貴陽花南引水隧洞施工涌水處理技術研究

丁亞龍，張 威，樊 敏，李 凱

（1.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 550003；2.貴州省水利投資集團有限責任公司，貴州 550081）

隨著強省會戰略的實施， 貴陽日益增長的人口和輸配水不均衡狀況逐漸凸顯， 為此當地政府規劃建設了包括本工程在內的多個連通與輸水工程。 花南工程是以輸水為主的水利工程， 全線為鋼筋混凝土襯砌有壓隧洞，最大內水頭44.2m，隧洞開挖斷面為4.2m×4.1m（寬×高）城門洞形。工程旨在向南郊、中曹水廠輸水，遠期輸水量為13073萬m3/a，工程等別為Ⅲ等，工程規模屬中型。

1 概述

本工程線路規劃階段， 受密集程度較大高層建筑物區、阿哈水庫飲用水源保護區域、穿越鐵路、花溪河等因素的影響，并盡量遵循線路短、節約投資的原則， 最終選擇線路自取水口 （1114.8m） 通過約11.5km輸水隧洞至終點南郊泵站（1100.9m）。

工程區地勢總體西高東低，中部地勢較平緩，多為溶丘洼地地貌，地形波狀起伏，殘丘低矮圓滑，呈饅頭狀，上覆不厚的殘積物；溶洼、溶斗星羅棋布（現多被人工填平），呈碟狀。 隧洞埋深15～85m，大部分埋深約40m；穿越地層由老至新分別為三疊系下統大冶組（T1d）、安順組（T1a）及中統花溪組（T2h）；巖層產狀總體較平緩，受構造影響段產狀較陡，總體上洞軸線與巖層走向斜交，夾角15°～70°；洞身圍巖以微風化～新鮮基巖為主，巖性以灰巖與白云巖為主，夾雜少量泥質白云巖，層厚總體較薄。 區內發育螃蟹井、花溪等兩條斷層，其走向多為SN向，發育特征如表1。

表1 發育特征

2 水文地質特征

區內地下水按含水地層貯水空間的成因與特征，可分為碳酸鹽巖裂隙溶洞水（簡稱巖溶水）、基巖裂隙水、松散巖類孔隙水3大基本類型。 地下水資源數量受氣候、水文網及地貌等自然因素控制，徑流循環條件，使地下水類型復雜化。主要補給來源為大氣降水，平面上自補給區到排泄區，地下水徑流量逐漸增大，以裸露型巖溶水最為顯著。河流侵蝕切割與地質構造、地貌條件相結合，區內地下水的補給、徑流和排泄關系較復雜［1］。

工程隧洞圍巖以富水性強的碳酸鹽巖含水層巖組為主，洞身均位于穩定地下水位以下，巖溶水是工程區最主要的地下水類型， 根據水力特征與賦存形式劃分為淺埋藏裸露型巖溶水， 地下水徑流模數為6.41L/s·km2。 區內層狀地形發育，相對高差不大，線路于爛泥溝附近穿越花溪水庫 （南側） 與阿哈水庫（北側）的區域分水嶺，附近地勢寬闊較平坦，有利于大氣降水補給； 長期以來， 巖溶作用以水平方向為主，巖溶化程度較高且均勻，地下水水力聯系較好，利于形成水位不深、相對均勻的富水區。

通常情況下，分水嶺地區普遍巖溶發育強烈；線路于爛泥溝附近穿越花溪水庫（南側） 與阿哈水庫（北側）的區域地表分水嶺；途經多個洼地、落水洞、巖溶漏斗、水塘等，呈串珠狀分布。 結合巖溶組合形態與巖溶泉出露規律， 認為爛泥溝以南發育一暗河系統， 主流向為石板哨火車站 （1168m）→貓洞（1140m）→杉樹林（1140m）→貴大西校區（第一出水點1125m）→螃蟹井（第二出水點1106m）；以北發育巖溶系統主流向沿花溪斷層兩支，由南而北延伸。

3 隧洞地下涌水的主要來源及特征

隧洞施工中， 斷層破碎帶、 節理裂隙密集發育帶、巖溶溶洞等薄弱部位易于涌水，常常伴有夾泥；由于泥砂的排泄，使得原空隙進一步暢通，加劇涌水的發生， 進一步襲奪臨近水系， 改變隧洞的地質條件，影響隧洞施工。 受制于工程區的特有地質條件，區內地下水的補給來源主要有：地表水體、溶洞和暗河水、含水層水，前兩者對工程施工威脅最大。

3.1 地表水體

區內地表水體包括花溪水庫、 水塘、 地面流水等； 花溪水庫的總體水量與水位受季節性變化與防洪調度等因素影響， 介于此水庫周邊出現間歇性水塘與泉眼， 可能是由于水庫水位的雍高抬升了地下水位露出水面所致；另外，區內水塘、地面流水等水量受季節性變化明顯。

研究認為，巖體完整情況較好的背景下，若垂距大于洞高的50倍以上， 地表水體對隧洞施工基本沒有影響。工程全線埋深均小于此值，地表水多分布于隧洞軸線附近范圍， 受花溪斷層與螃蟹井斷層的影響，巖體局部裂隙發育，易形成與地表聯通的溶蝕通道，對施工影響很大，以隧洞進口端最為顯著。

3.2 溶洞與暗河水

根據區內可溶巖分布與地質構造， 結合隧洞高程，施工中遇到溶洞與暗河水的可能性較大，以推測爛泥溝以南暗河系統最為顯著。此暗河水量較大，補給豐富，附近可能分布較多巖溶通道，可視為其“支流”。施工中遇到此類水源體，或臨近水源體太近，靜水壓力超過巖體強度時， 地下水將突破巖體或直接涌入隧洞，形成強涌水。暗河的總水量也受季節變化影響，部分溶洞、洼地干旱季節可能無水，雨季由于排水不暢等原因造成充水狀態，對施工影響較大。

3.3 含水層水

隧洞施工中最常見的地下水來源為含水層水，即孔隙水（基巖裂隙水）；主要為大氣降水通過巖石或透水巖層，從被揭露的含水層進入隧洞，地下水儲量由靜儲量與動儲量組成。 隧洞揭露前賦存于含水層中的穩定地下水為靜儲量， 大小由含水層厚度與裂隙、孔隙的數量與大小決定。 隧洞開挖后，隨著地下水的不斷涌出， 大氣降水與地表水體再次補給含水層的地下水為動儲量。隧洞開挖早期，含水層中主要為靜儲量地下水，隨著抽排水的進行，動儲量的比例逐漸增大；當動儲量補給不足時，伴隨靜儲量中地下水逐漸減少，含水層的地下水可能被完全排干。

4 隧洞涌水施工處理技術

經分析，工程具有地下水補給豐富、導水構造發育、水動力特征顯著的特點，隧洞涌水的處理技術可分為未揭露洞段的超前處理與已揭露洞段涌水封堵處理兩類；根據涌水表現方式，形成與之相應的處理原則與措施。

4.1 未揭露洞段涌水處理技術

針對未揭露洞段，本著“先預報、后開挖”的思路，預測前方地質條件。采用如下的探測手段與判定方法：

（1）掌子面編錄法。 屬于短期地質預報，頻次為5m/次， 通過對掌子面及已開挖段出露圍巖仔細觀察，對其巖層產狀及層厚、結構面形態、節理裂隙與巖溶發育情況進行地質描述， 結合地表巖層層序與構造發育特征對掌子面前方圍巖進行預判。 當出現不良地質體的前兆特征時（節理裂隙密度劇增、巖體強度降低、溶蝕風化嚴重、泥質含量增高等），應進行超前鉆孔進行驗證性揭露。

（2）超前物探法。 采用地質雷達、紅外探水進行短距離預報，頻次為20m/次，搭接3～5m。 地質雷達法是發射天線定向發射的電磁波， 利用其在掌子面前方巖體中傳播、反射，通過反射回來的信號判斷前方異常反射界面（斷層、軟弱夾層等）與掌子面的距離。紅外探水法是根據掌子面前方巖體或水體分子振動發射的紅外波段電磁波所形成的場， 利用紅外探測儀對異常情況進行采集分析， 預報前方是否存在含水構造。

（3）超前鉆探法。由于物探方法的多解性與局限性， 不同種類的地質體可以引起強度和形態相近的物探異常，相同種類的地質體也可產生強度不一、形態不同的物探異常。為較全面、準確地獲取掌子面前方巖體的地質信息，工程針對編錄法、物探法或現場作業發現異常的情況采用超前鉆探加以探測分析。

當預報顯示前方巖體完整性較差、 富水規模較大的導水通道（如暗河）時，硐室周邊地下水連通性強，需進行全斷面超前帷幕灌漿（如圖1），預先對前方導水構造與破碎巖體進行灌漿加固， 避免可能的涌水影響施工安全。 當預報顯示涌水類型為局部存在的裂隙性集中涌水時， 可以采用局部超前帷幕灌漿處理（如圖2）；結合超前地質資料掌握管道、裂隙結構、走向與分布情況，有針對性地布置切斷來水通道的灌漿鉆孔，進行深層封堵［2］。 實施中應遵循“堵排結合”原則，鉆孔的布置應兼顧灌漿系統安裝與操作方便，排水孔盡量低于集中出水點，封堵鉆孔應盡量與結構面相交，盡可能較多地穿越裂隙，利用前期排水孔作為后期灌漿孔。

圖1 全斷面超前帷幕灌漿孔布置示意圖

圖2 局部超前帷幕灌漿孔布置示意圖

如HX2+081位置圍巖為T1d1灰色薄層灰巖，節理裂隙較發育，左側壁至頂拱位置巖體溶蝕裂隙發育，隙內夾少量泥，伴有滲水；此處地表為多個洼地（大部被填平），雨季見有水雍高成間歇性山塘，可能存在與地表連通且排水能力有限的巖溶管道。另外，在HX2+086位置超前地質預報顯示， 前方5～8m存在異常反映，局部存在夾泥富水的現象。隨后在掌子面進行的超前鉆探反映頂拱溶蝕裂隙發育位置存在掉鉆，夾泥且水量穩定，具有一定壓力，水質清澈程度與地表洼地水質呈現同向變化趨勢， 因此前方發育的巖溶管道可能與地表洼地同屬一個巖溶系統，連通性較好。

結合現場地質條件， 在掌子面頂拱偏左側壁布置先導孔5個，作為灌漿Ⅰ序孔；為預防鉆孔過程中出現涌水，采用專門孔口封閉裝置進行鉆進灌注。Ⅰ序孔實施完畢后，再進行逐步加密實施Ⅱ序孔，使之取得足夠的加固厚度。 灌漿漿液濃度遵循由濃到稀的原則逐級改變， 使先灌入的漿液隨裂隙水的流動逐漸凝固堵塞通道，再沿孔內出水通道灌注稀漿。灌漿孔全部實施待凝且通過檢查孔檢驗， 隧洞恢復開挖后未出現較大的股狀出水，僅見少量滲水，堵水效果良好。

4.2 已揭露洞段涌水處理技術

由于硐室的開挖，破壞了水力平衡，使得被揭露的地下水呈動力形式，局部地下水壓力大、流量大，不利于漿液凝結，封堵難度大。 因此，可以結合涌水表現形式，分析水頭壓力、補給條件、導水構造特征，針對不同涌水規模采取不同的處理原則、措施［3］。

對于揭露巖溶涌水點分散、 規模小、 壓力不大時， 在保證襯砌滿足抵抗外水壓力的前提下， 遵循“堵排結合、以排為主”原則，直接灌漿封堵處理。 應設置集中排水孔， 對其周圍分散涌水點進行一定深度灌漿封堵，處理完成后再關閉集中排水孔，并對排水孔及周邊進行固結灌漿封堵。

對于揭露的巖溶涌水壓力大，流量穩定時，直接封堵難度大。較為可行的辦法是先采用惰性材料，在保證巖盤不被分流后的主管道水壓擊穿的前提下，采用高壓灌漿方式， 利用地下水的流動帶動漿液蔓延，此過程中惰性材料會逐漸堵塞細小裂隙，再與漿液、圍巖一起凝結，形成止水體。 封堵的實施需保證抽排能力的基礎上， 在主管道附近設置分流孔并安設高壓止水閥， 利用分流孔的分流緩和主出水孔的水壓，完成主通道封堵后再關閉止水閥，使之恢復形成“靜水”或“準靜水”狀態，達到封堵高壓水的目的。隨后參照超前帷幕灌漿的方式， 合理選擇注漿材料與注漿工藝，達到長期封堵的目的［4］。

對于揭露的巖溶涌水為較大流量的季節性涌水時，應先查明涌水的地表補給來源，具備地表處理條件時，可優先選擇地表抽排、井點降水等方式。 不具備地表處理條件時轉入地下處理， 若地下抽排能滿足灌漿作業時，可按“堵排結合、以排為主”的思路進行灌漿封堵。 若水量大于抽排能力， 可增加抽排設施，后實施封堵；亦可在保證臨近作業區不受影響且工期允許的前提下，暫停封堵保留抽排，待雨期過后水量明顯減少的條件下實施灌漿封堵［5］。

5 結語

本工程引水隧洞地質條件復雜， 施工中出現巖溶涌水類型較多， 應及時針對已揭露洞段地質情況及時進行補充勘察， 分析判斷隧洞與巖溶系統的關系，結合超前地質預報，對施工提出合理建議。 施工應做好臨時支護，保證抽排能力，加強監測，確保施工作業的安全與工程質量。