引水工程输水隧洞掘进中的涌水与治理

（中国葛洲坝集团股份有限公司，430022，武汉）

一、工程概况

南渡江引水工程为海南省海口市中西部主城区供水工程，通过在南渡江设置拦河闸坝及提水泵站提水至高地后通过箱涵、渡槽及隧洞自流输送至永庄水库。输水线路采用有压+无压输水方式，为避免大开挖对环境的破坏，输水线路穿越雷琼地质公园段，该段采用隧洞输水。输水隧洞全长12.96 km,全程采用无压洞型式，城门洞形断面，设计最大开挖断面为4.4 m×4.6 m（宽×高）。根据本线路水源点、受水点及沿线控制点高程特点，采取无压重力自流输水。

1.水文地质特性

该工程地处玄武岩风化台地和南渡江河口三角洲冲洪积平原，地下水主要为基岩裂隙水和风化土及南渡江两岸河流冲积层中的孔隙性潜水，随地形起伏变化，局部深部地下水具承压水，承压水头高出地面约0.20 m。工程地质以玄武岩为主，部分洞段为残坡积粉质黏土层、全风化生物碎屑岩。根据初步设计显示，隧洞段Ⅲ类围岩主要为弱风化玄武岩、Ⅳ围岩主要为强风化玄武岩，呈碎裂岩体结构，主要为碎石夹土状，Ⅴ类围岩主要为全风化玄武岩、粉质黏土等。

2.隧洞掘进中遇到的困难

由于洞身位于地下水水位以下，施工受地下水影响较大。玄武岩地层透水性强，开挖后掌子面渗水量大。部分强风化玄武岩地层岩体破碎，在无法承受地下水压力的情况下围岩被击穿，造成大量地下水涌入。在全风化玄武岩、粉质黏土地层，土体内含砂量高，开挖后围岩自稳能力差，在受到渗、涌水作用下，发生突水、突泥现象，对隧洞施工安全、进度造成极大影响。

3.解决思路

为解决以上不良地质条件下的施工难题，首先要详细掌握本区域水文地质特点，进一步分析突水、涌泥发生的机理，然后采取超前预防、超前支护措施以及降、排水综合防治。

二、突水涌泥分析及影响

突涌水分为两种：一是裂隙（溶隙）突涌水，二是构造带突涌水，其突水机理存在较大的区别。

1.裂隙（溶隙）突涌水

地下水从掌子面局部节理以及裂隙之中涌出，因为裂隙（溶隙）含水介质的过水、蓄水能力较差，因此涌水水量、水压均不高，但在渗涌水的作用下，掌子面无法完成快速封闭。本隧洞#3上游洞段为弱风化玄武岩地层，透水性强，掌子面在揭露后有渗水，汛期渗水量迅速增大，对施工造成较大影响。

2.构造带突涌水

掌子面前方构造带中存在大量的地下水，因为水量、水压均较大，一旦隔水层达到承压极限出现破坏时，会导致大量地下水涌出，造成突水突泥等地质灾害。本隧洞#3下游洞段围岩为弱风化玄武岩，局部为风化夹层完整性较差，掌子面右侧风化夹层曾被地下水击穿，属于典型的构造带突涌水。

三、突涌水预防和治理

1.超前地质预报

本隧洞采用探地雷达法，选用世界上技术领先的LTD—2100型探地雷达，探测中使用了GC100MHz频率屏蔽天线，时窗设置为600 ns，对掌子面前方20 m地质情况进行探测。通过超前地质预报，大大提高了对围岩状态、特性的判定，为施工超前谋划支护方案、采取更加科学合理的开挖方式奠定基础。

2.因地制宜分类治理

（1）玄武岩地层

裂隙（溶隙）型掌子面突涌水进行防治时，若是出水量小且分散，则应将重点放在排水上，施工时可带水作业，一切以掘进为主；若是出水量大且集中，则必须以堵为主、超前封堵，利用顶水注浆方式。本隧洞采取超前灌注水泥浆，每循环超前长度20 m，通过掌子面超前注浆，有效减少掌子面渗水，为开挖支护提供了良好、安全的施工环境。

构造带型掌子面突涌水进行防治时，必须保证有足够厚度隔水层能够有效承受裂隙水压力，或将洞身以外的地下水进行封堵拦截，减小地下水对洞身围岩压力。在南渡江引水工程隧洞#3下游洞段发生突涌水后，由于涌水量过大，无法在洞内实施堵水。经组织专家探讨，采取对涌水点一定范围实施地面帷幕灌浆，形成四周帷幕墙止水，洞内涌水量变小后，在涌水处砌筑止浆墙实施洞内注浆，有效将涌水点封堵。

（2）玄武岩与富水黏土结合地层

本工程新增#4支洞地质属于富水残坡积粉质黏土和含泥砂层为主的洞段，属于V类围岩，洞身位于地下水水位以下，洞室围岩整体稳定性较差。在涌水作用下，掌子面曾发生大体积塌方、突泥，洞身被埋约80 m，严重影响进度和安全，必须采取必要措施进行防治。通过组织技术专家讨论，针对软土及含砂层特点，采取防护与治理相结合的原则进行处理。

采用地表帷幕灌浆方案，于涌水点四周采取地表垂直灌浆，对涌水点外围来水进行堵截。帷幕灌浆顶高程以高于地下水水位1m控制，底高程以深入相对不透水层 （粉质黏土层）1 m控制。帷幕灌浆按照两排帷幕布置，钻孔间距2 m，排间距1 m。根据地质条件，采用水泥—水玻璃浆液灌浆，注浆压力为0.2～0.5 MPa，水泥和水玻璃浆液体积比 1∶0.1～1∶1，现场根据地层可注性，适当调整水玻璃用量，以保证灌浆效果。地表帷幕灌浆的实施，有效减少了洞身轮廓线以外地下水进入隧洞。

采用高压旋喷桩支护以提高侧墙土体稳定性。施工前，选取了部分高喷孔作为先导孔，采取先导孔的芯样核对地层。钻孔深度以深入底板以下1 m控制，桩长度以深入底板以下1 m控制，顶高程以深入土石分界线以上1 m控制。按照《建筑地基处理技术规范（JGJ 79—2012）》质量检验标准采用钻孔取芯方式对成桩质量进行检验。

洞内在开挖轮廓线外插入密排小导管，挡砂排水稳定洞壁。密排小导管采用壁厚4 mm的无缝钢管，单根长6 m，环向紧密排列，纵向搭接长度≥2 m，前端做成长约10 cm的圆锥状，在该洞段开挖前，预先水平插在设计开挖轮廓线外25 cm处。

在掌子面插入若干钢管锚钉，通过钢管锚钉群对临空掌子面的约束作用，可达到稳定上半洞掌子面土体的同时，也使得下半洞可预留核心土。

在掌子面中下部预留核心土，分区分序开挖支护，通过喷射混凝土快速封闭掌子面。

（3）粉质黏土层

本工程新增#4支洞上游为粉质黏土层，且含砂量高，施工过程中洞顶用作天然隔水层的粉质黏土层太薄而被上部地下水击穿，造成隧洞突水、塌方。在深入分析原因后，本段后续隧洞开挖为避免涌水问题再次出现，经过对设计方案进行优化，将原洞顶粉质黏土层较薄段洞身采取倒虹吸设计，降低洞身设计高程，使洞顶粉质黏土层厚度增加，加大天然隔水层效果，有效解决了地下水击穿洞顶隔水层导致涌水的难题。考虑到防止淤积等因素，通过缩减过水面积使倒虹吸段流速提高，避免正常运行时出现淤积。

四、结 语

通过海口市南渡江引水工程输水隧洞工程水文地质特性、突涌水机理、围岩稳定性分析，结合施工实践，总结出一套超前物探、钻探与地质编录相结合的地质预报，再根据不同洞段的地质条件，通过地表帷幕灌浆拦截地下水、高压旋喷桩固结土体、超前支护、稳定掌子面、设置倒虹吸等有针对性的技术组合措施，为海口市乃至琼北地区隧洞工程的地下水影响治理提供了一定的技术参考。