鄂北地区水资源配置工程隧洞施工涌水分析及处理措施探讨

罗应贵 刘晟 易晓丽

摘要：涌水是隧洞施工中较为常见的地质灾害之一。以鄂北地区水资源配置工程大竹园隧洞为研究对象，该隧洞在开挖至桩号214+556时发生涌水，最大涌水流量259.3 m3/h，平均涌水流量达224.2 m3/h，危及施工安全。通过采取钻孔排水、超前预报、固结灌浆及管棚超前支护等处理措施，涌水量降至约87 m3/h，处理效果较好。该涌水处理措施可为隧洞安全施工和涌水处理提供参考。

关键词：隧洞施工;涌水处理;超前预报;固结灌浆;超前支护;鄂北地区水资源配置工程

中图法分类号：TV554文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.008

Abstract： Gushing water is one of the common geological disasters in tunnel construction. Water gushing accident occurred at pile 214+556 of the Dazhuyuan tunnel of North Hubei Water Transfer Project in the tunnel excavation construction，with the maximum gushing water flow of 259.3 m3/h and the average flow of 224.2 m3/h，which endangered the construction safety. By drilling drainage，advance forecast， consolidation grouting and advance pipe-shed support， the water inflow was reduced to about 87 m3/h. The  treatment method can be referred for tunnel safety construction and gushing water treatment.

Key words： tunneling; water gushing treatment; advance forecast;consolidation grouting; advance support; North Hubei Water Transfer Project

1 基本情况

1.1 隧洞概况

鄂北地区水资源配置工程（以下简称“鄂北工程”）以丹江口水库为水源地，从该水库清泉沟取水，自西北向东南穿越襄阳市的老河口、襄州区和枣阳市，随州市的随县、曾都区和广水市，止于孝感市的大悟县王家冲水库。输水线路总长269.67 km，年均引水量7.7亿m3，设计供水人口482万人，灌溉面积约24.23万hm2（363.5万亩）。

大竹园隧洞为自流无压引水隧洞，全长4.07 km，设计引水流量9.5 m3/s，开挖断面为城门洞型，成洞洞径5.2 m，埋深15～90 m。隧洞地质条件复杂，隧洞沿线发育两条断层带，施工难度较大，是鄂北工程广悟段的关键性控制工程之一。

1.2 涌水情况

2019年3月20日，大竹园隧洞开挖至桩号214+556，正在进行钢拱架支护施工，3月20日02：05时隧洞桩号214+553处底板右侧发生冒水现象，有2处冒水点，相距0.50 m左右，水质浑浊。3月21日14：00时涌水量未见明显减少，隧洞水深1.50 m。发生涌水现象后立即抽排，水泵排水量80 m3/h。

依据2019年3月20日02：05时至3月21日14：00时的洞内水深及抽排能力，测算得到桩号214+553处涌水量Q=726 m（洞长214+556～213+830）×6 m（洞挖宽度）×1.50 m（洞内水深）/36 h +80 m3/h（水泵抽排量）-35 m3/h（施工支洞上游隧洞涌水量）=226.5 m3/h，即q=62.9 L/s。

大竹园隧洞桩号214+553处洞内发生涌水后，2019年3月23日安排3台水泵进行抽排（2台30 kW、1台22 kW），根据同年4月3日10：20～15：00时段30 kW水泵流量量測（总排水量540 m3），30 kW水泵排水量q1=540 m3/4.6 h=118 m3/h，根据功率推算，22 kW水泵排水量q2=86 m3/h，现场观测记录见表1。从表1中可以看到，3月23日08：30至3月27日08：30涌水量Q=224.2 m3/h，即q=62.3 L/s。

2019年4月4～8日洞内积水已基本排完，抽水水泵减少至2台（1台37 kW、1台30 kW），测得37 kW水泵流量107 m3/h，30 kW水泵流量86 m3/h。测算得到桩号214+553处涌水量Q=107 m3/h+86 m3/h-35 m3/h（施工支洞上游隧洞涌水量）=158 m3/h，即q=43.9 L/s。

2019年4月14日，洞内涌水量进一步减小，抽水水泵减少至1台，涌水量降至约87 m3/h。根据施工单位同年4月11～17日大竹园支洞突水台账，施工支洞排水量见表2。

综上，2019年3月20日至4月17日大竹园隧洞桩号214+553～214+556处涌水量随着时间推移逐渐减少。

1.3 隧洞工程地质情况

（1）地形地貌。隧洞沿线地面高程121.6～207.6 m，相对高差约85.0 m，为低山丘陵地形。洞线桩号212+540～212+680、212+830～212+980段地表为河谷低洼地，高程约125.0 m，河谷走向与隧洞轴线平行，河谷常年有水流入先觉庙水库，水库正常蓄水位107.0 m;214+550～214+650段穿越冲沟，沟底高程约137.0 m，冲沟走向与隧洞轴线垂直，洞线南西侧冲沟里有水塘分布，水塘水位高程约143.3 m;桩号215+300及215+750处地表为冲沟，沟底高程分别约为152.7 m和172.0 m，冲沟走向与隧洞轴线近垂直，沟内有小水塘分布，冲沟无常年流水。隧洞出口为张家桥河，河床高程约105.0 m，河谷走向与隧洞轴线交角约45°，河谷常年有水流入徐家河水库，水库正常蓄水位72.0 m。

（2）地层岩性。隧洞桩号214+010～215+450穿越的地层为震旦-青白口系白兆山组上段（Z2b2），主要为石英钠长黑云片岩和钠长绿泥片岩。

（3）地质构造。工程区大地构造处于秦岭褶皱系（I）南秦岭冒地槽褶皱带（I1）随州应山复背斜（I13）应山褶皱束（I13-1）。大竹园隧洞位于张家桥倒转复式向斜次一级构造——大竹园倒转向斜。大竹园隧洞区域构造见图1。

大竹园倒转向斜走向290°左右，北翼向S倒转，核部北西端扬起，向南东倾伏。向斜核部地层为震旦-青白口系白兆山组上段（Z2b2）石英钠长黑云片岩、钠长绿泥片岩，两翼地层为震旦-青白口系白兆山组下段（Z2b1）中厚层大理岩、大理岩夹薄层钠长绿泥片岩和震旦-青白口系岔河组（Z2c）绿帘钠长黑云片岩。岩层及片理产状330°～41°∠8°～37°、局部87°～98°∠26°～42°。

（4）水文地质条件。隧洞沿线岩性多样，地下水类型较为丰富。片岩段主要为基岩裂隙水，水量较贫乏且不均衡，主要靠大气降水补给，沟河为其排泄基准面。砂岩段以孔隙水为主，砂岩总体厚度较小，水量有限，其上下均为片岩隔水层，部分段具有承压水性质，主要靠大气降水补给，沟河为其排泄基准面。大理岩夹片岩段以溶蚀孔隙水、溶蚀裂隙水为主，水量较为丰富，但受含水层厚度及补给条件限制，总体水量有限，其上下均为片岩隔水层，部分段有具承压水性质，主要靠大气降水补给，沟河为其排泄基准面。

（5）围岩评价。根据现场已开挖及施工阶段地质测绘成果，隧洞214+535～214+660为Ⅴ类围岩，主要为强-弱风化纳长绿泥片岩，裂隙、片理发育，片理结合极差，片理产状21°∠35°。地表为冲沟，风化带，地下水较活跃，可见线状流水，倾角较缓，围岩极不稳定。

2 涌水原因分析

通过前期地质资料、地质测绘、地面物探、TSP超前地质预报等对大竹园隧洞涌水进行分析。

（1）地质测绘。地表地质测绘发现冲沟（桩号214+550～214+650）内水塘岸边发育断层F2，断层产状355°∠52°，断层破碎带地表宽度30～110 cm。根据现场地质测绘及推测，涌水处（桩号214+553～214+556）与断层的水平距离分别约为80 m（地表）和50 m（洞底板高程）。根据断层产状投影显示，隧洞开挖至桩号214+630左右揭露断层F2，推测该断层向下穿透隔水片岩进入大理岩区。

（2）地面物探。采用高密度电法勘探。桩号214+450～214+630段围岩节理发育，地下水为基岩裂隙水，水量大。桩号214+630～214+650段隧洞通过断层F2，断层向深部延伸，倾角较大（剖面上视倾角约68°），推测隧洞涌水应为该断层切穿深部导水地层或构造引起。隧洞轴线高密度电法视电阻率断面见图2。

（3）超前地质预报（TSP）。桩号214+535～214+572段为强风化纳长片岩，属软质岩，结构面较发育，以风化易剥离的片理面和构造节理为主，岩体完整性差，岩体呈薄层状结构;桩号214+594～214+633段为强风化纳长片岩，结构面发育，以风化易剥离的片理面和构造节理为主，岩体完整性差，岩体呈薄层状结构，局部碎裂结构。TSP超前地质预报REC岩石参数变化情况见图3。

综合地表地质测绘、地质素描、前期地质资料、地面物探及TSP成果，已开挖洞段桩号214+535（发生冒顶险情）～214+556（涌水处掌子面）段围岩为震旦-青白口系白兆山组上段（Z2b2）薄层钠长绿泥片岩，呈强～弱风化，属软质岩，片理倾角较缓，节理裂隙、片理发育，岩体完整性差，洞壁滴水，局部有线状流水现象，属Ⅴ类围岩，围岩极不稳定，地下水为基岩裂隙水。隧洞掌子面（桩号214+556）前方桩号214+600～214+650段岩体呈薄层状结构，局部碎裂结构，发育有断层，断层贯穿下部地层并延伸至地表，具富水性。根据桩号214+606处钻孔AZK2224地下水位高程136.64 m，可知涌水处（桩号214+553～214+556）隧洞底板高程地下水埋深大于30 m，由隧洞底板下部地层（Z2b1大理岩）至隧洞底板到地表，压力水头逐渐减少。

综合上述分析，大竹园隧洞桩号214+553～214+556处出现较大涌水现象，地下水来源于震旦-青白口系白兆山组下段（Z2b1）大理岩岩溶孔隙、裂隙储存的地下水，承压水沿断层F2破碎带上升至浅部，然后贯穿片岩中的节理裂隙等结构面薄弱部位形成通道，从开挖后洞室底板附近涌出。从涌水时间和涌水点多处等情况分析，涌水通道应该是分散的，而非集中管道式连通。

3 处理方法

3.1 管理措施

3.1.1 加强排水

（1）洞内抽水。在涌水点（214+553）附近设置2孔Φ108排水孔引排，排水孔为深5 m钢花管，排水孔间距50 cm。在桩号214+553底板右侧设置集水坑，集水坑尺寸1 m×1 m×1 m，采用水泵进行抽排，大竹园隧洞洞内水泵抽排情况统计见表3，达到降低承压水压力、减少洞内积水的目的，抽水時间为5个月。后期混凝土衬砌施工时，用混凝土将集水坑回填。

（2）布置超前钻孔排水。大竹园隧洞正在施工的进口作业面、出口作业面以及支洞下游作业面前方都将会遇到震旦-青白口系白兆山组下段（Z2b1）中厚层大理岩夹片岩含水层，通过在掌子面或涌水处布置一定长度的超前钻孔，将水集中引排，减小开挖面渗水量。优点是使大部分地下水沿钻孔集中排出，即可改善掌子面前后的恶劣地下水环境[1] ，缺点是影响施工速度。

（3）洞顶水系截断。因洞顶水塘距离隧洞较近，且F2断层从水塘中部穿过，隧洞施工期间对洞顶水塘进行放空处理。

3.1.2 安全监测

在214+555～214+700范围内，每隔10 m布置1个收敛监测断面，每个断面布置5个测点，共设置14个监测断面、70个收敛监测点。施工期围岩收敛位移应小于洞室开挖洞径的0.6%。

3.1.3 TSP

TSP是一种地下工程的地质预报技术。TSP最突出的优点是能探测开挖面前方150 m范围内地质条件的变化， 且不影响正常施工[2]。采用TSP法进行地质超前预报，可分析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层以及含水状况，并为改进施工方法、调整施工工艺提供理论参考。

根据地质测绘及物探成果，F2断层于隧洞前方斜切洞轴线，其上部与地表塘堰连通，下部连通大理岩承压含水层，本次涌水已释放部分水压，横穿断层处下方出现大涌水可能性较低，但上方与塘堰连通，塘堰蓄水则极有可能击穿断层并沿断层发生突涌。因此，在隧洞施工至桩号214+600时，在掌子面采用复频电导率（CFC）法预报前方水量情况，同时布置超前钻孔排水。

3.2 工程措施

3.2.1 洞壁固结灌浆

灌浆法是目前国内外隧洞工程中应用最广、技术最成熟、最常用[3]的一种方法，特别适用于水下隧洞、高水压地区及含水的断层破碎带[4]。

在桩号214+545～214+555洞段范围设置7排、每排9孔的固结灌浆孔，灌浆孔深5 m，间排距1.5 m，梅花形布置，灌浆压力分级进行，最大灌浆压力1.5 MPa。

灌浆按环间分序、环内加密的原则进行，环间采用两序，按照距离涌水点由远到近的顺序进行施工，即同一断面灌浆从左侧洞壁最低一孔开始，向顶拱及右侧洞壁依次加密施工。

灌浆采用孔内循环式灌浆，灌浆水灰比为5，3，2，1，0.5，0.6，0.5等7个级别。当某一级别水灰比浆液灌入量达到300 L而灌浆压力及吸浆量均改变或改变量不显著时，采用浓一级水灰比灌注。当某一级吃浆量大于30 L/min时，可根据具体情况适当越级提高灌浆浓度。

在设计压力下，灌浆段的吸浆量不大于1 L/min，再继续灌注30 min即可结束;群孔灌浆考虑一次灌注的总段长再确定。

3.2.2 管棚超前支护

根据掌子面的地质条件及渗水情况，对掌子面进行超前管棚及超前预注浆支护。

隧洞桩号214+555～214+700范围内，掌子面设超前水平钻孔作为超前地质探孔，探孔孔径90 mm，孔深30 m，搭接长度10 m。隧洞桩号214+555～214+700段设置7排共112孔Φ108管棚进行超前支护，管棚布置范围为顶拱120°，上倾角3°～5°，间距40 cm，单排长30 m，排间搭接长度10 m。隧洞桩号214+555～214+700段进行隧洞掌子面超前预注浆加固，超前注浆共7排，每排设4孔，外扩角10°，单排孔长30 m，搭接长度10 m。

管棚灌浆及掌子面预注浆的注浆材料均为水泥浆，水灰比1∶1，注浆压力1.5～2.0 MPa，施工前进行灌浆试验以确定灌浆参数。

3.2.3 隧洞开挖支护

（1）开挖支护。214+535～214+700段长165 m，围岩类别为Ⅴ类，隧洞断面为城门洞形，开挖尺寸为5.60 m×5.95 m，初期支护为I18型钢拱架（间距50 cm）+喷射20 cm厚C25混凝土+Φ22系统锚杆（L=3 m、间排距1.0 m梅花形布置）+挂钢筋网（Φ8@15×15 cm）+锁脚锚杆。后期隧洞过水全断面衬砌60 cm厚钢筋混凝土，每10 m设环向缝，设置651型橡胶止水。

二衬混凝土浇筑前对涌水点进行引排、封堵，先采用排水管对集中涌水点涌水外排，排水管口设阀门，浇筑完毕封堵混凝土后，再关闭排水管阀门完成涌水点封堵。

根据地质情况，在桩号214+555～214+575段及214+620～214+660段设置反拱，反拱厚20 cm，并设I18型反拱拱架与初衬拱架封闭成环，在开挖实施过程中根据揭露的地质条件适当调整反拱桩号。

（2）回填灌浆和固结灌浆。回填灌浆在衬砌混凝土强度达到设计强度70%后进行，沿隧洞轴线顶拱120°范围内布置灌浆孔，每排2～3个孔，矩形布置。灌浆孔在预埋管中钻孔，钻孔直径为40 mm，钻孔深入围岩5～10 m以上，灌浆压力为0.3 MPa，灌浆材料为P.O42.5普通硅酸盐水泥浆。

固结灌浆在回填灌浆结束后7 d后进行，设置灌浆孔每排8孔，间排距3 m，孔位对称布置。灌浆孔在预埋管中钻孔，孔深进入围岩3 m。灌浆压力取0.3～0.5 MPa，灌浆材料为P.O42.5普通硅酸盐水泥浆。

4 结 语

本文以大竹园隧洞为例，分析了隧洞涌水的原因，通过采用加强排水、固结灌浆、管棚支護及超前预报等措施，对涌水地段进行处理，降低了施工安全风险，取得了较好效果。隧洞安全通过了涌水地段，为今后隧洞涌水处理积累了经验。

参考文献：

[1] 吴静，葛浩然. 洞室施工中岩溶及地下水富集区的预测和处理[J]. 云南水力发电，2007，23（1）：38-41.

[2] 揣连成，杜士斌，卜丽华. 隧洞工程涌水处理的对策和措施[J]. 水利水电技术，2005，36（5）：53-55.

[3] 余积新. 梨树湾隧道岩溶涌水的处理[J]. 铁道建筑，2005（7）：43-45.

[4] 邹静娴，许模，杨艳娜. 隧道施工涌突水处理方法综述[J]. 地下水，2010，32（2）：162-163.

（编辑：唐湘茜）