大涌水反坡長大隧洞快速施工技術

邱冬梅，向 前，劉朝建

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴陽，550081)

隧洞地下水的處理是隧洞施工的一大技術難點。尤其是大涌水條件下的反坡隧洞，水流不能沿隧洞自由排出，需要借助水泵進行抽排。基于施工安全因素的考慮，在對隧洞地下水的處理方式上，目前已建工程更多采用以堵為主的方式，這對于涌水量少、涌水洞段不長、工期寬裕的隧洞比較容易做到。而對于涌水量大、涌水洞段長的隧洞，通過以堵為主，既要達到安全可靠，又要滿足工期要求，卻非易事。本文針對小浪底引黃工程地下泵站交通洞，介紹了如何在大涌水的條件下，“以排為主、以堵為輔”，輔以其他技術措施，實現反坡長大隧洞安全掘進，并做到快速施工，以供類似工程參考。

1 工程概況

1#交通洞進口位于板澗河左岸，洞口高程290.5m，末端連接地下泵站安裝間，終點高程223.5m。1#交通洞全長1103.394m，凈斷面尺寸為7m×8m(寬×高)，城門洞型，最大開挖凈斷面8.4m×9.2m(寬×高)，其中土洞段長85m，最大縱坡8.0%，高差67m。

1#交通洞巖層主要為白云質灰巖、泥灰巖，洞口部位主要為炭質頁巖、砂質頁巖夾灰巖、薄煤層，巖層傾向隧洞出口；圍巖以Ⅳ、Ⅴ類為主，圍巖自穩時間很短，規模較大的各種變形和破壞都可能發生，局部為Ⅲ類圍巖。大部分洞段處于地下水位線以下，開挖揭露的巖溶形態主要以溶蝕裂隙為主，伴有溶孔、溶洞等。由于巖溶裂隙很發育，側向補給富足，施工過程中涌水量極大，最大排水量可達4萬m3/天。

2 主要難點分析

(1)隧洞涌水大、地質條件差，反坡度抽排水難度大、安全風險大

根據1#交通洞地質勘查情況以及實際開挖揭露的圍巖及涌水情況，1#交通洞具有“大斷面、反坡、圍巖地質條件差、涌水量大”等特點。根據前期1#交通洞隧洞開挖施工經驗，掌子面涌水是導致隧洞無法正常掘進的主要因素，由于隧洞地質條件差，隧洞涌水防治工作復雜、難度大。在隧洞開挖施工過程中，必須著重研究隧洞涌水的抽排方案，形成一套完善的隧洞涌水抽排措施。根據前期施工過程對涌水抽排的試驗、總結，1#交通洞涌水抽排的總體思路為“掌子面預留臺階、臨時集水井匯集涌水、移動集水井接力抽排、固定集水井排出洞外”的三級抽排方案。同時，由于隧洞存在斷面大、地質條件差、涌水量大的客觀因素，在總體抽排方案確定后，抽排設備按照預定方案進行配置，過程中必須嚴格執行，后期變動和更改將造成進度及經濟上的較大損失。

(2)隧洞受大涌水影響，采用常規的全斷面開挖方式施工，進度緩慢

在開挖過程中若遇到掌子面裂隙發育及涌水點時，由于隧洞斷面大，掌子面揭露的出水點較一般隧洞多，另外由于裂隙連通性好，涌水量較大。施工過程中采取常規的鉆爆開挖方法，則開挖進度無法滿足工期要求，對于大涌水、地質情況差的隧洞施工，工期越長，風險就越大。因此，必須對隧洞開挖方式進行研究，總結出一套適用于大涌水、反坡長隧洞開挖的施工方法。

(3)隧洞開挖掘進風險大、大涌水淹洞風險高

由于隧洞圍巖條件差、地下水豐富，在開挖過程中極易出現突發性大涌水，若應急措施準備不足，極易在短時間內造成淹洞。而一旦淹洞，如果洞內作業人員逃生不及時，將會出現安全事故。洞內所有水泵、配電柜、變壓器、應急柴油發電機、鉆爆臺車、開挖出渣等無法及時撤離的機械設備也將被淹。另外，隧洞斷面大、圍巖條件差，隧洞被淹后抽排時間長，且圍巖經長時間浸泡后極易出現二次變形，給隧洞后期開挖施工帶來極大的安全隱患。為此，必須采取合理措施，從工程技術及管理上降低隧洞淹洞風險，確保隧洞開挖掘進施工安全。

3 施工對策

3.1 排水方案

3.1.1 總體抽排水方案

1#交通洞總長1103.394m，反坡洞段為8%的坡度，反坡段長度751.67m，反坡段隧洞首末形成洞內外60.13m的高差，造成抽水揚程較高，施工過程中排水困難。結合1#交通洞現場施工情況，根據交通洞隧洞長、坡度陡、高差大的特點，1#交通洞抽排水系統由設在隧洞沿線的固定泵站、移動泵站及掌子面排水泵等三級排水設備設施組成，采用集水井集水、分級接力反坡抽排的方法進行排水。同時，考慮到掌子面的水泵需要頻繁移動和安裝，為方便施工，掌子面宜采用大流量，重量輕的水泵，當掌子面的潛水泵無法將水直接抽至固定集水井時，需要增設移動集水井，通過安裝在移動集水井的水泵將水抽至固定集水井，對于長期滲水較大的滲水點，同樣設置移動集水井，將水抽至固定集水井內。

由于隧洞存在斷面大、地質條件差、涌水量大的客觀因素，在總體抽排方案確定后，抽排設備按照預定方案進行配置，排水方案一旦確定后若更改，將造成二次開挖集水井或更改隧洞內已布置的抽排水管路，并導致掌子面停工，造成進度及經濟上的較大損失，為此施工過程中必須嚴格按照方案執行。

3.1.2 隧洞反坡排水

施工過程中采取分段開挖反坡，采用長距離管道配合水泵收集涌水。用掌子面潛水泵將開挖面的積水抽到移動泵站集水坑內，通過移動泵站將涌水抽排至固定泵站，固定泵站利用大功率的水泵通過排水管道將水排到洞外。

1#交通洞首末形成的洞內外高差為60.13m，為了減少集水井設置數量、減少抽水人員、設備布置數量，利于綜合管理，降低成本，根據隧洞內外高差參數，整個隧洞共設置2個一級固定泵站。在固定泵站與掌子面間每隔120m設置一個二級移動泵站，掌子面涌水采用潛水泵抽排至二級移動泵站，在達到預定的固定泵站位置后，即可設置固定泵站，將移動泵站抽排水設備安裝于固定泵站或遷移至后續洞段。掌子面排水泵與移動泵站達到120m時，即可設置移動泵站，三級泵站布置見圖1、圖2。

圖1 三級泵站抽排水布置剖面圖

圖2 三級泵站抽排水布置平面圖

3.1.3 抽排水水量

3.1.3.1 掌子面排水量

1#交通洞圍巖以Ⅳ、Ⅴ類為主，局部為Ⅲ類圍巖。大部分洞段處于地下水位線以下，由于開挖揭露的巖溶形態主要以溶蝕裂隙為主，伴有溶孔、溶洞等。由于巖體風化程度隨埋深的加大由強到弱，斷層帶的風化作用明顯加劇，風化厚度和風化程度受地形地貌影響較為明顯，隨高程增加而風化加深。巖體的透水性與其風化程度密切相關，強風化巖體一般為強透水性，弱風化巖體一般為強～中等透水性，微風化巖體為以弱～中等透水為主。巖體的透水性主要受控于巖體風化卸荷、構造裂隙的發育程度等，透水性一般隨深度的增加而減弱，隨巖體風化程度的減弱而變小。

在開挖過程中圍巖內裂隙水通過巖層間裂隙形成涌水通道，逐漸匯集，并在裂隙發育的洞段集中涌出。由于隧洞溶蝕裂隙的發育、涌水側向補給富足、并且隧洞為反坡，伴隨著掌子面的掘進，導致涌水基本沿著隧洞的掘進而跟隨掌子面涌出。為此，隧洞掌子面后方的沿程地下水可直接引流至附近固定泵站和移動泵站排出，不匯集到掌子面，掌子面排水量主要參考瞬時突發涌水。

掌子面施工工序中，出渣時段，石渣裝載作業時無法進行抽排水，積水達到一定深度則無法裝渣，需開始抽排積水，抽排水強度必須大于出水量。抽水作業對放炮、通風、出渣、打孔的作業工序均有影響，為保證隧洞總體施工工期，安裝的抽排水設備必須考慮最大瞬時突涌水量，并保證在突發情況下在1～2個小時內甚至更短時間排出。為此，掌子面的抽排水能力必須大于出水量的兩倍，并且在隧洞開挖支護各工序施工過程中均不斷抽水。根據1#交通洞前期開挖施工經驗，掌子面涌水深度控制在30cm高度以內對隧洞開挖施工不影響，否則各工序降效明顯；涌水超過60cm將無法施工。

在開挖過程中，由于斷層破碎帶影響，1#交通洞掌子面多處出現瀑布狀、噴射狀涌水，其中在交通洞0+885.6、0+445、0+856.4、0+875.9、0+880掌子面最大抽排水量已分別達到了300m3/h、333m3/h、350m3/h、400m3/h、600m3/h。

3.1.3.2 移動泵站排水量

移動泵站主要匯集掌子面抽排而來的涌水，各階段排水量按掌子面排水量疊加沿程穩定涌水量確定，掌子面樁號在交0+235～交0+355樁號、交0+595～交0+715樁號、交0+835樁號，移動泵站排水量分別達到了1200m3/h、1200m3/h和1400m3/h。移動泵站的排水量按照掌子面涌水量進行確定。根據現場設計情況，移動集水井排水量詳見表1。

3.1.3.3 固定泵站排水量

隧洞固定泵站按照設計最大涌水量乘以保證系數進行配置，抽排水設備根據隧洞設計涌水量以及管道最大排水量進行選型。1#交通洞在0+475、0+715布置有兩個一級固定泵站，根據設計涌水量，固定泵站排水量詳見表1。

表1 固定泵站、移動泵站的排水水量

3.1.4 管道選型

抽排水管道結合固定泵站與移動泵站進行選型，為減少安裝拆卸工作，固定泵站與移動泵站為同一管道，區別僅在于管道上多安裝臨時閘閥。考慮到采購以及安裝難度，結合排水水量，選取經濟流速為1.6m/s的DN425鋼管。掌子面排水考慮方便移動，采用鎧膠管，管徑根據水泵的型號選用。

3.1.5 水泵選型

水泵按正常工作20h能排盡隧洞24h總涌水量進行配備，同時考慮揚程、工作環境的要求進行型號選擇。并且為減小設備采購和運行維護難度，應盡量減少水泵配置的型號，固定泵站揚程高、水量大，水泵優先使用便于安裝、運行和維修的離心泵。同一型號的主排水泵要多安裝1～2臺備用水泵，以便檢修和應急。移動泵站的揚程相對較小，普通離心泵或多級泵均可滿足要求。同時，為充分利用抽排水設備，在移動泵站水泵實際安裝過程中，可安裝固定泵站用的水泵，在隧洞掘進至固定集水井位置時，將移動泵站的水泵直接安裝在固定集水井，避免抽水設備二次單獨采購。掌子面水泵在選型時，主要考慮鎧膠管(臨時抽排管路)大小、挖掘機吊運水泵安裝的便捷性、水泵頻繁移動的方便性、掌子面臨時集水井大小等因素綜合考慮，為此，掌子面盡量選擇潛水泵。在安裝排水管路時，排水鋼管使用閘閥作為封頭便于往前延伸管路時使用。每一個集水井和其他集中抽排點均要多設置4～5個預備的水泵接入接頭，以備應急和突發排水時使用。

水泵的揚程計算主要考慮水位高差、沿程水頭損失、局部水頭損失進行綜合計算，最終確定單級抽水水泵最小揚程。計算公式如下：

(1)水位高差h1=Z1-Z2(Z1：水泵出水口高程；Z2：水泵集水井高程)

(2)沿程損失hf=λ·l/d·v2/2g(λ：沿程水頭損失系數；d：管道直徑；l：流段長度；υ：斷面平均流速；g：重力加速度)

(3)局部損失hm=ζ·v2/2g(ζ：局部阻力系數；v:平均水流速度；g：重力加速度)

(4)單級抽水水泵最小揚程H=1.1(h1+hi+hm)

水泵選型結果根據其安裝位置計算后確定。

3.1.5.1 固定泵站

1#交通洞內主管的水頭損失約1.01m/100m，全長水頭損失合計11.66m，隧洞內外高差60.13m，合計固定泵站的水泵揚程需大于71.79m。同時，為減少洞內集水井設置數量，減少抽排水人員、設備數量，并利于隧洞綜合管理，降低抽排水成本，在隧洞內設置2個固定泵站，采取接力式抽排方式，單個固定泵站的揚程為44m。根據計算結果，選取ISW200-400(I)A型臥式管道離心泵，該泵揚程44m，流量374m3/h，功率75kW。

固定泵站尺寸按布置的水泵臺數、水泵安裝等因素進行開挖，固定泵站內設二級沉淀池。1#交通洞內固定泵站形式為城門洞型，尺寸為10m長×6m寬×5.5m高，露出地面部分高3.5m。

3.1.5.2 移動泵站

移動泵站抽水揚程為10.2m，采用DN425排水鋼管(后期安裝固定泵站時不用重新架設管路)，120m管道水頭損失最大1.2m，采用200WQ250-15-18.5潛水泵，揚程為15m，流量為250m3/h，功率18.5kW。同時根據需要安裝固定泵站使用的ISW200-400(I)A離心泵。

移動泵站在施工時，為減少集水井開挖工程量及后期隧洞襯砌時回填混凝土工程量。在移動泵站設置時，充分考慮現場施工需要和加快隧洞施工進度，移動泵站設置在隧洞邊墻處，利用隧洞現有空間將移動泵站布置為長條形，并在集水井前端設置攔沙坎，尺寸為10m長×1.5m寬×1m深。

3.1.5.3 掌子面

掌子面至移動泵站的長度隨掌子面的延伸而變化，最大長度為120m，抽水揚程基本與移動泵站一致，為此配置兩種類型的水泵供不同揚程時匹配使用。高揚程的100QW87-28-15型潛水排污泵，每臺抽水能力100m3/h，揚程28m，功率15kW，重量約為180kg；低揚程的100QW65-15-5.5型潛水排污泵，排水能100m3/h，揚程15m，功率5.5kW，重量約為120kg；對于集中涌水較大的部位采用200WQ250-15-18.5大流量潛水泵配合抽排。

根據上述泵站水泵的選型，按掘進至終點時的最大排水能力，排水設備的配置見表2。

表2 排水設備配置

上述水泵以及管路配置可以根據地下水的實際出水情況進行安排，一、二級泵站的水泵和管路綜合布置，基本采取同一套管路，在后期掌子面開挖至固定泵站位置后將二級泵站(移動泵站)管路與固定泵站管路相接即可抽水，避免重新二次架設管路。

圖3 1#交通洞洞內各集水井布置

3.2 大涌水反坡長隧洞開挖

3.2.1 總體思路

根據本工程地質特點及工期要求，確定了整體思路為“強排為主”。大涌水需要水泵及時向洞外排水，選用合理的水泵型號能夠在很大程度上節約抽水成本，在涌水條件下進行反坡隧洞開挖時，地下水主要集中于開挖掌子面底部，給開挖工作增加了很大難度。常規的隧洞開挖主要為全斷面一次開挖，由于掌子面涌水影響，需每輪開挖后均設置掌子面臨時集水坑放置水泵抽水，且掌子面臨時集水坑隨著隧洞每個循環掘進不斷向前移動。為了解決大涌水對開挖作業面的影響，減少掌子面水泵移動頻率，加快施工進度，經項目部不斷探索、總結開挖方法，最終提出底板預留3‰正坡，每10m段撿底開挖的方案。即利用鉆爆臺車頂部空間，造成底板欠挖，使掌子面涌水沿隧洞底板向掌子面移動集水井方向匯集，隧洞每完成4～5輪開挖后再進行隧洞底板撿底施工。隧洞底板預留正坡的開挖方式可避免每循環均移動掌子面抽排水水泵，臨時集水井僅4～5輪開挖一次，減少了臨時集水井的開挖工程量，較傳統隧洞全斷面一次開挖方式施工效率大大提高。

3.2.2 分層開挖

根據以往隧洞開挖施工經驗，Ⅲ類圍巖掌子面單循環2m～2.5m；Ⅳ類圍巖掌子面單循環1.5m～2m；Ⅴ類圍巖掌子面單循環0.8m～1.2m。1#交通洞開挖采取分層開挖方式掘進，掌子面共分上下兩層，上半洞開挖進尺長度主要根據隧洞斷面高度與隧洞坡度、半洞開挖臺車尺寸間的比例進行確定，交通洞開挖臺車高度6m，寬度7m。上半洞開挖高度8m～7.2m，下半洞開挖高度0～0.8m，在上半洞開挖過程中預留與掘進方向相反的3‰坡度以便于掌子面涌水向洞口方向匯集。為不影響掌子面開挖臺車移動以及機械設備操作，掌子面涌水抽排盡量不占用隧洞結構斷面，采取在邊墻底部臨時開挖小型集水井，放置水泵進行掌子面涌水抽排。

上半洞開挖過程中由于掌子面涌水向邊墻臨時集水井匯集，掌子面基本為無水狀態，節約了各工序施工時間，在上半洞開挖掘進10m后進行下半洞撿底開挖。為縮短下半洞撿底造孔工序時間，施工時采用輕便型潛孔鉆進行鉆孔，一次裝藥爆破。隧洞分層開挖主要是為解決掌子面大涌水降效的難題，傳統的開挖方式主要采取全斷面掘進，涌水始終匯集在掌子面。分層開挖將涌水匯集到了距離掌子面較遠的臨時集水井，同時預留的下半洞開挖量較少，增加的下半洞撿底作業時間僅需一個循環即可完成，遠小于較傳統開挖方式涌水降效的時間，具體效率對比詳見表3。

表3 全斷面開挖與分層開挖效率對比

這一施工工藝在山西省小浪底地下泵站1#交通洞特大涌水條件下開挖施工中的應用，有效地避免了大涌水對開挖的大幅度降效影響。較常規的反坡隧洞每個循環進行降低的開挖方案，每開挖10m，Ⅲ類圍巖效率提高23%，Ⅳ類圍巖效率提高20%，Ⅴ類圍巖效率提高17.6%。按照Ⅲ類圍巖月進尺138m、Ⅳ類圍巖月進尺96m、Ⅴ類圍巖月進尺47m計算，Ⅲ類圍巖每月提升進尺31.7m，Ⅳ類圍巖每月提升進尺19.2m，Ⅴ類圍巖每月提升進尺8.3m，綜合平均月進尺提升19.7m。

3.2.3 隧洞掘進風險控制

由于隧洞涌水量大，在開挖過程中極易出現突發性大涌水，淹洞風險大。為保證隧洞安全掘進，在隧洞開挖研究中堅持“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后掘”的總體思路，采取“以排為主、以堵為輔”的涌水治理思路。為此，在開挖過程中采取對隧洞進行超前補充地質勘查，探明圍巖富水區及圍巖裂隙發育情況，以地質勘查結果作為參考，在掘進時設置超前探水孔，同時為防止突水突泥事件，針對探測到的大的空腔體采取超前堵水灌漿進行封堵。隧洞超前探測共分為兩部分：超前地質補充勘察探測及設置掌子面超前探水孔。

3.2.3.1 超前地質補充勘察探測

超前地質補充勘察探測主要采取隧洞地震波超前探測(TSP)和瞬變電磁法。地震波超前探測可對隧洞開挖掘進方向的斷裂破碎界面和溶洞、巖溶陷落柱、淤泥帶進行探測；瞬變電磁法可對隧洞開挖掘進方向的圍巖富水情況及巖體裂隙、構造發育等進行探測，為隧洞開挖支護決策提供重要參考。

在1#交通洞開挖施工過程中對0+406樁號掌子面、0+501樁號掌子面進行了超前地質補充勘察探測，較為準確地提供了未開挖段圍巖的地質情況。根據補充地質勘探情況，由于1#交通洞富水區域多，在隧洞抽排能力滿足的條件下采取“強排為主、堵水為輔”的總體開挖方針。

R1：6～10m存在R1異常，分析為裂隙發育區

R1：掌子面前方5m存在反射界面，分析為存在裂隙。

圖6 1#交通洞樁號0+406m掌子面瞬變電磁超前探測成果

圖7 1#交通洞樁號0+501m掌子面瞬變電磁超前探測成果

3.2.3.2 掌子面超前探水孔

根據超前地質補充勘察探測成果，對掌子面富水集中段增設水平探水孔，水平探水孔布設在掌子面中部，探水孔個數一般1～3個，具體可根據實際涌水情況調整確定。在富水段布設的水平探水孔可兼做卸壓孔和超前堵水灌漿時的灌漿孔，探水孔孔深15m～20m，孔徑76mm。若在鉆孔過程中出現掉鉆等情況時，應停止鉆孔，立即進行灌漿，完成后重新進行掃孔鉆進。

3.2.3.3 超前灌漿

為加快隧洞開挖施工進度，在施工過程中對超前探水孔鉆孔過程中遇到的特大涌水及溶洞溶腔進行灌漿，對較大涌水等情況在隧洞現有抽排能力滿足的前提下，采用強排的方式進行隧洞施工。

對于特大涌水，灌漿采用純水泥漿配合水泥+水玻璃雙液漿灌注的方式依次進行灌漿，封堵后如果堵水效果不佳則另行鉆孔，采用純水泥漿+DS化學漿液進行堵水灌漿；對于溶洞溶腔則采取灌注水泥砂漿+水泥漿的方式進行回填封堵。

在超前預注漿過程中如果出現串漿或者漏漿現象，則采取多孔同時灌注、閘閥閉孔、填塞嵌入麻絲等方式進行處理，必要時可進行適當的C20噴射混凝土封閉的方法處理。對于不良地質洞段、圍巖極差部位，在完成堵水灌漿后采用超前支護(超前注漿小導管、超前注漿管棚)結合系統支護加固圍巖。

3.2.4 隧洞應急抽排系統

由于隧洞涌水大，若抽排水設備、電源等出現故障，洞內涌水將迅速上漲。為此，必須配備足夠、且可靠的備用電源，并制定一套完善的抽排水管理制度、停電應急預案。1#交通洞在施工過程中，我部在洞口和洞內各設置有一臺600kW的柴油發電機。同時考慮到隧洞總長度較長，洞內電壓降較大。為此，利用洞內已開挖的閑置錯車道，將變壓器移進洞內，布置一臺630kVA的箱式變壓器。電網停電時，及時啟動備用電源，保證洞內正常抽排水。

為盡量減少人為因素導致的淹洞事故，項目部制定了一套完善的停電應急預案以及洞內抽排水管理制度，遇到突發停電，立即啟動應急預案。根據制定的應急預案，各施工作業面按照“領導班子帶隊總負責、各部門及施工隊伍具體負責、全員出動保安全”的總體方針。項目部領導班子對口負責對應的施工作業面；各洞現場調度人員負責對外聯系；電工負責備用電源啟動與看護；物資部負責發電機柴油等物資供應；綜合隊、施工作業隊伍及對口責任部門負責水泵搶險；安全部負責通知洞內作業人員，組織人員、機械設備撤離；綜合辦公室負責后勤。不論何時停電，項目部人員必須按照預案全部出動，保證隧洞安全。

在施工過程中加強洞內抽排水管理，對洞內抽排水人員進行培訓，并安排熟練的抽排水工進行“師帶徒”培訓，并經考核合格才準許上崗。另外，項目部綜合隊負責日常的抽排水設備維護，調度室負責抽排水人員到崗、值班情況檢查，對于上班睡覺等不負責任的抽水工予以罰款，嚴重者予以解除勞動關系。在過程中嚴格管理，確保不因人為因素導致隧洞被淹。

4 結語

傳統的大涌水隧洞開挖均采用以堵為主，以排為輔的方式進行隧洞開挖，堵水施工時間長，不利于加快隧洞開挖施工。在山西省小浪底引黃工程施工Ⅰ標1#交通洞開挖施工過程中，通過對大涌水、反坡長隧洞的快速施工技術研究，提出了“以排為主，以堵為輔”的開挖方法，在洞內抽排能力富足的前提條件下，采取對洞內涌水進行強排措施，對特大涌水、溶洞溶腔等不良地質段進行灌漿封堵，保證隧洞安全。隧洞分層開挖、反坡排水的方式克服了大涌水對隧洞開挖掘進的影響，縮短了每循環施工時間，加快了施工進度，為小浪底引黃工程提前進入地下泵站開挖施工創造了有利條件，大大提升了施工進度，節省了施工成本。