新建輸水隧洞受地下水影響下支護方式的改進分析

李萬金

(新疆水利水電項目管理有限公司，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某新建輸水隧洞全長5.32 km，為無壓洞，輸水流量 0.37 m3/s，開挖斷面形式3.0 m×3.3 m 城門洞型，襯砌形式為鋼筋砼厚 0.3和0.35 m 兩種，設計底坡1/2 000。 輸水隧洞穿越的地層巖性主要為砂巖、礫巖及粉質(zhì)黏土，初步勘察圍巖類別為II～V類，其中輸水隧洞進出口段圍巖類別為 V 類，里程分別為隧0+040.00～隧0+280.00 m、隧4+630.00～隧 5+360.00 m，共計長度為 970 m。隧洞穿越II、III類圍巖洞段，巖性為弱風化中礫巖、微風化泥灰質(zhì)砂巖，巖石屬于中硬巖-硬巖，隧洞巖性較好，地下水對施工影響較小。隧洞工程區(qū)地下水類型為第四系孔隙水及基巖裂隙水，在進出口洞段。勘察資料表明，隧洞進口段地下水位為 667.5～668.5 m，高于隧洞進口底板高程，施工期間地下水對施工影響較大，應考慮排水及圍巖支護措施[1-2]。因此,本文針對輸水隧洞進出口段圍巖類別為V類圍巖隧洞施工中的涌水量、支護及排水措施進行經(jīng)驗總結及研究[3]，供今后隧洞施工時作為參考。

2 地下水處理

2.1 涌水量計算

經(jīng)對輸水工程線路沿線走訪踏勘，該新建輸水隧洞(隧洞長5.32 km，最大埋深374 m)的隧洞洞身長、埋深大，地層巖性較繁多、地質(zhì)構造復雜，沿線穿越河流及溝谷較多，地下水對隧洞施工的影響較大。本文針對輸水隧洞進出口段圍巖類別為V類的隧洞施工中涌水量，采用大氣降水入滲估算法、正常涌水量經(jīng)驗公式及最大涌水量經(jīng)驗公式進行涌水量計算[4-6]。

1) 大氣降水入滲法。公式如下：

Q=aFP/365

(1)

式中：Q為隧洞涌水量，m3/d；a為大氣降水入滲系數(shù)，取10%；F為隧洞影響帶匯水面積，按隧洞兩側各400 m計；P為大氣降水量，當?shù)啬昶骄邓可舷蓿鶕?jù)水文資料，計P=1 058 mm。

2) 正常涌水量經(jīng)驗公式。公式如下：

Q=LkH(676-0.06k)

(2)

式中：Q為隧洞涌水量，m3/s；L為輸水隧洞長，m；k為含水體的滲透系數(shù)(按各隧洞勘探鉆孔壓水呂榮值平均值換算)，m/d；H為洞底以上潛水(含水體)的厚度(按分段地下水位線以下至隧洞底板厚度)，m。

3) 最大涌水量經(jīng)驗公式。公式如下：

Q=L(0.025 5+1.922 4kH)

(3)

式中：各物理量含義同式(2)。

現(xiàn)根據(jù)上述3種公式計算輸水工程線路該隧洞的施工涌水量，見表1。

表1 輸水隧洞的施工涌水量估算表

2.2 現(xiàn)場涌水量量測

工程隧洞底板高程低于附近村莊河道及居民水井高程(表2)，再加上隧洞巖石裂隙較為發(fā)育，隧洞開挖后，附近村民水井、河道水位均下降，水流流向隧洞內(nèi)，洞內(nèi)滲水、涌水量大，最大涌水量達到 504 m3/h。隧洞內(nèi)涌水量通過污水泵外抽，流量計量測，結果見表3。

表2 輸水隧洞進出口高程值

表3 輸水隧洞施工涌水量統(tǒng)計

采用流量計測得水量與經(jīng)驗公式計算得到的隧洞施工涌水量值大致相同，進出口段涌水量多，開挖后工程區(qū)附近河道、水井水位下降，嚴重影響河道、水井水量，也影響了隧洞正常施工，花費了大量的財力、人力和物力來處理地下水和加固圍巖，同時也影響了施工進度。本文除采用常規(guī)地下水處理措施外，重點對隧洞支護進行研究。

2.3 地下水處理措施及效果

2.3.1 地下水處理措施

按照“封、堵、截、排”的原則，對隧洞進出口地下水進行處理，具體處理措施如下[7-8]：

1) 進出口開挖及地下水處理應遵循“先探后掘、以堵為主、堵排結合、可控排放、擇機封堵”的原則。

2) 進出口段開挖前應采用超前孔探明掌子面前方地下水的活動規(guī)律，測定漏水量、壓力，防止突然涌水。

3) 將補給水源(河道、水井)截斷，利用橫向排水通道、側導洞、集水井、抽水泵、打探孔或平行支洞等手段排除地下水，降低地下水位及封堵難度。

4) 采用超前固結灌漿等手段降低其滲透性或形成帷幕阻水。

5) 對出口段的開挖，應根據(jù)探明或揭露的地下水分布情況，分別采用超前灌漿、堵水灌漿或先分流導水后期封堵灌漿等措施，以免影響隧洞掘進進度。

2.3.2 處理效果分析

經(jīng)過以上地下水處理措施處理后，施工過程中隧洞內(nèi)沒用出現(xiàn)較大的涌水及突泥情況，洞壁有滲水，進出口呈線狀流水，水量較小，處理效果顯著。再次采用流量計量測隧洞進出口處水量情況，結果見表4。

表4 處理前后進出口涌水量對比表

3 支護型式改進

3.1 原支護型式

進口V類圍巖洞段、出口V類圍巖洞段(隧5+155.00～隧5+360.00)長205 m，原支護采用“注漿小導管超前支護+工12.6鋼拱架噴10 cm砼+C25鋼筋砼厚35 cm”，出口V類圍巖洞段(隧4+630.00～隧5+155.00)長525 m，原支護采“網(wǎng)噴砼厚10 cm+砂漿錨桿+C25 鋼筋砼厚 30 cm”，支護方式見圖1。

施工中存在的問題：①開挖后洞頂巖體破碎掉塊，地下水涌入隧洞，使邊墻巖體變軟，排水后隧洞圍巖仍坍方嚴重；②原支護措施網(wǎng)噴砼掛網(wǎng)困難，噴砼隨巖體掉下；③工12.6鋼支撐剛度小，其強度不能維持圍巖穩(wěn)定，使斷面變形嚴重，噴10 cm砼不能與襯砌緊密結合。

3.2 改進的支護措施

隧洞進出口 V 類圍巖洞段改進支護措施有兩種：第一種在出口V類圍巖洞段(隧4+630.00～隧5+155.00 m)改進為“注漿小導管超前支護+工14鋼拱架噴 14 cm砼+系統(tǒng)錨桿+C30鋼筋砼40 cm”；第二種在進口段、出口V類圍巖洞段(隧5+155.00～隧5+360.00)改進為采用工14鋼支撐結合系統(tǒng)錨桿支護，噴C20砼14 cm厚，襯砌厚度加大為50 cm，并結合超前高壓預灌漿進行掘進，局部掉塊嚴重地段掛鋼筋網(wǎng)，高外水頭洞段考慮排水后進行固結灌漿。改進后的支護措施見圖2[9]。

圖2 改進后的支護措施圖

支護方式改進后，對隧洞進出口開挖洞段及時支護，可以保證圍巖穩(wěn)定，斷面變形也隨之變小。盡管在工程投資上因鋼支撐、鋼筋砼及固結灌漿量的增加而增大，但是改進的支護措施不僅保證了開挖后圍巖穩(wěn)定時間，確保了施工安全，而且因施工進度加快，縮短了工期，可以加快工程效益[10]。

3.3 工程投資對比和效益分析

3.3.1 投資對比

新建輸水隧洞工程建設總投資4 400萬元，支護措施改進后增加工程投577.51萬元。主要增加投資體現(xiàn)在鋼支撐、鎖腳錨桿、鋼筋砼、固結灌漿等工程量方面，同時還有新增加的超前支護措施(超前小導管、超前灌漿孔等)，占總投資的 13.1%。支護形式改變前后工程量變化的項目情況見表5和圖4。

根據(jù)表3和圖4結果對比可知，支護措施改進后，除Φ6.5鋼筋網(wǎng)制作及安裝費用比原來減少16.16萬元，其余投資比原來均有所增加。鋼支撐投資增加122.63萬元，這是由于采用鋼支撐代替掛網(wǎng)錨噴C20砼的支護方式；同時，石方洞挖、鋼筋砼的投資增加均在100萬以上，超前支護措施投資增加35萬左右，固結灌漿投資增加30萬元，支護組合形式改進后比改進前增加577.51萬元。改進后的支護設計在很大程度上解決了該隧洞開挖后因巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、圍巖破碎導致的洞頂坍塌、掉塊及開挖過程中遇到的涌水、突泥導致隧洞變形破壞問題，改進效果顯著。盡管支護形式的改進增加了工程投資，但使得工程施工更安全，工程進度加快。支護改進的合理與否，應進一步進行工程效益分析[11]。

表5 支護形式改變前后工程量及投資變化對比表

圖3 改進前后的主要工程量投資對比表

3.3.2 效益分析

該輸水隧洞輸水流量 0.37 m3/s，全年總供水量1 166.8 m3，主要供水范圍為平泉縣城中心城區(qū)，供水對象為居民生活用水、公用建筑、工業(yè)企業(yè)、市政公共設施以及瀑河生態(tài)及景觀用水。規(guī)劃城區(qū)近期、遠期人口分別為13和20萬人，平泉縣水資源現(xiàn)狀已經(jīng)不能滿足當前工業(yè)生產(chǎn)及人民生活所需，因此該輸水隧洞供水迫在眉睫。采用改進的支護形式投資比原投資增加557.51萬元，加上地下水抽水、排水等各種處理措施，投資增加約650萬元。但是若按平均1.5元/m3水費計，輸水提前完成4個月時間，便可產(chǎn)生650萬元的效益。施工期，因排水支護措施增加的投資效益遠遠低于運行期產(chǎn)生的效益；相反，如因地下水影響施工使得工期延長，會產(chǎn)生更多的費用。

4 結論與建議

該輸水隧洞已經(jīng)施工完畢，實際施工中的支護形式與本文改進的支護措施存在差異。本文是作者在施工期間查閱讀大量專著、規(guī)范，并根據(jù)自己的經(jīng)驗總結的支護形式，經(jīng)過驗證是可行的，現(xiàn)得到以下結論：

1) 長輸水隧洞施工中，地下水涌水、涌泥等不良地質(zhì)問題的處理會花費較長的時間，也會投入較多的人力、財力和物力，因此在施工前應花費更多的時間進行地質(zhì)勘查。

2) 長輸水隧洞在地質(zhì)勘查期間，由于隧洞埋深較大，不能完全準確地確定工程地質(zhì)條件。因此在設計中，對Ⅴ類及不良地質(zhì)洞段應采取一定的排水、排泥沙及圍巖支護措施，并計入工程投資。

3) 改進的支護措施可有效解決因地下水作用造成隧洞圍巖洞頂及邊墻坍塌、掉塊問題，保證了圍巖穩(wěn)定，確保了施工人員和設備的安全。

4) 該輸水隧洞若采用改進后的支護措施，通水后帶來的效益遠遠大于施工期間因改進的支護措施產(chǎn)生的費用，提前進入供水會解決平泉縣水資源供水不足現(xiàn)狀，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟和社會效益。