地下水对水工隧洞施工的影响分析

（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市410007）

地下水对水工隧洞施工的影响分析

徐 涛

（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市410007）

斯里兰卡水电站工程主洞引水隧洞和调水隧洞在施工过程中发生了突水涌泥事故，对施工产生了很大的影响。根据地质情况分析，主洞突水涌泥事故是由岩溶水引起，调水隧洞则是由构造裂隙水所引起，具有水头高、流量大的特点。经研究，决定采用超前地质预报、超前探孔、超前固结灌浆、超前管棚支护、钢拱架支撑、短进尺、弱爆破、及时衬砌的施工方案。施工实践表明，所采用的施工方案合理可行，及时有效地处理了事故，并保证了后续施工的顺利进行。

斯里兰卡水电站工程突水涌泥事故岩溶水构造裂隙水隧洞施工

在隧洞施工的过程中，常遇沿线地质条件复杂、高外水压力、高地应力、岩爆、软岩流变塌陷、突泥、涌砂及涌水等工程地质问题，极大地增加了施工难度。特别是当隧洞处于地下水类型复杂、水头高、活动强烈地段时，此类工程地质问题处理更为棘手，如不能采取有效的处理措施，地下水带来的问题会成为制约工期和投资的关键性因素。

地下水按赋存介质可分为第四系孔隙水、裂隙水及岩溶水。下面结合斯里兰卡水电站工程主洞和调水隧洞穿越突水涌泥区的施工经验，重点分析裂隙水和岩溶水对施工的影响，对隧洞施工中地下水与突水涌泥的发生机理进行研究。

1 地下水对隧洞施工的影响[1]

1.1 孔隙水

在水工隧洞施工中，孔隙水一般赋存于第四系松散堆积物中，埋藏较浅，动态较稳定，水量贫乏，对洞身段围岩稳定基本无影响，仅对隧洞进出口段有影响，在进出口开挖过程中就可以直接抽排，处理措施相对简单。

1.2 岩溶水

岩溶水一般分布在碳酸盐岩地层中，其发育特征、富水性及运移条件均取决于地层岩性、地质构造及地貌等因素，岩溶水主要赋存于地下溶隙、溶孔、岩溶管道及溶蚀洞穴中，一般埋藏较深，可以是潜水，也可以是承压水。

岩溶水主要受岩溶发育程度所控制，主要特征为：含水性具显著的各向异性与不均匀性，取决于岩溶发育程度；岩溶水在垂直和水平方向上均具有一定的发育规律，在垂直方向上一般随着深度的增加而减弱，水平方向上与岩溶发育的规律一致，一般都是沿着岩溶发育强烈的厚层碳酸盐岩分布带、断层破碎带、可溶岩与非可溶岩接触带等呈条带状分布；地下水与地表水转换频繁，根据相关资料揭示，岩溶地区一般可吸收降雨量的40%～50%；由于受大气降水影响较大，地下水动态变化剧烈；岩溶水运移状态复杂，是以溶隙及溶洞为运移通道，大小和连通程度对其运移状态有着至关重要的影响。

岩溶水对水工隧洞的洞身段开挖有重要的影响，主要存在集中突水涌泥及短暂性溶洞涌泥等工程地质问题，围岩极不稳定，施工难度较大。

1.3 裂隙水

裂隙水主要分布在隧洞洞身围岩体中，受围岩岩性、构造及节理裂隙发育程度所控制，具有显著的各向异性，其富水性具有裂隙尺度效应，根据裂隙性质的不同可分为：层状裂隙水、构造裂隙水及风化裂隙水。

（1）层状裂隙水。其具有显著的成层分布特征，主要分布于可溶岩与非可溶岩相间或以砂岩、砾岩为主的夹泥页岩地层中，砂砾岩中裂隙一般较发育，深度较深，裂隙充填物少，连通性好富水性强，属中等至强透水层；在可溶岩与非可溶岩相间地层中，可溶岩为含水层，非可溶岩为隔水层，一般在可溶岩与非可溶岩接触带位置，溶蚀裂隙较发育，呈层状排泄，各层间水力联系一般，地下水动态稳定。

层状裂隙水主要影响水工隧洞洞身的开挖，易产生线状渗水、流水。在可溶岩与非可溶岩接触带位置容易产生突水涌泥，对围岩稳定及施工的影响极大。

（2）构造裂隙水。主要展布于张性断裂带、节理裂隙密集带及地层接触带中，断裂带及节理密集带在坚硬的岩体中较为富水，而在软岩及软硬相间的岩体中富水性较弱，沿断裂带附近由于其阻水或透水性强，易形成地下水集中分布区。地层接触带位置往往因蚀变作用强烈，易形成地下水汇集带，故构造裂隙水常呈条带状展布，对隧洞施工的影响很大，同时由于构造裂隙及节理密集带具有显著的隐蔽性，很难摸清其分布规律及规模，构造裂隙水的分布及处理措施往往是施工中重点研究的水文地质问题。

构造裂隙水主要影响水工隧洞洞身的开挖，易产生较大的突水涌泥现象，对施工的影响极大。

（3）风化裂隙水。主要赋存于岩体全～强风化带中，分布较均匀，埋藏较浅，含水量较小，近地表处呈壳状展布。裂隙分布均匀且连通性较好的风化裂隙构成含水层，未风化或风化较轻的构成相对隔水层。风化裂隙在垂直方向上，一般随深度的增加而减弱，一般由大气降水补给，排泄于沟谷处，动态变化较大。

风化裂隙水主要影响水工隧洞进出口及浅埋段，一般会产生滴渗水现象，对隧洞的施工有一定的影响。

2 地下水与突水涌泥机理

国内外的相关工程资料表明，地下水类型对隧洞的突水涌泥起着决定性作用，大规模的突水涌泥往往是发生在裂隙水或岩溶水富集区，裂隙水一般埋藏较浅，水头高，隐蔽性强，处理复杂且很难控制，岩溶水一般埋藏较深，水头相对较低，常发生突水或短暂性溶洞涌泥，处理起来相对简单。因此在施工过程中要加强对地下裂隙水的研究，超前预报，提前采取预处理措施。裂隙水区域发生大规模突水涌泥现象一般具有以下特征：①地下水埋藏浅，地下水位高；②围岩岩体破碎，节理裂隙或断裂带发育；③岩体以软岩、较软岩为主或软硬相间；④地下水区域隧洞开挖过程中掌子面附近的一次支护或超前支护距离小于突水涌泥的临界水压力，水力梯度大于围岩介质允许的安全值。

相关模型试验表明：富含裂隙水的断裂带或节理密集带中裂隙密度越大，透水性越好，围岩突水及固体涌出量也就越大，且随着围岩裂隙密度的增加，突水涌泥发生突变的临界水压力也不断减小，因为裂隙密度越大，围岩的整体性越差，强度越低，越容易发生突水涌泥，如图1所示[2]。因此地下水与突水涌泥机理的关系实际上是有高水头的水源，隧洞的开挖改变了原水文的地质边界条件，在围岩断裂破碎带或裂隙密集带地段中，形成高速高压水流，从而导致围岩发生渗透破坏。

图1 隧洞模型试验突水涌泥量与断层承压水压力关系

3 工程实例

斯里兰卡水电站工程主洞引水线路总长3.4 km，开挖洞径（6.4～7.0）m，调水隧洞总长1.0 km，开挖洞径5.0 m。主洞Ⅴ类围岩段和调水隧洞过F2断层破碎带施工过程中，在高水头作用下发生了较大规模的突水涌泥事件。主洞突水类型为可溶岩与非可溶岩接触带岩溶水，调水隧洞突水类型为构造裂隙水，事件造成洞内泥石流灾害，泥石涌出量分别达到2 000 m3及1 000 m3以上。设计施工单位通过采取适宜的施工方案措施，成功地处理了突水涌泥事故，克服了这类复杂地质洞段施工的技术难题。

3.1 主洞引水隧洞突水涌泥处理

（1）地质环境。主洞与1号施工支洞交叉口段桩号F0+084，隧洞埋深45 m，洞身穿越前寒武系花岗片麻岩与大理岩接触带，带内充填物以泥质、砂质粘土为主，胶结差，富含地下水，围岩极不稳定，成洞条件极差，围岩为Ⅴ类。地下水以岩溶水为主，见图2。

图2 主洞引水隧洞突水涌泥段地质示意剖面

（2）突水涌泥情况。2014年12月8日1号施工支洞开挖至主洞交叉口位置桩号F0+080，12月11日主洞施工至桩号F0+084时，施工单位正在清渣，发现掌子面顶拱位置有线状渗水，然后突然发生突水涌泥，造成洞内泥石流，冲出掌子面涌向上游1号施工支洞，泥石涌出量约2000m3，涌水量达到（120～150）m3/h，整个1号施工支洞全线满洞充水直至支洞口附近。

（3）处理方案。经多次论证，由于该可溶岩与非可溶岩接触带呈条带状展布，主洞不能采用改线方案，只能穿过接触带。后续施工时，采用超前地质预报、超前探孔探明地质情况、对围岩顶拱、边墙及底板采用了超前固结灌浆、超前管棚支护、钢拱架支撑、短进尺或分台阶开挖、不爆破或弱爆破的开挖支护原则，顺利完成了该接触带洞段的施工。

3.2 调水隧洞突水涌泥处理

（1）地质环境。调水隧洞从桩号Y0+760开始就进入F2断层破碎带，断层延伸长度超过5 km，产状为N15°～17°W.SW∠75°～80°，破碎带宽（30～35）m，破碎带由糜棱岩、角砾岩、断层泥组成。隧洞埋深20 m，围岩为Ⅴ类。地下水以构造裂隙水为主，见图3。

图3 调水隧洞突水涌泥段地质示意剖面

（2）突水涌泥情况。2014年9月20日调水洞开挖至桩号Y0+732.6时，施工单位正在进行隧洞顶拱的钢拱架支护工作，掌子面顶拱位置发生突水涌泥现象，并伴随有较大的轰鸣声，开始时突水，后面转变为突泥，泥石流慢慢蔓延至洞口，方量约1 000 m3，与此同时，上方地表出现了一个直径约10 m的塌陷坑，深10 m左右。

（3）处理方案。经多次论证，后续施工时，对地表塌陷坑进行了安全防护和防水处理，施工遵循超前地质预报、超前探孔、超前固结灌浆、短进尺、不爆破或弱爆破以及及时支护的开挖支护原则，顺利完成了该断层带的施工。

3.3 机理分析

通过上述工程实例可以看出，两条水工隧洞中，主洞引水隧洞引发突水涌泥事件的地下水是岩溶水，调水隧洞是属于构造裂隙水，地下水水头都比较高，裂隙及构造发育，岩体软弱破碎，均具有易发生突水涌泥事件的典型地质特征。主洞突水涌泥段为可溶岩与非可溶岩接触带，以岩溶水为主，调水洞洞段为F2断层破碎带，以构造裂隙水为主。两个隧洞均是在较高水头压力作用下，地下水发生渗透破坏的结果。

4 结语

本文通过总结不同类型地下水特征，对水工隧洞地下水赋存分布、影响及危害程度进行了分析研究，特别是对裂隙水和岩溶水作了重点分析，并结合国外斯里兰卡水电站工程主洞及调水隧洞突水涌泥区的施工经验，对较高水头地下水区发生突水涌泥事件的机理作了分析。

分析结果表明：地下水类型中的裂隙水和岩溶水是导致隧洞洞身发生大规模突水涌泥的关键性因素。在隧洞施工开挖时，产生了高陡水力梯度或高速水流，地下水对围岩产生渗透破坏的情况下发生的，因此，较高水头地下水是隧洞发生突水涌泥的高危因素。在施工开挖的过程中，应对地下水类型进行分析，加强高水头段的水文地质研究，对后续可能会发生突水涌泥段采用超前地质预报、超前固结灌浆、超前探孔及超前管棚支护等措施，确保施工顺利进行。

[1]赵发辉，周锐.高水头地下水对长水工隧洞施工的影响探讨[J].人民长江，2013，（6）：1－4.

[2]王媛，陆宇光.深埋隧洞开挖过程中突水与突泥的机理研究[J].水利学报，2011，（5）：1－3.

2016－09－21）

徐涛（1983－），湖北武汉人，硕士，工程师，主要从事水利水电工程地质工作，手机：15974257229。