深埋長(zhǎng)隧洞工程全階段滲控體系研究

閆尚龍 孫 云 劉博偉 向天兵

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 昆明 650051;2.云南省滇中引水工程有限公司, 昆明650051)

隨著西南地區(qū)水利水電工程、跨流域調(diào)水工程的建設(shè),水工隧洞的建設(shè)數(shù)量逐漸增多.由于地質(zhì)條件復(fù)雜,在施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到許多不良地質(zhì)問(wèn)題,如圍巖穩(wěn)定問(wèn)題、高外水壓力問(wèn)題、涌水突泥、有毒有害氣體等,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度,增加工程造價(jià),甚至?xí)斐扇藛T傷亡.其中,高外水壓力是影響隧洞開(kāi)挖過(guò)程中圍巖穩(wěn)定及襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一[1].

目前,眾多學(xué)者對(duì)水工隧洞滲流機(jī)理和滲控措施進(jìn)行研究.應(yīng)宏偉等[2]基于鏡像法對(duì)水下隧洞滲流場(chǎng)進(jìn)行分析,得到了滲流場(chǎng)的分布規(guī)律及解析解;周利等[3]提出透水襯砌滲流-應(yīng)力-損傷耦合算法,對(duì)高壓水工隧洞的襯砌滲透孔壓演變特征進(jìn)行研究;林太清等[4]基于離散單元法,對(duì)高壓隧洞裂隙巖體的滲控效應(yīng)進(jìn)行模擬,得到了裂隙巖體優(yōu)勢(shì)滲透路徑及滲控效應(yīng)規(guī)律;黃紅元[5]采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬法對(duì)不同形狀的隧洞滲流進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析,得到隧洞的滲流規(guī)律;王克忠等[6]基于錦屏二級(jí)水電站工程,對(duì)深埋引水隧洞高滲透壓?jiǎn)栴}進(jìn)行模型試驗(yàn);莊錦彬[7]基于流固耦合模型試驗(yàn),對(duì)隧洞襯砌背后存在厚度不足時(shí)的滲流特性進(jìn)行研究;Li等[8]采用復(fù)變分、鏡像和軸對(duì)稱建模方法對(duì)海底注漿隧道穩(wěn)態(tài)滲流問(wèn)題進(jìn)行解析求解,并討論了在數(shù)值模擬中選擇邊界條件對(duì)滲流場(chǎng)的影響;崔皓東等[9]采用三維有限元精細(xì)模擬技術(shù)對(duì)深埋洞室群圍巖滲流場(chǎng)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)采用防滲帷幕和排水孔幕組合防滲體系對(duì)襯砌開(kāi)裂狀態(tài)下的高壓滲水有顯著控制作用;葛金花等[10]采用ANSYS軟件建立局部隧洞三維模型,發(fā)現(xiàn)透水襯砌能很好地防治高外水壓力,大幅度減小外水壓力;程普等[11]對(duì)白鶴灘水電站地下廠房層間錯(cuò)動(dòng)帶滲控措施的研究,發(fā)現(xiàn)截滲洞和帷幕灌漿能有效截?cái)酀B漏通道,排水降壓效果顯著;Yu等[12]通過(guò)保角映射和分離變量法推導(dǎo)出隧道二維穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)的顯式分析解,發(fā)現(xiàn)隧道襯砌中以拱底為中心均勻布置排水孔可有效降低襯砌水壓.

本文基于云南省滇中引水工程,結(jié)合施工過(guò)程中遇到的不良地質(zhì)問(wèn)題解決方法,建立了一套適用于滲流場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化的高外水壓力條件下深埋長(zhǎng)隧洞工程全階段滲控體系.

1 基本理論

滇中引水工程輸水總干渠沿線地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜,斷裂和褶皺構(gòu)造發(fā)育,巖溶地層分布廣,隧洞高外水壓力洞段(大于1 MPa)長(zhǎng)約68 km,局部地段洞頂水頭超過(guò)10 MPa,深埋長(zhǎng)隧洞工程普遍存在以下工程地質(zhì)問(wèn)題:1)巖溶富水地層隧洞涌水問(wèn)題;2)過(guò)區(qū)域斷層、構(gòu)造破碎帶隧洞涌水突泥和活動(dòng)斷層結(jié)構(gòu)適應(yīng)性問(wèn)題;3)高外水壓力洞段;4)地下水水質(zhì)污染、地表存在污染源、對(duì)地表用水戶影響問(wèn)題.針對(duì)隧洞工程的不同實(shí)施階段,考慮地下水滲流場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化,梳理不同實(shí)施階段高外水壓力條件下深埋長(zhǎng)隧洞工程的滲控措施,建立一套適用于滲流場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化的高外水壓力條件下深埋長(zhǎng)隧洞工程全階段滲控體系,如圖1所示.

圖1 高外水壓力條件下深埋長(zhǎng)隧洞工程全階段滲控體系研究框架圖

1.1 開(kāi)挖前滲控設(shè)計(jì)

隧洞工程開(kāi)挖前根據(jù)斷層洞段圍巖變形破壞危險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)和隧洞涌突水災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)表(表2),綜合評(píng)定出隧洞過(guò)斷層、構(gòu)造密集帶圍巖穩(wěn)定及涌水突泥綜合防治措施分類(表3).

表2 隧洞涌突水災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)表

表3 隧洞過(guò)斷層、構(gòu)造密集帶圍巖穩(wěn)定及涌水突泥綜合防治措施分類表

根據(jù)隧洞過(guò)斷層、構(gòu)造密集帶及涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)綜合防治分類及風(fēng)險(xiǎn)因素,隧洞開(kāi)挖前主要采取以下防治措施(超前堵水灌漿為主).

1.1.1 A1類處理措施

洞周及掌子面超前灌漿堵水兼顧加固圍巖.A1類洞段涌水突泥問(wèn)題最為突出,且多存在斷層、構(gòu)造密集帶圍巖穩(wěn)定問(wèn)題,采用超前灌漿堵水兼顧加固圍巖,洞周及掌子面進(jìn)行超前灌漿,灌漿孔的布置以漿液擴(kuò)散不出現(xiàn)空白為原則;掌子面噴混凝土封閉,采用玻璃纖維錨桿工藝進(jìn)行注漿加固,以提高土體的抗側(cè)壓能力;超前支護(hù)用頂拱超前大管棚+超前小導(dǎo)管注漿加固;根據(jù)開(kāi)挖揭露地下水情況必要時(shí)進(jìn)行超前排水降壓;預(yù)留隔水巖柱.

1.1.2 A2類處理措施

邊頂拱超前灌漿加固圍巖.A2類洞段涌水突泥問(wèn)題不突出,主要是斷層、構(gòu)造密集帶圍巖穩(wěn)定問(wèn)題,采用超前灌漿加固圍巖,邊頂拱進(jìn)行超前固結(jié)灌漿,灌漿孔的布置以漿液擴(kuò)散不出現(xiàn)空白為原則;掌子面噴混凝土封閉,采用玻璃纖維錨桿工藝進(jìn)行注漿加固,以提高土體的抗側(cè)壓能力;超前支護(hù):頂拱超前大管棚+超前小導(dǎo)管注漿加固;根據(jù)開(kāi)挖揭露地下水情況必要時(shí)進(jìn)行超前排水降壓.

1.1.3 B1類處理措施

洞周超前灌漿堵水兼顧加固圍巖.B2類洞段涌水突泥問(wèn)題較突出,部分洞段還存在斷層、構(gòu)造密集帶圍巖穩(wěn)定問(wèn)題,采用超前灌漿堵水兼顧加固圍巖,洞周進(jìn)行超前堵水灌漿,灌漿孔的布置以漿液擴(kuò)散不出現(xiàn)空白為原則;掌子面噴混凝土封閉,采用玻璃纖維錨桿工藝進(jìn)行注漿加固,以提高土體的抗側(cè)壓能力;超前支護(hù):頂拱超前大管棚+超前小導(dǎo)管注漿加固;根據(jù)開(kāi)挖揭露地下水情況必要時(shí)進(jìn)行超前排水降壓;預(yù)留隔水巖柱.

1.1.4 B2類處理措施

B2類洞段涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)不大,主要是斷層、構(gòu)造密集帶圍巖穩(wěn)定問(wèn)題.掌子面噴混凝土封閉,采用玻璃纖維錨桿工藝進(jìn)行注漿加固,以提高土體的抗側(cè)壓能力;超前支護(hù):頂拱超前大管棚+超前小導(dǎo)管注漿加固.

1.1.5 C、D 級(jí)洞段類處理措施

對(duì)地表水存在疏干影響洞段采用以下措施:限量排放,局部集中滲水點(diǎn)布置堵水灌漿進(jìn)行封堵,并按相應(yīng)圍巖等級(jí)進(jìn)行一次支護(hù);對(duì)斷層、構(gòu)造密集帶圍巖穩(wěn)定C級(jí)風(fēng)險(xiǎn)洞段頂拱用超前小導(dǎo)管注漿加固.

1.2 開(kāi)挖及一次支護(hù)滲控設(shè)計(jì)

滇中引水工程深埋長(zhǎng)隧洞工程在隧洞開(kāi)挖及一次支護(hù)完成之后,針對(duì)隧洞沿線局部或散狀出水點(diǎn),根據(jù)洞室圍巖加固、洞室變形處理或地下水治理需求,可在隧洞襯砌前實(shí)施徑向固結(jié)灌漿,主要制定以下滲控措施:

對(duì)涌突水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為C 級(jí)和D 級(jí)的Ⅳ類、Ⅴ類和Ⅴ(特)類圍巖進(jìn)行徑向固結(jié)灌漿;施作徑向固結(jié)灌漿無(wú)法成孔時(shí),可采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行徑向固結(jié)灌漿加固;支洞與主洞交叉口由于開(kāi)挖過(guò)程多次擾動(dòng),極易變形,受施工條件限制,不能及時(shí)進(jìn)行二次襯砌,安全風(fēng)險(xiǎn)較高,為確保圍巖穩(wěn)定和施工安全,支洞與主洞交叉口各向30 m 范圍進(jìn)行徑向固結(jié)灌漿;灌漿壓力綜合圍巖條件、地下水壓力、支護(hù)情況等因素考慮,灌漿深度結(jié)合巖溶發(fā)育情況及外水水頭進(jìn)行綜合考慮;短進(jìn)尺、分臺(tái)階開(kāi)挖,邊挖邊襯,在開(kāi)挖過(guò)程中根據(jù)開(kāi)挖揭露的圍巖條件及時(shí)跟進(jìn)一次支護(hù)措施,一次支護(hù)采用型鋼支撐結(jié)合系統(tǒng)噴錨支護(hù)體系;對(duì)于IV、V 及V(特)圍巖局部較差洞段,可局部加強(qiáng)一次支護(hù)或增加超前支護(hù),如增加隨機(jī)錨桿、頂拱120°～180°范圍內(nèi)增設(shè)超前小導(dǎo)管等措施;增加隧洞底板厚度;素混凝土墊層調(diào)整為鋼筋混凝土.

1.3 二次襯砌及固結(jié)灌漿滲控設(shè)計(jì)

為降低作用與隧洞襯砌結(jié)構(gòu)外水荷載,避免因外水荷載導(dǎo)致加大襯砌厚度及配筋、造成投資大幅增加,根據(jù)地下水有無(wú)腐蝕性、地下水水質(zhì)、隧洞排水對(duì)地下水環(huán)境的影響等因素將隧洞劃分為以下幾類:排水洞段、限制排水洞段及不排水洞段.針對(duì)不同洞段的滲流控制進(jìn)行分類設(shè)計(jì):

1)排水洞段

適用于地下水水質(zhì)不存在污染因子洞段、地下水對(duì)混凝土或鋼筋無(wú)腐蝕性洞段、隧洞穿越的地層無(wú)膨脹巖(土)洞段、隧洞排水對(duì)地下水用水戶及地表庫(kù)塘河渠無(wú)影響洞段.采用平壓型襯砌(Ⅱ、Ⅲ1為減糙襯砌);結(jié)構(gòu)縫設(shè)橡膠止水一道,僅對(duì)Ⅴ類圍巖邊頂拱進(jìn)行加固型固結(jié)灌漿,為減小作用于襯砌上的外水壓力,襯砌結(jié)構(gòu)均采用透水襯砌,即在襯砌結(jié)構(gòu)頂拱設(shè)排水孔.

2)限制排水洞段

適用于地下水對(duì)混凝土或鋼筋腐蝕性洞段、隧洞穿越的地層膨脹巖(土)洞段、隧洞排水對(duì)地下水用水戶地表庫(kù)塘河渠有影響洞段.采用承壓型襯砌,對(duì)于外水水頭大于50 m 的洞段設(shè)少量排水孔釋壓,同時(shí)在襯砌外根據(jù)外水荷載大小設(shè)置不同防滲固結(jié)灌漿圈減少排水量及外水荷載;結(jié)構(gòu)縫設(shè)銅止水及橡膠止水各一道.外水壓力p＜0.5 MPa洞段:僅對(duì)Ⅴ類圍巖邊頂拱進(jìn)行加固型固結(jié)灌漿,不設(shè)排水孔;外水壓力p≤0.5 MPa洞段:全斷面進(jìn)行固結(jié)灌漿,設(shè)排水孔釋壓.

3)不排水洞段

適用于地下水水質(zhì)存在污染因子及水腐蝕洞段.采用承壓型襯砌,在噴混凝土表層噴一層水固化聚氨酯防水涂料,混凝土襯砌內(nèi)表面均涂水固化聚氨酯防水涂料,襯砌外表面設(shè)置HDP 防水板,且在防水板外側(cè)鋪設(shè)緩沖層無(wú)紡?fù)凉げ?襯砌結(jié)構(gòu)縫處設(shè)銅止水及橡膠止水各一道;結(jié)構(gòu)縫采用聚硫密封膠進(jìn)行充填,外水壓力p＜0.5 MPa洞段:僅對(duì)Ⅴ類圍巖邊頂拱進(jìn)行加固型固結(jié)灌漿,不設(shè)排水孔;外水壓力p≤0.5 MPa洞段:全斷面進(jìn)行固結(jié)灌漿,在襯砌與防滲固結(jié)灌漿圈間頂拱設(shè)橫向和縱向排水引排釋壓.

2 工程案例

滇中引水工程昆明段龍泉隧洞全長(zhǎng)9 218 m,設(shè)計(jì)流量80 m3·s-1,龍泉隧洞穿越I級(jí)區(qū)域性斷裂—鐵峰庵?jǐn)嗔?F28),主斷裂帶寬度約87 m,含影響帶總寬度約414 m,且地表新發(fā)現(xiàn)旁側(cè)次級(jí)斷裂3條,并下穿小(二)型水庫(kù)—松林水庫(kù).該段圍巖類別為極不穩(wěn)定的V(特),斷層構(gòu)造帶圍巖穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)為A 級(jí)(極高風(fēng)險(xiǎn)),涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)為B級(jí)(高風(fēng)險(xiǎn)),單位長(zhǎng)度最大涌水量20.15～25.61 m3·(d·m)-1,同時(shí)存在不小于0.5 MPa高外水壓力,預(yù)測(cè)最大外水壓力0.63 MPa.龍泉隧洞過(guò)鐵峰庵?jǐn)嗔鸭八闪炙畮?kù)段帶平面布置如圖2所示,龍泉隧洞過(guò)鐵峰庵?jǐn)嗔鸭八闪炙畮?kù)段地質(zhì)構(gòu)造如圖3所示,龍泉隧洞與松林水庫(kù)三維關(guān)系如圖4所示.

圖2 龍泉隧洞過(guò)鐵峰庵?jǐn)嗔鸭八闪炙畮?kù)段平面布置圖

圖3 龍泉隧洞過(guò)鐵峰庵?jǐn)嗔鸭八闪炙畮?kù)段地質(zhì)構(gòu)造圖

圖4 龍泉隧洞與松林水庫(kù)三維關(guān)系圖

龍泉隧洞過(guò)鐵峰庵?jǐn)嗔鸭八闪炙畮?kù)段存在的主要地質(zhì)問(wèn)題:圍巖穩(wěn)定問(wèn)題突出,為圍巖變形破壞極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(A),存在嚴(yán)重～極嚴(yán)重?cái)D壓變形問(wèn)題;存在高外水壓力問(wèn)題及斷層破碎帶涌水突泥風(fēng)險(xiǎn);下穿松林水庫(kù),具備鐵峰庵?jǐn)嗔袴28溝通隧洞的條件,水庫(kù)向隧洞產(chǎn)生滲漏的風(fēng)險(xiǎn)較大,隧洞施工降水和圍巖變形破壞均可能引發(fā)地基沉降和變形問(wèn)題,同時(shí)還具有圍巖大變形、涌水、突泥、塌方、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn).

針對(duì)龍泉隧洞過(guò)鐵峰庵?jǐn)嗔鸭八闪炙畮?kù)段存在的地質(zhì)問(wèn)題,保證隧洞圍巖穩(wěn)定,嚴(yán)格控制隧洞排水,避免隧洞施工對(duì)水庫(kù)的擾動(dòng)和對(duì)水環(huán)境的不良影響.在隧洞施工過(guò)程中采取以下措施:

1)開(kāi)挖前滲控設(shè)計(jì)

①超前地質(zhì)預(yù)報(bào):用長(zhǎng)短結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報(bào),預(yù)測(cè)措施為地質(zhì)素描、TSP 或TRT(100 m)、地質(zhì)雷達(dá)(15～30 m)、紅外線探水或瞬變電磁(20 m).

②超前支護(hù):主斷裂帶在頂拱180°范圍采用超前大管棚及超前小導(dǎo)管支護(hù);影響帶在頂拱120°～180°范圍采用超前大管棚及超前小導(dǎo)管支護(hù).

③超前預(yù)加固:主斷裂帶采用全斷面超前灌漿,掌子面玻璃纖維錨桿注漿加固;影響帶采用洞周超前灌漿.

2)開(kāi)挖及一次支護(hù)滲控設(shè)計(jì)

①開(kāi)挖:采用微臺(tái)階開(kāi)挖、控制爆破及機(jī)械開(kāi)挖掘進(jìn).

②一次支護(hù):主斷裂帶和影響帶采取掛網(wǎng)噴混凝土、系統(tǒng)錨桿、鋼支撐、底板設(shè)素混凝土墊層設(shè)置、預(yù)留變形量、視情況施做邊頂拱徑向固結(jié)灌漿等措施.

3)二襯及固結(jié)灌漿滲控設(shè)計(jì)

①襯砌及襯后灌漿:該段隧洞屬于限制排水洞段,為承壓型襯砌,地下水存在敏感因子,結(jié)構(gòu)縫設(shè)銅止水及橡膠止水各一道;僅對(duì)Ⅴ類圍巖邊頂拱進(jìn)行加固型固結(jié)灌漿;設(shè)排水孔釋壓,僅穿透襯砌結(jié)構(gòu).

②安全監(jiān)測(cè):加強(qiáng)隧洞施工過(guò)程中圍巖變形觀測(cè),每5米設(shè)置一個(gè)變形觀測(cè)斷面,及時(shí)埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)施,加強(qiáng)洞內(nèi)外安全巡視,做好施工過(guò)程中影響取證.

③地下水監(jiān)測(cè):根據(jù)區(qū)段工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、需要監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目以及各類監(jiān)測(cè)方法的適宜性等,確定監(jiān)測(cè)的主要方法為:鉆孔地下水水位長(zhǎng)期觀測(cè)、地表水體、泉點(diǎn)定期巡視巡查,地下水涌水量監(jiān)測(cè).

通過(guò)長(zhǎng)短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、常規(guī)地質(zhì)預(yù)報(bào)與專項(xiàng)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)合及對(duì)比分析,有效預(yù)見(jiàn)及降低了隧洞開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn);采用控制爆破及機(jī)械開(kāi)挖掘進(jìn),主斷裂帶按照三臺(tái)階法施工,有效控制了隧洞施工過(guò)程中巖體擾動(dòng);落實(shí)超前堵水措施后,隧洞施工中多以頂拱滴滲水為主,未發(fā)生涌水突泥事件,出水量未超出抽排水能力,未對(duì)地下水及地表庫(kù)塘造成不良影響;采取加密大小管棚等超前支護(hù)和加強(qiáng)鋼支撐等措施后,圍巖得到有效加固,施工過(guò)程中除局部掉塊和垮塌外,無(wú)大規(guī)模塌方問(wèn)題;采取各項(xiàng)開(kāi)挖支護(hù)措施后,隧洞圍巖變形受控,依《滇中引水工程昆明段施工3標(biāo)龍泉隧洞進(jìn)口施工安全監(jiān)測(cè)月報(bào)》顯示,龍泉隧洞過(guò)鐵峰庵?jǐn)嗔讯炊味瓷碇苓吺諗坷塾?jì)值為2.9～18.5 mm,拱頂下沉累計(jì)值為3.0～18.3 mm.

3 結(jié)論與展望

本文基于滲流場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化的高外水壓力下深埋長(zhǎng)隧洞工程不同實(shí)施階段所采取的滲控措施,建立一套適用于高外水壓力條件下深埋長(zhǎng)隧洞工程全階段滲控體系,針對(duì)隧洞開(kāi)挖前、開(kāi)挖及一次支護(hù)、二襯及固結(jié)灌漿3個(gè)階段進(jìn)行不同的滲控設(shè)計(jì).將該滲控體系應(yīng)用于云南省滇中引水工程龍泉隧洞下穿鐵峰庵?jǐn)嗔鸭八闪炙畮?kù)段,得出以下結(jié)論:1)能夠有效預(yù)見(jiàn)降低隧洞開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn),控制圍巖變形速度;2)能夠避免隧洞涌突水以及隧洞施工對(duì)水庫(kù)的擾動(dòng)和對(duì)水環(huán)境的不利影響;3)對(duì)隧洞工程進(jìn)行全階段的滲控設(shè)計(jì),可以減少工程事故的發(fā)生,有效保證施工安全及工程進(jìn)度.

深埋長(zhǎng)隧洞工程全階段滲控體系可以有效解決隧洞開(kāi)挖過(guò)程中遇到的問(wèn)題,不僅適用于水利工程中深埋長(zhǎng)隧洞的開(kāi)挖,對(duì)于鐵路隧道、地下深埋隧洞及海底灌漿隧道等工程也有一定的參考價(jià)值.