某新建輸水隧洞施工中受地下水影響處理措施分析

盧 敏

（江西省水利水電建設有限公司，江西 南昌 330200）

1 工程概況

某新建輸水隧洞全長5.54 km，為無壓洞，輸水流量0.385 m3/s，開挖斷面形式3.0 m×3.3 m 城門洞型，襯砌形式為鋼筋砼厚0.3 m、0.35 m 兩種，設計底坡1/2500。輸水隧洞穿越的地層巖性主要為砂巖、礫巖及粉質粘土，初步勘察圍巖類別為Ⅱ類～V類，其中輸水隧洞進出口段圍巖類別為V 類，里程分別為隧0+055.00～隧0+295.00 m、隧4+770.00～隧5+500.00 m，共計長度為970 m。隧洞穿越Ⅱ類、Ⅲ類圍巖洞段，巖性為弱風化中礫巖、微風化泥灰質砂巖，巖石屬于中硬巖- 硬巖，隧洞巖性較好，地下水對施工影響較小。隧洞工程區地下水類型為第四系孔隙水及基巖裂隙水，在進出口洞段?？辈熨Y料表明，隧洞進口段地下水位為665.3 m～672.5 m，高于隧洞進口底板高程，施工期間地下水對施工影響較大，應考慮排水及圍巖支護措施。因此本文針對輸水隧洞進、出口段圍巖類別為V 類圍巖隧洞施工中的涌水量、支護及排水措施進行經驗總結及研究[1]。

2 地下水處理

2.1 涌水量計算

經對輸水工程線路沿線走訪踏勘，該新建輸水隧洞（隧洞長5.54 km，最大埋深374 m）隧洞洞身長，埋深大，地層巖性較繁多、地質構造復雜，沿線穿越河流及溝谷較多，地下水對隧洞施工的影響較大。本文針對輸水隧洞進出口段圍巖類別為V 類的隧洞施工中的涌水量采用大氣降水入滲估算法、正常涌水量經驗公式及最大涌水量經驗公式進行涌水量計算[2]。

①大氣降水入滲法

式中：Q 為隧洞涌水量，m3/d；a 為大氣降水入滲系數，取10%；F為隧洞影響帶匯水面積，按隧洞兩側各400 m 計；P 為大氣降水量，當地年平均降水量上限，根據水文資料，計P=1058 mm。

②正常涌水量經驗公式

式中：Q 為隧洞涌水量，m3/s；L 為輸水隧洞長，m；k 為含水體的滲透系數（按各隧洞勘探鉆孔壓水呂榮值平均值換算），m/d；H為洞底以上潛水（含水體）的厚度（按分段地下水位線以下至隧洞底板厚度），m。

③最大涌水量經驗公式

現根據上述三種公式計算輸水工程線路該隧洞的施工涌水量，計算各隧洞施工涌水量見表1。

表1 輸水隧洞的施工涌水量估算表

2.2 現場涌水量量測

工程隧洞底板高程低于附近村莊河道及居民水井高程（見表2），再加上隧洞巖石裂隙較為發育，隧洞開挖后，附近村民水井、河道水位均下降，水流流向隧洞內，洞內滲水、涌水量大，最大涌水量達到504 m3/h。隧洞內涌水量通過污水泵外抽，流量計量測，得到的涌水量結果見表3。

表2 輸水隧洞進出口高程值

表3 輸水隧洞施工涌水量統計

采用流量計測得水量與經驗公式計算得到的隧洞施工涌水量值大致相同，進、出口段涌水量多，開挖后工程區附近河道、水井水位下降，嚴重的影響了河道、水井水量，也影響了隧洞正常施工，花費了大量的財力、人力和物力來處理地下水和加固圍巖，同時也影響了施工進度。本文除采用常規地下水處理措施外，重點對隧洞支護進行研究。

2.3 地下水處理措施及效果

對隧洞進出口地下水采用“封”“堵”“截”“排”的原則進行處理，進出口開挖及地下水處理應遵循“先探后掘、以堵為主、堵排結合、可控排放、擇機封堵”的原則，開挖前應采用超前孔探明掌子面前方地下水的活動規律，測定漏水量、壓力，防止突然涌水；施工中將補給水源（河道、水井）截斷，利用橫向排水通道、側導洞、集水井、抽水泵、打探孔或平行支洞等手段排除地下水，降低地下水位及封堵難度；同時采用超前固結灌漿等手段降低其滲透性等。

經過處理后，施工過程中隧洞內沒有出現較大的涌水及突泥情況，洞壁有滲水，進出口呈線狀流水，水量較小，處理效果顯著，隧洞再次采用流量計量測進出口處水量情況，得到的結果見表4。

表4 處理前后進出口涌水量對比表

3 支護型式改進

3.1 原支護型式

進口V 類圍巖洞段、出口V 類圍巖洞段（隧5+155.00～隧5+360.00）長205 m，原支護采用“注漿小導管超前支護+工12.6 鋼拱架噴10 cm 砼+C25 鋼筋砼厚35 cm”，出口V 類圍巖洞段（隧4+670.00～隧5+195.00）長525 m，原支護采“網噴砼厚10 cm+砂漿錨桿+C25 鋼筋砼厚30 cm”，支護方式見圖1。

圖1 原支護方式示意圖

施工中存在的問題：①開挖后洞頂巖體破碎掉塊，地下水涌入隧洞，使邊墻巖體變軟，排水后隧洞圍巖坍方嚴重；②原支護措網噴砼掛網困難，噴砼隧巖體掉下；③工12.6 鋼支撐剛度小，其強度不能維持圍巖穩定，使斷面變形嚴重，噴10 cm 砼不能與襯砌緊密結合。

3.2 改進的支護措施

隧洞進出口V 類圍巖洞段改進支護措施有2 種，第一種在出口V 類圍巖洞段（隧4+630.00～隧5+155.00 m）改進為“注漿小導管超前支護+工14 鋼拱架噴14 cm 砼+系統錨桿+C30鋼筋砼40 cm”，第二種在進口段、出口V 類圍巖洞段（隧5+155.00～隧5+360.00）改進為采用工14 鋼支撐結合系統錨桿支護，噴C20 砼14 cm 厚，襯砌厚度加大為50 cm，并結合超前高壓預灌漿進行掘進，局部掉塊嚴重地段掛鋼筋網，高外水頭洞段考慮排水后進行固結灌漿。改進后的支護措施圖見圖2[3]。

圖2 改進后的支護措施圖

支護方式改進后，對隧洞進出口開挖洞段及時支護，可以保證圍巖穩定，斷面變形也隨之變小。盡管在工程投資上因鋼支撐、鋼筋砼及固結灌漿的量的增加而增大，但是改進的支護措施不僅保證了開挖后圍巖穩定時間，確保了施工安全，而且施工進度加快、縮短了工期，可以加快工程效益[4]。

3.3 工程投資對比和效益分析

3.3.1 投資對比

新建輸水隧洞工程建設總投資4400 萬元，支護措施改進后增加工程投資577.51 萬元，主要增加投資體現在鋼支撐、鎖腳錨桿、鋼筋砼、固結灌漿等工程量方面，同時還有新增加的超前支護措施（超前小導管、超前灌漿孔等），占總投資的13.1%。將支護形式改變前后工程量變化的項目情況見表5，并對改進前后的工程量投資及工程效益對比分析[5]。

表5 支護形式改變前后工程量及投資變化對比表

根據表5 結果對比分析，支護措施改進后，除Φ6.5 鋼筋網制作及安裝費用比原來減少16.16 萬元，其余投資比原來均有所增加，鋼支撐投資增加了122.63 萬元，這是由于采用鋼支撐代替了掛網錨噴C20 砼的支護方式；與此同時，石方洞挖、鋼筋砼的投資增加均在100 萬元以上，超前支護措施投資增加了35 萬元左右，固結灌漿投資增加了30 萬元，支護組合形式改進后比改進前增加了577.51 萬元。改進后的支護設計在很大程度上解決了該隧洞開挖后因巖體節理裂隙發育、圍巖破碎導致的洞頂坍塌、掉塊及開挖過程中遇到的涌水、突泥導致隧洞變形破壞的問題，改進效果顯著，盡管支護形式的改進增加了工程投資，但工程施工卻更加安全，工程進度加快，支護改進的合理與否，應進一步進行工程效益分析[6]。

3.3.2 效益分析

該輸水隧洞輸水流量0.37 m3/s，全年總供水量1166.8 m3，主要供水范圍為平泉縣城中心城區，供水對象為居民生活用水、公用建筑、工業企業、市政公共設施以及瀑河生態及景觀用水，規劃城區近期、遠期人口分別為13 萬人和20 萬人，該地區水資源現狀已經不能滿足當前工業生產及人民生活所需，因此該輸水隧洞供水迫在眉睫。盡管采用改進的支護形式投資比原投資增加557.51 萬元，加上地下水抽水、排水等各種處理措施，投資增加約650 萬元，但是若按平均1.5 元/m3水費計，輸水提前完成4 個月時間，便可產生650 萬元的效益，施工期因排水支護措施增加的投資效益遠遠低于運行期產生的效益，相反如因地下水影響施工使得工期延長，會產生更多的費用。

4 結論與建議

（1）長輸水隧洞施工中下水涌水、涌泥等不良地質問題的處理會花費較長的時間，也會投入較多的人力、財力和物力，因此在施工前應花費更多的時間進行地質勘察。

（2）長輸水隧洞在地質勘查期間，由于隧洞埋深較大，不能完全準確的確定工程地質條件，因此在設計中對Ⅴ類及不良地質洞段應采取一定的排水、排泥沙及圍巖支護措施，并計入工程投資。

（3）改進的支護措施可有效的解決因地下水作用造成隧洞圍巖洞頂及邊墻坍塌、掉塊問題，保證圍巖穩定，確保施工人員和設備的安全。

總之，該輸水隧洞若采用改進后的支護措施，通水后帶來的效益遠遠大于施工期間因改進的支護措施產生的費用，提前進入供水會解決該地區水資源供水不足的現狀，產生更多的經濟、社會效益。