秦嶺輸水隧洞突發(fā)涌水應對措施研究

王 新，劉波波

0 引言

引漢濟渭工程是陜西歷史上規(guī)模最大、影響最為深遠的戰(zhàn)略性、基礎性和全局性水資源配置工程，由調(diào)水工程和輸配水工程組成。其中秦嶺輸水隧洞是整個調(diào)水工程的咽喉，隧洞全長98.3 km，設計流量70 m3/s，多年平均輸水量15.0億 m3，隧洞平均坡降約1/2500，采用鉆爆法和2臺TBM施工。

秦嶺輸水隧洞設計洞徑6.76 m，且自南向北全部深埋在巍峨的秦嶺下，平均埋深600多米，最大埋深2012 m，具有洞徑大、洞線長、埋深大的特點，地質(zhì)情況十分復雜，施工難度巨大。其中突發(fā)涌水是隧洞施工中所面臨的主要地質(zhì)災害。隧道施工涌水不僅降低圍巖穩(wěn)定性,而且給施工帶來很多不良影響,特別是在有大量高壓涌水的情況下,常常釀成重大事故。另一方面,為了解決地下水災害問題,采用過量排放又會給隧洞所在地段帶來生態(tài)環(huán)境問題[1]。

近年來，許多學者針對上述問題結合工程實踐做了大量研究。王曉琴[2]以大瑤山隧洞、老青山隧洞、南玲隧洞處理涌水施工為研究對象,分析探討錦屏二級水電站引水隧洞地下水的活動特征和出水構造規(guī)律，針對不同的情況提出了不同的處理方法；秦濤[3]結合秦嶺隧洞下穿椒溪河段的兩次涌水，提出了止?jié){墻封堵、帷幕灌漿處理、超前地質(zhì)鉆孔探水等對策，有效地處理了隧洞施工涌水；楊權[4]以貴定縣四寨水庫灌溉工程為例,結合實際情況,對突發(fā)涌水的預防和搶險措施進行了分析；解永峰等[5]以遼寧大伙房輸水隧洞工程為例，研究采取了加大抽排力度、將洞室內(nèi)積水排除、模筑止?jié){墻及灌漿的綜合處理方法，成功地將涌水點封堵,為后續(xù)施工提供了保障。

1 工程概況

秦嶺隧洞7號勘探試驗洞主洞設計里程為K67+163.517～K75+286，工程長度為8122.483 m，坡降為1/2530。主洞位于秦嶺嶺北中低山區(qū)，多為V字型峽谷，山高坡陡，地形起伏較大。高程范圍750～1750 m，洞室最大埋深約1230 m。

地表水：工點處地表水較發(fā)育。主要為王家河中的常年流水，水量隨季節(jié)變化較大，對混凝土無侵蝕性。

地下水：地下水主要為基巖網(wǎng)狀裂隙水和部分斷層脈狀裂隙水，水量較豐富，受大氣降水補給，水質(zhì)良好，對混凝土無侵蝕性。施工工區(qū)K67+163.517～K70+500位于弱富水區(qū)（Ⅲ），花崗巖淺層風化節(jié)理，裂隙不發(fā)育，構造節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理、裂隙的充填性較好，地下水主要儲存于風化及構造節(jié)理、裂隙中，節(jié)理裂隙的充填性較好，地下徑流模數(shù)M=368 m3/d·km2。采用地下徑流模數(shù)法計算，預測本段正常涌水量1168 m3/d，可能出現(xiàn)的最大涌水量2336 m3/d。K70+500～K75+286段位于中等富水區(qū)（Ⅱ），QF2、f21、f22、f23、f25、f26 斷層破碎帶及影響帶。斷裂構造縱橫交錯，節(jié)理裂隙發(fā)育，同時原生層理也發(fā)育，各種成因的節(jié)理、裂隙相互切割成網(wǎng)絡狀，構造作用強烈，巖體破碎，節(jié)理裂隙貫通性強。經(jīng)地表測流地下徑流模數(shù)M=1098 m3/d·km2，采用地下徑流模數(shù)法計算，預測本段正常涌水量5255 m3/d，可能出現(xiàn)的最大涌水量10510 m3/d。K67+163.517～K75+286段預測總正常涌水量6423 m3/d，可能出現(xiàn)的總最大涌水量 12846 m3/d。地下水化學類型屬 HCO3·SO4-Ca·Mg·Na型及HCO3-Ca型水，礦化度0.1895～0.323g/L，對混凝土無侵蝕性。

2 涌水情況及原因分析

2.1 涌水情況

2015年7月7日上午開始，秦嶺7號洞主洞上游掌子面突然出現(xiàn)大量涌水，出水特征主要為沿結構面線狀流水、股狀涌水及高壓力大流量涌水，部分裂隙噴水射程達16 m，涌水連續(xù)多日不衰減，最大時超過30000 m3/d，而污水處理系統(tǒng)處理能力為8000 m3/d，在污水處理系統(tǒng)超負荷運轉的情況下，仍不能滿足處理洞內(nèi)污水。本次涌水呈現(xiàn)出突發(fā)性、流量大、水壓高等特點，迫使洞內(nèi)全面停工。

2.2 涌水原因分析

（1）深部巖體具有高溫、高地應力、高地下水壓等特點，深埋隧洞開挖必然會帶來高水力梯度引起的控水斷裂高速非達西流問題，引發(fā)涌水事故。

（2）發(fā)生涌水的位置位于中等富水區(qū)，受斷層破碎帶的影響，各種斷裂構造作用強烈，在施工干擾下，導致巖體破碎，裂隙之間具備了良好的連通性，使地下水通過節(jié)理裂隙涌出。

3 應對措施研究

突發(fā)涌水對隧洞工程施工帶來了極大的安全隱患，對突發(fā)涌水事故的處理成敗，直接關系到整個隧洞的施工進度及質(zhì)量安全，所以選擇合理有效的應對措施十分重要。

隧洞涌水的處理方法主要是排水法和止水法[6-8]。結合現(xiàn)場實際情況，制定的應對措施，也從這兩方面同時進行考慮。

（1）止水措施：為保證人員與設備安全，撤離部分施工機械設備，對上游進行圍堰堵水，洞內(nèi)全面停工；為加快涌水衰減，在上游掌子面進行超前鉆孔，進行分流減壓或灌漿堵水。

（2）排水措施：擬在7號洞工區(qū)轉渣場設置涌水應急處理沉淀池與滲水池以緩解排水壓力。現(xiàn)場施工條件具備，由108國道可直接進入施工場地，業(yè)主已架設10KV施工用電線路至支洞洞口附近，施工用電通過業(yè)主提供的電源接入點接駁至施工區(qū)域，35kV陳河變電站往北為項目部的材料儲備場，通過平整可滿足設置二級沉淀水池與滲水池場地要求。詳見圖1。

圖1 平面布置圖

4 施工方案及效果

4.1 二級沉淀池加滲水池排水

（1）場地平整

因材料儲備場為多次建設，約有4層厚度30 cm的混凝土硬化層，首先采用破碎錘破碎材料儲備場混凝土，再使用挖掘機將35 kV陳河變電站北側堆積的洞渣進行厚度為6 m的翻挖、平整，根據(jù)現(xiàn)場實際場地，平整出一塊50 m×20 m（長×寬）的場地，在平整過程中將場地按縱向平整為三個臺階，每個臺階長17 m，相鄰兩個臺階高差為50 cm，詳見圖2。

圖2 場地平整圖

（2）開挖支護

將平整出來的三塊場地依次設置一級沉淀池、二級沉淀池、滲水池，兩個沉淀池與滲水池上口10 m×10 m（長×寬），深6 m，按1∶0.2放坡。水池凈間距4～7 m。首先在平整好的場地上對沉淀池與滲水池進行放線，灑白灰標志，采用挖掘機進行開挖時，隨時觀察邊坡的穩(wěn)定情況，盡量避免擾動白灰外的渣體，以免造成邊坡滑塌。詳見圖3。

圖3 沉淀池與滲水池開挖圖

沉淀池與滲水池逐個開挖，單個基坑開挖完畢后，及時對其進行支護。首先采用人工對四壁與池底進行平整，清除大塊凸起的石塊；然后采用φ8的鋼筋網(wǎng)片（網(wǎng)格間距：20 cm×20 cm）對四壁與池底進行鋪設，鋼筋網(wǎng)片盡量緊貼開挖面；鋼筋網(wǎng)片鋪設完畢后，在四壁與池底堆碼三層加固砂袋，避免在進行下道工序施工過程中邊坡失穩(wěn)。

（3）施作隔水層、過濾層、池間暗管

在一級沉淀池與二級沉淀池中施作隔水層，避免污水滲漏。在做好沉淀池支護的基礎上鋪設三層加厚塑料膜，在鋪設塑料膜時應適當松鋪，避免損壞。塑料膜鋪設完畢后再次在四壁與池底堆碼砂袋以固定塑料膜。二級沉淀池池底鋪設250 cm厚黃砂。

在滲水池池底及坑壁鋪設雙層砂袋（麻袋），然后在池底鋪設250 cm厚黃砂，和砂袋一塊組成滲水池過濾層。過濾層施工過程中，在砂袋間每2 m間隔設置I16工字鋼柱，作為操作平臺基礎。

在兩池之間施作暗管，暗管距上級水池池頂80 cm，距下級水池池頂30 cm，暗管采用φ120鋼管，首端包裹過濾網(wǎng)，避免石塊進入管道將其堵塞，尾端設置閘閥以控制上級水池存水的排放。詳見圖4。

圖4 隔水層、過濾層、池間暗管施工圖

（4）施作操作平臺

沉淀池需安裝攪拌機與加藥設備，需設置設備安裝平臺與人工操作平臺。平臺采用I16工字鋼與Φ22螺紋鋼加工而成。在沉淀池池頂首先安裝1 m/根I16工字鋼，工字鋼固定在工字鋼柱及平整好的場地之上。I16工字鋼安裝完畢后，在工字鋼上面鋪設Φ22鋼筋網(wǎng)片（網(wǎng)格間距：10 cm×10 cm）。鋼筋網(wǎng)片與工字鋼焊接牢固。

4.2 排水效果

在確保工程進度、安全質(zhì)量的前提下，于2015年8月21日—24日，僅用4天時間完成二級沉淀池與滲水池施工，隨即投入使用。經(jīng)過7天的抽排，掌子面涌水得到有效衰減，逐日下降，至8月31日降至7500 m3/d，恢復正常水平；且排出的污水經(jīng)過二級沉淀池及深水池的過濾，均達到排放標準，未對黑河造成污染，引起次生災害。

5 結論

（1）對于大埋深長距離輸水隧洞的突發(fā)涌水事故，遵循堵、排結合的原則是科學有效的，具體的施工方法要綜合考慮現(xiàn)場的實際情況、涌水成因、實施效果等具體制定。

（2）為盡量避免施工中出現(xiàn)涌水事故，在今后的工程實踐中，應加強對超前地質(zhì)預報的研究，總結隧洞施工突涌水的前兆信息和地球物理特征以及識別方法,準確預報，提前預防[9-10]。

（3）鑒于深埋隧洞工程地質(zhì)條件的復雜性，及長距離隧洞施工及抽排水的成本問題，設計合理的污水處理系統(tǒng)特別是確定處理能力還有待進一步研究論證。

[1]席光勇.深埋特長隧道(洞)施工涌水處理技術研究[D].西南交通大學,2005.

[2]王曉琴.錦屏二級水電站引水隧洞涌水治理方案研究[D].重慶交通大學,2014.

[3]秦濤.秦嶺隧洞下穿椒溪河段涌水處理措施探討[J].陜西水利,2017(3):55-57.

[4]楊權.水庫輸水隧洞施工突發(fā)涌水的預防及搶險案例分析 [J].黑龍江水利,2016,2(3):67-68.

[5]解永峰,田樹申,劉宏偉,等.地下洞室特大涌水處理方法探索與實踐[J].黑龍江水利科技,2014(6):39-42.

[6]李志成.小斷面隧洞涌水不良地質(zhì)段堵水施工方案 [J].山西水利,2016(6):36-37.

[7]谷金富.高滲壓大流量隧洞施工涌水治理技術[J].鐵道建筑,2013(5):69-71.

[8]馮國軍,沈繼承,馮辰晨.大伙房輸水(二期)工程隧洞涌水阻水措施[J].水利建設與管理,2016,36(8):8-12.

[9]黃世強.某水電工程深埋特長隧洞綜合地質(zhì)超前預報實踐[C]//海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會.2013.

[10]祁孝珍,張曉利.隧洞施工過程中滲水及突發(fā)涌水的防治 [J].水利水電技術,2008,39(2):40-41.