大路梁子隧道治水綜述

劉小剛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋梁隧道處,西安 710043)

1 工程概況

金沙江溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的金沙江溪洛渡峽谷,總裝機容量1 260萬kW,對外交通專用公路是溪洛渡水電站與外部交通聯系的主要通道。大路梁子隧道為金沙江溪洛渡水電站對外交通公路的重點控制工程,全長4 360 m。隧道設計為單洞雙向交通,凈寬10.7 m,凈高7.25 m,坡度為0.58%。隧道進口高程929.92 m、出口高程903.81 m,最大埋深800 m,地質情況復雜。

洞身兩翼地層巖性為三疊系下統灰巖、三疊系中統灰巖夾砂巖、三疊系下統泥巖夾砂巖、三疊系上統砂巖夾頁巖(煤系地層)；核部為華力西期玄武巖及二疊系下統茅口組石灰巖。地下水十分發育。

2 石灰巖地段巖溶涌水治理

2.1 巖溶地段涌水情況

2004年3月26日上午10時,K38+664掌子面(距洞口206 m)進行周邊眼鉆孔,靠拱頂右側眼深2.5～3.0 m時,鉆頭出現虛進卡鉆現象,4個周邊眼不同程度出現涌水,其中最大水平噴距11 m,落差7.5 m,涌水量為360 m3/h,水流較為渾濁,并夾帶少量泥砂。14時水流變清,涌水量基本穩定,至2004年3月27日上午10時,水又變得稍渾濁,水量基本不變。K38+664掌子面(距洞口206 m)巖性主要為三疊系下統灰巖,巖層近于直立,埋深約200 m。K38+664掌子面涌水如圖1所示。

圖1 K38+664涌水照片

2.2 涌水原因分析

為了探明掌子面的涌水及地質情況,現場立即采用TSP202型地質雷達和20 m超前探孔對掌子面前方情況進行探測,確定掌子面前方是否存在大的溶洞、隧道前方圍巖及地下水流狀況及前方溶蝕的發育程度及位置。

根據超前探測和后來開挖提示的地質情況,K38+668～K38+671地段拱部發育一貫通性強,寬約8 m,長3～5 m,高14 m,傾斜向前的大型溶洞,溶洞下部充填碎石和泥砂,上部形成水囊,溶腔形式如圖2所示。溶洞兩側沿節理發育形成10～30 cm寬溶槽,溶槽內充填碎石和少量泥沙,溶洞頂有基巖裂隙水流入,水量受降雨影響,該段埋深約200 m。

圖2 K38+664溶腔形式

涌水地段地層以石灰巖為主夾泥灰巖,中層狀構造,產狀陡傾近于直立,走向與路線正交,局部“S”形揉皺小構造發育,由于先期受構造運動的作用層間分離形成裂隙,裂隙寬度一般為2～15 mm,且延伸很遠。由于隧道位置高程與水洞子溝基本相平,而山體地下水的橫向自然排泄到水洞子溝,是地下徑流排泄較為穩定的活動方式,且此通道地下水的滲流補給范圍廣。在雨季以垂向滲透補給為主,故張性裂隙在裂隙水的溶蝕復合作用下形成了較為寬張的溶蝕裂隙,而沿次生走向斷層或構造擠壓破碎帶在地下水溶蝕作用下形成溶洞或溶槽,被碎石亞黏土或細砂等物充填,并富含大量的地下水。

經過上述巖體中裂隙的成因、發育程度及分布規律的分析,一般裂隙或層間溶蝕裂隙是散水的貯存空間和滲流通道,而連通性好呈帶狀分布的諸多溶洞、溶槽則是涌突水現象形成的主要原因。加之隧道埋深相對較淺,洞內涌水量隨季節變化大,受大氣降雨量的影響明顯。

2.3 涌水治理

洞內治水采取“以堵為主、限量排放”的設計施工原則,以保證隧道安全施工和環境保護,并采取長短相結合的堵水方式。

為確保溶洞區施工的安全,采用全斷面周邊帷幕注漿堵水加固圍巖,加固范圍為開挖輪廓線外2.5 m左右。全斷面周邊超前預注漿采用雙排16 m長R51L自進式管棚機進行注漿加固,管棚環向間距0.6 m,內外層排距0.5 m,注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿,水灰比1∶0.8左右,水泥：水玻璃(體積)為1∶1,注漿壓力為2.0～3.0 MPa,凝膠時間1～1.5 min,注漿順序由隧道拱部開始,左右交替,施鉆一孔,注堵一孔,雙層管棚先外側,后內側。周邊帷幕注漿孔布置如圖3所示。

圖3 周邊帷幕注漿示意(單位：cm)

注漿前探孔探測到涌水量為360 m3/h,水壓很大。注漿加固后,隧道水量很小,效果十分明顯。故施工時采用弱爆破全斷面開挖,循環進尺0.8～1.0 m,成功通過了此段溶腔。

3 “寬帶”富水構造裂隙治水

3.1 “寬帶”富水構造裂隙涌水情況

2004年5月11日上午9時30分,大路梁子隧道出口K42+462掌子面爆開后,發生突發性涌水,涌水量為3 500 m3/h。由于原有排水設施不能滿足排水需要,整個隧道內突然積水深0.3 m,約1 h后,涌水量逐漸減小,到中午后,涌水量基本穩定在200 m3/h左右,并在拱頂形成寬約1 m左右的溶槽,水流順著溶槽直泄而下。

2005年7月15日下午17∶40,大路梁子隧道進口掌子面K39+887回車道發生涌水(回車道起止里程為K39+861～K39+897)。涌水點位于掌子面左中部,主要為右側寬張裂隙向涌水點補給,涌水點寬度約0.7 m,水流厚度約0.2 m,最大流量為11 200 m3/d。

截止隧道貫通后為止,全隧道發生“寬帶”富水構造裂隙涌水20余次。

3.2 “寬帶”富水構造裂隙涌水原因分析

“寬帶”富水構造裂隙涌水地層巖性以華力西期玄武巖及二疊系下統茅口組石灰巖為主,分布于背斜西翼近軸部,巖體受F4斷層及褶皺構造影響較重,巖層陡傾,傾角約70°～80°，節理及環向張裂隙發育,結構面多見鏡面及擦痕等構造活動跡象,涌水點密集,散水遍布,呈“水簾洞”；而東翼地層巖性相同,傾角約35°～43°,但受構造活動影響小,巖體較完整,地下水屬于一般類型的裂隙水。

由于北北西向F4斷層及背斜構造的復和作用,K39+887～K40+071段屬于斷層影響帶或構造破碎帶,且北北西向貫通的寬張裂隙非常發育,故沿裂隙發育小型溶槽或寬大裂隙。涌水點基本沿該走向裂隙分布,而背斜東翼基巖裂隙水并不發育,可以推斷該段受構造破碎帶的控制而形成了“寬帶”狀富水區,其補給來源為向南延伸數十公里的磨兒灣斷層破碎帶及影響帶的構造靜儲水,但隧道在此段已完全進入深埋的分水嶺地段,而且散水及涌水處水量在雨季和旱季沒有明顯的變化,故其受大氣降水的直接影響較小,涌水主要排泄構造裂隙中的靜儲水。

3.3 “寬帶”富水構造裂隙涌水處理

“寬帶”構造裂隙水段地層巖性以華力西期玄武巖及二疊系下統茅口組石灰巖為主,隧道埋深較大,石質堅硬,局部發育構造裂隙,圍巖整體穩定性較好,且涌水水頭壓力大,采取排水后,不會對地表環境造成影響,故洞內治水采取“以排為主、排堵結合”的治水原則。

開挖前沿外側管棚按較大角度施工8個φ108 mm泄水鋼管,鋼管周邊設置花孔,以排泄構造裂隙水,達到減壓的目的。泄水管拱頂布設2個,左右側邊墻各布設3個,泄水孔間距和位置在施工中根據現場實際可進行調整。根據涌水情況,左側泄水孔(拱腳以上1 m)同時作為超前探孔,以探明前方地質及涌水情況,孔深不小于30 m。

由于采用泄水減壓的措施,大量的水將通過泄水孔引排,少量的地下水可能還會對施工安全造成危險。為了保證施工安全及作業環境,在正常斷面開挖之前,拱墻施做φ42 mm小導管超前注漿支護措施,以封堵部分未引排的地下水,給鉆眼,裝藥提供施工條件。小導管長4.0 m,環向間距30 cm,縱向間距2 m一環,注漿采用雙液漿,水泥水玻璃漿液體積比為1∶1。

由于此段涌水量很大,水壓力大,雖隧道治水以排為主,但是后期運營期間,支護結構還要承受動水壓力及少部分的靜水壓力,并考慮在水的作用下巖體強度的局部降低及其他不利因素等的影響,二次襯砌按抗水壓襯砌進行設計。

4 泄水洞綜合治水方案

4.1 隧道貫通后洞內水量分析

大路梁子隧道地質構造具有明顯背斜特征,隧道進出口灰巖地段地下水通道發育,大氣降水后,地下水通道水量變化明顯。進出口灰巖地段前方為泥巖砂巖夾煤層,煤層為隔水層構造,進入玄武巖地段后,由于玄武巖極破碎,柱狀節理發育,隧道兩側煤層封閉的玄武巖形成蓄水背斜構造,大氣降水后,沿裂隙下滲,地下水蓄量豐富,在有排水通道的情況下,涌水量穩定。

隧道進口K38+458～K39+600段隧道出水量在旱季與雨季時明顯不同。且本段出水點又分為集中涌水與隧道散水出水,集中涌水點與大氣降水關系密切,當大氣降水后,集中涌水點出水量快速增大,水呈渾濁狀,在旱季,集中涌水點水變清澈,水流量穩定。

經過煤層段后,受蓄水背斜構造的影響,K39+600～K39+887段散水及集中出水點水量穩定,基本不受大氣降水的影響。進入玄武巖后,受F4斷層影響,圍巖破碎,地下水發育,多數散水呈股狀流水,在開挖過程中,隧道掌子面出水多呈片狀或股狀流水。

根據貫通后的實測資料并結合區域水文條件分析,隧道最大涌水量為135 500 m3/d,其中灰巖地段最大涌水為80 000 m3/d,且受地表降水的影響較大。

4.2 泄水洞方案選擇

由于隧道內涌水量大,施工中采取措施后水量減少,但是隧道為單面下坡,全隧道散水較多,對水溝排水造成較大的壓力,尤其在雨季,水溝排水困難。為減輕水溝排水壓力及改善后期襯砌受力條件,對泄水洞引排方案進行了詳細比選。

(1)以排泄F3之前灰巖地段的水為主引水洞方案

從貫通后地質資料及隧道漏水分析,隧道進口在F3斷層以前,地層主要為灰巖,中層狀構造,產狀陡傾近于直立,走向與路線正交,局部“S”形揉皺小構造發育,溶蝕發育,隧道埋深較淺,洞內地下水與大氣降水的補給非常明顯,后面地段地下水與大氣降水補給不明顯,本方案主要引排F3斷層以前的涌水及洞內散水。

左側泄水洞長780 m,右側泄水洞長133 m,橫向支洞長25 m。泄水洞縱向坡度0.8%。

此方案泄水洞坡度大,泄水洞排水好,可基本引排灰巖地段的隧道涌水,保證下游用水,減輕隧道內側溝排水,保證襯砌結構的穩定,投資較小。

(2)以引排煤系地層之前的涌水及散水為主引水洞方案

由于大路梁子隧道地質構造具有明顯背斜特征,隧道進、出口灰巖地段地下水通道發育,大氣降水后,地下水補給非常明顯。在進入煤系地層之前,主要為砂巖夾泥巖,基巖裂隙水發育,隧道散水比較多。進入玄武巖地段后,主要為構造裂隙形成的“寬帶”富水區,但洞內涌水受地表水的影響較小,裂隙水主要以排為主。本方案主要引排煤系地層之前的涌水及散水。

左側泄水洞長1 122 m,右側泄水洞長133 m,橫向支洞長25 m。泄水洞縱向坡度0.5%。此方案優點解決了煤系地層之前灰巖地段巖溶水及砂泥地段散水的引排問題,但是泄水洞較長,投資較大。

(3)方案比選結論

通過隧道貫通后涌水情況及堵水效果分析,隧道洞內散水主要受進口灰巖地段地下水發育程度及溶蝕情況控制,且受地表水影響明顯,故泄水洞應以引排F3之前灰巖地段的水為主,且投資較小。

4.3 泄水洞設計

為了徹底解決隧道涌水,減輕水壓力對結構的危害,在隧道底部左增設泄水洞,在滲漏嚴重地段,右側局部增設泄水洞,并通過橫向通道與右側泄水洞相連；其余地段右側的水流通過泄水洞底部增設φ100 mm水平向鉆孔進行引排。為防止泄水堵塞,鉆孔內設φ100 mm軟式透水管,泄水孔間距5 m,并結合漏水點設置。泄水洞拱部設斜向及橫向φ50 mm鉆孔以引排隧洞附近的水,泄水孔間距5 m,泄水孔間距1～1.5 m。泄水洞布置如圖4、圖5所示。

圖4 泄水洞布置示意

圖5 左右側泄水洞橫向連接示意(單位：mm)

5 結語

大路梁子隧道巖溶地段的巖溶水在施工過程中通過采取帷幕注漿堵水,“寬帶”富水帶構造裂隙水段采取“以排為主,以堵為輔”的治水原則后,均保證了施工過程中的安全,減少了襯砌背后的水壓力,保證了后期結構的運營安全。隧道貫通后,通過實測水量分析,采取泄水洞引排后,減輕了水溝排水壓力,提高了后期運營的安全性。

[1]劉小剛.大路梁子隧道塌陷充填性巖溶治水[C].2005年全國公路隧道學術會議論文集[M].北京：人民交通出版社，2005.

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[3]鐵道部第二勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1995.

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[5]TB10003—2005 J449—2005，鐵路隧道設計規范[S].