滇中引水工程隧洞施工地下水特征预测与保持技术

2022-07-18杨自刚彭学军刘云龙罗运杰

建筑施工 2022年3期

关键词：涌水量掌子面隧洞

杨自刚彭柱彭学军刘云龙秦云罗运杰

1. 中铁五局集团第一工程有限责任公司湖南长沙 410117；

2. 长沙理工大学汽车与机械工程学院湖南长沙 410004；

3. 中铁开发投资集团有限公司云南昆明 650500

1 工程概况

滇中引水工程是中国西南地区规模最大、投资最多的水资源配置工程，是我国在建最大引水工程。昆玉隧洞中后段隧道是滇中引水工程昆明段施工7标中的部分施工段，止于牧羊村倒虹吸起点，分6多段开挖，包含12#～16#施工支洞。受地质地形影响，各施工段的施工方案与施工设备略有差别：12#施工支洞段在KCT37＋478附近分布有横冲村集中使用的水井孔，施工会造成井水位的下降以及出水量减少，施工中要严格控制对地下水的影响，且该段部分与横冲水库并行，属于富水段隧洞施工，施工中水库与隧洞存在裂隙型渗透通道，应加强超前封堵。13#施工支洞段地质以灰岩为主，这样的地质条件下容易形成溶腔，地层中的泥沙和地下水填充在溶腔中，施工过程中容易出现涌水突泥，故该支洞处理废水时需要对泥沙作集中沉淀。15#施工支洞所在施工段属于高地下水位，地质条件差，是涌水量最大的施工段，平均涌水量可达7 000 m3/d，故该支洞施工对地下水预报系统要求最高，污水处理成本最大。

2 掌子面前方地下水特性预测技术

隧道施工的超前预报是一门保证隧道施工安全和施工质量的技术，主要包含对隧道掌子面前方含水位置和含水量的预测。迄今为止，较为成熟的隧道掌子面前方地下水位置的超前预测方法有：地质分析，钻孔探水[1]、电磁波探测[2]、岩石温度法[3]、地震波反射[4]、红外探测法[5]、瞬变电磁法[6]等。尽管许多学者进行了大量的研究，对隧道的总涌水量和断面涌水量进行了计算和预测，但由于含水结构单元间关系复杂，预测结果与实际开挖涌水量相差较大。目前主要采用的方法有地质法、经验推断法、近似法、地下水动力学法和水平衡法[7]。近年来，随着数值方法的发展，有限元法和有限差分法也得到了发展。

上述方法各有优劣，在实际施工中一般会采取多种技术并行的方式。长短结合的探测手法可以很好地提高预测的准确率。这种探测手法指的是把工程地质分析法作为超前的宏观预报手段，然后把TSP法作为超前探测中的长距离探测，并把雷达法、红外线探测法作为中距离探测手段，最后把加深炮孔作为短距离探测。

昆玉隧洞施工中秉持“凡挖必探”的地下水勘探原则，各段施工采用的掌子面前方地下水预报技术差别不大，主要采用TSP法、超前地质钻孔法和加深炮孔法。与理论不同的是，该隧道施工主要依据的是超前地质钻探和加深炮孔法，TSP法作为物探技术只起辅助作用。这是因为在实际施工中更加考虑地下水预测的直观性与准确性。

根据昆玉隧道的设计要求，各支洞和主洞的施工均需要超前地质钻探，每次钻孔深度可达30 m，开挖25 m，保留5 m，每个循环钻孔数为3个，布置在隧洞的拱顶、中部和边墙。钻孔终孔超出开挖轮廓3 m，采用志高钻机钻进。主要是为了查明隧道施工掌子面前方的地质和水文情况。它可以根据加深钻孔的出水压力来判断掌子面前方地下水的涌水量，以此选择合适的注浆参数。为进一步提高预测的准确性，保证施工安全，在每一次开挖时还需通过加深炮孔对掌子面前方的地下水进行探测。加深炮孔孔深6 m（每次开挖3 m，保留3 m），3个钻孔均布在掌子面上，孔径与爆破孔相同，采用风钻钻进。通过加深炮孔可以进一步预测掌子面前方的水体情况，避免出现突泥涌水事故。除此之外，昆玉隧洞施工中还运用了TSP法作为辅助探测技术，进一步提高了地下水预测的准确性。

预测不仅需预测含水层的空间分布位置，还需要预测含水层的大小和水压，只有这样才能保证隧道施工安全有效地进行。经统计，昆玉隧洞的地下水探测手段对地下水位位置探测准确性可达60%，但对于涌水量问题，仅能通过超前地质钻探和加深炮孔出水的流速及水压初步判定。

3 长隧洞地下水保持施工工法

隧道施工中常常会遇到一些地形地质较为复杂的情况，这种情况极易出现涌水突泥等事故[8]，严重影响了施工设备和相关工作人员的安全。因此，为了保证隧道施工安全有序地进行，在围岩破碎与缝隙发育等地质复杂的地段应该严格控制地下水。

隧洞施工中，地下水的控制方法主要有导水法和灌浆法[9]。灌浆法主要采用二重管无收缩双液注浆工法，对掌子面前方的地质进行环形注浆，注浆的范围为隧洞掌子面结构外1.5 m。导水法顾名思义就是排水，在一些地下水流量、压力较大的隧洞施工中，若仅采用简单的灌浆法可能无法满足施工需求。此外，还有堵水施工工法，这种方法经常与导水法结合使用，较好地保护施工地区的生态。

昆玉隧洞各支洞施工中对于地下水控制的技术差别不大：涌水量大的施工段主要采取“排水和导水为主，注浆堵水为辅”，而涌水量小的施工段主要采取“注浆堵水为主，排水和导水为辅”[10]。堵水措施有：

1）超前堵水措施。根据掌子面前方的地质和水体预报，施工人员即对隧洞施工掌子面进行超前止水帷幕封堵。确保掌子面前方在开挖过程中不会出现涌水现象。开挖后，局部区域的零星渗水也需要二次堵水。

2）局部处理措施。若在掌子面前方进行了超前止水帷幕封堵后，受施工的影响又导致施工段出现了涌水情况，就需要采取局部处理措施。

总之，在隧道掌子面施工过程中，施工人员要根据渗水区域、渗水量及现场施工作业手法，将超前帷幕注浆、开挖后局部注浆和补注浆有机结合起来，这样才能实现高效堵水[11]。一般来说，掌子面外围轮廓单排或双排布置了超前灌浆孔，掌子面中间区域均匀布置了6～10个钻孔，其中钻孔深度为7～30 m，具体分布如图1所示。其中，开挖与未开挖部分搭接3～5 m。

图1 注浆施工示意

地下水问题是隧洞施工中最为棘手的几个关键问题之一。对于地下水的保持技术，昆玉隧洞中后段各施工支洞均采用常规的注浆法，效果良好。对于涌水量大的隧洞施工段，隧洞开挖会造成较为严重的地下水流失。对此，需要提出健全的、有针对性的替代、补偿措施。

1）施工过程中采用“堵排结合，以堵为主”的施工策略，即在施工中通过有针对性的施工工法，如压注法等以控制地下水水位的下降，但对于过大的涌水量施工段，可以采用帷幕注浆堵水法，但总体来说堵水效果并不好。

2）排水法对地下水水位的影响较大，为了减小此影响，可以将隧道施工废水处理后进行回灌，即隧道施工废水处理后除去隧道施工及生活用水，多余水进行回灌[12]。

4 地下水的处理技术

隧道施工中的废水主要来源于隧道施工过程中的涌水，这些涌水与爆破后的隧洞尘埃混合形成了浑浊状态。施工废水一般呈碱性，其中主要的污染物包含固体悬浮物、钙离子、金属离子和石油等。废水若不加处理就排入河道中，会对生态造成重大影响。为此，许多学者研究了隧道施工废水的处理方法，主要包含混凝、沉淀、气浮或过滤等处理工艺。其中采用混凝法处理废水的方法在隧道施工中应用最广。隧洞废水经上述方法处理后可用于施工用水及其他利用，如隧道内施工用水、灌溉附近农田、补充周边沟渠水源等。

昆玉隧洞中后段中，12#施工支洞属于富水段施工，调研期间施工进度尚未达到富水段区域，考查范围受限。15#施工支洞属于高地下水位施工，该支洞最大涌水量可达7 000 m3/d。出乎意料的是，实地调研中14#支洞的涌水量肉眼可见最大。

施工过程中的巨大涌水量给地下水的处理带来了不少的困难，用于地下污水处理的成本约为30万元/d，而造成这种情况的主要原因是涌水量过大。施工废水中主要含有岩石粉尘，呈碱性，pH可达11～12。由于昆玉隧洞中后段施工区域地处滇池流域，生态要求高，故需要通过对处理后的水加入食品级的酸才能达到排放要求。

施工废水的主要处理流程为：预沉淀→絮凝反应→沉淀（加酸）→排放。其中，在隧洞内三角区设有预沉淀池，对施工地下水废水进行初步沉淀，然后用水泵抽至洞口的污水处理池进行下一步沉淀与絮凝。絮凝反应池采用的絮凝剂是聚合硫酸铁（PAC）和聚丙烯酰（PAM）；沉淀池对絮凝反应后的废水做进一步沉淀，并通过加入水杨酸中和废水的碱性，以达到3类水的排放标准。

对于处理后的污水问题，昆玉隧洞各支洞主要采取的措施是直接排放至生态敏感性较差的水域，如12#支洞的废水处理后排入梁王河，还有部分废水处理后被用于工地大棚蔬菜的浇灌。对于地下污水的处理问题，昆玉隧洞主要采用絮凝、沉淀和加酸的方式进行污水处理，处理后的水排入到生态敏感度较低的水域。目前主要的问题是处理污水的水量大，从而造成加酸成本高。调研观察发现，造成污水量大的主要原因在于以下几方面：

1）昆玉隧洞中后段富水段较长，常规的注浆堵水技术对于涌水量较大的施工隧洞效果不佳，故该段施工对于地下水问题主要以排水为主。

2）施工现场的地下水涌水问题具有持续污染性。换而言之就是初期支护甚至二衬后，隧道拱顶以及两侧面均有地下水成股流出，这些涌出的地下水沿着隧洞两边的沟渠流入未浇筑底板的施工段被逐渐污染，最后汇入三角区的集水池，与掌子面的施工废水混合后抽出。

3）施工废水的主要来源就是开挖过后隧洞侧面的持续性涌水，而这些涌水口初始时是干净的地下水，流经施工段后逐渐被污染。对于上述问题，可以采用“清污分流”的污水处理方式对地下水分开处理，即对初支或二衬后的未污染的清水作集中抽排。