深埋硬岩长隧洞高压地下水控制技术研究

■ 中铁十八局集团第五工程有限公司 张诗雨

深埋特长隧洞是指埋深超过400m、长度10km以上的隧洞。随着我国水利水电工程的发展，深埋长隧洞大量出现，单洞长度已由20世纪80年代的10余km发展到现在的80余km。隧洞工程地质条件日趋复杂，不良工程地质问题已成为工程的重要制约因素。因此，勘察、认识与评价这些问题以及采取正确的工程对策十分重要。

本文以四川锦屏二级水电站引水隧洞为工程背景，基于引水隧洞埋深大、水压大、涌水多、处理难度大等特点，提出了“先易后难、先排后堵、兼顾其他、综合治理”的“择机封堵”地下水处理基本原则，归纳了以地下水渗流路径查探、施工分流孔、灌浆封堵为主的高压大流量地下水处理关键技术，通过引水隧洞揭露出的高压地下水三种形态实例，分析采用不同封堵方案，总结出行之有效的引水隧洞高压地下水处理经验，以供参考。

1.工程概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州，是雅砻江干流上的重要梯级电站。水电站枢纽主要由首部拦河闸、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成。引水隧洞长约16.67km，断面为马蹄形，洞径13m，上覆岩体埋深1500m～2000m，埋深大于1500m的洞段占隧道全长的73.1%，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点。引水系统中四条平行布置的引水隧洞平均洞线长度约16.7km，由于引水隧洞工程地下水发育，突涌水点多，具有高压性、突发性、流量大的特点，因此面临众多施工重难点。其中，高压大流量地下水择机封堵，尤其是对突涌水点进行系统封堵是该工程的难点之一。

2.地下水处理基本原则

先易后难：当引水隧洞同时存在不同水压或不同水量的出水部位时，应先从较易处理的小水量或低水压部位开始进行处理，然后向大水量高水压部位进行处理。

先排后堵：对水量较大或水压较高部分处理地下水时，宜先有序引排，合理设置泄水孔，分散释放涌水点的流量和压力；当水量水压有所降低时，再封堵原有位置出水点。钻孔引排方式可根据富水区域岩石完整性选择。当岩石完整性良好时，应从富水岩石内直接钻大孔引排；当岩石较破碎时，宜从远端打深孔引排。

兼顾其他：地下水处理过程不单单是处理强富水部位，这样会导致别处水压提高，进一步导致水量增大或出现新的出水点等情况。因此，必须根据富水地区出水量和水压情况，综合考虑附近隧道段，兼顾其他部位进行预处理，防止出现“堵西墙、漏东墙”的事故，增大处理难度。

综合治理：应综合考虑引水隧洞所处水文地质条件，结合锚杆、挂网和喷射混凝土等支护手段，采取灌浆封堵、围堰、抽排或直接截断前方来水等多种辅助处理措施。

3.高压大流量地下水处理关键技术

3.1 施工方法

3.1.1 渗流路径查探

首先应使用大口径潜孔钻、液压钻机或地质钻机尽可能多且深地随机钻孔，埋入耐压钢管，探查涌水范围，查清渗流路径。根据钻孔返水、水量大小、水压强弱等特征，分析裂隙、岩溶管道贯通情况和渗水路径延伸方向等地下水流通情况。当引水隧洞发生高压大流量涌水时，安装法兰盖，实现可控引排；当深孔无渗水或少量渗水时，可进行灌浆封堵。

3.1.2 施工分流孔

当引水隧洞发生高压大流量涌水时，应先进行钻孔引排、分流降压，根据实际情况择机封堵。钻引排孔可采用φ89～φ150孔径潜孔钻在涌水点附近以一定孔距、倾斜角打孔，角度与岩面呈30°～45°， 将岩溶水和裂隙水由排水管排出，降低水量和压力。对未出水的钻孔，采用水泥浆液压式灌浆，如果冒浆明显，可在水泥浆液添加50%左右的砂进行灌浆处理。

3.1.3 主通道封堵

钻孔引排完成后，当分流孔水量和压力减小，主渗流通道尝试进行封堵操作时，采用一种特殊的纺织材料——模袋对主渗流通道进行封堵。模袋注浆后强度较高，施工方便，灌注成型快，且固化强度有所提高。模袋灌浆技术包括两种：单管模袋注浆法和双管模袋灌浆法。单管模袋注浆法只能形成止水屏障阻挡部分地下水，让大量高压地下水改道从其他部位渗流而出；双管模袋灌浆法有两根注浆管，一根用于水泥注浆形成模袋封堵地下水，另一根注浆管伸向裂隙部位，然后灌注或集中引排分流孔，引导地下水向分流孔流动，最后依次分散进行封堵。

3.1.4 灌浆封堵分流孔

将主渗流通道封堵完成后，其他部位分流空水量水压随之增加，在封堵周边分流孔时，所有引排孔阀门打开，需由近及远依次推进，观察串浆孔浆液达到一定浓度后关闭串浆孔。灌注方式由浅入深，逐步向深层出水孔扩散填充，实现相当深度的封堵岩溶水通道的目的，这样不仅可以加固围岩的完整性，而且能够切断引水隧洞与地下水的水力联系。

3.1.5 最后封堵

当其他分流孔封堵完成后，剩余最后一个封堵孔应设置为大且深的分流孔，采取注浆埋管入岩2m以上的深埋钻孔，为防止高压水涌出后安装法兰盘阀门困难，在封堵其他分流孔之前即应该安装，终孔灌浆开始灌注时，起始压力宜小于0.4MPa，观察有无串浆现象，若灌注压力上升且串冒浆严重时，采用螺旋砂浆泵将掺入一定比例纤维的水泥砂浆进行灌注；若灌注压力稳定且明显串冒浆时，则在水泥砂浆掺入一定比例水玻璃灌注；当压力持续上升时，停止添加掺入材料；当出水位置分流孔无串冒浆时，可采用比例为0.5～1.0的水泥砂浆，最大压力为3MPa～4MPa，尽量使水泥浆液扩散，封堵隔离地下水渗流通道。

3.2 灌浆技术参数

3.2.1 选择灌浆压力

分流孔设置完成后，经现场涌水压力测试，当水压力小于3MPa时，在选择灌浆压力上应约为涌水压力的1.5～2倍；当涌水压力大于3MPa小于6MPa时，灌浆压力可为用水压力的1.2～1.5倍；当涌水压力大于6MPa时，灌浆压力比涌水压力大3MPa～4MPa即可。

3.2.2 选择灌注浆液及比例

灌注浆液选用方面应以水泥和水泥砂浆为主，必要时辅助纤维、麻丝、水玻璃等辅助材料。水泥浆液采用0.5：1、0.8：1和1：1三种比例，特殊浆液可使用0.8：1的比例。

3.2.3 结束标准

在设计灌浆压力下，当吸浆量小于5L/min时，继续灌注10min堵漏灌浆即可结束；第二次当吸浆量不大于3L/min时，继续灌注10min堵漏灌浆可结束。灌浆结束后，采用浓浆置换孔内稀浆的方法对灌浆结束的空洞进行封孔。

3.3 安全质量控制方法

3.3.1 地下涌水安全控制

从引水隧洞现场揭露高压大流量突涌水位置情况来看，采用地下水超前预报，可以较准确地获得较大的水文构造，对于水压小或流量小的涌水位置探测难度较大且准确性较低。因此，现阶段提高涌水突水的预报准确性有利于提前定位高压大流量地下水的位置，采取相应预灌浆加固处理，可以避免隧洞开挖时大流量涌水的情况发生。当遇到大流量涌水时，不应贸然进行堵水，应结合排水通道，保证高压涌水自然流通，才能有条件处理涌水，确保开挖的顺利进行。针对不同揭露涌水形态和类型，需要采取不同的“择机封堵”方案，在可能发生高压涌水位置需提前预留泄水孔，避免未提前注浆时隧洞围岩受高压水压力发生大规模塌方或涌水。

3.3.2 混凝土衬砌渗水质量控制

衬砌渗水不仅影响美观，严重时可能导致钢筋锈蚀，整体力学性质遭到破坏，从而影响隧道安全及使用寿命。因此，首先要优化施工缝排水，施工缝横向施工缝未设有止水，最易发生渗水。针对此类情况，可采用在横向施工缝面预留一条纵向槽的引后排法及时排出渗水，降低施工缝处水压力。其次要采用合理的混凝土配比，提高和易性，增强混凝土抗渗性能，降低裂缝产生的概率。

4.引水隧洞高压涌水处理案例

辅助引水隧洞揭露出的高压地下水主要存在高压超前孔出水、钻孔高压涌水以及高压管道涌水三种形态，根据不同的高压出水揭露形态采用不同封堵方案。

4.1 超前孔出高压水

当超前钻孔位置出现大流量高压水时，应改变以往直接堵水的思路，首先考虑对高压大流量地下水进行引排，确保作业面的施工条件，当钻孔出水位置水量及压力降低后，考虑安装止浆塞封堵超前孔，然后采用双液浆进行灌浆封堵。

图1 分流孔施工示意图

图2 涌水处理导洞布置图

4.2 钻孔高压涌水封堵技术

当部分钻孔位置发生高压涌水现象时，应在离出水孔2m的位置选择适当角度打设直径为64mm的引流孔，在分流孔或炮孔安装止浆塞，如图1所示。用钢管引流使掌子面具备施工条件，高压涌水炮孔选用三臂钻+非中空止浆塞进行封堵，减压孔选用三臂钻+中空机械止浆塞进行封堵。当出水量减少到75%以上后，采用混凝土止水墙封堵掌子面，在隧洞洞壁、掌子面与止水墙相连接部位，使用化学浆液和水泥浆液封堵，待隧洞止水墙强度达到设计要求后进行超前注浆封堵。

4.3 高压管道涌水封堵技术

当管道地下水流量超过1.0m3/s时，直接封堵很难达到止水效果，可设置内埋压力钢管的引水导洞处理管道涌水，如图2所示。首先要在探明地下水补给区的基础上，在与引水隧洞管道高压出水点之间采用钻爆法开挖引水导洞，引水导洞开挖至一期混凝土堵头位置时使底板高于管道涌水水面标高，安装钢管及四通导流管；浇筑一期混凝土堵头，安装并打开高压阀门，采用2个大膜袋、6个小膜袋填塞缝隙；膜袋灌浆后，水位上升进入导流管，由此排出；再施工二期混凝土堵头，进行钢筋混凝土衬砌段的扩挖和初期支护以及二衬固结灌浆，关闭高压阀门，高压灌浆出水点，拆除高压钢管，完成封堵。

5.结论

隧洞地下水处理要根据高压地下水高压超前孔出水、钻孔高压涌水和高压管道涌水揭露形态，采取不同的止水方案。隧洞掌子面掘进与地下水的处理可同步进行，加快施工进度，使用常规钻孔灌浆设备，浆液材料就能满足地下水的处理要求，不仅对材料设备投入要求不高，还可以有效地解决引水隧洞的涌水问题，为后期施工创造条件。