贵阳花南引水隧洞施工涌水处理技术研究

2022-09-15丁亚龙

水科学与工程技术 2022年4期

丁亚龙，张威，樊敏，李凯

（1.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 550003；2.贵州省水利投资集团有限责任公司，贵州 550081）

随着强省会战略的实施，贵阳日益增长的人口和输配水不均衡状况逐渐凸显，为此当地政府规划建设了包括本工程在内的多个连通与输水工程。花南工程是以输水为主的水利工程，全线为钢筋混凝土衬砌有压隧洞，最大内水头44.2m，隧洞开挖断面为4.2m×4.1m（宽×高）城门洞形。工程旨在向南郊、中曹水厂输水，远期输水量为13073万m3/a，工程等别为Ⅲ等，工程规模属中型。

1 概述

本工程线路规划阶段，受密集程度较大高层建筑物区、阿哈水库饮用水源保护区域、穿越铁路、花溪河等因素的影响，并尽量遵循线路短、节约投资的原则，最终选择线路自取水口（1114.8m）通过约11.5km输水隧洞至终点南郊泵站（1100.9m）。

工程区地势总体西高东低，中部地势较平缓，多为溶丘洼地地貌，地形波状起伏，残丘低矮圆滑，呈馒头状，上覆不厚的残积物；溶洼、溶斗星罗棋布（现多被人工填平），呈碟状。隧洞埋深15～85m，大部分埋深约40m；穿越地层由老至新分别为三叠系下统大冶组（T1d）、安顺组（T1a）及中统花溪组（T2h）；岩层产状总体较平缓，受构造影响段产状较陡，总体上洞轴线与岩层走向斜交，夹角15°～70°；洞身围岩以微风化～新鲜基岩为主，岩性以灰岩与白云岩为主，夹杂少量泥质白云岩，层厚总体较薄。区内发育螃蟹井、花溪等两条断层，其走向多为SN向，发育特征如表1。

表1 发育特征

2 水文地质特征

区内地下水按含水地层贮水空间的成因与特征，可分为碳酸盐岩裂隙溶洞水（简称岩溶水）、基岩裂隙水、松散岩类孔隙水3大基本类型。地下水资源数量受气候、水文网及地貌等自然因素控制，径流循环条件，使地下水类型复杂化。主要补给来源为大气降水，平面上自补给区到排泄区，地下水径流量逐渐增大，以裸露型岩溶水最为显著。河流侵蚀切割与地质构造、地貌条件相结合，区内地下水的补给、径流和排泄关系较复杂［1］。

工程隧洞围岩以富水性强的碳酸盐岩含水层岩组为主，洞身均位于稳定地下水位以下，岩溶水是工程区最主要的地下水类型，根据水力特征与赋存形式划分为浅埋藏裸露型岩溶水，地下水径流模数为6.41L/s·km2。区内层状地形发育，相对高差不大，线路于烂泥沟附近穿越花溪水库（南侧）与阿哈水库（北侧）的区域分水岭，附近地势宽阔较平坦，有利于大气降水补给；长期以来，岩溶作用以水平方向为主，岩溶化程度较高且均匀，地下水水力联系较好，利于形成水位不深、相对均匀的富水区。

通常情况下，分水岭地区普遍岩溶发育强烈；线路于烂泥沟附近穿越花溪水库（南侧）与阿哈水库（北侧）的区域地表分水岭；途经多个洼地、落水洞、岩溶漏斗、水塘等，呈串珠状分布。结合岩溶组合形态与岩溶泉出露规律，认为烂泥沟以南发育一暗河系统，主流向为石板哨火车站（1168m）→猫洞（1140m）→杉树林（1140m）→贵大西校区（第一出水点1125m）→螃蟹井（第二出水点1106m）；以北发育岩溶系统主流向沿花溪断层两支，由南而北延伸。

3 隧洞地下涌水的主要来源及特征

隧洞施工中，断层破碎带、节理裂隙密集发育带、岩溶溶洞等薄弱部位易于涌水，常常伴有夹泥；由于泥砂的排泄，使得原空隙进一步畅通，加剧涌水的发生，进一步袭夺临近水系，改变隧洞的地质条件，影响隧洞施工。受制于工程区的特有地质条件，区内地下水的补给来源主要有：地表水体、溶洞和暗河水、含水层水，前两者对工程施工威胁最大。

3.1 地表水体

区内地表水体包括花溪水库、水塘、地面流水等；花溪水库的总体水量与水位受季节性变化与防洪调度等因素影响，介于此水库周边出现间歇性水塘与泉眼，可能是由于水库水位的雍高抬升了地下水位露出水面所致；另外，区内水塘、地面流水等水量受季节性变化明显。

研究认为，岩体完整情况较好的背景下，若垂距大于洞高的50倍以上，地表水体对隧洞施工基本没有影响。工程全线埋深均小于此值，地表水多分布于隧洞轴线附近范围，受花溪断层与螃蟹井断层的影响，岩体局部裂隙发育，易形成与地表联通的溶蚀通道，对施工影响很大，以隧洞进口端最为显著。

3.2 溶洞与暗河水

根据区内可溶岩分布与地质构造，结合隧洞高程，施工中遇到溶洞与暗河水的可能性较大，以推测烂泥沟以南暗河系统最为显著。此暗河水量较大，补给丰富，附近可能分布较多岩溶通道，可视为其“支流”。施工中遇到此类水源体，或临近水源体太近，静水压力超过岩体强度时，地下水将突破岩体或直接涌入隧洞，形成强涌水。暗河的总水量也受季节变化影响，部分溶洞、洼地干旱季节可能无水，雨季由于排水不畅等原因造成充水状态，对施工影响较大。

3.3 含水层水

隧洞施工中最常见的地下水来源为含水层水，即孔隙水（基岩裂隙水）；主要为大气降水通过岩石或透水岩层，从被揭露的含水层进入隧洞，地下水储量由静储量与动储量组成。隧洞揭露前赋存于含水层中的稳定地下水为静储量，大小由含水层厚度与裂隙、孔隙的数量与大小决定。隧洞开挖后，随着地下水的不断涌出，大气降水与地表水体再次补给含水层的地下水为动储量。隧洞开挖早期，含水层中主要为静储量地下水，随着抽排水的进行，动储量的比例逐渐增大；当动储量补给不足时，伴随静储量中地下水逐渐减少，含水层的地下水可能被完全排干。

4 隧洞涌水施工处理技术

经分析，工程具有地下水补给丰富、导水构造发育、水动力特征显著的特点，隧洞涌水的处理技术可分为未揭露洞段的超前处理与已揭露洞段涌水封堵处理两类；根据涌水表现方式，形成与之相应的处理原则与措施。

4.1 未揭露洞段涌水处理技术

针对未揭露洞段，本着“先预报、后开挖”的思路，预测前方地质条件。采用如下的探测手段与判定方法：

（1）掌子面编录法。属于短期地质预报，频次为5m/次，通过对掌子面及已开挖段出露围岩仔细观察，对其岩层产状及层厚、结构面形态、节理裂隙与岩溶发育情况进行地质描述，结合地表岩层层序与构造发育特征对掌子面前方围岩进行预判。当出现不良地质体的前兆特征时（节理裂隙密度剧增、岩体强度降低、溶蚀风化严重、泥质含量增高等），应进行超前钻孔进行验证性揭露。

（2）超前物探法。采用地质雷达、红外探水进行短距离预报，频次为20m/次，搭接3～5m。地质雷达法是发射天线定向发射的电磁波，利用其在掌子面前方岩体中传播、反射，通过反射回来的信号判断前方异常反射界面（断层、软弱夹层等）与掌子面的距离。红外探水法是根据掌子面前方岩体或水体分子振动发射的红外波段电磁波所形成的场，利用红外探测仪对异常情况进行采集分析，预报前方是否存在含水构造。

（3）超前钻探法。由于物探方法的多解性与局限性，不同种类的地质体可以引起强度和形态相近的物探异常，相同种类的地质体也可产生强度不一、形态不同的物探异常。为较全面、准确地获取掌子面前方岩体的地质信息，工程针对编录法、物探法或现场作业发现异常的情况采用超前钻探加以探测分析。

当预报显示前方岩体完整性较差、富水规模较大的导水通道（如暗河）时，硐室周边地下水连通性强，需进行全断面超前帷幕灌浆（如图1），预先对前方导水构造与破碎岩体进行灌浆加固，避免可能的涌水影响施工安全。当预报显示涌水类型为局部存在的裂隙性集中涌水时，可以采用局部超前帷幕灌浆处理（如图2）；结合超前地质资料掌握管道、裂隙结构、走向与分布情况，有针对性地布置切断来水通道的灌浆钻孔，进行深层封堵［2］。实施中应遵循“堵排结合”原则，钻孔的布置应兼顾灌浆系统安装与操作方便，排水孔尽量低于集中出水点，封堵钻孔应尽量与结构面相交，尽可能较多地穿越裂隙，利用前期排水孔作为后期灌浆孔。

图1 全断面超前帷幕灌浆孔布置示意图

图2 局部超前帷幕灌浆孔布置示意图

如HX2+081位置围岩为T1d1灰色薄层灰岩，节理裂隙较发育，左侧壁至顶拱位置岩体溶蚀裂隙发育，隙内夹少量泥，伴有渗水；此处地表为多个洼地（大部被填平），雨季见有水雍高成间歇性山塘，可能存在与地表连通且排水能力有限的岩溶管道。另外，在HX2+086位置超前地质预报显示，前方5～8m存在异常反映，局部存在夹泥富水的现象。随后在掌子面进行的超前钻探反映顶拱溶蚀裂隙发育位置存在掉钻，夹泥且水量稳定，具有一定压力，水质清澈程度与地表洼地水质呈现同向变化趋势，因此前方发育的岩溶管道可能与地表洼地同属一个岩溶系统，连通性较好。

结合现场地质条件，在掌子面顶拱偏左侧壁布置先导孔5个，作为灌浆Ⅰ序孔；为预防钻孔过程中出现涌水，采用专门孔口封闭装置进行钻进灌注。Ⅰ序孔实施完毕后，再进行逐步加密实施Ⅱ序孔，使之取得足够的加固厚度。灌浆浆液浓度遵循由浓到稀的原则逐级改变，使先灌入的浆液随裂隙水的流动逐渐凝固堵塞通道，再沿孔内出水通道灌注稀浆。灌浆孔全部实施待凝且通过检查孔检验，隧洞恢复开挖后未出现较大的股状出水，仅见少量渗水，堵水效果良好。

4.2 已揭露洞段涌水处理技术

由于硐室的开挖，破坏了水力平衡，使得被揭露的地下水呈动力形式，局部地下水压力大、流量大，不利于浆液凝结，封堵难度大。因此，可以结合涌水表现形式，分析水头压力、补给条件、导水构造特征，针对不同涌水规模采取不同的处理原则、措施［3］。

对于揭露岩溶涌水点分散、规模小、压力不大时，在保证衬砌满足抵抗外水压力的前提下，遵循“堵排结合、以排为主”原则，直接灌浆封堵处理。应设置集中排水孔，对其周围分散涌水点进行一定深度灌浆封堵，处理完成后再关闭集中排水孔，并对排水孔及周边进行固结灌浆封堵。

对于揭露的岩溶涌水压力大，流量稳定时，直接封堵难度大。较为可行的办法是先采用惰性材料，在保证岩盘不被分流后的主管道水压击穿的前提下，采用高压灌浆方式，利用地下水的流动带动浆液蔓延，此过程中惰性材料会逐渐堵塞细小裂隙，再与浆液、围岩一起凝结，形成止水体。封堵的实施需保证抽排能力的基础上，在主管道附近设置分流孔并安设高压止水阀，利用分流孔的分流缓和主出水孔的水压，完成主通道封堵后再关闭止水阀，使之恢复形成“静水”或“准静水”状态，达到封堵高压水的目的。随后参照超前帷幕灌浆的方式，合理选择注浆材料与注浆工艺，达到长期封堵的目的［4］。

对于揭露的岩溶涌水为较大流量的季节性涌水时，应先查明涌水的地表补给来源，具备地表处理条件时，可优先选择地表抽排、井点降水等方式。不具备地表处理条件时转入地下处理，若地下抽排能满足灌浆作业时，可按“堵排结合、以排为主”的思路进行灌浆封堵。若水量大于抽排能力，可增加抽排设施，后实施封堵；亦可在保证临近作业区不受影响且工期允许的前提下，暂停封堵保留抽排，待雨期过后水量明显减少的条件下实施灌浆封堵［5］。