水砂分治導水卸壓固砂技術(shù)在隧洞涌水治理中的應(yīng)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(zhì)段其組成物質(zhì)主要為蝕變大理巖砂夾碎塊巖及碎裂巖等，其空間分布復(fù)雜，巖石混合巖化、變質(zhì)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(jié)構(gòu)-散體結(jié)構(gòu)；巖體透水性強，地下水存在深循環(huán)，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(fā)生滲透破壞，造成隧洞突砂涌水問題，圍巖極不穩(wěn)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(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生流動，并慢慢液化，形成薄弱環(huán)節(jié)，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(shù)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(jīng)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(jié)理、巖溶發(fā)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(wěn)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?jié){墻混凝土接觸的巖面上，造成巖石遇水砂化，產(chǎn)生大量的砂，造成鉆孔無法達到設(shè)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(huán)形制漿體，同時不能有效形成結(jié)石，導致檢查孔施工時，出水出砂嚴重[2]。

因此經(jīng)過多次試驗，得出的主要經(jīng)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(wěn)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(xù)保持其原有的致密特性，即人為預(yù)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(shù)”。

3 應(yīng)用環(huán)境及技術(shù)要點

應(yīng)用環(huán)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(zhì)洞段。

技術(shù)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(wěn)特性。

4 導水卸壓技術(shù)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(fā)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(jīng)過40天的強排水，涌水流量已趨于穩(wěn)定，約為120m3/h。對洞內(nèi)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(jié)疏松，經(jīng)水沖刷砂土產(chǎn)生分離，斷層帶塌腔深度約10m, 出水部位主要集中在右側(cè)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(nèi)水進行泄流減壓。在右邊墻部位打設(shè)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(shè)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(guī)律分析：

根據(jù)已有地勘資料表明，F(xiàn)17ˊ斷裂帶傾向洞線上游方向，即傾向山內(nèi)，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(xiàn)洞線附近方向出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。在斷層上盤布設(shè)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(zhì)量指標RQD值為1%-13%，巖石破碎；在洞內(nèi)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(xiàn)象。由以上3個鉆孔資料綜合分析，F(xiàn)17ˊ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(fā)生涌水塌方問題[3]。

該斷層內(nèi)富水，聯(lián)通性好，推斷在斷層帶內(nèi)水力運動性好，任何部位有水流出，都將對其他部位產(chǎn)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(yīng)進入斷層帶內(nèi)，用于將斷層帶內(nèi)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(nèi)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(zhì)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(shè)計：

平行小導洞洞線位于現(xiàn)洞線右側(cè)，在2#岔洞上游Ⅲb類圍巖段樁號8+869.056處從現(xiàn)主洞線轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎角度為60°，優(yōu)化洞線的轉(zhuǎn)彎半徑均為40m，為了保證排水洞打至斷層內(nèi)，經(jīng)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(shù)同主洞，即按馬蹄形斷面設(shè)計，局部錨桿為Φ22，L=2.0m，局部掛網(wǎng)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(fā)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(huán)管棚鉆孔前，在掌子面開挖區(qū)180°范圍分臺階布置多個超前地質(zhì)勘探孔，布置位置為兩側(cè)拱肩及腰線以下，超前地質(zhì)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(zhì)描述，孔口3m段采用Ф130mm孔徑開孔，鉆進3.0m后埋設(shè)Ф110mm孔口管，并設(shè)置高壓閥門，防止涌水量過大，造成主洞被淹。施工時可根據(jù)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(shù)不得超過管數(shù)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(yù)留“核心土”的方法進行開挖開挖循環(huán)進尺為0.6m，每個臺階開挖過程中每循環(huán)均施工3個Φ42mm，L=6m的超前探水孔。中部臺階開挖時采用預(yù)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(nèi)灌漿密實增加剛度。經(jīng)過縝密論證與現(xiàn)場試驗，小導管為15°-20°范圍內(nèi)時，作用最大。

管棚施工完成后，在兩根管棚間布設(shè)Φ42mm，L=4.5m超前小導管進行超前支護，小導管環(huán)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(nèi)水進行排出。

5 總 結(jié)

通過采用幾種導水方式相結(jié)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(jié)如下。

1)正點位導水：該方法設(shè)備簡單、成孔快，經(jīng)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(shè)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(nèi)，排水能力強；但經(jīng)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(guī)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(zhì)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(nèi)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(huán)境的情況下，選擇一種或幾種最優(yōu)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(jīng)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(huán)境中成功修建隧洞，避免突水突砂淹洞，實現(xiàn)工程安全。