鄂北地區水資源配置工程隧洞施工涌水分析及處理措施探討

羅應貴 劉晟 易曉麗

摘要：涌水是隧洞施工中較為常見的地質災害之一。以鄂北地區水資源配置工程大竹園隧洞為研究對象，該隧洞在開挖至樁號214+556時發生涌水，最大涌水流量259.3 m3/h，平均涌水流量達224.2 m3/h，危及施工安全。通過采取鉆孔排水、超前預報、固結灌漿及管棚超前支護等處理措施，涌水量降至約87 m3/h，處理效果較好。該涌水處理措施可為隧洞安全施工和涌水處理提供參考。

關鍵詞：隧洞施工;涌水處理;超前預報;固結灌漿;超前支護;鄂北地區水資源配置工程

中圖法分類號：TV554文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.008

Abstract： Gushing water is one of the common geological disasters in tunnel construction. Water gushing accident occurred at pile 214+556 of the Dazhuyuan tunnel of North Hubei Water Transfer Project in the tunnel excavation construction，with the maximum gushing water flow of 259.3 m3/h and the average flow of 224.2 m3/h，which endangered the construction safety. By drilling drainage，advance forecast， consolidation grouting and advance pipe-shed support， the water inflow was reduced to about 87 m3/h. The ?treatment method can be referred for tunnel safety construction and gushing water treatment.

Key words： tunneling; water gushing treatment; advance forecast;consolidation grouting; advance support; North Hubei Water Transfer Project

1 基本情況

1.1 隧洞概況

鄂北地區水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）以丹江口水庫為水源地，從該水庫清泉溝取水，自西北向東南穿越襄陽市的老河口、襄州區和棗陽市，隨州市的隨縣、曾都區和廣水市，止于孝感市的大悟縣王家沖水庫。輸水線路總長269.67 km，年均引水量7.7億m3，設計供水人口482萬人，灌溉面積約24.23萬hm2（363.5萬畝）。

大竹園隧洞為自流無壓引水隧洞，全長4.07 km，設計引水流量9.5 m3/s，開挖斷面為城門洞型，成洞洞徑5.2 m，埋深15～90 m。隧洞地質條件復雜，隧洞沿線發育兩條斷層帶，施工難度較大，是鄂北工程廣悟段的關鍵性控制工程之一。

1.2 涌水情況

2019年3月20日，大竹園隧洞開挖至樁號214+556，正在進行鋼拱架支護施工，3月20日02：05時隧洞樁號214+553處底板右側發生冒水現象，有2處冒水點，相距0.50 m左右，水質渾濁。3月21日14：00時涌水量未見明顯減少，隧洞水深1.50 m。發生涌水現象后立即抽排，水泵排水量80 m3/h。

依據2019年3月20日02：05時至3月21日14：00時的洞內水深及抽排能力，測算得到樁號214+553處涌水量Q=726 m（洞長214+556～213+830）×6 m（洞挖寬度）×1.50 m（洞內水深）/36 h +80 m3/h（水泵抽排量）-35 m3/h（施工支洞上游隧洞涌水量）=226.5 m3/h，即q=62.9 L/s。

大竹園隧洞樁號214+553處洞內發生涌水后，2019年3月23日安排3臺水泵進行抽排（2臺30 kW、1臺22 kW），根據同年4月3日10：20～15：00時段30 kW水泵流量量測（總排水量540 m3），30 kW水泵排水量q1=540 m3/4.6 h=118 m3/h，根據功率推算，22 kW水泵排水量q2=86 m3/h，現場觀測記錄見表1。從表1中可以看到，3月23日08：30至3月27日08：30涌水量Q=224.2 m3/h，即q=62.3 L/s。

2019年4月4～8日洞內積水已基本排完，抽水水泵減少至2臺（1臺37 kW、1臺30 kW），測得37 kW水泵流量107 m3/h，30 kW水泵流量86 m3/h。測算得到樁號214+553處涌水量Q=107 m3/h+86 m3/h-35 m3/h（施工支洞上游隧洞涌水量）=158 m3/h，即q=43.9 L/s。

2019年4月14日，洞內涌水量進一步減小，抽水水泵減少至1臺，涌水量降至約87 m3/h。根據施工單位同年4月11～17日大竹園支洞突水臺賬，施工支洞排水量見表2。

綜上，2019年3月20日至4月17日大竹園隧洞樁號214+553～214+556處涌水量隨著時間推移逐漸減少。

1.3 隧洞工程地質情況

（1）地形地貌。隧洞沿線地面高程121.6～207.6 m，相對高差約85.0 m，為低山丘陵地形。洞線樁號212+540～212+680、212+830～212+980段地表為河谷低洼地，高程約125.0 m，河谷走向與隧洞軸線平行，河谷常年有水流入先覺廟水庫，水庫正常蓄水位107.0 m;214+550～214+650段穿越沖溝，溝底高程約137.0 m，沖溝走向與隧洞軸線垂直，洞線南西側沖溝里有水塘分布，水塘水位高程約143.3 m;樁號215+300及215+750處地表為沖溝，溝底高程分別約為152.7 m和172.0 m，沖溝走向與隧洞軸線近垂直，溝內有小水塘分布，沖溝無常年流水。隧洞出口為張家橋河，河床高程約105.0 m，河谷走向與隧洞軸線交角約45°，河谷常年有水流入徐家河水庫，水庫正常蓄水位72.0 m。

（2）地層巖性。隧洞樁號214+010～215+450穿越的地層為震旦-青白口系白兆山組上段（Z2b2），主要為石英鈉長黑云片巖和鈉長綠泥片巖。

（3）地質構造。工程區大地構造處于秦嶺褶皺系（I）南秦嶺冒地槽褶皺帶（I1）隨州應山復背斜（I13）應山褶皺束（I13-1）。大竹園隧洞位于張家橋倒轉復式向斜次一級構造——大竹園倒轉向斜。大竹園隧洞區域構造見圖1。

大竹園倒轉向斜走向290°左右，北翼向S倒轉，核部北西端揚起，向南東傾伏。向斜核部地層為震旦-青白口系白兆山組上段（Z2b2）石英鈉長黑云片巖、鈉長綠泥片巖，兩翼地層為震旦-青白口系白兆山組下段（Z2b1）中厚層大理巖、大理巖夾薄層鈉長綠泥片巖和震旦-青白口系岔河組（Z2c）綠簾鈉長黑云片巖。巖層及片理產狀330°～41°∠8°～37°、局部87°～98°∠26°～42°。

（4）水文地質條件。隧洞沿線巖性多樣，地下水類型較為豐富。片巖段主要為基巖裂隙水，水量較貧乏且不均衡，主要靠大氣降水補給，溝河為其排泄基準面。砂巖段以孔隙水為主，砂巖總體厚度較小，水量有限，其上下均為片巖隔水層，部分段具有承壓水性質，主要靠大氣降水補給，溝河為其排泄基準面。大理巖夾片巖段以溶蝕孔隙水、溶蝕裂隙水為主，水量較為豐富，但受含水層厚度及補給條件限制，總體水量有限，其上下均為片巖隔水層，部分段有具承壓水性質，主要靠大氣降水補給，溝河為其排泄基準面。

（5）圍巖評價。根據現場已開挖及施工階段地質測繪成果，隧洞214+535～214+660為Ⅴ類圍巖，主要為強-弱風化納長綠泥片巖，裂隙、片理發育，片理結合極差，片理產狀21°∠35°。地表為沖溝，風化帶，地下水較活躍，可見線狀流水，傾角較緩，圍巖極不穩定。

2 涌水原因分析

通過前期地質資料、地質測繪、地面物探、TSP超前地質預報等對大竹園隧洞涌水進行分析。

（1）地質測繪。地表地質測繪發現沖溝（樁號214+550～214+650）內水塘岸邊發育斷層F2，斷層產狀355°∠52°，斷層破碎帶地表寬度30～110 cm。根據現場地質測繪及推測，涌水處（樁號214+553～214+556）與斷層的水平距離分別約為80 m（地表）和50 m（洞底板高程）。根據斷層產狀投影顯示，隧洞開挖至樁號214+630左右揭露斷層F2，推測該斷層向下穿透隔水片巖進入大理巖區。

（2）地面物探。采用高密度電法勘探。樁號214+450～214+630段圍巖節理發育，地下水為基巖裂隙水，水量大。樁號214+630～214+650段隧洞通過斷層F2，斷層向深部延伸，傾角較大（剖面上視傾角約68°），推測隧洞涌水應為該斷層切穿深部導水地層或構造引起。隧洞軸線高密度電法視電阻率斷面見圖2。

（3）超前地質預報（TSP）。樁號214+535～214+572段為強風化納長片巖，屬軟質巖，結構面較發育，以風化易剝離的片理面和構造節理為主，巖體完整性差，巖體呈薄層狀結構;樁號214+594～214+633段為強風化納長片巖，結構面發育，以風化易剝離的片理面和構造節理為主，巖體完整性差，巖體呈薄層狀結構，局部碎裂結構。TSP超前地質預報REC巖石參數變化情況見圖3。

綜合地表地質測繪、地質素描、前期地質資料、地面物探及TSP成果，已開挖洞段樁號214+535（發生冒頂險情）～214+556（涌水處掌子面）段圍巖為震旦-青白口系白兆山組上段（Z2b2）薄層鈉長綠泥片巖，呈強～弱風化，屬軟質巖，片理傾角較緩，節理裂隙、片理發育，巖體完整性差，洞壁滴水，局部有線狀流水現象，屬Ⅴ類圍巖，圍巖極不穩定，地下水為基巖裂隙水。隧洞掌子面（樁號214+556）前方樁號214+600～214+650段巖體呈薄層狀結構，局部碎裂結構，發育有斷層，斷層貫穿下部地層并延伸至地表，具富水性。根據樁號214+606處鉆孔AZK2224地下水位高程136.64 m，可知涌水處（樁號214+553～214+556）隧洞底板高程地下水埋深大于30 m，由隧洞底板下部地層（Z2b1大理巖）至隧洞底板到地表，壓力水頭逐漸減少。

綜合上述分析，大竹園隧洞樁號214+553～214+556處出現較大涌水現象，地下水來源于震旦-青白口系白兆山組下段（Z2b1）大理巖巖溶孔隙、裂隙儲存的地下水，承壓水沿斷層F2破碎帶上升至淺部，然后貫穿片巖中的節理裂隙等結構面薄弱部位形成通道，從開挖后洞室底板附近涌出。從涌水時間和涌水點多處等情況分析，涌水通道應該是分散的，而非集中管道式連通。

3 處理方法

3.1 管理措施

3.1.1 加強排水

（1）洞內抽水。在涌水點（214+553）附近設置2孔Φ108排水孔引排，排水孔為深5 m鋼花管，排水孔間距50 cm。在樁號214+553底板右側設置集水坑，集水坑尺寸1 m×1 m×1 m，采用水泵進行抽排，大竹園隧洞洞內水泵抽排情況統計見表3，達到降低承壓水壓力、減少洞內積水的目的，抽水時間為5個月。后期混凝土襯砌施工時，用混凝土將集水坑回填。

（2）布置超前鉆孔排水。大竹園隧洞正在施工的進口作業面、出口作業面以及支洞下游作業面前方都將會遇到震旦-青白口系白兆山組下段（Z2b1）中厚層大理巖夾片巖含水層，通過在掌子面或涌水處布置一定長度的超前鉆孔，將水集中引排，減小開挖面滲水量。優點是使大部分地下水沿鉆孔集中排出，即可改善掌子面前后的惡劣地下水環境[1] ，缺點是影響施工速度。

（3）洞頂水系截斷。因洞頂水塘距離隧洞較近，且F2斷層從水塘中部穿過，隧洞施工期間對洞頂水塘進行放空處理。

3.1.2 安全監測

在214+555～214+700范圍內，每隔10 m布置1個收斂監測斷面，每個斷面布置5個測點，共設置14個監測斷面、70個收斂監測點。施工期圍巖收斂位移應小于洞室開挖洞徑的0.6%。

3.1.3 TSP

TSP是一種地下工程的地質預報技術。TSP最突出的優點是能探測開挖面前方150 m范圍內地質條件的變化， 且不影響正常施工[2]。采用TSP法進行地質超前預報，可分析前方圍巖性質、節理裂隙分布、軟弱巖層以及含水狀況，并為改進施工方法、調整施工工藝提供理論參考。

根據地質測繪及物探成果，F2斷層于隧洞前方斜切洞軸線，其上部與地表塘堰連通，下部連通大理巖承壓含水層，本次涌水已釋放部分水壓，橫穿斷層處下方出現大涌水可能性較低，但上方與塘堰連通，塘堰蓄水則極有可能擊穿斷層并沿斷層發生突涌。因此，在隧洞施工至樁號214+600時，在掌子面采用復頻電導率（CFC）法預報前方水量情況，同時布置超前鉆孔排水。

3.2 工程措施

3.2.1 洞壁固結灌漿

灌漿法是目前國內外隧洞工程中應用最廣、技術最成熟、最常用[3]的一種方法，特別適用于水下隧洞、高水壓地區及含水的斷層破碎帶[4]。

在樁號214+545～214+555洞段范圍設置7排、每排9孔的固結灌漿孔，灌漿孔深5 m，間排距1.5 m，梅花形布置，灌漿壓力分級進行，最大灌漿壓力1.5 MPa。

灌漿按環間分序、環內加密的原則進行，環間采用兩序，按照距離涌水點由遠到近的順序進行施工，即同一斷面灌漿從左側洞壁最低一孔開始，向頂拱及右側洞壁依次加密施工。

灌漿采用孔內循環式灌漿，灌漿水灰比為5，3，2，1，0.5，0.6，0.5等7個級別。當某一級別水灰比漿液灌入量達到300 L而灌漿壓力及吸漿量均改變或改變量不顯著時，采用濃一級水灰比灌注。當某一級吃漿量大于30 L/min時，可根據具體情況適當越級提高灌漿濃度。

在設計壓力下，灌漿段的吸漿量不大于1 L/min，再繼續灌注30 min即可結束;群孔灌漿考慮一次灌注的總段長再確定。

3.2.2 管棚超前支護

根據掌子面的地質條件及滲水情況，對掌子面進行超前管棚及超前預注漿支護。

隧洞樁號214+555～214+700范圍內，掌子面設超前水平鉆孔作為超前地質探孔，探孔孔徑90 mm，孔深30 m，搭接長度10 m。隧洞樁號214+555～214+700段設置7排共112孔Φ108管棚進行超前支護，管棚布置范圍為頂拱120°，上傾角3°～5°，間距40 cm，單排長30 m，排間搭接長度10 m。隧洞樁號214+555～214+700段進行隧洞掌子面超前預注漿加固，超前注漿共7排，每排設4孔，外擴角10°，單排孔長30 m，搭接長度10 m。

管棚灌漿及掌子面預注漿的注漿材料均為水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力1.5～2.0 MPa，施工前進行灌漿試驗以確定灌漿參數。

3.2.3 隧洞開挖支護

（1）開挖支護。214+535～214+700段長165 m，圍巖類別為Ⅴ類，隧洞斷面為城門洞形，開挖尺寸為5.60 m×5.95 m，初期支護為I18型鋼拱架（間距50 cm）+噴射20 cm厚C25混凝土+Φ22系統錨桿（L=3 m、間排距1.0 m梅花形布置）+掛鋼筋網（Φ8@15×15 cm）+鎖腳錨桿。后期隧洞過水全斷面襯砌60 cm厚鋼筋混凝土，每10 m設環向縫，設置651型橡膠止水。

二襯混凝土澆筑前對涌水點進行引排、封堵，先采用排水管對集中涌水點涌水外排，排水管口設閥門，澆筑完畢封堵混凝土后，再關閉排水管閥門完成涌水點封堵。

根據地質情況，在樁號214+555～214+575段及214+620～214+660段設置反拱，反拱厚20 cm，并設I18型反拱拱架與初襯拱架封閉成環，在開挖實施過程中根據揭露的地質條件適當調整反拱樁號。

（2）回填灌漿和固結灌漿。回填灌漿在襯砌混凝土強度達到設計強度70%后進行，沿隧洞軸線頂拱120°范圍內布置灌漿孔，每排2～3個孔，矩形布置。灌漿孔在預埋管中鉆孔，鉆孔直徑為40 mm，鉆孔深入圍巖5～10 m以上，灌漿壓力為0.3 MPa，灌漿材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿。

固結灌漿在回填灌漿結束后7 d后進行，設置灌漿孔每排8孔，間排距3 m，孔位對稱布置。灌漿孔在預埋管中鉆孔，孔深進入圍巖3 m。灌漿壓力取0.3～0.5 MPa，灌漿材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿。

4 結 語

本文以大竹園隧洞為例，分析了隧洞涌水的原因，通過采用加強排水、固結灌漿、管棚支護及超前預報等措施，對涌水地段進行處理，降低了施工安全風險，取得了較好效果。隧洞安全通過了涌水地段，為今后隧洞涌水處理積累了經驗。

參考文獻：

[1] 吳靜，葛浩然. 洞室施工中巖溶及地下水富集區的預測和處理[J]. 云南水力發電，2007，23（1）：38-41.

[2] 揣連成，杜士斌，卜麗華. 隧洞工程涌水處理的對策和措施[J]. 水利水電技術，2005，36（5）：53-55.

[3] 余積新. 梨樹灣隧道巖溶涌水的處理[J]. 鐵道建筑，2005（7）：43-45.

[4] 鄒靜嫻，許模，楊艷娜. 隧道施工涌突水處理方法綜述[J]. 地下水，2010，32（2）：162-163.

（編輯：唐湘茜）