广东省水资源配置工程隧洞施工风险及对策研究

阳晃林,姜 燕,李志云,张庆艳,张婉吟

(1.广东省水利水电技术中心，广州 510635；2.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；3.广东省岩土工程技术研究中心，广州 510635)

1 概述

为破解广东水资源时空分布不均问题，广东省委、省政府积极部署推动建设一批打基础、管长远、惠民生的重大水资源配置工程，将构建水资源时空分布新格局，推进水资源集约安全利用，助推广东高质量发展。目前在建的有珠江三角洲水资源配置工程、韩江榕江练江水系连通工程、环北部湾广东水资源配置工程、引韩济饶供水工程、广州北江引水工程等，是广东有史以来同步推进重大水资源配置项目最多、投资规模最大的时期。

水资源配置工程涉及水利工程、岩土工程、地下隧洞及结构工程、材料工程等多学科多专业，工程重要且难度大[1]，多项关键技术没有规范标准可依，类似工程经验尚不足，若发生事故，对社会、经济及人民生命财产产生不可估量的损失，开展施工风险评估和对策研究是很有必要的。

目前，在建的5宗重大水资源配置工程隧洞总长达235 km，埋置深、穿越地层复杂、经过的城镇区域多，隧洞结构型式复杂，承受内外水压力大，面临很大的施工风险。挖掘工艺有盾构法、TBM法、钻爆法等多种形式，具有施工复杂，开挖量大等特点；隧洞竖井面临直径大、开挖深度深、地质条件复杂、周边建筑物密集等难题。其中，隧洞钻爆法施工经过不良地质带时，易发生涌水、涌泥、塌方等问题[2-5]；隧洞竖井地质条件复杂、周边建筑物密集，易出现渗水和引起周边沉降等问题，需特别引起重视[6-7]。由于此类大型深埋长距离调水工程可供借鉴的经验少，工程整体难度大，对工程建设期间所存在的施工风险进行识别、评估，并及时研究对策，提出合理建议，为保障工程安全，顺利推进工程建设提供参考。

2 隧洞施工风险案例

2.1 钻爆法风险案例

2.1.1工程概况

某隧洞工程沿线山体坡度为15°～25°，岩体风化深厚，植被茂密，自然山体总体稳定。隧洞埋深在沟谷部位为30～60 m，在山脊部位为60～200 m。地下水相对丰富，主要接受大气降水补给，且与河水联系密切。综合判定围岩等级多为Ⅲ、Ⅳ级围岩，局部为Ⅳ、Ⅴ围岩。钻爆法隧洞施工穿越富水断层等复杂地质体时，地层条件多变，钻爆法施工存在一定涌水、涌泥、塌方等风险。

2.1.2出现的问题

2020年7月，2#、3#施工主洞贯通段K2+446-K2+478桩号，准备进行中台阶施工时，现场发现隧洞左侧出现拉裂缝、拱顶局部沉降、开裂。同时伴随有地下水和泥浆流出。此处隧洞监测变形不收敛，左侧拱腰位置处向洞内变形凸起明显，不及时处理隧洞有发生垮塌的风险(见图1)。

图1 抢险现场示意

该段穿越断层破碎带，围岩破碎，裂缝发育，为强汇水通道，且该处地层有细黄砂，地层稳定性极差，在此富水软弱地层锚杆加固未能形成有效的锚固力，且隧洞支护系统不闭环，导致发生地层挤压大变形。

2.1.3抢险措施及对策

1) 汇报上级单位，现场成立临时办公室对现场情况进行了讨论。

2) 组织人员、设备进行应急抢险处理，立即对收敛部位采取石渣回填反压[8-9]，并加强监测，防止次生灾害发生(见图2)。

图2 隧洞拱腰处挤压大变形及回填反压处理示意

3) 现场及时抽排地面积水，调配抽水设备，保证电力供应，安排专人对积水进行抽排处理。

4) 对隧洞周边岩体进行注浆加固，待隧洞注浆固结后，在监测变形稳定的前提下，拆除已变形的钢拱架，安装新钢拱架，相邻钢拱架之间采用槽钢链接，底部架设横向钢支撑，与供部边墙拱架形成封闭支护系统[10-11]。

5) 加固处理时做好隧洞内和洞顶以及前后一定范围的监测工作，监理旁站监督。

6) 吸取经验教训，今后遭遇冲沟断层前，应做好地质勘探和超前预报工作，加强支护措施。

经过以上应对措施，该钻爆隧洞施工引起的涌水塌方问题得到了解决，未发生人员伤亡事故。

2.2 竖井风险案例

2.2.1工程概况

某隧洞工作竖井直径为35.9 m，开挖深度为58.2 m，自上而下依次为填土层、淤泥质粉砂层、淤泥层、细砂、全强风化泥岩、弱风化泥岩等。周边发育4条断层，地表建筑密集，为工业园区。

2.2.2出现的问题

竖井于2020年6月完成内衬结构施工，在开挖过程中受断层破碎带发育影响，竖井井壁发现3处渗漏，水头压力约0.5 MPa，渗漏量为150 m3/h，渗漏点与井外的山体水系连通形成渗漏水通道(见图3)。

图3 竖井井壁渗漏情况示意

2020年11月初，竖井基坑周边建筑物出现裂缝，建筑物周边地表出现不均匀沉降，出现裂缝房屋均分布在距竖井为70～300 m的直线范围内(见图4)。

基坑周边地表垂直位移测点监测结果见图5，基坑周边地表垂直位移累计在32～92 mm之间，均已超设计控制值，基坑底板开挖以来，基坑渗水量增大，自10月16日起垂直位移沉降速率加快。竖井渗水引起的地下水下降，周边建筑物地基承载力减弱，地表建筑物出现裂缝。

图4 竖井周边开裂建筑物分布示意

图5 竖井周边垂直位移监测曲线示意

2.2.3抢险措施及对策

1) 补充勘探，补充工作井周边地质钻孔，分析坑底涌水和深层地下水的连通情况，查明地下水来源和地下水径流路径。

2) 基坑底板焊接法兰盘以及球阀采取临时关闭措施，同时对工作井有沉降的方向采取回灌井施工，对浅层水进行补给；对井筒内部及周边进行注浆封堵加固。

3) 井内注浆堵漏

① 引流管注浆

根据工作井渗漏情况，关闭地连墙13#～14#槽段其中一根引流管球阀，其他引流管作为泄压管和观察孔，注入水泥浆，当泄压孔有水泥浆液流出时，更换水泥-水玻璃注入，同时关闭引流管泄压球阀。

待压力达到后，应打开观察管球阀观察其他漏水点堵漏效果，若仍出现渗漏情况，应在漏水点附近采用水钻钻孔注浆。

② 井内水钻取孔注浆堵漏

采用Φ40 mm水钻在内衬渗漏点附近钻孔，检查堵漏效果，地下连续墙厚度为1.2 m，底部内衬墙厚度为1.5 m，钻孔深度打穿地连墙入岩5～10 cm即2.8 m，若出现渗漏水情况插入Φ32 mm镀锌管注入双液浆，在镀锌管外部安装球阀。

注浆完成后，开孔检查确定渗漏水点不在有水流出后，拔出注浆管，人工向孔内塞入C50，W12自密实混凝土，过程中埋入1根堵漏针头，待自密实混凝土完全凝固后，通过预埋针头向孔内注入环氧树脂。

4) 井外帷幕灌浆

待井内堵漏注浆完成后，立即开始井外帷幕防渗灌浆方式，在每个渗漏水外置布置9根灌浆孔，灌浆孔深度为53.7 m(结构底板以下1 m至地面)，每个漏水点布置孔2排梅花型注浆孔，共计53个，间距为0.5 m，排距为1.0 m，采用单孔注浆方式，注浆方法采用分段注浆法，注浆浆液采用普通水泥浆，灌浆方法采用分段灌浆法，灌浆采用循环式灌浆。

5) 同时继续基坑监测和周边房屋监测。密切关注工作井各测点钢筋计、土压力计、水压测压管、测斜管等传感器是否有异常变化，必要时继续增加监测点。

6) 施工单位、监测单位加强对现场监测数据进行详细分析，及时对地表沉降、地下水、钢筋应力等监测指标数据进行回归性分析、总结。

7) 施工单位做好隐患房屋临时加固措施，每日派专人对受影响范围开展维稳和巡查工作，及时了解房屋业主诉求，消除影响，做好维稳工作，同时每日对房屋进行排查记录，发现突发情况及时汇报。

经过以上措施后，竖井渗水和地表沉降得到控制，隧道盾构施工正常推进。

3 隧洞施工风险及对策

水资源配置工程隧洞开挖还存在诸多风险，通过对广东地区在建的隧洞水利工程现场调研、总结经验，得到以下隧洞施工风险及对策。

3.1 钻爆法施工风险及对策

1) 隧洞施工通过较差地质区域时，易出现涌水、涌泥等情况，需做好超前地质预报工作，及时进行围岩类别判定，做好现场施工的地质会审，提出应对不良地质的机制与措施。

2) 加强支洞与主洞交叉处和围岩较差段洞顶及洞身的安全监测，特别注意收敛变形、渗水和表面不良现象的巡视等，确保预警信息的通达，完善预警机制。

3) 洞脸高边坡易出现失稳情况，应分设马道、逐级放坡开挖，并做好边坡支护、截水及排水措施，确保洞脸边坡的稳定性。对于高边坡支护设计方案及开挖施工方案建议进行专项论证，保障边坡安全。

4) 拱顶混凝土浇筑易出现密实度不够的现象，应做好二次注浆、拱顶混凝土密实度检测。

5) 需做好炸药管控，隧洞底部的清渣，拱顶锚杆的注浆质量控制等。

6) 制定隧洞施工应急预案，储备抢险材料，保障洞内施工用电、应急物资供应充足。

7) 隧洞洞口设置完善的防洪排涝系统，洞内分段抽排水，及时堵漏，避免洞内尤其是掌子面附近积水[12]。

8) 检测评估洞内爆破产生的有害气体对施工人员人身安全的影响，采用吸风模式，加强排烟通风措施。

3.2 TBM法施工风险及对策

1) 对于穿越水库、鱼塘等复杂地质段，易出现渗水风险，应通过开展专项设计及施工方案论证，选择安全合理处理方案。

2) 刀盘开舱检修时须做好防护措施。

3) 做好洞口及隧道内的防排水系统，避免隧道被淹。

3.3 盾构法施工风险及对策

1) 盾构法施工段在不良地质段存在开挖面失稳风险，应确保开挖面稳定，针对不同地层合理优化掘进参数，在富水断层等不良地质高风险地段提前做好开仓检查刀盘工况等工作[13]。

2) 做好同步注浆、管片安装质量和油脂注入量，减少对尾刷的硬磨损，延长尾刷寿命，降低涌水风险。

3) 检查复核始发反力架锁死装置与支撑反力，同时采用额外加钢筋焊接等措施保障连接点安全。

4) 盾构通过软弱底层时，应加强监测，密切关注监测数据，异常数据应第一时间上报。

3.4 竖井施工风险及对策

1) 根据已有竖井的施工经验，并利用监测数据指导施工，对施工方案进行优化。

2) 加强竖井地下连续墙支护的防水、防渗措施。

3) 盾构/TBM出入洞口加固措施须形成连续有效的防渗帷幕。

4) 加强竖井渗水控制措施。

3.5 监测与检测的要求

1) 施工管理、监理和检测单位应特别重视关键部位的质量控制和旁站。

2) 及时报送监测数据，增加现场监控，完善预警机制，随时了解施工质量和安全情况，保障施工安全。

3) 对关键点监测数据绘制时间过程曲线，了解工程控制点的发展趋势。

4) 施工单位、监测单位加强对现场监测数据进行详细分析，及时对地表沉降、地下水、钢筋应力等监测指标数据进行回归性分析、总结。

5) 做好工程影响区域内建(构)筑物安全鉴定，并做好定期监测[14]。

3.6 其他

1) 现场事故处理应迅速及时，同时避免次生灾害的发生。

2) 重大水资源配置工程工期紧、任务重，各段工程施工工期要做好合理安排，确保工程安全和质量。

3) 完善风险评估机制，加强风险管控，对风险进行有效的控制、规避，保证施工安全。

4 结语

除5宗在建项目外，广东省也在加快推进粤东水资源优化配置、深汕特别合作区供水、中珠江供水一体化等重大水资源配置工程前期工作。为保障大批在建和待建的重大水资源配置工程顺利推进，确保工程施工安全是重中之重。各参建单位可以参考上述施工风险共性问题及应对措施，组织全面排查，形成施工风险隐患清单，加强管控、提前预警、及时处理，确保工程施工安全。