长输水隧洞中地下水影响评价分析及措施

王浩宇

（沈阳兴禹水利建设工程质量检测有限公司，辽宁 沈阳 110006）

1 工程概况

新建岔河长输水隧洞全长10.05 km，由进口段、无压洞身段及出口段组成。设计底坡i=1/1000，输水隧洞洞身段为2.0 m×2.4 m城门洞型断面，属于特小断面、特长型隧洞，隧洞设计流量为3.051 m3/s。

洞身埋深一般200 m～400 m，最大埋深704 m，岩性主要有泥岩、砂岩、砂质泥岩加砂岩，属于软弱工程地质岩组，围岩类别主要为IV类、V类围岩。经对隧洞沿线地质情况进行勘察，隧洞从进口至出口分布发育向斜、背斜、向斜、断层，地质构造较复杂，地下水对隧洞施工的影响较大，施工过程中需考虑地下水对隧洞的施工影响，并充分做好排水等预防措施[1]。

2 隧洞围岩地质分段评价结果

主要评价含地下水活动强烈，可能发生涌水突泥的地段[1]。

（1）洞身4段(长隧1+910.00 m～长隧2+696.00 m、段长786 m)

该段洞身最大埋深380 m，位于老官山向斜西侧，洞身穿越地层为马头山组中厚层状细～粗粒长石石英砂岩。据地表勘察产状38∠58°。岩层走向与隧洞轴线走向斜交。依据地质资料推断隧洞轴线与断层破碎带相交，向下延伸深度均超过隧洞底板以下。该段岩质较硬，层理发育，层间结合一般，断层破碎带影响部位裂隙发育，岩体较破碎，整体围岩强度及稳定性较差，产状陡倾，在层理及裂隙共同作用下易形成楔形体，段内地下水活动程度较为强烈，受地下水影响，掘进过程中存在顺层面突发涌水、突泥的可能，需做好预防工作。洞身围岩类别为Ⅴ类，该段属不稳定段，岩石坚固系数2.0～3.0。

（2）洞身14段(长隧8+545.00 m～长隧8+707.00 m、段长162 m)：

该段洞身最大埋深为268 m，洞身穿越前段地层为普昌河组泥岩、砂质泥岩夹砂岩，属软弱工程地质岩组；后段为马头山组中厚层状细～粗粒长石石英砂岩属中硬岩组。依据地质资料可知，洞段内整体断层破碎带成条带状分布，向下延伸深度较大，断层为正断层，断层下盘为马头山组中厚层状细～粗粒长石石英砂岩；断层上盘为江底河组泥岩夹钙质泥岩及泥灰岩。岩层走向与隧洞轴线走向斜交，隧洞自西向东穿越断层，断裂走向北西、倾向北东、倾角约68°～90°、为一上盘下降，下盘上升的张性正断层。视宽度约80 m，影响宽度约120 m，构造垂向延伸深度较大，构造水平展布长度较大。断层或构造破碎带位置及其影响范围内岩石受构造影响严重，带内裂隙发育，岩体破碎，易形成富水区域，岩体完整性及稳定性差。洞身围岩类别为Ⅴ类，该段属极不稳定段，岩石坚固系数 1.0～2.5。

3 地下水情况分析

3.1 长隧洞涌水量计算

长输水隧洞涌水量计算主要包括正常涌水量计算和最大涌水量计算。其中，正常涌水量计算采用大气降水入渗估算法及正常涌水量经验公式，最大涌水量采用最大涌水量经验公式计算[2,3]。

①大气降水入渗法：

式中：Q为隧洞涌水量，m3/d；a为大气降水入渗系数，取10%；F为隧洞影响带汇水面积，按隧洞两侧各400 m计；P为大气降水量，当地年平均降水量上限，根据水文资料，P=1058 mm。

②正常涌水量经验公式：

式中：Q为隧洞涌水量，m3/s；L为输水隧洞长，m；k为含水体的渗透系数（按各隧洞勘探钻孔压水吕荣值平均值换算），m/d；H为洞底以上潜水（含水体）的厚度（按分段地下水位线以下至隧洞底板厚度），m。

③最大涌水量经验公式：

式中：Q为隧洞涌水量，m3/s；L为计算隧洞长，m；k为含水体的渗透系数，m/d；H为洞底以上潜水（含水体）的厚度，m。

现根据上述三种公式计算输水工程线路长隧洞的施工涌水量，计算各隧洞施工涌水量见表1。

表1 长输水隧洞施工用水量估算表

3.2 地下水地质勘察分析

该长输水隧洞根据工程需要，需在隧洞沿线钻孔，获得地质勘察资料，本文在隧洞沿线钻取18个钻孔来探测地下水情况，孔深在100 m～200 m左右，篇幅所限，仅列出隧洞进出口钻孔勘察成果，见表2。

表2 长输水隧洞钻孔勘察成果表

根据钻孔资料分析，进出口段围岩以泥岩为主，强风化底界埋深浅，弱风化岩体完整性好，节理裂隙不发育，围岩相对完整。进口钻孔ZK17未见地下水位，即大于110.2 m，孔底3段压水吕荣值3.44 Lu～11.63 Lu，ZK18地下水位69.7 m，孔底3段压水吕荣值0.48 Lu～0.77 Lu。钻孔在洞身围岩上下共压水4段，吕荣值在7.3 Lu～11.94 Lu之间，洞身围岩以弱透水层为主，局部为不透水层，说明洞身围岩透水性相对较弱。根据长输水隧洞工程地质条件，隧洞（隧0+000～隧1+863,隧5+233～隧8+653，隧8+853～隧9+987）以泥岩为主，围岩透水性相对较弱，不存在涌水和突水，洞壁一般存在股状渗水、线状渗水、滴水和潮湿等情况。在隧1+863～隧5+233向斜轴部，地下水由向斜两翼向轴部补给，补给范围较广，并且岩体受褶曲影响，张性节理较发育，可能存在涌水和突水问题，洞壁一般以股状渗水、线状渗水为主，在施工过程中，需做好预防工作，保证隧洞施工安全。在隧8+653～隧8+853正断层区，断层错断带岩体较为破碎，完整性差，属极不稳定围岩，该洞底板位于地下水位线以下，施工过程中需采取排水措施。

4 地下水涌水工程措施

由地质钻孔得到的水文地质分段评价，结合涌水量的计算可知，该长输水隧洞沿线地质条件复杂，涌水量大，部分洞段底板处于地下水位以下，段内地下水活动程度较为强烈，施工中极易发生涌水、突泥等地质灾害。因此在施工中不仅要采取排水措施，还要对隧洞进行支护处理，确保围岩地质稳定。

4.1 排水措施

洞内排水采用集水坑（长宽高为2.0 m×1.0 m×1.5 m）、集水井与水泵、排水管相结合的排水方式，首先把工作面的水排至集水坑（每隔500 m设一个），再通过水泵、排水管抽排至洞外的污水沉淀池，经处理达标后排放；当为支洞侧工作面时，通过水泵、排水管道抽排至接力泵站，由接力泵站排至支洞底部的集水井（长宽高为2.0 m×1.5 m×2.0 m），由高扬程泵排至洞外的污水沉淀池，经处理达标后排放；当为隧洞进出口工作面时，通过水泵、排水管道抽排至接力泵站，由接力泵站排至洞外的污水沉淀池，经处理达标后排放[4～6]。

在涌水量较大洞段，可将原回填灌浆孔改造成排水孔，排水孔伸入围岩长度约3 m左右，根据地质情况和涌水量的大小排水孔可延伸至5 m，排水量较大时，排水后围岩应进行固结灌浆，以确保围岩稳定。

4.2 支护处理措施

本文根据地质勘察情况，主要考虑遇断裂挤压破碎带、强富水地层、高地应力段、易塌及软岩地带时还应认真做好超前预报工作，采用C20喷钢纤维砼初期支护，并结合超前小导管、超前锚杆以及预灌浆等措施进行施工[7,8]。支护措施形式见图1，具体支护措施见表3。

图1 长输水隧洞改进后的支护形式示意图

表3 隧洞支护措施表

4.3 地下水处理效果

隧洞出口向进口方向开挖过程中，在施工至正断层隧8+853前约50 m时（隧8+900），由超前地质钻孔探测到前方地下水水头都较高，裂隙及构造发育，岩体软弱破碎。施工人员正在进行钢拱架初期支护，拱顶部位突然发生突水涌泥现象。与此同时,上方地表出现了一个约长40 m，宽50 m的塌陷坑，深50 m左右。对地表塌陷坑进行了安全防护处理后，施工人员采取大功率水泵及排水管排水，并采取钢拱架、喷C20钢纤维砼、固结灌浆等措施进行处理。待围岩和隧洞结构稳定后，对前方正断层区采取超前预报，结合超前小导管、超前固结灌浆等措施进行进尺、弱爆破、及时衬砌的施工方案，顺利地完成了隧8+653～隧8+853正断层区间的施工。

5 结语

本文根据该长输水隧洞地下水水位特征、施工期间地下水涌水量大小对隧洞施工影响及危害程度进行了分析研究，通过现场地质钻孔对隧洞沿线地下水赋存及分布，特别是对隧沿线裂隙发育、断层及高水头区间裂隙水进行了重点分析，并结合多年来设计及施工经验，对地下水影响较大的洞段进行了排水处理，发生突水涌泥的区段进行钢支撑、喷C20钢纤维砼、加大衬砌厚度等措施加强支护，同时还采取超前地质预报，提前排水减压，超前固结灌浆等措施，确保施工安全。