部發(fā)生剪切破壞與拉裂破壞，表現為中部偏上巖體的進一步剝落與拱部巖體的破裂現象。

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不同[16-17]，剪切破壞主要由剪應力造成，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力(壓應力)。拉裂破壞主要由拉應力造成，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，選取臨界拉應變?yōu)樵u判標準，計算分析巖盤厚度不同時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。

經計算，Ⅴ1級、Ⅳ3級、Ⅳ2級圍巖在保留不同巖盤厚度時的拉裂區(qū)長度及貫通情況統(tǒng)計見表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巖盤厚度時主洞工區(qū)側巖盤出現約2 m縱深的拉裂區(qū)，1#斜井側巖盤出現3 m縱深的拉裂區(qū)，淹井水體不會從巖盤涌出；12 m巖盤厚度時主洞工區(qū)側巖盤出現約5 m縱深拉裂區(qū)，1#斜井側巖盤出現約3 m縱深的拉裂區(qū)，有4 m的巖盤未出現拉裂區(qū)，淹井水體有可能從巖盤涌出；10 m巖盤厚度時主洞工區(qū)側巖盤出現約5 m縱深拉裂區(qū)，1#斜井側巖盤出現約3 m縱深的拉裂區(qū)，有2 m的巖盤未出現拉裂區(qū)，淹井水體很有可能從巖盤涌出；8 m巖盤厚度時巖盤拉裂區(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)生破裂后巖體強度也會發(fā)生應變軟化現象(本模型為理想彈塑性，巖體強度不隨應變變化)，應對巖盤的安全厚度進行適當修正，Ⅳ2級、Ⅳ3級、Ⅴ1級圍巖的安全巖盤厚度應為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的計算公式為：

(1)

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

按照工程經驗，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u通過現場試驗測試數據計算獲得。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

施工現場于2020年3月3日完成S1#，S2#，S3#共3個φ75試驗孔，在洞口排水管安裝流量計，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u=0.3～0.4。

3.2 泄水孔直徑

假設不同孔徑的流量系數相同，以泄水孔數量為20、單孔流量Q≥300 m3/h為目標，將u=0.3～0.4，h0=7 m等條件代入式(1)計算得到：設計鉆孔直徑d≥150～175 mm(對應流量系數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高齊平時h0=1.0 m。此時將d=150 mm，將u=0.3代入式(1)計算得到Q=85 m3/h，20個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，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，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)泵站設置

主洞：選取2#加寬段(ZK45+863)作為1#泵站(如圖8所示)，為臨時泵站，作為進口與1#斜井貫通前排水主泵站，距離掌子面打孔出水點距離為557 m。ZK46+372處設置集水坑儲蓄鉆孔水，采用22 kW水泵進行接力排水至1#泵站。待進口左洞與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，同時設置攔水壩，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，暫停斜井排水設施，僅啟動主洞多級接力排水設施，斜井排水設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變壓器負責后續(xù)洞內施工，考慮功率因子取0.85，則變壓器負荷能力為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 抽排水方案現場實施

由于ZK46+442～ZK46+464段超前物探、超前鉆探結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，在中臺階范圍施工50 cm厚C30防水混凝土止水墻，預留DN200 mm排水管(共2排，每排10根)進行φ150 mm超前鉆孔泄水施工，在淹井積水水面降至拱頂標高以下3 m后將上臺階開挖貫通，之后進入洞內實施第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合斜井降水的方案取得了較好的效果，在較短時間(約3個月)內實現了隧道上臺階貫通。但在貫通后由于多次經歷強降雨，隧道瞬時涌水量高達9 500 m3/h，導致淹井積水抽排工期延誤，最終總工期約1.5 a。

6 結論

依托翠屏隧道，采用數值模擬、理論分析及現場實施驗證，綜合分析后得到以下結論：

(1)以巖盤拉裂破壞區(qū)聯通與否作為淹井積水涌出的判別標準，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至少為10，15，18 m。

(2)通過應用短管自由流公式分析泄水孔流量設計參數發(fā)現，單個泄水孔要達到設計流量300 m3/h，直徑至少應為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的臺階高度進洞抽水，隧道排水工期和質量風險可大幅降低。

(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，需要經常性清孔，建議采用防堵塞技術措施進行改進；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，應在后續(xù)研究中進一步優(yōu)化。