長輸水隧洞中地下水影響評價分析及措施

王浩宇

（沈陽興禹水利建設工程質量檢測有限公司，遼寧 沈陽 110006）

1 工程概況

新建岔河長輸水隧洞全長10.05 km，由進口段、無壓洞身段及出口段組成。設計底坡i=1/1000，輸水隧洞洞身段為2.0 m×2.4 m城門洞型斷面，屬于特小斷面、特長型隧洞，隧洞設計流量為3.051 m3/s。

洞身埋深一般200 m～400 m，最大埋深704 m，巖性主要有泥巖、砂巖、砂質泥巖加砂巖，屬于軟弱工程地質巖組，圍巖類別主要為IV類、V類圍巖。經對隧洞沿線地質情況進行勘察，隧洞從進口至出口分布發育向斜、背斜、向斜、斷層，地質構造較復雜，地下水對隧洞施工的影響較大，施工過程中需考慮地下水對隧洞的施工影響，并充分做好排水等預防措施[1]。

2 隧洞圍巖地質分段評價結果

主要評價含地下水活動強烈，可能發生涌水突泥的地段[1]。

（1）洞身4段(長隧1+910.00 m～長隧2+696.00 m、段長786 m)

該段洞身最大埋深380 m，位于老官山向斜西側，洞身穿越地層為馬頭山組中厚層狀細～粗粒長石石英砂巖。據地表勘察產狀38∠58°。巖層走向與隧洞軸線走向斜交。依據地質資料推斷隧洞軸線與斷層破碎帶相交，向下延伸深度均超過隧洞底板以下。該段巖質較硬，層理發育，層間結合一般，斷層破碎帶影響部位裂隙發育，巖體較破碎，整體圍巖強度及穩定性較差，產狀陡傾，在層理及裂隙共同作用下易形成楔形體，段內地下水活動程度較為強烈，受地下水影響，掘進過程中存在順層面突發涌水、突泥的可能，需做好預防工作。洞身圍巖類別為Ⅴ類，該段屬不穩定段，巖石堅固系數2.0～3.0。

（2）洞身14段(長隧8+545.00 m～長隧8+707.00 m、段長162 m)：

該段洞身最大埋深為268 m，洞身穿越前段地層為普昌河組泥巖、砂質泥巖夾砂巖，屬軟弱工程地質巖組；后段為馬頭山組中厚層狀細～粗粒長石石英砂巖屬中硬巖組。依據地質資料可知，洞段內整體斷層破碎帶成條帶狀分布，向下延伸深度較大，斷層為正斷層，斷層下盤為馬頭山組中厚層狀細～粗粒長石石英砂巖；斷層上盤為江底河組泥巖夾鈣質泥巖及泥灰巖。巖層走向與隧洞軸線走向斜交，隧洞自西向東穿越斷層，斷裂走向北西、傾向北東、傾角約68°～90°、為一上盤下降，下盤上升的張性正斷層。視寬度約80 m，影響寬度約120 m，構造垂向延伸深度較大，構造水平展布長度較大。斷層或構造破碎帶位置及其影響范圍內巖石受構造影響嚴重，帶內裂隙發育，巖體破碎，易形成富水區域，巖體完整性及穩定性差。洞身圍巖類別為Ⅴ類，該段屬極不穩定段，巖石堅固系數 1.0～2.5。

3 地下水情況分析

3.1 長隧洞涌水量計算

長輸水隧洞涌水量計算主要包括正常涌水量計算和最大涌水量計算。其中，正常涌水量計算采用大氣降水入滲估算法及正常涌水量經驗公式，最大涌水量采用最大涌水量經驗公式計算[2,3]。

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，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：

式中：Q為隧洞涌水量，m3/s；L為計算隧洞長，m；k為含水體的滲透系數，m/d；H為洞底以上潛水（含水體）的厚度，m。

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

表1 長輸水隧洞施工用水量估算表

3.2 地下水地質勘察分析

該長輸水隧洞根據工程需要，需在隧洞沿線鉆孔，獲得地質勘察資料，本文在隧洞沿線鉆取18個鉆孔來探測地下水情況，孔深在100 m～200 m左右，篇幅所限，僅列出隧洞進出口鉆孔勘察成果，見表2。

表2 長輸水隧洞鉆孔勘察成果表

根據鉆孔資料分析，進出口段圍巖以泥巖為主，強風化底界埋深淺，弱風化巖體完整性好，節理裂隙不發育，圍巖相對完整。進口鉆孔ZK17未見地下水位，即大于110.2 m，孔底3段壓水呂榮值3.44 Lu～11.63 Lu，ZK18地下水位69.7 m，孔底3段壓水呂榮值0.48 Lu～0.77 Lu。鉆孔在洞身圍巖上下共壓水4段，呂榮值在7.3 Lu～11.94 Lu之間，洞身圍巖以弱透水層為主，局部為不透水層，說明洞身圍巖透水性相對較弱。根據長輸水隧洞工程地質條件，隧洞（隧0+000～隧1+863,隧5+233～隧8+653，隧8+853～隧9+987）以泥巖為主，圍巖透水性相對較弱，不存在涌水和突水，洞壁一般存在股狀滲水、線狀滲水、滴水和潮濕等情況。在隧1+863～隧5+233向斜軸部，地下水由向斜兩翼向軸部補給，補給范圍較廣，并且巖體受褶曲影響，張性節理較發育，可能存在涌水和突水問題，洞壁一般以股狀滲水、線狀滲水為主，在施工過程中，需做好預防工作，保證隧洞施工安全。在隧8+653～隧8+853正斷層區，斷層錯斷帶巖體較為破碎，完整性差，屬極不穩定圍巖，該洞底板位于地下水位線以下，施工過程中需采取排水措施。

4 地下水涌水工程措施

由地質鉆孔得到的水文地質分段評價，結合涌水量的計算可知，該長輸水隧洞沿線地質條件復雜，涌水量大，部分洞段底板處于地下水位以下，段內地下水活動程度較為強烈，施工中極易發生涌水、突泥等地質災害。因此在施工中不僅要采取排水措施，還要對隧洞進行支護處理，確保圍巖地質穩定。

4.1 排水措施

洞內排水采用集水坑（長寬高為2.0 m×1.0 m×1.5 m）、集水井與水泵、排水管相結合的排水方式，首先把工作面的水排至集水坑（每隔500 m設一個），再通過水泵、排水管抽排至洞外的污水沉淀池，經處理達標后排放；當為支洞側工作面時，通過水泵、排水管道抽排至接力泵站，由接力泵站排至支洞底部的集水井（長寬高為2.0 m×1.5 m×2.0 m），由高揚程泵排至洞外的污水沉淀池，經處理達標后排放；當為隧洞進出口工作面時，通過水泵、排水管道抽排至接力泵站，由接力泵站排至洞外的污水沉淀池，經處理達標后排放[4～6]。

在涌水量較大洞段，可將原回填灌漿孔改造成排水孔，排水孔伸入圍巖長度約3 m左右，根據地質情況和涌水量的大小排水孔可延伸至5 m，排水量較大時，排水后圍巖應進行固結灌漿，以確保圍巖穩定。

4.2 支護處理措施

本文根據地質勘察情況，主要考慮遇斷裂擠壓破碎帶、強富水地層、高地應力段、易塌及軟巖地帶時還應認真做好超前預報工作，采用C20噴鋼纖維砼初期支護，并結合超前小導管、超前錨桿以及預灌漿等措施進行施工[7,8]。支護措施形式見圖1，具體支護措施見表3。

圖1 長輸水隧洞改進后的支護形式示意圖

表3 隧洞支護措施表

4.3 地下水處理效果

隧洞出口向進口方向開挖過程中，在施工至正斷層隧8+853前約50 m時（隧8+900），由超前地質鉆孔探測到前方地下水水頭都較高，裂隙及構造發育，巖體軟弱破碎。施工人員正在進行鋼拱架初期支護，拱頂部位突然發生突水涌泥現象。與此同時,上方地表出現了一個約長40 m，寬50 m的塌陷坑，深50 m左右。對地表塌陷坑進行了安全防護處理后，施工人員采取大功率水泵及排水管排水，并采取鋼拱架、噴C20鋼纖維砼、固結灌漿等措施進行處理。待圍巖和隧洞結構穩定后，對前方正斷層區采取超前預報，結合超前小導管、超前固結灌漿等措施進行進尺、弱爆破、及時襯砌的施工方案，順利地完成了隧8+653～隧8+853正斷層區間的施工。

5 結語

本文根據該長輸水隧洞地下水水位特征、施工期間地下水涌水量大小對隧洞施工影響及危害程度進行了分析研究，通過現場地質鉆孔對隧洞沿線地下水賦存及分布，特別是對隧沿線裂隙發育、斷層及高水頭區間裂隙水進行了重點分析，并結合多年來設計及施工經驗，對地下水影響較大的洞段進行了排水處理，發生突水涌泥的區段進行鋼支撐、噴C20鋼纖維砼、加大襯砌厚度等措施加強支護，同時還采取超前地質預報，提前排水減壓，超前固結灌漿等措施，確保施工安全。