某輸水隧洞工程突涌水除險處理

閔建忠

(陜西葛洲壩延黃寧石高速公路有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

某輸水隧洞其中一個標(biāo)段全長4.5km，鉆爆法施工。隧洞坡比為1.7‰，平底同心圓斷面。除洞口段為明洞外，其余均采用一次支護體系和二次襯砌組合的復(fù)合式結(jié)構(gòu)，即由鋼拱架、鎖腳錨管、噴射混凝土等組成的一次支護，模筑鋼筋混凝土組成的二次襯砌。該隧洞埋深大、水文地質(zhì)條件非常復(fù)雜，圍巖類別以V類圍巖為主，施工難度很大，存在多種施工風(fēng)險。

2 突涌水情況

2.1 發(fā)生時間過程

在施工過程中，某樁號段邊墻出現(xiàn)拱架受力、噴混面破裂剝落等異常情況。隨后，該樁號段右側(cè)60°角范圍出現(xiàn)多點噴射狀股狀水，噴混面被破壞，下部底部未封閉的鋼拱架被擠出，出水較混濁，夾帶砂礫，估測總涌水量150～180m3/h。8h后，出水呈灰白色，帶有少量泥砂，出水量無明顯變化。

次日，總涌水量呈緩慢減小趨勢，估測涌水量80～100m3/s，涌水中泥沙含量也有減小。但右側(cè)60°范圍再次出現(xiàn)噴射狀股狀水，噴出距離約4m，后漸變?yōu)閹r壁流水，水量隨時間有減小跡象，掌子面左右側(cè)近邊拱處有連續(xù)漫流水出露。

第三日，掌子面左右側(cè)近邊頂拱流水點流量增大，總涌水量呈減小趨勢，估測涌水量約50m3/h，涌水較清澈。下午15：00，某一樁號中、下臺階連接處噴射股狀涌水，共計2次，間隔約5min，噴射的水質(zhì)較混濁，呈黃色。

第四日，掌子面處拱部11：00、1：00方向出現(xiàn)兩處股狀流水，水壓水量無法檢測，主要出水點水量、水壓沒有明顯變化，水質(zhì)由較清澈變化為淺黃色、混濁，夾帶粉細(xì)砂、泥，含沙量檢測比重分別為0.42%、0.24%、0.14%；粒徑小于1mm；流量135～150m3/s，水溫19℃。

自發(fā)生突涌水以來，估測總涌水量120～180m3/s，水質(zhì)含砂量最大達(dá)到0.5%。發(fā)生突涌水樁號段，仰拱初始抬動約9cm，累計抬動最大處18.9cm，核心土上抬近60cm?，F(xiàn)場監(jiān)測觀測顯示，涌水流量為130～180mm3/s，水質(zhì)含砂量最大達(dá)到5‰，近20m范圍內(nèi)仰拱上抬最大達(dá)18cm，核心土臺階發(fā)生隆起變形約60cm，涌水點沿洞軸線和環(huán)向均發(fā)生多次變化。

2.2 突涌水段地質(zhì)條件

2.2.1地層巖性

發(fā)生突涌水位置附近的主要地層為第三系地層與志留系地層，主要巖性及性狀特征如下：

第三系(N1+2)地層主要巖性為砂礫巖；灰白色，厚層-巨厚層狀構(gòu)造，泥鈣質(zhì)中等膠結(jié)，砂為中-粗砂，礫石含量約50%，粒徑一般0.5～3cm，偶見最大8cm，次圓狀。

志留系地層(S2j1)地層巖性為砂質(zhì)泥巖、砂巖；暗紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，砂巖巖石堅硬，砂質(zhì)泥巖巖石強度低，局部呈泥狀。

2.2.2地質(zhì)構(gòu)造

主要為上第三系地層與志留系地層的不整合接觸帶。不整合面不規(guī)則，總體走向為NW310°∠SW20°～30°。接觸面下部的志留系地層巖性變化頻繁，主要為砂巖及砂質(zhì)泥巖，巖石強度差異較大，巖體破碎。

2.2.3水文地質(zhì)

第三系地層與志留系地層的不整合接觸帶揭露初期未見地下水出露，洞壁多以干燥-潮濕為主。根據(jù)地表鉆孔及洞內(nèi)垂直鉆孔勘探成果，志留系地層內(nèi)賦存在有高水頭的裂隙承壓水(在不整合接觸面以下10～13m揭露承壓水)。

根據(jù)前期勘探成果判斷，該樁號段間的志留系承壓含水層內(nèi)水力連續(xù)密切，地下水儲量豐富。初步判斷主要接受工程區(qū)東側(cè)地下含水層的補給，向西徑流過程中受到第三系相對隔水層的阻隔而形成了高承壓水。

3 突涌水原因分析

輸水隧洞已施工開挖揭露的第三系地層中未見大流量的地下水活動。在涌水段附近的多個鉆孔中均在志留系地層中揭露了高水頭承壓水，因而可以判斷地下水的來源為下部志留系地層中的裂隙承壓水。

隧洞突涌水段可能發(fā)育有與深層高水頭承壓水相連通的裂隙獲破碎帶，被細(xì)顆粒物質(zhì)填充，透水性相對較弱。隧洞開挖后，在洞壁面位置形成臨空面，裂隙或破碎帶的細(xì)顆粒物質(zhì)在下部或前方的高水壓力作用下逐漸被破壞、運移，形成了滲流通道。隨著洞內(nèi)地下水的涌出，充填在裂隙或破碎帶內(nèi)的細(xì)顆粒被帶出，滲流通道逐漸暢通，導(dǎo)致深部的承壓水大量涌出，形成了突涌水。

4 突涌水應(yīng)急搶險處理

4.1 方案概述

首先加固尚未封閉成環(huán)的鋼支撐，在掌子面前設(shè)置混凝土除險安全墻，墻內(nèi)回填混凝土并預(yù)埋灌漿管，將下游側(cè)已變形洞段和掌子面封閉于除險安全墻中，待充填物及除險安全墻達(dá)到一定強度后，對前方實施超前預(yù)注漿。在除險安全墻施工時，同步進(jìn)行前方洞段側(cè)頂拱的二次混凝土襯砌。

4.2 臨時支撐

臨時支撐采用橫、豎焊接相連的HW150型鋼，自上游向下游逐步推進(jìn)；每次試作洞段長度不大于2m，在確保已試作臨時支撐洞段安全后再繼續(xù)向前推進(jìn)。

4.3 除險安全墻設(shè)計

目前下游工作面施工采用3臺階開挖，上臺階長3.5m，高1.77m；中臺階長5.5m，高1.77m；下臺階長9m，高2.7m。

出水點樁號距掌子面賬號8m，因突涌水樁號段已設(shè)立臨時橫、豎支撐，且已持力，再拆除將造成隧洞失穩(wěn)，故除險安全墻位置的選擇在滿足后期施工空間前提下，盡量靠上游布置，布置在距掌子面樁號前20m處。

除險安全墻采用現(xiàn)澆混凝土平面式，為了使混凝土盡早具備承載能力，采用納米硅粉纖維混凝土。厚度根據(jù)經(jīng)驗公式計算：

式中，B—混凝土除險安全墻厚度，m；K—安全系數(shù)一般取1.0～2.0；當(dāng)除險安全墻等效半徑小于2.0m時，K取1.6；當(dāng)除險安全墻等效半徑等于2.0m時，K取1.6；當(dāng)除險安全墻等效半徑大于2.0m時，K取2/3；ω—作用在墻上的載荷，ω=PS/MN，P為灌漿壓力/MPa，S為除險安全墻的面積/(m2)；b—除險安全墻的寬度，m；h—隧洞的高度，m；[σ]—混凝土允許抗壓強度，MPa。

計算得B=1.14m，取B=1.2m。

除險安全墻施工順序為：設(shè)置排水孔(利用現(xiàn)有出水點適當(dāng)加深，采用C20混凝土封閉其周邊，適情況可增設(shè)排水孔)-接長排水管(將現(xiàn)排水鋼管接長至除險安全墻附近)-安裝孔口管(在接長后的排水管上游段加裝孔口管，孔口管為φ108mm的無縫鋼管，長度3.5m，孔口管埋入深度不小于3.2m，外露300mm，以便于注漿施工)-除險安全墻基礎(chǔ)處理(首先，清理除險安全墻位置內(nèi)的一切雜物，并在其周邊打設(shè)徑向錨桿，錨桿長度5.5m，間距1m，入巖長度4.5m，外露1.0m。無法清理部位采用塊石料擠淤。邊向基礎(chǔ)部位填充塊石，邊向其中灌注M20砂漿。并加φ50鋼花管作為灌漿管，待砂漿達(dá)到一定強度時對其進(jìn)行充填灌漿，灌漿壓力0.2～0.3MPa。)-除險安全墻下游回填混凝土(除險安全墻基礎(chǔ)處理的同時，在其下游側(cè)混凝土混凝土，并在不同層高設(shè)置灌漿鋼花管，管徑108mm。在原超前預(yù)注漿中心孔位置埋設(shè)5根鋼花管，在右側(cè)大變形部位拱頂、拱腰和底部各埋設(shè)一根鋼花管。鋼花管前期作為排水管、灌漿管，后期作為超前預(yù)注漿鉆孔預(yù)埋管。108mm鋼花管外露段加裝孔口管及高壓閘閥。前期搶險臨時支撐不拆除，以確保除險安全墻施工期間的洞室穩(wěn)定。)-綁扎鋼筋(為了加快施工進(jìn)度，采用φ25單層鋼筋，將其布置于上游側(cè)，并與周邊錨桿焊接。每0.5m布置一根長6m的L型φ25鋼筋，洞軸線方向長5.5m，垂直于洞軸線方向長0.5m。短邊與除險安全墻焊接，長邊伸入下游側(cè)回填混凝土中。間距0.5m，排距0.4m。)-架立外模-澆筑混凝土(混凝土采用納米硅粉混凝土，內(nèi)摻聚丙烯粗纖維，沒方摻量9kg。為了防止除險安全墻周邊漏水，在其周邊預(yù)埋灌漿管。拌制時加入適量外加劑以使混凝土早強、高強。待混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度的75%后方可開始鉆孔注漿施工。)-回填灌漿-安裝高壓閘閥-超前預(yù)注漿(先進(jìn)行生產(chǎn)性試驗灌漿，根據(jù)確定的灌漿參數(shù)和推測的不整合接觸面形態(tài)，調(diào)整灌漿孔布置，實施超前預(yù)注漿。在超前預(yù)注漿鉆孔部位預(yù)埋φ120UPVC管)。

4.4 施工安全

超前探水鉆孔應(yīng)設(shè)置孔口管和水封裝置，遇高壓水時能阻止水從孔口噴出，并能對鉆孔實施注漿封堵。

由于隧洞埋深較大，較大范圍洞段存在高承壓水，且補給較為充分，盡管開挖施工過程中采取超前探水和超前預(yù)注漿阻水措施，但發(fā)生意外突涌水的情況依然可能出現(xiàn)，且探孔涌水、爆破鉆孔涌水難以避免。為避免意外突涌水給隧洞施工帶來災(zāi)難性的損失，隧洞施工排水系統(tǒng)應(yīng)配備足夠的排水容量。

4.5 安全監(jiān)測

全斷面監(jiān)控量測，包括一次支護變形(頂拱下沉、水平變位)及襯砌底拱抬動。并對量測結(jié)果及時整理與分析。分別繪制時間-變形曲線，及時作出應(yīng)急預(yù)警。當(dāng)變化速率過快、過大，或當(dāng)位移-時間曲線除險返彎點時應(yīng)停止左右，撤離人員，確保施工人員安全。

除險安全墻與襯砌洞段間一次支護設(shè)置變形監(jiān)測及拱架的盈利監(jiān)測。

4.6 除險安全墻拆除及后續(xù)施工

觀測半個月后，洞內(nèi)出水量減少并穩(wěn)定至70m3/h，變形穩(wěn)定，拆除除險安全墻并進(jìn)行后續(xù)施工。

為了不對已澆筑混凝土洞段造成破壞，除險安全墻的拆除應(yīng)采用非爆破開挖方式。

除險安全墻后突涌水段回填混凝土拆除施工每循環(huán)爆破不得超過1m，開挖完成后立即對一次支護背后空腔采用C30合成纖維混凝土進(jìn)行回填以及時封閉巖面。同時，在塌腔內(nèi)預(yù)埋φ63鋼花管，花管長度根據(jù)塌腔深度埋設(shè)，且入巖深度不小于50cm，間排距1.5m。

對侵占二次襯砌厚度的一次支護進(jìn)行換拱施工，拱架割除前需對割除部位以上30cm打設(shè)一對φ63，L=4.5m鎖腳錨管，確保一次支護穩(wěn)定。利用換拱臺車從小里程向大里程逐環(huán)進(jìn)行，對每環(huán)的拱架置換應(yīng)遵循先墻后拱的原則。換拱完成后對中、下臺階拱腳各補打1對φ63，L=4.5m鎖腳錨管。

爆破開挖完成后每2-3m通過預(yù)埋回填注漿管進(jìn)行徑向注漿，注漿需將一次支護后空腔回填混凝土密實后方可進(jìn)行下一循環(huán)施工。

5 結(jié)語

本工程因前期已對預(yù)想能遇到的各種突發(fā)情況均做了應(yīng)急預(yù)案并進(jìn)行了相關(guān)演練，本次突涌水發(fā)生時，及時啟動應(yīng)急預(yù)案，進(jìn)行了應(yīng)急處理，后續(xù)處理措施及施工方案也保證安全通過了該突涌水洞段，相關(guān)經(jīng)驗可為類似工程做參考。