圓形小斷面引水隧洞滲涌水特征分析與控制措施

王學(xué)軍

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

滲涌水災(zāi)害因其高度隱蔽性與預(yù)測(cè)的局限性，嚴(yán)重威脅地下工程運(yùn)營(yíng)安全，限制地下空間的開(kāi)發(fā)利用[1－2]。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員難以直觀地獲知隧洞內(nèi)滲涌水誘發(fā)條件與地質(zhì)環(huán)境的變化，對(duì)災(zāi)害作用規(guī)律缺乏科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，這些問(wèn)題導(dǎo)致隧洞災(zāi)害控制往往達(dá)不到預(yù)期效果[3－4]。隧洞滲涌水災(zāi)害受到諸多因素影響，若對(duì)隧洞施工過(guò)程中的突水突泥災(zāi)害處置不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致隧洞在施工和運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)滲漏水、滲涌水、塌方、冰凌、結(jié)構(gòu)性能劣化、凍融破壞等問(wèn)題。

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程是貴州省有史以來(lái)最大的水利工程，其北干渠位于畢節(jié)市大方縣、黔西縣境內(nèi)，該地區(qū)為典型的高山峽谷地段，隧洞埋深大，受貴州喀斯特地貌影響，隧洞圍巖巖溶和節(jié)理裂隙發(fā)育，滲涌水現(xiàn)象嚴(yán)重，特別是小斷面水工隧洞受空間的限制須在掘進(jìn)全部完成后才能開(kāi)始施工襯砌，開(kāi)挖后的圍巖暴露時(shí)間長(zhǎng)，受滲涌水影響大，安全風(fēng)險(xiǎn)大。因此，深入研究圓形小斷面引水隧洞滲涌水形成機(jī)制[5]，對(duì)準(zhǔn)確定位災(zāi)害位置、有效減少災(zāi)害頻率、提高施工速度、提升結(jié)構(gòu)安全具有重要的科學(xué)意義與工程應(yīng)用價(jià)值。

2 工程概況

2.1 地層巖性

水打橋隧洞為夾巖水利樞紐及黔西北供水工程北干渠上的深埋特長(zhǎng)隧洞，總長(zhǎng)20.36 km，埋深在80～432 m之間，該隧洞開(kāi)挖半徑為3 m，為小斷面圓形隧洞(根據(jù)《水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工規(guī)范》SL 378—2007界定)。隧洞處在 T1yn1、T1yn3、T1y3隔水層及T1yn1強(qiáng)透水層分界線附近，巖性為T(mén)1yn4溶塌角礫巖以及T2g1泥質(zhì)白云巖地層等。隧洞洞身巖體部分地層受斷裂帶影響，中部穿過(guò)落腳河向斜、大方背斜和F103、F103-1、F104、F106、F106-1、F106-2、F106-3、F106-4、F106-5 斷層，除斷層破碎帶及其影響帶外，洞室圍巖巖體較完整，以Ⅲ、Ⅳ類(lèi)圍巖為主，局部為Ⅴ類(lèi)，沿線地層分布情況如表1所示。

表1 北干渠2標(biāo)段沿線主要分布地層巖性

2.2 巖溶水文地質(zhì)條件

輸水線路沿線地表水系多呈近SN流向，沿線地下水以六沖河為排泄基準(zhǔn)面，在T1yn碳酸鹽巖分布地段，巖溶發(fā)育，地下水為巖溶裂隙水與巖溶管道水，在T1f、T1y碎屑巖分布地段，地下水為基巖裂隙水。隧洞洞身穿越可溶性碳酸鹽巖分布段長(zhǎng)7 km左右，占總長(zhǎng)的70%。

3 滲涌水特征分析

水打橋隧洞位于地下水位線以下，隧洞節(jié)理裂隙及巖溶發(fā)育，在隧洞開(kāi)挖后，地下水通過(guò)節(jié)理裂隙及巖溶管道進(jìn)入隧洞，造成隧洞開(kāi)挖后滲涌水嚴(yán)重，施工難度增大，安全隱患突出。本文選取DK11＋600～DK11＋680滲水段及DK11＋930掌子面涌水段為代表對(duì)其特征展開(kāi)重點(diǎn)分析。

3.1 滲水特征分析

對(duì) DK11＋600～DK11＋680段滲水破壞[6－7]形態(tài)、滲水量及圍巖特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)滲水特征與圍巖裂隙密集程度及巖溶管道發(fā)育程度密切相關(guān)，巖溶管道發(fā)育或圍巖裂隙越密集、張開(kāi)度越大、延伸能力越好，其透水能力越強(qiáng)，滲水災(zāi)害面積越大。

根據(jù)滲水表現(xiàn)形式將其分為點(diǎn)狀滲水、線狀滲水和面狀滲水。

(1)點(diǎn)狀滲水:表現(xiàn)為垂直于隧洞開(kāi)挖面的小型巖溶管道被開(kāi)挖切斷，造成地下水通過(guò)巖溶管道進(jìn)入隧洞，其基巖裂隙數(shù)量較少、張開(kāi)度小、滲水量少，表現(xiàn)為股狀滲水。

(2)線狀滲水:表現(xiàn)為斷層及與隧洞走向平行的巖溶管道被隧洞切割，其基巖較破碎、裂隙較密、滲水量較大，表現(xiàn)為縱向或環(huán)向的滲水。

(3)面狀滲水:表現(xiàn)在斷層破碎帶及巖溶影響帶節(jié)理裂隙發(fā)育地段，其基巖裂隙高度密集，且張開(kāi)度、延伸性較好，滲水通道發(fā)達(dá)，滲水量增大。

3.2 涌水特征分析

隧洞施工至DK11＋930處突發(fā)涌水，掌子面探孔內(nèi)涌水噴出約12 m遠(yuǎn)，水質(zhì)渾濁，涌水量約5 000 m3/d，水壓0.4 MPa。此后又在掌子面增加1個(gè)探孔，涌水噴出20 m左右(水平距離)，致使工作面涌水量預(yù)計(jì)達(dá)8 000 m3/d。

涌水發(fā)生后，對(duì)隧洞涌水區(qū)域、涌水點(diǎn)前方及洞身段進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)和TSP預(yù)報(bào)探測(cè)，探測(cè)結(jié)果結(jié)合超前探孔勘察，該區(qū)段巖體中存在大量具有不同程度的張開(kāi)度與延伸性的裂隙、節(jié)理甚至溶洞，且地下水補(bǔ)給及時(shí)、水量充足。當(dāng)區(qū)段內(nèi)地下水壓較大時(shí)，水壓崩塌巖體導(dǎo)致涌水災(zāi)害，該處涌水屬于典型的巖溶類(lèi)致災(zāi)構(gòu)造突水突泥[8－10]，是掌子面前方的防突巖體由穩(wěn)定－劣化－失穩(wěn)的漸進(jìn)發(fā)展過(guò)程。此類(lèi)突水突泥主要特征為受開(kāi)挖爆破擾動(dòng)的影響，隔水巖體發(fā)生弱化，內(nèi)部裂紋擴(kuò)展、貫通直至破裂失穩(wěn)。

4 滲涌水控制措施

4.1 滲水控制措施

引水隧洞滲水水壓小、流量大，襯砌施工前對(duì)滲水段進(jìn)行妥善引排，襯砌施工后對(duì)排水孔進(jìn)行封堵，利用襯砌自身的強(qiáng)度和抗?jié)B性能抵消外水壓力，保證隧洞安全。

4.1.1 點(diǎn)狀滲水控制措施

采用楔型凹槽排水管引排法處理，首先在點(diǎn)狀滲水位置向圍巖內(nèi)部鑿25 cm×25 cm(長(zhǎng)×寬)楔型凹槽，將φ100 mm PVC管插入巖溶管道，管道周邊楔形槽采用快硬水泥進(jìn)行封堵，利用PVC管將賦存水引排至襯砌臺(tái)車(chē)外。待混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B等級(jí)達(dá)標(biāo)后，回填灌漿(P.O42.5水泥、單液漿水灰比1∶1、灌漿壓力為實(shí)測(cè)壓力加0.1 MPa)封堵滲水管道，如圖1所示。

圖1 點(diǎn)狀滲水控制措施

4.1.2 線狀滲水控制措施

采用線槽預(yù)埋管引排法處理，首先沿滲水走向鑿楔形槽(尺寸根據(jù)滲水寬度定)，埋入φ100 mm軟式透水管，然后采用快硬水泥將槽封堵，使隧洞滲水沿軟式透水管排至襯砌外。待混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B等級(jí)達(dá)標(biāo)后，回填灌漿(P.O42.5水泥、單液漿水灰比1∶1、灌漿壓力為實(shí)測(cè)壓力加0.1 MPa)封堵滲水管道，如圖2所示。

圖2 線狀滲水控制措施

4.1.3 面狀滲水控制措施

采用防水卷材配合環(huán)縱向排水法處理，襯砌施工后，對(duì)該段回填灌漿，回填灌漿孔間排距為3 m×3 m，每環(huán)6個(gè)孔，孔深入巖10 cm。泄水孔在回填灌漿施工后灌漿封堵，封堵參數(shù)同點(diǎn)狀滲水灌漿參數(shù)且灌漿壓力不小于0.3 MPa，如圖3所示。

圖3 面狀滲水控制措施

4.2 涌水控制措施[11]

涌水段因其涌水量大、水壓高等特點(diǎn)，易造成隧洞塌方冒頂，常規(guī)的引排措施無(wú)法減小涌水對(duì)施工的影響，采用超前圓環(huán)預(yù)加固灌漿法[12]對(duì)涌水段間隔分段灌漿是解決涌水的有效手段，如DK11＋930掌子面涌水處置采用此辦法，取得了成效，保證了施工安全。

4.2.1 超前圓環(huán)預(yù)加固間隔分段灌漿法特點(diǎn)分析

注漿過(guò)程中只對(duì)隧洞開(kāi)挖輪廓線外的圍巖進(jìn)行灌漿固結(jié)，以加強(qiáng)圍巖自身穩(wěn)定性和抗?jié)B性，從而達(dá)到減少地質(zhì)災(zāi)害的目的。同時(shí)間隔分段灌漿較全孔一次性灌漿減少了單孔灌漿的長(zhǎng)度，有利于灌漿設(shè)備的小型化，降低了在圓形小斷面隧洞的施工難度，并且在前段灌漿完成后進(jìn)行下一段灌漿時(shí)，可以對(duì)前段的灌漿質(zhì)量進(jìn)行進(jìn)一步加強(qiáng)，提高了灌漿的整體質(zhì)量。相比傳統(tǒng)的超前灌漿方法，本法可降低成本、加快施工速度且保證施工安全。

4.2.2 超前圓環(huán)預(yù)加固間隔分段灌漿施工

根據(jù)TSP(203)及超前探孔探測(cè)結(jié)果，對(duì)涌水段地質(zhì)情況進(jìn)行綜合分析，確定每段縱向灌漿長(zhǎng)度為15 m。灌漿完成后，只開(kāi)挖13 m，開(kāi)挖完成后在掌子面施作超前物探及超前探孔，決定是否進(jìn)行下一段灌漿。灌漿施工流程見(jiàn)圖4。

圖4 超前圓環(huán)預(yù)加固間隔分段灌漿法施工工藝流程

(1)止?jié){墻

因DK11＋930掌子面及前方的巖溶管道和節(jié)理裂隙發(fā)育，為防止在灌漿過(guò)程中漿液受灌漿壓力影響而沿巖溶管道或裂隙沖出，甚至掌子面崩塌，影響灌漿效果和隧洞內(nèi)施工人員安全，因此在灌漿前，在掌子面施作2 m厚C25混凝土止?jié){墻，以確保施工安全。

(2)鉆孔

沿洞壁環(huán)向單排均勻布置24個(gè)灌漿孔(Ⅰ號(hào)孔6個(gè)、Ⅱ號(hào)孔6個(gè)、Ⅲ號(hào)孔12個(gè))，孔徑90 mm，孔距76 cm，孔深17.4 m，由YQ100潛孔鉆鉆孔分段進(jìn)行鉆孔作業(yè)。灌漿孔布置見(jiàn)圖5，鉆孔作業(yè)順序見(jiàn)圖6。

圖5 DK11+930超前圓環(huán)預(yù)加固間隔分段灌漿孔布置(單位:mm)

圖6 超前圓環(huán)預(yù)加固間隔分段灌漿施工順序

(3)灌漿作業(yè)

采用Z-ZB1/4/18.5注漿機(jī)按照環(huán)向間隔加密的原則進(jìn)行灌漿作業(yè)，先灌Ⅰ號(hào)孔，再灌Ⅱ號(hào)孔，最后灌Ⅲ號(hào)孔。Ⅰ號(hào)孔單孔分4段灌注:第1段長(zhǎng)2 m，灌注止?jié){墻與掌子面間隙，第2段長(zhǎng)5 m，第3段長(zhǎng)5 m，第4段長(zhǎng)5.4 m；Ⅱ、Ⅲ號(hào)孔單孔分3段灌注:第1段長(zhǎng)7 m(包括2 m止?jié){墻)，第2段長(zhǎng)5 m，第3段長(zhǎng)5.4 m。單孔分段灌漿施工順序見(jiàn)圖7。

圖7 單孔分段灌漿施工順序

(4)洗孔和壓水試驗(yàn)

軟巖段鉆孔完成后，采用壓縮空氣沖凈孔內(nèi)巖粉和泥渣。硬巖段采用壓力水沖洗裂隙，沖洗時(shí)間為20 min或至水清凈時(shí)止，沖水壓力為灌漿壓力的80%且不大于1 MPa。

選擇不少于總孔數(shù)的5%進(jìn)行壓水試驗(yàn)，以確定圍巖的滲透系數(shù)，壓水試驗(yàn)可結(jié)合裂隙沖洗進(jìn)行，壓力為灌漿壓力的80%，并不大于1 MPa。

(5)外加劑及配合比選擇

由于DK11＋930掌子面涌水壓力較大，涌水稀釋漿液會(huì)造成漿液無(wú)法及時(shí)凝固，故在水泥漿液中加入16°Bé水玻璃，以減少涌水對(duì)漿液的稀釋?zhuān)皶r(shí)凝固漿液，水玻璃摻量及凝固時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 16°Bé水玻璃摻量及膠凝時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，施工配合比在水壓大的地段取 1∶0.7、水壓小的地段取1∶0.8 或1∶0.9。

(6)水泥漿液配合比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，漿液配合比分為 3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1四個(gè)等級(jí)，由于DK11＋930掌子面涌水壓力大，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示以開(kāi)灌水灰比為3∶1、2∶1漿液壓入巖體后，漿液受涌水稀釋的影響而長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法凝固封堵涌水，后將開(kāi)灌水灰比調(diào)為1∶1且摻入水玻璃得以封堵圍巖裂隙，當(dāng)灌漿量大于30 L/min時(shí)，水灰比調(diào)整為0.5∶1，確保了巖溶管道等大空間的封堵效果。

(7)壓力選擇

①Ⅰ號(hào)孔壓力選擇

隨著分段灌漿，巖溶管道及節(jié)理裂隙被分段封閉，水壓漸高，漿液擴(kuò)散范圍逐步縮減，封孔灌漿壓力增大，靈活選取灌漿壓力，確保漿液擴(kuò)散范圍不縮減是灌漿成敗的關(guān)鍵。詳見(jiàn)表3。

表3 Ⅰ號(hào)孔分段灌漿壓力選取

隨著漿液注入，外水壓力逐漸增高，從而縮減了漿液擴(kuò)散范圍，封孔時(shí)增大灌漿壓力，確保漿液擴(kuò)散范圍不縮減，以確保掌子面爆破開(kāi)挖后的安全。

②Ⅱ號(hào)孔壓力選擇

因Ⅰ號(hào)孔灌漿施工封閉了部分裂隙及巖溶通道致水壓增大，為保證有足夠的灌漿加固圈，Ⅱ號(hào)孔灌漿初壓與終壓應(yīng)大于Ⅰ號(hào)孔，Ⅱ號(hào)孔灌漿壓力值見(jiàn)表4。

表4 Ⅱ號(hào)孔分段灌漿壓力選取

③Ⅲ號(hào)孔壓力選擇

Ⅰ號(hào)孔和Ⅱ號(hào)孔已封堵了大部分裂隙及巖溶通道，Ⅲ號(hào)孔第1段基本無(wú)滲水，第2段和第3段鉆孔過(guò)程中有滲水，Ⅲ號(hào)孔灌漿主要是補(bǔ)強(qiáng)加固灌漿圈，故灌漿壓力根據(jù)鉆孔情況參照Ⅱ號(hào)孔靈活選取。

4.2.3 效果評(píng)定

灌漿后，通過(guò)超前探孔勘察，探孔內(nèi)有少量滲水且無(wú)壓力，達(dá)到了間隔分段灌漿堵水的效果。爆破開(kāi)挖后可從開(kāi)挖輪廓清晰看到漿液封堵巖溶管道及裂隙的痕跡，且對(duì)灌漿圈未造成破壞。

5 結(jié)論

結(jié)合地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)雷達(dá)和TSP203超前預(yù)報(bào)等勘察方法，分析了水打橋隧洞滲涌水災(zāi)害賦存特征，總結(jié)了災(zāi)害發(fā)生原因，為類(lèi)似復(fù)雜工程條件下隧洞滲涌水災(zāi)害控制提供了參考。

(1)針對(duì)隧洞不同形式滲水情況，采用襯砌前楔型凹槽排水管引排法，有效減小了外水對(duì)初期支護(hù)和未支護(hù)圍巖的影響，減少了滲水對(duì)襯砌混凝土的影響，降低了隧洞滲水、蜂窩麻面等質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生。

(2)針對(duì)隧洞涌水情況，對(duì)水打橋隧洞DK11＋930掌子面涌水采用超前圓環(huán)預(yù)加固間隔分段灌漿法封堵圍巖中的含水構(gòu)造，提高了圍巖的整體性與穩(wěn)定性，從源頭上解決了隧洞破碎富水區(qū)的涌水問(wèn)題，達(dá)到了更好的注漿治理效果，保證了工程安全，保護(hù)了地下水資源。