滇中引水工程隧洞施工地下水特征預測與保持技術

楊自剛 彭 柱 彭學軍 劉云龍 秦 云 羅運杰

1. 中鐵五局集團第一工程有限責任公司 湖南 長沙 410117；

2. 長沙理工大學汽車與機械工程學院 湖南 長沙 410004；

3. 中鐵開發投資集團有限公司 云南 昆明 650500

1 工程概況

滇中引水工程是中國西南地區規模最大、投資最多的水資源配置工程，是我國在建最大引水工程。昆玉隧洞中后段隧道是滇中引水工程昆明段施工7標中的部分施工段，止于牧羊村倒虹吸起點，分6多段開挖，包含12#～16#施工支洞。受地質地形影響，各施工段的施工方案與施工設備略有差別：12#施工支洞段在KCT37＋478附近分布有橫沖村集中使用的水井孔，施工會造成井水位的下降以及出水量減少，施工中要嚴格控制對地下水的影響，且該段部分與橫沖水庫并行，屬于富水段隧洞施工，施工中水庫與隧洞存在裂隙型滲透通道，應加強超前封堵。13#施工支洞段地質以灰巖為主，這樣的地質條件下容易形成溶腔，地層中的泥沙和地下水填充在溶腔中，施工過程中容易出現涌水突泥，故該支洞處理廢水時需要對泥沙作集中沉淀。15#施工支洞所在施工段屬于高地下水位，地質條件差，是涌水量最大的施工段，平均涌水量可達7 000 m3/d，故該支洞施工對地下水預報系統要求最高，污水處理成本最大。

2 掌子面前方地下水特性預測技術

隧道施工的超前預報是一門保證隧道施工安全和施工質量的技術，主要包含對隧道掌子面前方含水位置和含水量的預測。迄今為止，較為成熟的隧道掌子面前方地下水位置的超前預測方法有：地質分析，鉆孔探水[1]、電磁波探測[2]、巖石溫度法[3]、地震波反射[4]、紅外探測法[5]、瞬變電磁法[6]等。盡管許多學者進行了大量的研究，對隧道的總涌水量和斷面涌水量進行了計算和預測，但由于含水結構單元間關系復雜，預測結果與實際開挖涌水量相差較大。目前主要采用的方法有地質法、經驗推斷法、近似法、地下水動力學法和水平衡法[7]。近年來，隨著數值方法的發展，有限元法和有限差分法也得到了發展。

上述方法各有優劣，在實際施工中一般會采取多種技術并行的方式。長短結合的探測手法可以很好地提高預測的準確率。這種探測手法指的是把工程地質分析法作為超前的宏觀預報手段，然后把TSP法作為超前探測中的長距離探測，并把雷達法、紅外線探測法作為中距離探測手段，最后把加深炮孔作為短距離探測。

昆玉隧洞施工中秉持“凡挖必探”的地下水勘探原則，各段施工采用的掌子面前方地下水預報技術差別不大，主要采用TSP法、超前地質鉆孔法和加深炮孔法。與理論不同的是，該隧道施工主要依據的是超前地質鉆探和加深炮孔法，TSP法作為物探技術只起輔助作用。這是因為在實際施工中更加考慮地下水預測的直觀性與準確性。

根據昆玉隧道的設計要求，各支洞和主洞的施工均需要超前地質鉆探，每次鉆孔深度可達30 m，開挖25 m，保留5 m，每個循環鉆孔數為3個，布置在隧洞的拱頂、中部和邊墻。鉆孔終孔超出開挖輪廓3 m，采用志高鉆機鉆進。主要是為了查明隧道施工掌子面前方的地質和水文情況。它可以根據加深鉆孔的出水壓力來判斷掌子面前方地下水的涌水量，以此選擇合適的注漿參數。為進一步提高預測的準確性，保證施工安全，在每一次開挖時還需通過加深炮孔對掌子面前方的地下水進行探測。加深炮孔孔深6 m（每次開挖3 m，保留3 m），3個鉆孔均布在掌子面上，孔徑與爆破孔相同，采用風鉆鉆進。通過加深炮孔可以進一步預測掌子面前方的水體情況，避免出現突泥涌水事故。除此之外，昆玉隧洞施工中還運用了TSP法作為輔助探測技術，進一步提高了地下水預測的準確性。

預測不僅需預測含水層的空間分布位置，還需要預測含水層的大小和水壓，只有這樣才能保證隧道施工安全有效地進行。經統計，昆玉隧洞的地下水探測手段對地下水位位置探測準確性可達60%，但對于涌水量問題，僅能通過超前地質鉆探和加深炮孔出水的流速及水壓初步判定。

3 長隧洞地下水保持施工工法

隧道施工中常常會遇到一些地形地質較為復雜的情況，這種情況極易出現涌水突泥等事故[8]，嚴重影響了施工設備和相關工作人員的安全。因此，為了保證隧道施工安全有序地進行，在圍巖破碎與縫隙發育等地質復雜的地段應該嚴格控制地下水。

隧洞施工中，地下水的控制方法主要有導水法和灌漿法[9]。灌漿法主要采用二重管無收縮雙液注漿工法，對掌子面前方的地質進行環形注漿，注漿的范圍為隧洞掌子面結構外1.5 m。導水法顧名思義就是排水，在一些地下水流量、壓力較大的隧洞施工中，若僅采用簡單的灌漿法可能無法滿足施工需求。此外，還有堵水施工工法，這種方法經常與導水法結合使用，較好地保護施工地區的生態。

昆玉隧洞各支洞施工中對于地下水控制的技術差別不大：涌水量大的施工段主要采取“排水和導水為主，注漿堵水為輔”，而涌水量小的施工段主要采取“注漿堵水為主，排水和導水為輔”[10]。堵水措施有：

1）超前堵水措施。根據掌子面前方的地質和水體預報，施工人員即對隧洞施工掌子面進行超前止水帷幕封堵。確保掌子面前方在開挖過程中不會出現涌水現象。開挖后，局部區域的零星滲水也需要二次堵水。

2）局部處理措施。若在掌子面前方進行了超前止水帷幕封堵后，受施工的影響又導致施工段出現了涌水情況，就需要采取局部處理措施。

總之，在隧道掌子面施工過程中，施工人員要根據滲水區域、滲水量及現場施工作業手法，將超前帷幕注漿、開挖后局部注漿和補注漿有機結合起來，這樣才能實現高效堵水[11]。一般來說，掌子面外圍輪廓單排或雙排布置了超前灌漿孔，掌子面中間區域均勻布置了6～10個鉆孔，其中鉆孔深度為7～30 m，具體分布如圖1所示。其中，開挖與未開挖部分搭接3～5 m。

圖1 注漿施工示意

地下水問題是隧洞施工中最為棘手的幾個關鍵問題之一。對于地下水的保持技術，昆玉隧洞中后段各施工支洞均采用常規的注漿法，效果良好。對于涌水量大的隧洞施工段，隧洞開挖會造成較為嚴重的地下水流失。對此，需要提出健全的、有針對性的替代、補償措施。

1）施工過程中采用“堵排結合，以堵為主”的施工策略，即在施工中通過有針對性的施工工法，如壓注法等以控制地下水水位的下降，但對于過大的涌水量施工段，可以采用帷幕注漿堵水法，但總體來說堵水效果并不好。

2）排水法對地下水水位的影響較大，為了減小此影響，可以將隧道施工廢水處理后進行回灌，即隧道施工廢水處理后除去隧道施工及生活用水，多余水進行回灌[12]。

4 地下水的處理技術

隧道施工中的廢水主要來源于隧道施工過程中的涌水，這些涌水與爆破后的隧洞塵埃混合形成了渾濁狀態。施工廢水一般呈堿性，其中主要的污染物包含固體懸浮物、鈣離子、金屬離子和石油等。廢水若不加處理就排入河道中，會對生態造成重大影響。為此，許多學者研究了隧道施工廢水的處理方法，主要包含混凝、沉淀、氣浮或過濾等處理工藝。其中采用混凝法處理廢水的方法在隧道施工中應用最廣。隧洞廢水經上述方法處理后可用于施工用水及其他利用，如隧道內施工用水、灌溉附近農田、補充周邊溝渠水源等。

昆玉隧洞中后段中，12#施工支洞屬于富水段施工，調研期間施工進度尚未達到富水段區域，考查范圍受限。15#施工支洞屬于高地下水位施工，該支洞最大涌水量可達7 000 m3/d。出乎意料的是，實地調研中14#支洞的涌水量肉眼可見最大。

施工過程中的巨大涌水量給地下水的處理帶來了不少的困難，用于地下污水處理的成本約為30萬元/d，而造成這種情況的主要原因是涌水量過大。施工廢水中主要含有巖石粉塵，呈堿性，pH可達11～12。由于昆玉隧洞中后段施工區域地處滇池流域，生態要求高，故需要通過對處理后的水加入食品級的酸才能達到排放要求。

施工廢水的主要處理流程為：預沉淀→絮凝反應→沉淀（加酸）→排放。其中，在隧洞內三角區設有預沉淀池，對施工地下水廢水進行初步沉淀，然后用水泵抽至洞口的污水處理池進行下一步沉淀與絮凝。絮凝反應池采用的絮凝劑是聚合硫酸鐵（PAC）和聚丙烯酰（PAM）；沉淀池對絮凝反應后的廢水做進一步沉淀，并通過加入水楊酸中和廢水的堿性，以達到3類水的排放標準。

對于處理后的污水問題，昆玉隧洞各支洞主要采取的措施是直接排放至生態敏感性較差的水域，如12#支洞的廢水處理后排入梁王河，還有部分廢水處理后被用于工地大棚蔬菜的澆灌。對于地下污水的處理問題，昆玉隧洞主要采用絮凝、沉淀和加酸的方式進行污水處理，處理后的水排入到生態敏感度較低的水域。目前主要的問題是處理污水的水量大，從而造成加酸成本高。調研觀察發現，造成污水量大的主要原因在于以下幾方面：

1）昆玉隧洞中后段富水段較長，常規的注漿堵水技術對于涌水量較大的施工隧洞效果不佳，故該段施工對于地下水問題主要以排水為主。

2）施工現場的地下水涌水問題具有持續污染性。換而言之就是初期支護甚至二襯后，隧道拱頂以及兩側面均有地下水成股流出，這些涌出的地下水沿著隧洞兩邊的溝渠流入未澆筑底板的施工段被逐漸污染，最后匯入三角區的集水池，與掌子面的施工廢水混合后抽出。

3）施工廢水的主要來源就是開挖過后隧洞側面的持續性涌水，而這些涌水口初始時是干凈的地下水，流經施工段后逐漸被污染。對于上述問題，可以采用“清污分流”的污水處理方式對地下水分開處理，即對初支或二襯后的未污染的清水作集中抽排。

5 結語

昆玉隧洞地下水的超前預測技術主要采用“超前地質鉆探和加深炮孔為主，TSP法為輔”的技術手段，這種技術對掌子面前方的地下水位置預測準確性可達60%，但卻無法探測具體的涌水體積。對此，本文建議施工單位引進地下水水量預測技術，如巖石溫度法或數值模擬法，進一步保障施工人員及設備的安全。

由于施工段地下涌水較多，地下水的保持技術主要采用“排水為主，堵水為輔，堵排接合”。這種方法造成了污水處理成本較大，且對地下水位的影響較大。對此，本文建議施工單位對隧道涌水進行“清污分流”，進而減少廢水處理量。隧道內的清水可以采用回灌技術重新抽排至隧洞施工的周邊區域，從而補償地下水的流失。