大路梁子隧道治水综述

2010-01-27刘小刚

铁道标准设计 2010年4期

刘小刚

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥梁隧道处,西安 710043)

1 工程概况

金沙江溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的金沙江溪洛渡峡谷,总装机容量1 260万kW,对外交通专用公路是溪洛渡水电站与外部交通联系的主要通道。大路梁子隧道为金沙江溪洛渡水电站对外交通公路的重点控制工程,全长4 360 m。隧道设计为单洞双向交通,净宽10.7 m,净高7.25 m,坡度为0.58%。隧道进口高程929.92 m、出口高程903.81 m,最大埋深800 m,地质情况复杂。

洞身两翼地层岩性为三叠系下统灰岩、三叠系中统灰岩夹砂岩、三叠系下统泥岩夹砂岩、三叠系上统砂岩夹页岩(煤系地层)；核部为华力西期玄武岩及二叠系下统茅口组石灰岩。地下水十分发育。

2 石灰岩地段岩溶涌水治理

2.1 岩溶地段涌水情况

2004年3月26日上午10时,K38+664掌子面(距洞口206 m)进行周边眼钻孔,靠拱顶右侧眼深2.5～3.0 m时,钻头出现虚进卡钻现象,4个周边眼不同程度出现涌水,其中最大水平喷距11 m,落差7.5 m,涌水量为360 m3/h,水流较为浑浊,并夹带少量泥砂。14时水流变清,涌水量基本稳定,至2004年3月27日上午10时,水又变得稍浑浊,水量基本不变。K38+664掌子面(距洞口206 m)岩性主要为三叠系下统灰岩,岩层近于直立,埋深约200 m。K38+664掌子面涌水如图1所示。

图1 K38+664涌水照片

2.2 涌水原因分析

为了探明掌子面的涌水及地质情况,现场立即采用TSP202型地质雷达和20 m超前探孔对掌子面前方情况进行探测,确定掌子面前方是否存在大的溶洞、隧道前方围岩及地下水流状况及前方溶蚀的发育程度及位置。

根据超前探测和后来开挖提示的地质情况,K38+668～K38+671地段拱部发育一贯通性强,宽约8 m,长3～5 m,高14 m,倾斜向前的大型溶洞,溶洞下部充填碎石和泥砂,上部形成水囊,溶腔形式如图2所示。溶洞两侧沿节理发育形成10～30 cm宽溶槽,溶槽内充填碎石和少量泥沙,溶洞顶有基岩裂隙水流入,水量受降雨影响,该段埋深约200 m。

图2 K38+664溶腔形式

涌水地段地层以石灰岩为主夹泥灰岩,中层状构造,产状陡倾近于直立,走向与路线正交,局部“S”形揉皱小构造发育,由于先期受构造运动的作用层间分离形成裂隙,裂隙宽度一般为2～15 mm,且延伸很远。由于隧道位置高程与水洞子沟基本相平,而山体地下水的横向自然排泄到水洞子沟,是地下径流排泄较为稳定的活动方式,且此通道地下水的渗流补给范围广。在雨季以垂向渗透补给为主,故张性裂隙在裂隙水的溶蚀复合作用下形成了较为宽张的溶蚀裂隙,而沿次生走向断层或构造挤压破碎带在地下水溶蚀作用下形成溶洞或溶槽,被碎石亚黏土或细砂等物充填,并富含大量的地下水。

经过上述岩体中裂隙的成因、发育程度及分布规律的分析,一般裂隙或层间溶蚀裂隙是散水的贮存空间和渗流通道,而连通性好呈带状分布的诸多溶洞、溶槽则是涌突水现象形成的主要原因。加之隧道埋深相对较浅,洞内涌水量随季节变化大,受大气降雨量的影响明显。

2.3 涌水治理

洞内治水采取“以堵为主、限量排放”的设计施工原则,以保证隧道安全施工和环境保护,并采取长短相结合的堵水方式。

为确保溶洞区施工的安全,采用全断面周边帷幕注浆堵水加固围岩,加固范围为开挖轮廓线外2.5 m左右。全断面周边超前预注浆采用双排16 m长R51L自进式管棚机进行注浆加固,管棚环向间距0.6 m,内外层排距0.5 m,注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆,水灰比1∶0.8左右,水泥：水玻璃(体积)为1∶1,注浆压力为2.0～3.0 MPa,凝胶时间1～1.5 min,注浆顺序由隧道拱部开始,左右交替,施钻一孔,注堵一孔,双层管棚先外侧,后内侧。周边帷幕注浆孔布置如图3所示。

图3 周边帷幕注浆示意(单位：cm)

注浆前探孔探测到涌水量为360 m3/h,水压很大。注浆加固后,隧道水量很小,效果十分明显。故施工时采用弱爆破全断面开挖,循环进尺0.8～1.0 m,成功通过了此段溶腔。

3 “宽带”富水构造裂隙治水

3.1 “宽带”富水构造裂隙涌水情况

2004年5月11日上午9时30分,大路梁子隧道出口K42+462掌子面爆开后,发生突发性涌水,涌水量为3 500 m3/h。由于原有排水设施不能满足排水需要,整个隧道内突然积水深0.3 m,约1 h后,涌水量逐渐减小,到中午后,涌水量基本稳定在200 m3/h左右,并在拱顶形成宽约1 m左右的溶槽,水流顺着溶槽直泄而下。

2005年7月15日下午17∶40,大路梁子隧道进口掌子面K39+887回车道发生涌水(回车道起止里程为K39+861～K39+897)。涌水点位于掌子面左中部,主要为右侧宽张裂隙向涌水点补给,涌水点宽度约0.7 m,水流厚度约0.2 m,最大流量为11 200 m3/d。

截止隧道贯通后为止,全隧道发生“宽带”富水构造裂隙涌水20余次。

3.2 “宽带”富水构造裂隙涌水原因分析

“宽带”富水构造裂隙涌水地层岩性以华力西期玄武岩及二叠系下统茅口组石灰岩为主,分布于背斜西翼近轴部,岩体受F4断层及褶皱构造影响较重,岩层陡倾,倾角约70°～80°，节理及环向张裂隙发育,结构面多见镜面及擦痕等构造活动迹象,涌水点密集,散水遍布,呈“水帘洞”；而东翼地层岩性相同,倾角约35°～43°,但受构造活动影响小,岩体较完整,地下水属于一般类型的裂隙水。

由于北北西向F4断层及背斜构造的复和作用,K39+887～K40+071段属于断层影响带或构造破碎带,且北北西向贯通的宽张裂隙非常发育,故沿裂隙发育小型溶槽或宽大裂隙。涌水点基本沿该走向裂隙分布,而背斜东翼基岩裂隙水并不发育,可以推断该段受构造破碎带的控制而形成了“宽带”状富水区,其补给来源为向南延伸数十公里的磨儿湾断层破碎带及影响带的构造静储水,但隧道在此段已完全进入深埋的分水岭地段,而且散水及涌水处水量在雨季和旱季没有明显的变化,故其受大气降水的直接影响较小,涌水主要排泄构造裂隙中的静储水。

3.3 “宽带”富水构造裂隙涌水处理

“宽带”构造裂隙水段地层岩性以华力西期玄武岩及二叠系下统茅口组石灰岩为主,隧道埋深较大,石质坚硬,局部发育构造裂隙,围岩整体稳定性较好,且涌水水头压力大,采取排水后,不会对地表环境造成影响,故洞内治水采取“以排为主、排堵结合”的治水原则。

开挖前沿外侧管棚按较大角度施工8个φ108 mm泄水钢管,钢管周边设置花孔,以排泄构造裂隙水,达到减压的目的。泄水管拱顶布设2个,左右侧边墙各布设3个,泄水孔间距和位置在施工中根据现场实际可进行调整。根据涌水情况,左侧泄水孔(拱脚以上1 m)同时作为超前探孔,以探明前方地质及涌水情况,孔深不小于30 m。

由于采用泄水减压的措施,大量的水将通过泄水孔引排,少量的地下水可能还会对施工安全造成危险。为了保证施工安全及作业环境,在正常断面开挖之前,拱墙施做φ42 mm小导管超前注浆支护措施,以封堵部分未引排的地下水,给钻眼,装药提供施工条件。小导管长4.0 m,环向间距30 cm,纵向间距2 m一环,注浆采用双液浆,水泥水玻璃浆液体积比为1∶1。

由于此段涌水量很大,水压力大,虽隧道治水以排为主,但是后期运营期间,支护结构还要承受动水压力及少部分的静水压力,并考虑在水的作用下岩体强度的局部降低及其他不利因素等的影响,二次衬砌按抗水压衬砌进行设计。

4 泄水洞综合治水方案

4.1 隧道贯通后洞内水量分析

大路梁子隧道地质构造具有明显背斜特征,隧道进出口灰岩地段地下水通道发育,大气降水后,地下水通道水量变化明显。进出口灰岩地段前方为泥岩砂岩夹煤层,煤层为隔水层构造,进入玄武岩地段后,由于玄武岩极破碎,柱状节理发育,隧道两侧煤层封闭的玄武岩形成蓄水背斜构造,大气降水后,沿裂隙下渗,地下水蓄量丰富,在有排水通道的情况下,涌水量稳定。

隧道进口K38+458～K39+600段隧道出水量在旱季与雨季时明显不同。且本段出水点又分为集中涌水与隧道散水出水,集中涌水点与大气降水关系密切,当大气降水后,集中涌水点出水量快速增大,水呈浑浊状,在旱季,集中涌水点水变清澈,水流量稳定。

经过煤层段后,受蓄水背斜构造的影响,K39+600～K39+887段散水及集中出水点水量稳定,基本不受大气降水的影响。进入玄武岩后,受F4断层影响,围岩破碎,地下水发育,多数散水呈股状流水,在开挖过程中,隧道掌子面出水多呈片状或股状流水。

根据贯通后的实测资料并结合区域水文条件分析,隧道最大涌水量为135 500 m3/d,其中灰岩地段最大涌水为80 000 m3/d,且受地表降水的影响较大。

4.2 泄水洞方案选择

由于隧道内涌水量大,施工中采取措施后水量减少,但是隧道为单面下坡,全隧道散水较多,对水沟排水造成较大的压力,尤其在雨季,水沟排水困难。为减轻水沟排水压力及改善后期衬砌受力条件,对泄水洞引排方案进行了详细比选。

(1)以排泄F3之前灰岩地段的水为主引水洞方案

从贯通后地质资料及隧道漏水分析,隧道进口在F3断层以前,地层主要为灰岩,中层状构造,产状陡倾近于直立,走向与路线正交,局部“S”形揉皱小构造发育,溶蚀发育,隧道埋深较浅,洞内地下水与大气降水的补给非常明显,后面地段地下水与大气降水补给不明显,本方案主要引排F3断层以前的涌水及洞内散水。

左侧泄水洞长780 m,右侧泄水洞长133 m,横向支洞长25 m。泄水洞纵向坡度0.8%。

此方案泄水洞坡度大,泄水洞排水好,可基本引排灰岩地段的隧道涌水,保证下游用水,减轻隧道内侧沟排水,保证衬砌结构的稳定,投资较小。

(2)以引排煤系地层之前的涌水及散水为主引水洞方案

由于大路梁子隧道地质构造具有明显背斜特征,隧道进、出口灰岩地段地下水通道发育,大气降水后,地下水补给非常明显。在进入煤系地层之前,主要为砂岩夹泥岩,基岩裂隙水发育,隧道散水比较多。进入玄武岩地段后,主要为构造裂隙形成的“宽带”富水区,但洞内涌水受地表水的影响较小,裂隙水主要以排为主。本方案主要引排煤系地层之前的涌水及散水。

左侧泄水洞长1 122 m,右侧泄水洞长133 m,横向支洞长25 m。泄水洞纵向坡度0.5%。此方案优点解决了煤系地层之前灰岩地段岩溶水及砂泥地段散水的引排问题,但是泄水洞较长,投资较大。

(3)方案比选结论

通过隧道贯通后涌水情况及堵水效果分析,隧道洞内散水主要受进口灰岩地段地下水发育程度及溶蚀情况控制,且受地表水影响明显,故泄水洞应以引排F3之前灰岩地段的水为主,且投资较小。

4.3 泄水洞设计

为了彻底解决隧道涌水,减轻水压力对结构的危害,在隧道底部左增设泄水洞,在渗漏严重地段,右侧局部增设泄水洞,并通过横向通道与右侧泄水洞相连；其余地段右侧的水流通过泄水洞底部增设φ100 mm水平向钻孔进行引排。为防止泄水堵塞,钻孔内设φ100 mm软式透水管,泄水孔间距5 m,并结合漏水点设置。泄水洞拱部设斜向及横向φ50 mm钻孔以引排隧洞附近的水,泄水孔间距5 m,泄水孔间距1～1.5 m。泄水洞布置如图4、图5所示。