水砂分治導水卸壓固砂技術在隧洞涌水治理中的應用

劉凌峰

(遼寧省湯河水庫管理局有限責任公司，遼寧 遼陽 111000)

1 工程概況

遼寧省重點輸供水工程二段2#下游不良地質段其組成物質主要為蝕變大理巖砂夾碎塊巖及碎裂巖等，其空間分布復雜，巖石混合巖化、變質作用及差異風化強烈，局部富含絹云母，巖石及巖體整體強度低，巖體呈碎裂結構-散體結構；巖體透水性強，地下水存在深循環，滲透壓力較大。在隧洞開挖時，壓力水在有蝕變砂分布洞段可穿透巖體而發生滲透破壞，造成隧洞突砂涌水問題，圍巖極不穩定[1]。其破壞機理為由于其透水性強，致密的砂體受到擾動后，在高壓水的作用下，砂質結構發生流動，并慢慢液化，形成薄弱環節，達到一定程度后，迅速向外流出，形成大量的涌水、流砂，從而引起大面積的塌方，對工程造成的破壞程度極大。2012年12月16日8+776掌子面塌方，塌腔深度達10m，高度達14m以上，涌水量達570m3/h以上。

2 技術背景

對于水工輸水隧洞開挖過程中地下水的處理，由于其埋深大、抽排困難等特點，以往的工程經驗往往都是采用“以堵為主、限量排放”的原則，在開挖前先堵水。比如在遼寧省大伙房輸水隧洞施工中，六河段地層巖性為灰白色中厚層條帶狀大理巖夾深灰色薄層大理巖，普遍含石墨，節理、巖溶發育。采用超前灌漿和地面灌漿的方法，把地下水封堵在掌子面或隧洞開挖線5m洞周以外，采用“以堵為主”的方法在處理六河段和9#洞大理巖段時起到了很好的效果。

在省重點輸供水工程2#洞涌水涌砂施工過程中曾試圖采用“以堵為主”的策略進行治理，但由于本段蝕變砂的特性，在富含水未擾動的情況下非常致密，強度高，具有很好的穩定性，而一旦受到擾動，特別是在壓力水的浸泡下迅速液化成流沙狀，同時壓力水混合細砂在自由面處高速涌出，形成坍塌和突水突砂，造成非常大的安全隱患，工程處理難度極大。通過初步灌漿試驗可知，由于出水通道封閉后，大面積的高壓水直接作用在與止漿墻混凝土接觸的巖面上，造成巖石遇水砂化，產生大量的砂，造成鉆孔無法達到設計孔深，并且由于巖石砂化后，蝕變砂巖體由于其自身的致密性導致灌漿時吃漿量很小，采用特細水泥也無法灌入較大的漿液量，造成漿液擴散半徑不足，無法形成封閉的環形制漿體，同時不能有效形成結石，導致檢查孔施工時，出水出砂嚴重[2]。

因此經過多次試驗，得出的主要經驗是對蝕變砂段盡量少擾動或基本不擾動，使圍巖保持其固有承載能力，最大限度的延長圍巖特別是掌子面的自穩時間，并且多種方法先將地下水導出即“以導為主、適時封堵”的策略，對高壓水進行泄水減壓，減小水壓，同時將砂化程度降到最低，使蝕變砂巖體不能形成液化而繼續保持其原有的致密特性，即人為預先將地下壓力水與蝕變砂分離開，然后進行隧洞開挖，稱之為“水砂分治導水卸壓微擾動固砂新技術”。

3 應用環境及技術要點

應用環境：水工隧洞開挖過程中遇到的富高壓水、蝕變砂等不良地質洞段。

技術要點：①水砂分治；②多種方式導水卸壓，采用“以導為主、適時封堵”的策略；③對蝕變砂巖體的擾動降至最低，保持其致密自穩特性。

4 導水卸壓技術研究

4.1 正點位導水

2012年12月16日2#支洞控制段主洞下游8+776.4處掌子面爆破后突發涌水，5h后將2#支洞及其控制段主洞淹沒，支洞淹沒長度268m。經過40天的強排水，涌水流量已趨于穩定，約為120m3/h。對洞內涌水斷層帶進行實地勘查，掌子面8+776.4m處出露一富水斷層帶，斷層帶填充物以細砂、碎石、塊石為主，糜棱巖強度較低，膠結疏松，經水沖刷砂土產生分離，斷層帶塌腔深度約10m, 出水部位主要集中在右側洞壁。

在對塌腔部位封堵后，進行正點位打排水減壓孔，將塌腔內水進行泄流減壓。在右邊墻部位打設2個Ф150mm的減壓排水孔，排水孔鉆孔方向為空腔回填時出水點的方向，盡量接近出水點部位，孔深20m，排水孔設置孔口管和閥門。

通過2根直徑為150mm的排水管,將水進行引排至交叉口附近的集水坑,再通過大功率大揚程水泵排至洞外。通過排水泄壓進行集中引排，使得掌子面及其他部位滲漏水明顯減輕減小。

4.2 平行小導洞減壓降水

1)該段地下水運動規律分析：

根據已有地勘資料表明，F17ˊ斷裂帶傾向洞線上游方向，即傾向山內，陡傾角，在平面展布方向上呈波狀延伸，與車道溝河谷展布方向基本一致，斷層在現洞線附近方向出現轉折。在斷層上盤布設的CDK3鉆孔(洞線樁號9+111處)揭露，全孔巖石以大理巖為主，局部夾變粒巖，在深度107m以下巖石強風化，巖芯多為碎塊狀，大部分見有溶蝕孔隙及水銹，洞室部位巖石質量指標RQD值為1%-13%，巖石破碎；在洞內樁號8+985處實施的2D1超前鉆孔(孔深55m)與2D2超前鉆孔(孔深50m)均揭露混合巖化大理巖與較大涌水現象。由以上3個鉆孔資料綜合分析，F17ˊ斷裂帶上盤巖石以大理巖為主，易溶蝕，巖體多破碎，富水，隧洞開挖將發生涌水塌方問題[3]。

該斷層內富水，聯通性好，推斷在斷層帶內水力運動性好，任何部位有水流出，都將對其他部位產生影響。因此，為減小掌子面排水壓力，考慮在平行主洞線位置，斜向開挖一導洞排水，該導洞前方應進入斷層帶內，用于將斷層帶內水引排處理，以將施工掌子面水降至最低。排水平導一方面是為了將斷層內的水流排除以確保主洞施工的安全，同時也是為了進一步對于前方的未知地段的地質加以探察。如果施工時正洞的進度較慢，那么可以考慮在平行小導洞超前的情況下繞過斷層帶取代主洞，從而來保證整體工程的施工進度[4]。

2)平行小導洞設計：

平行小導洞洞線位于現洞線右側，在2#岔洞上游Ⅲb類圍巖段樁號8+869.056處從現主洞線轉彎，轉彎角度為60°，優化洞線的轉彎半徑均為40m，為了保證排水洞打至斷層內，經計算分析，排水洞長度需達到70m以上，即可進入斷層帶，加大排水效果。

圖1 排水泄壓孔排水效果圖

圖2 平行小導洞排水效果圖

平行小導洞開挖支護參數同主洞，即按馬蹄形斷面設計，局部錨桿為Φ22，L=2.0m，局部掛網鋼筋為φ8@20*20cm，C30噴混凝土厚度為100mm。實際施工平行小導洞長度72.5m，排水流量達到了120m3/小時，起到了良好的排水效果，為減輕主洞掌子面排水發揮了重要作用。

4.3 掌子面分臺階超前鉆孔導水

在每個循環管棚鉆孔前，在掌子面開挖區180°范圍分臺階布置多個超前地質勘探孔，布置位置為兩側拱肩及腰線以下，超前地質探孔孔深30m，外插角度5°，兼做超前導水孔，布孔位置詳見圖3。超前探孔采用管棚鉆機跟Ф110mm無縫鋼管進行施工，鉆進過程中獲取巖芯，并進行詳細地質描述，孔口3m段采用Ф130mm孔徑開孔，鉆進3.0m后埋設Ф110mm孔口管，并設置高壓閥門，防止涌水量過大，造成主洞被淹。施工時可根據掌子面出水的實際情況隨機增加導水孔。導水管前端26m為“花管”，尾部4m段為“死管”。鋼花管采用在鋼管壁鉆孔，其縱向、橫向間距為15cm，并保證同一截面的接頭數不得超過管數的50%。

圖3 分臺階超前導水孔布置圖

圖4 分臺階超前導水效果圖

為了增加排水效果，分上、下臺階預留“核心土”的方法進行開挖開挖循環進尺為0.6m，每個臺階開挖過程中每循環均施工3個Φ42mm，L=6m的超前探水孔。中部臺階開挖時采用預留“核心土”的方法進行開挖。

4.4 超前管棚與超前小導管導水

在前幾種方式排出大量地下水外，同時考慮采用超前管棚和小導管進行洞徑徑向水進行引排，引排到一定程度后作為超前支護手段進行管內灌漿密實增加剛度。經過縝密論證與現場試驗，小導管為15°-20°范圍內時，作用最大。

管棚施工完成后，在兩根管棚間布設Φ42mm，L=4.5m超前小導管進行超前支護，小導管環向間距35cm，外插角度為15°，同時，利用小導管進行超前倒水，由于小導管布置密集、且布置在開挖斷面附近，非常有利于將前方5m范圍內水進行排出。

5 總 結

通過采用幾種導水方式相結合的辦法，將掌子面存在的水基本排除，為后期開挖支護提供極大便利，各導水方式的特點總結如下。

1)正點位導水：該方法設備簡單、成孔快，經濟性好；但是也有一定弊端，需要提前判斷水源方向、水源距外露面距離；鉆機鉆孔距離受設備限制；鉆孔角度控制難度大。

2)平行小導洞導水：能直接開挖至斷層內，排水能力強；但經濟性較差，耗費大量資金和時間，需要提前判斷水源方向，對地下水運行規律進行分析。

3)掌子面分臺階超前鉆孔導水：在上階開挖的同時，就可以利用下臺階進行導水，在不明前方是否有水的情況下，可以利用地質鉆或者100B進行鉆孔，簡單方便，探孔距離可達50m；但是對徑向方向的水源引排效果有限。

4)超前管棚與超前小導管導水：在開挖過程中，可將成洞斷面周圍積水進行引排，避免匯在一起，形成大水量；同時小導管能起到加固左右。但是，引排范圍有限，只能引排洞徑周圍2m范圍內積水。

總之，在施工過程中，需要對遇到的涌水情況進行詳細分析，論證，在考慮費用、工期、施工環境的情況下，選擇一種或幾種最優的方式進行導水，將未開挖地段含水量降至最低，以達到最大限度的將涌水影響降至最低。通過實踐經驗可知，在富高壓水蝕變砂地層處理時，水砂分治是切實有效的治理手段，只要遵循這一指導思路，就能在這種及其惡劣的地層環境中成功修建隧洞，避免突水突砂淹洞，實現工程安全。