新建输水隧洞受地下水影响下支护方式的改进分析

李万金

(新疆水利水电项目管理有限公司，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

某新建输水隧洞全长5.32 km，为无压洞，输水流量 0.37 m3/s，开挖断面形式3.0 m×3.3 m 城门洞型，衬砌形式为钢筋砼厚 0.3和0.35 m 两种，设计底坡1/2 000。 输水隧洞穿越的地层岩性主要为砂岩、砾岩及粉质黏土，初步勘察围岩类别为II～V类，其中输水隧洞进出口段围岩类别为 V 类，里程分别为隧0+040.00～隧0+280.00 m、隧4+630.00～隧 5+360.00 m，共计长度为 970 m。隧洞穿越II、III类围岩洞段，岩性为弱风化中砾岩、微风化泥灰质砂岩，岩石属于中硬岩-硬岩，隧洞岩性较好，地下水对施工影响较小。隧洞工程区地下水类型为第四系孔隙水及基岩裂隙水，在进出口洞段。勘察资料表明，隧洞进口段地下水位为 667.5～668.5 m，高于隧洞进口底板高程，施工期间地下水对施工影响较大，应考虑排水及围岩支护措施[1-2]。因此,本文针对输水隧洞进出口段围岩类别为V类围岩隧洞施工中的涌水量、支护及排水措施进行经验总结及研究[3]，供今后隧洞施工时作为参考。

2 地下水处理

2.1 涌水量计算

经对输水工程线路沿线走访踏勘，该新建输水隧洞(隧洞长5.32 km，最大埋深374 m)的隧洞洞身长、埋深大，地层岩性较繁多、地质构造复杂，沿线穿越河流及沟谷较多，地下水对隧洞施工的影响较大。本文针对输水隧洞进出口段围岩类别为V类的隧洞施工中涌水量，采用大气降水入渗估算法、正常涌水量经验公式及最大涌水量经验公式进行涌水量计算[4-6]。

1) 大气降水入渗法。公式如下：

Q=aFP/365

(1)

式中：Q为隧洞涌水量，m3/d；a为大气降水入渗系数，取10%；F为隧洞影响带汇水面积，按隧洞两侧各400 m计；P为大气降水量，当地年平均降水量上限，根据水文资料，计P=1 058 mm。

2) 正常涌水量经验公式。公式如下：

Q=LkH(676-0.06k)

(2)

式中：Q为隧洞涌水量，m3/s；L为输水隧洞长，m；k为含水体的渗透系数(按各隧洞勘探钻孔压水吕荣值平均值换算)，m/d；H为洞底以上潜水(含水体)的厚度(按分段地下水位线以下至隧洞底板厚度)，m。

3) 最大涌水量经验公式。公式如下：

Q=L(0.025 5+1.922 4kH)

(3)

式中：各物理量含义同式(2)。

现根据上述3种公式计算输水工程线路该隧洞的施工涌水量，见表1。

表1 输水隧洞的施工涌水量估算表

2.2 现场涌水量量测

工程隧洞底板高程低于附近村庄河道及居民水井高程(表2)，再加上隧洞岩石裂隙较为发育，隧洞开挖后，附近村民水井、河道水位均下降，水流流向隧洞内，洞内渗水、涌水量大，最大涌水量达到 504 m3/h。隧洞内涌水量通过污水泵外抽，流量计量测，结果见表3。

表2 输水隧洞进出口高程值

表3 输水隧洞施工涌水量统计

采用流量计测得水量与经验公式计算得到的隧洞施工涌水量值大致相同，进出口段涌水量多，开挖后工程区附近河道、水井水位下降，严重影响河道、水井水量，也影响了隧洞正常施工，花费了大量的财力、人力和物力来处理地下水和加固围岩，同时也影响了施工进度。本文除采用常规地下水处理措施外，重点对隧洞支护进行研究。

2.3 地下水处理措施及效果

2.3.1 地下水处理措施

按照“封、堵、截、排”的原则，对隧洞进出口地下水进行处理，具体处理措施如下[7-8]：

1) 进出口开挖及地下水处理应遵循“先探后掘、以堵为主、堵排结合、可控排放、择机封堵”的原则。

2) 进出口段开挖前应采用超前孔探明掌子面前方地下水的活动规律，测定漏水量、压力，防止突然涌水。

3) 将补给水源(河道、水井)截断，利用横向排水通道、侧导洞、集水井、抽水泵、打探孔或平行支洞等手段排除地下水，降低地下水位及封堵难度。

4) 采用超前固结灌浆等手段降低其渗透性或形成帷幕阻水。

5) 对出口段的开挖，应根据探明或揭露的地下水分布情况，分别采用超前灌浆、堵水灌浆或先分流导水后期封堵灌浆等措施，以免影响隧洞掘进进度。

2.3.2 处理效果分析

经过以上地下水处理措施处理后，施工过程中隧洞内没用出现较大的涌水及突泥情况，洞壁有渗水，进出口呈线状流水，水量较小，处理效果显著。再次采用流量计量测隧洞进出口处水量情况，结果见表4。

表4 处理前后进出口涌水量对比表

3 支护型式改进

3.1 原支护型式

进口V类围岩洞段、出口V类围岩洞段(隧5+155.00～隧5+360.00)长205 m，原支护采用“注浆小导管超前支护+工12.6钢拱架喷10 cm砼+C25钢筋砼厚35 cm”，出口V类围岩洞段(隧4+630.00～隧5+155.00)长525 m，原支护采“网喷砼厚10 cm+砂浆锚杆+C25 钢筋砼厚 30 cm”，支护方式见图1。

施工中存在的问题：①开挖后洞顶岩体破碎掉块，地下水涌入隧洞，使边墙岩体变软，排水后隧洞围岩仍坍方严重；②原支护措施网喷砼挂网困难，喷砼随岩体掉下；③工12.6钢支撑刚度小，其强度不能维持围岩稳定，使断面变形严重，喷10 cm砼不能与衬砌紧密结合。

3.2 改进的支护措施

隧洞进出口 V 类围岩洞段改进支护措施有两种：第一种在出口V类围岩洞段(隧4+630.00～隧5+155.00 m)改进为“注浆小导管超前支护+工14钢拱架喷 14 cm砼+系统锚杆+C30钢筋砼40 cm”；第二种在进口段、出口V类围岩洞段(隧5+155.00～隧5+360.00)改进为采用工14钢支撑结合系统锚杆支护，喷C20砼14 cm厚，衬砌厚度加大为50 cm，并结合超前高压预灌浆进行掘进，局部掉块严重地段挂钢筋网，高外水头洞段考虑排水后进行固结灌浆。改进后的支护措施见图2[9]。

图2 改进后的支护措施图

支护方式改进后，对隧洞进出口开挖洞段及时支护，可以保证围岩稳定，断面变形也随之变小。尽管在工程投资上因钢支撑、钢筋砼及固结灌浆量的增加而增大，但是改进的支护措施不仅保证了开挖后围岩稳定时间，确保了施工安全，而且因施工进度加快，缩短了工期，可以加快工程效益[10]。

3.3 工程投资对比和效益分析

3.3.1 投资对比

新建输水隧洞工程建设总投资4 400万元，支护措施改进后增加工程投577.51万元。主要增加投资体现在钢支撑、锁脚锚杆、钢筋砼、固结灌浆等工程量方面，同时还有新增加的超前支护措施(超前小导管、超前灌浆孔等)，占总投资的 13.1%。支护形式改变前后工程量变化的项目情况见表5和图4。

根据表3和图4结果对比可知，支护措施改进后，除Φ6.5钢筋网制作及安装费用比原来减少16.16万元，其余投资比原来均有所增加。钢支撑投资增加122.63万元，这是由于采用钢支撑代替挂网锚喷C20砼的支护方式；同时，石方洞挖、钢筋砼的投资增加均在100万以上，超前支护措施投资增加35万左右，固结灌浆投资增加30万元，支护组合形式改进后比改进前增加577.51万元。改进后的支护设计在很大程度上解决了该隧洞开挖后因岩体节理裂隙发育、围岩破碎导致的洞顶坍塌、掉块及开挖过程中遇到的涌水、突泥导致隧洞变形破坏问题，改进效果显著。尽管支护形式的改进增加了工程投资，但使得工程施工更安全，工程进度加快。支护改进的合理与否，应进一步进行工程效益分析[11]。

表5 支护形式改变前后工程量及投资变化对比表

图3 改进前后的主要工程量投资对比表

3.3.2 效益分析

该输水隧洞输水流量 0.37 m3/s，全年总供水量1 166.8 m3，主要供水范围为平泉县城中心城区，供水对象为居民生活用水、公用建筑、工业企业、市政公共设施以及瀑河生态及景观用水。规划城区近期、远期人口分别为13和20万人，平泉县水资源现状已经不能满足当前工业生产及人民生活所需，因此该输水隧洞供水迫在眉睫。采用改进的支护形式投资比原投资增加557.51万元，加上地下水抽水、排水等各种处理措施，投资增加约650万元。但是若按平均1.5元/m3水费计，输水提前完成4个月时间，便可产生650万元的效益。施工期，因排水支护措施增加的投资效益远远低于运行期产生的效益；相反，如因地下水影响施工使得工期延长，会产生更多的费用。

4 结论与建议

该输水隧洞已经施工完毕，实际施工中的支护形式与本文改进的支护措施存在差异。本文是作者在施工期间查阅读大量专著、规范，并根据自己的经验总结的支护形式，经过验证是可行的，现得到以下结论：

1) 长输水隧洞施工中，地下水涌水、涌泥等不良地质问题的处理会花费较长的时间，也会投入较多的人力、财力和物力，因此在施工前应花费更多的时间进行地质勘查。

2) 长输水隧洞在地质勘查期间，由于隧洞埋深较大，不能完全准确地确定工程地质条件。因此在设计中，对Ⅴ类及不良地质洞段应采取一定的排水、排泥沙及围岩支护措施，并计入工程投资。

3) 改进的支护措施可有效解决因地下水作用造成隧洞围岩洞顶及边墙坍塌、掉块问题，保证了围岩稳定，确保了施工人员和设备的安全。

4) 该输水隧洞若采用改进后的支护措施，通水后带来的效益远远大于施工期间因改进的支护措施产生的费用，提前进入供水会解决平泉县水资源供水不足现状，产生更多的经济和社会效益。