大涌水反坡长大隧洞快速施工技术

邱冬梅，向 前，刘朝建

(中国水利水电第九工程局有限公司，贵阳，550081)

隧洞地下水的处理是隧洞施工的一大技术难点。尤其是大涌水条件下的反坡隧洞，水流不能沿隧洞自由排出，需要借助水泵进行抽排。基于施工安全因素的考虑，在对隧洞地下水的处理方式上，目前已建工程更多采用以堵为主的方式，这对于涌水量少、涌水洞段不长、工期宽裕的隧洞比较容易做到。而对于涌水量大、涌水洞段长的隧洞，通过以堵为主，既要达到安全可靠，又要满足工期要求，却非易事。本文针对小浪底引黄工程地下泵站交通洞，介绍了如何在大涌水的条件下，“以排为主、以堵为辅”，辅以其他技术措施，实现反坡长大隧洞安全掘进，并做到快速施工，以供类似工程参考。

1 工程概况

1#交通洞进口位于板涧河左岸，洞口高程290.5m，末端连接地下泵站安装间，终点高程223.5m。1#交通洞全长1103.394m，净断面尺寸为7m×8m(宽×高)，城门洞型，最大开挖净断面8.4m×9.2m(宽×高)，其中土洞段长85m，最大纵坡8.0%，高差67m。

1#交通洞岩层主要为白云质灰岩、泥灰岩，洞口部位主要为炭质页岩、砂质页岩夹灰岩、薄煤层，岩层倾向隧洞出口；围岩以Ⅳ、Ⅴ类为主，围岩自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏都可能发生，局部为Ⅲ类围岩。大部分洞段处于地下水位线以下，开挖揭露的岩溶形态主要以溶蚀裂隙为主，伴有溶孔、溶洞等。由于岩溶裂隙很发育，侧向补给富足，施工过程中涌水量极大，最大排水量可达4万m3/天。

2 主要难点分析

(1)隧洞涌水大、地质条件差，反坡度抽排水难度大、安全风险大

根据1#交通洞地质勘查情况以及实际开挖揭露的围岩及涌水情况，1#交通洞具有“大断面、反坡、围岩地质条件差、涌水量大”等特点。根据前期1#交通洞隧洞开挖施工经验，掌子面涌水是导致隧洞无法正常掘进的主要因素，由于隧洞地质条件差，隧洞涌水防治工作复杂、难度大。在隧洞开挖施工过程中，必须着重研究隧洞涌水的抽排方案，形成一套完善的隧洞涌水抽排措施。根据前期施工过程对涌水抽排的试验、总结，1#交通洞涌水抽排的总体思路为“掌子面预留台阶、临时集水井汇集涌水、移动集水井接力抽排、固定集水井排出洞外”的三级抽排方案。同时，由于隧洞存在断面大、地质条件差、涌水量大的客观因素，在总体抽排方案确定后，抽排设备按照预定方案进行配置，过程中必须严格执行，后期变动和更改将造成进度及经济上的较大损失。

(2)隧洞受大涌水影响，采用常规的全断面开挖方式施工，进度缓慢

在开挖过程中若遇到掌子面裂隙发育及涌水点时，由于隧洞断面大，掌子面揭露的出水点较一般隧洞多，另外由于裂隙连通性好，涌水量较大。施工过程中采取常规的钻爆开挖方法，则开挖进度无法满足工期要求，对于大涌水、地质情况差的隧洞施工，工期越长，风险就越大。因此，必须对隧洞开挖方式进行研究，总结出一套适用于大涌水、反坡长隧洞开挖的施工方法。

(3)隧洞开挖掘进风险大、大涌水淹洞风险高

由于隧洞围岩条件差、地下水丰富，在开挖过程中极易出现突发性大涌水，若应急措施准备不足，极易在短时间内造成淹洞。而一旦淹洞，如果洞内作业人员逃生不及时，将会出现安全事故。洞内所有水泵、配电柜、变压器、应急柴油发电机、钻爆台车、开挖出渣等无法及时撤离的机械设备也将被淹。另外，隧洞断面大、围岩条件差，隧洞被淹后抽排时间长，且围岩经长时间浸泡后极易出现二次变形，给隧洞后期开挖施工带来极大的安全隐患。为此，必须采取合理措施，从工程技术及管理上降低隧洞淹洞风险，确保隧洞开挖掘进施工安全。

3 施工对策

3.1 排水方案

3.1.1 总体抽排水方案

1#交通洞总长1103.394m，反坡洞段为8%的坡度，反坡段长度751.67m，反坡段隧洞首末形成洞内外60.13m的高差，造成抽水扬程较高，施工过程中排水困难。结合1#交通洞现场施工情况，根据交通洞隧洞长、坡度陡、高差大的特点，1#交通洞抽排水系统由设在隧洞沿线的固定泵站、移动泵站及掌子面排水泵等三级排水设备设施组成，采用集水井集水、分级接力反坡抽排的方法进行排水。同时，考虑到掌子面的水泵需要频繁移动和安装，为方便施工，掌子面宜采用大流量，重量轻的水泵，当掌子面的潜水泵无法将水直接抽至固定集水井时，需要增设移动集水井，通过安装在移动集水井的水泵将水抽至固定集水井，对于长期渗水较大的渗水点，同样设置移动集水井，将水抽至固定集水井内。

由于隧洞存在断面大、地质条件差、涌水量大的客观因素，在总体抽排方案确定后，抽排设备按照预定方案进行配置，排水方案一旦确定后若更改，将造成二次开挖集水井或更改隧洞内已布置的抽排水管路，并导致掌子面停工，造成进度及经济上的较大损失，为此施工过程中必须严格按照方案执行。

3.1.2 隧洞反坡排水

施工过程中采取分段开挖反坡，采用长距离管道配合水泵收集涌水。用掌子面潜水泵将开挖面的积水抽到移动泵站集水坑内，通过移动泵站将涌水抽排至固定泵站，固定泵站利用大功率的水泵通过排水管道将水排到洞外。

1#交通洞首末形成的洞内外高差为60.13m，为了减少集水井设置数量、减少抽水人员、设备布置数量，利于综合管理，降低成本，根据隧洞内外高差参数，整个隧洞共设置2个一级固定泵站。在固定泵站与掌子面间每隔120m设置一个二级移动泵站，掌子面涌水采用潜水泵抽排至二级移动泵站，在达到预定的固定泵站位置后，即可设置固定泵站，将移动泵站抽排水设备安装于固定泵站或迁移至后续洞段。掌子面排水泵与移动泵站达到120m时，即可设置移动泵站，三级泵站布置见图1、图2。

图1 三级泵站抽排水布置剖面图

图2 三级泵站抽排水布置平面图

3.1.3 抽排水水量

3.1.3.1 掌子面排水量

1#交通洞围岩以Ⅳ、Ⅴ类为主，局部为Ⅲ类围岩。大部分洞段处于地下水位线以下，由于开挖揭露的岩溶形态主要以溶蚀裂隙为主，伴有溶孔、溶洞等。由于岩体风化程度随埋深的加大由强到弱，断层带的风化作用明显加剧，风化厚度和风化程度受地形地貌影响较为明显，随高程增加而风化加深。岩体的透水性与其风化程度密切相关，强风化岩体一般为强透水性，弱风化岩体一般为强～中等透水性，微风化岩体为以弱～中等透水为主。岩体的透水性主要受控于岩体风化卸荷、构造裂隙的发育程度等，透水性一般随深度的增加而减弱，随岩体风化程度的减弱而变小。

在开挖过程中围岩内裂隙水通过岩层间裂隙形成涌水通道，逐渐汇集，并在裂隙发育的洞段集中涌出。由于隧洞溶蚀裂隙的发育、涌水侧向补给富足、并且隧洞为反坡，伴随着掌子面的掘进，导致涌水基本沿着隧洞的掘进而跟随掌子面涌出。为此，隧洞掌子面后方的沿程地下水可直接引流至附近固定泵站和移动泵站排出，不汇集到掌子面，掌子面排水量主要参考瞬时突发涌水。

掌子面施工工序中，出渣时段，石渣装载作业时无法进行抽排水，积水达到一定深度则无法装渣，需开始抽排积水，抽排水强度必须大于出水量。抽水作业对放炮、通风、出渣、打孔的作业工序均有影响，为保证隧洞总体施工工期，安装的抽排水设备必须考虑最大瞬时突涌水量，并保证在突发情况下在1～2个小时内甚至更短时间排出。为此，掌子面的抽排水能力必须大于出水量的两倍，并且在隧洞开挖支护各工序施工过程中均不断抽水。根据1#交通洞前期开挖施工经验，掌子面涌水深度控制在30cm高度以内对隧洞开挖施工不影响，否则各工序降效明显；涌水超过60cm将无法施工。

在开挖过程中，由于断层破碎带影响，1#交通洞掌子面多处出现瀑布状、喷射状涌水，其中在交通洞0+885.6、0+445、0+856.4、0+875.9、0+880掌子面最大抽排水量已分别达到了300m3/h、333m3/h、350m3/h、400m3/h、600m3/h。

3.1.3.2 移动泵站排水量

移动泵站主要汇集掌子面抽排而来的涌水，各阶段排水量按掌子面排水量叠加沿程稳定涌水量确定，掌子面桩号在交0+235～交0+355桩号、交0+595～交0+715桩号、交0+835桩号，移动泵站排水量分别达到了1200m3/h、1200m3/h和1400m3/h。移动泵站的排水量按照掌子面涌水量进行确定。根据现场设计情况，移动集水井排水量详见表1。

3.1.3.3 固定泵站排水量

隧洞固定泵站按照设计最大涌水量乘以保证系数进行配置，抽排水设备根据隧洞设计涌水量以及管道最大排水量进行选型。1#交通洞在0+475、0+715布置有两个一级固定泵站，根据设计涌水量，固定泵站排水量详见表1。

表1 固定泵站、移动泵站的排水水量

3.1.4 管道选型

抽排水管道结合固定泵站与移动泵站进行选型，为减少安装拆卸工作，固定泵站与移动泵站为同一管道，区别仅在于管道上多安装临时闸阀。考虑到采购以及安装难度，结合排水水量，选取经济流速为1.6m/s的DN425钢管。掌子面排水考虑方便移动，采用铠胶管，管径根据水泵的型号选用。

3.1.5 水泵选型

水泵按正常工作20h能排尽隧洞24h总涌水量进行配备，同时考虑扬程、工作环境的要求进行型号选择。并且为减小设备采购和运行维护难度，应尽量减少水泵配置的型号，固定泵站扬程高、水量大，水泵优先使用便于安装、运行和维修的离心泵。同一型号的主排水泵要多安装1～2台备用水泵，以便检修和应急。移动泵站的扬程相对较小，普通离心泵或多级泵均可满足要求。同时，为充分利用抽排水设备，在移动泵站水泵实际安装过程中，可安装固定泵站用的水泵，在隧洞掘进至固定集水井位置时，将移动泵站的水泵直接安装在固定集水井，避免抽水设备二次单独采购。掌子面水泵在选型时，主要考虑铠胶管(临时抽排管路)大小、挖掘机吊运水泵安装的便捷性、水泵频繁移动的方便性、掌子面临时集水井大小等因素综合考虑，为此，掌子面尽量选择潜水泵。在安装排水管路时，排水钢管使用闸阀作为封头便于往前延伸管路时使用。每一个集水井和其他集中抽排点均要多设置4～5个预备的水泵接入接头，以备应急和突发排水时使用。

水泵的扬程计算主要考虑水位高差、沿程水头损失、局部水头损失进行综合计算，最终确定单级抽水水泵最小扬程。计算公式如下：

(1)水位高差h1=Z1-Z2(Z1：水泵出水口高程；Z2：水泵集水井高程)

(2)沿程损失hf=λ·l/d·v2/2g(λ：沿程水头损失系数；d：管道直径；l：流段长度；υ：断面平均流速；g：重力加速度)

(3)局部损失hm=ζ·v2/2g(ζ：局部阻力系数；v:平均水流速度；g：重力加速度)

(4)单级抽水水泵最小扬程H=1.1(h1+hi+hm)

水泵选型结果根据其安装位置计算后确定。

3.1.5.1 固定泵站

1#交通洞内主管的水头损失约1.01m/100m，全长水头损失合计11.66m，隧洞内外高差60.13m，合计固定泵站的水泵扬程需大于71.79m。同时，为减少洞内集水井设置数量，减少抽排水人员、设备数量，并利于隧洞综合管理，降低抽排水成本，在隧洞内设置2个固定泵站，采取接力式抽排方式，单个固定泵站的扬程为44m。根据计算结果，选取ISW200-400(I)A型卧式管道离心泵，该泵扬程44m，流量374m3/h，功率75kW。

固定泵站尺寸按布置的水泵台数、水泵安装等因素进行开挖，固定泵站内设二级沉淀池。1#交通洞内固定泵站形式为城门洞型，尺寸为10m长×6m宽×5.5m高，露出地面部分高3.5m。

3.1.5.2 移动泵站

移动泵站抽水扬程为10.2m，采用DN425排水钢管(后期安装固定泵站时不用重新架设管路)，120m管道水头损失最大1.2m，采用200WQ250-15-18.5潜水泵，扬程为15m，流量为250m3/h，功率18.5kW。同时根据需要安装固定泵站使用的ISW200-400(I)A离心泵。

移动泵站在施工时，为减少集水井开挖工程量及后期隧洞衬砌时回填混凝土工程量。在移动泵站设置时，充分考虑现场施工需要和加快隧洞施工进度，移动泵站设置在隧洞边墙处，利用隧洞现有空间将移动泵站布置为长条形，并在集水井前端设置拦沙坎，尺寸为10m长×1.5m宽×1m深。

3.1.5.3 掌子面

掌子面至移动泵站的长度随掌子面的延伸而变化，最大长度为120m，抽水扬程基本与移动泵站一致，为此配置两种类型的水泵供不同扬程时匹配使用。高扬程的100QW87-28-15型潜水排污泵，每台抽水能力100m3/h，扬程28m，功率15kW，重量约为180kg；低扬程的100QW65-15-5.5型潜水排污泵，排水能100m3/h，扬程15m，功率5.5kW，重量约为120kg；对于集中涌水较大的部位采用200WQ250-15-18.5大流量潜水泵配合抽排。

根据上述泵站水泵的选型，按掘进至终点时的最大排水能力，排水设备的配置见表2。

表2 排水设备配置

上述水泵以及管路配置可以根据地下水的实际出水情况进行安排，一、二级泵站的水泵和管路综合布置，基本采取同一套管路，在后期掌子面开挖至固定泵站位置后将二级泵站(移动泵站)管路与固定泵站管路相接即可抽水，避免重新二次架设管路。

图3 1#交通洞洞内各集水井布置

3.2 大涌水反坡长隧洞开挖

3.2.1 总体思路

根据本工程地质特点及工期要求，确定了整体思路为“强排为主”。大涌水需要水泵及时向洞外排水，选用合理的水泵型号能够在很大程度上节约抽水成本，在涌水条件下进行反坡隧洞开挖时，地下水主要集中于开挖掌子面底部，给开挖工作增加了很大难度。常规的隧洞开挖主要为全断面一次开挖，由于掌子面涌水影响，需每轮开挖后均设置掌子面临时集水坑放置水泵抽水，且掌子面临时集水坑随着隧洞每个循环掘进不断向前移动。为了解决大涌水对开挖作业面的影响，减少掌子面水泵移动频率，加快施工进度，经项目部不断探索、总结开挖方法，最终提出底板预留3‰正坡，每10m段捡底开挖的方案。即利用钻爆台车顶部空间，造成底板欠挖，使掌子面涌水沿隧洞底板向掌子面移动集水井方向汇集，隧洞每完成4～5轮开挖后再进行隧洞底板捡底施工。隧洞底板预留正坡的开挖方式可避免每循环均移动掌子面抽排水水泵，临时集水井仅4～5轮开挖一次，减少了临时集水井的开挖工程量，较传统隧洞全断面一次开挖方式施工效率大大提高。

3.2.2 分层开挖

根据以往隧洞开挖施工经验，Ⅲ类围岩掌子面单循环2m～2.5m；Ⅳ类围岩掌子面单循环1.5m～2m；Ⅴ类围岩掌子面单循环0.8m～1.2m。1#交通洞开挖采取分层开挖方式掘进，掌子面共分上下两层，上半洞开挖进尺长度主要根据隧洞断面高度与隧洞坡度、半洞开挖台车尺寸间的比例进行确定，交通洞开挖台车高度6m，宽度7m。上半洞开挖高度8m～7.2m，下半洞开挖高度0～0.8m，在上半洞开挖过程中预留与掘进方向相反的3‰坡度以便于掌子面涌水向洞口方向汇集。为不影响掌子面开挖台车移动以及机械设备操作，掌子面涌水抽排尽量不占用隧洞结构断面，采取在边墙底部临时开挖小型集水井，放置水泵进行掌子面涌水抽排。

上半洞开挖过程中由于掌子面涌水向边墙临时集水井汇集，掌子面基本为无水状态，节约了各工序施工时间，在上半洞开挖掘进10m后进行下半洞捡底开挖。为缩短下半洞捡底造孔工序时间，施工时采用轻便型潜孔钻进行钻孔，一次装药爆破。隧洞分层开挖主要是为解决掌子面大涌水降效的难题，传统的开挖方式主要采取全断面掘进，涌水始终汇集在掌子面。分层开挖将涌水汇集到了距离掌子面较远的临时集水井，同时预留的下半洞开挖量较少，增加的下半洞捡底作业时间仅需一个循环即可完成，远小于较传统开挖方式涌水降效的时间，具体效率对比详见表3。

表3 全断面开挖与分层开挖效率对比

这一施工工艺在山西省小浪底地下泵站1#交通洞特大涌水条件下开挖施工中的应用，有效地避免了大涌水对开挖的大幅度降效影响。较常规的反坡隧洞每个循环进行降低的开挖方案，每开挖10m，Ⅲ类围岩效率提高23%，Ⅳ类围岩效率提高20%，Ⅴ类围岩效率提高17.6%。按照Ⅲ类围岩月进尺138m、Ⅳ类围岩月进尺96m、Ⅴ类围岩月进尺47m计算，Ⅲ类围岩每月提升进尺31.7m，Ⅳ类围岩每月提升进尺19.2m，Ⅴ类围岩每月提升进尺8.3m，综合平均月进尺提升19.7m。

3.2.3 隧洞掘进风险控制

由于隧洞涌水量大，在开挖过程中极易出现突发性大涌水，淹洞风险大。为保证隧洞安全掘进，在隧洞开挖研究中坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后掘”的总体思路，采取“以排为主、以堵为辅”的涌水治理思路。为此，在开挖过程中采取对隧洞进行超前补充地质勘查，探明围岩富水区及围岩裂隙发育情况，以地质勘查结果作为参考，在掘进时设置超前探水孔，同时为防止突水突泥事件，针对探测到的大的空腔体采取超前堵水灌浆进行封堵。隧洞超前探测共分为两部分：超前地质补充勘察探测及设置掌子面超前探水孔。

3.2.3.1 超前地质补充勘察探测

超前地质补充勘察探测主要采取隧洞地震波超前探测(TSP)和瞬变电磁法。地震波超前探测可对隧洞开挖掘进方向的断裂破碎界面和溶洞、岩溶陷落柱、淤泥带进行探测；瞬变电磁法可对隧洞开挖掘进方向的围岩富水情况及岩体裂隙、构造发育等进行探测，为隧洞开挖支护决策提供重要参考。

在1#交通洞开挖施工过程中对0+406桩号掌子面、0+501桩号掌子面进行了超前地质补充勘察探测，较为准确地提供了未开挖段围岩的地质情况。根据补充地质勘探情况，由于1#交通洞富水区域多，在隧洞抽排能力满足的条件下采取“强排为主、堵水为辅”的总体开挖方针。

R1：6～10m存在R1异常，分析为裂隙发育区

R1：掌子面前方5m存在反射界面，分析为存在裂隙。

图6 1#交通洞桩号0+406m掌子面瞬变电磁超前探测成果

图7 1#交通洞桩号0+501m掌子面瞬变电磁超前探测成果

3.2.3.2 掌子面超前探水孔

根据超前地质补充勘察探测成果，对掌子面富水集中段增设水平探水孔，水平探水孔布设在掌子面中部，探水孔个数一般1～3个，具体可根据实际涌水情况调整确定。在富水段布设的水平探水孔可兼做卸压孔和超前堵水灌浆时的灌浆孔，探水孔孔深15m～20m，孔径76mm。若在钻孔过程中出现掉钻等情况时，应停止钻孔，立即进行灌浆，完成后重新进行扫孔钻进。

3.2.3.3 超前灌浆

为加快隧洞开挖施工进度，在施工过程中对超前探水孔钻孔过程中遇到的特大涌水及溶洞溶腔进行灌浆，对较大涌水等情况在隧洞现有抽排能力满足的前提下，采用强排的方式进行隧洞施工。

对于特大涌水，灌浆采用纯水泥浆配合水泥+水玻璃双液浆灌注的方式依次进行灌浆，封堵后如果堵水效果不佳则另行钻孔，采用纯水泥浆+DS化学浆液进行堵水灌浆；对于溶洞溶腔则采取灌注水泥砂浆+水泥浆的方式进行回填封堵。

在超前预注浆过程中如果出现串浆或者漏浆现象，则采取多孔同时灌注、闸阀闭孔、填塞嵌入麻丝等方式进行处理，必要时可进行适当的C20喷射混凝土封闭的方法处理。对于不良地质洞段、围岩极差部位，在完成堵水灌浆后采用超前支护(超前注浆小导管、超前注浆管棚)结合系统支护加固围岩。

3.2.4 隧洞应急抽排系统

由于隧洞涌水大，若抽排水设备、电源等出现故障，洞内涌水将迅速上涨。为此，必须配备足够、且可靠的备用电源，并制定一套完善的抽排水管理制度、停电应急预案。1#交通洞在施工过程中，我部在洞口和洞内各设置有一台600kW的柴油发电机。同时考虑到隧洞总长度较长，洞内电压降较大。为此，利用洞内已开挖的闲置错车道，将变压器移进洞内，布置一台630kVA的箱式变压器。电网停电时，及时启动备用电源，保证洞内正常抽排水。

为尽量减少人为因素导致的淹洞事故，项目部制定了一套完善的停电应急预案以及洞内抽排水管理制度，遇到突发停电，立即启动应急预案。根据制定的应急预案，各施工作业面按照“领导班子带队总负责、各部门及施工队伍具体负责、全员出动保安全”的总体方针。项目部领导班子对口负责对应的施工作业面；各洞现场调度人员负责对外联系；电工负责备用电源启动与看护；物资部负责发电机柴油等物资供应；综合队、施工作业队伍及对口责任部门负责水泵抢险；安全部负责通知洞内作业人员，组织人员、机械设备撤离；综合办公室负责后勤。不论何时停电，项目部人员必须按照预案全部出动，保证隧洞安全。

在施工过程中加强洞内抽排水管理，对洞内抽排水人员进行培训，并安排熟练的抽排水工进行“师带徒”培训，并经考核合格才准许上岗。另外，项目部综合队负责日常的抽排水设备维护，调度室负责抽排水人员到岗、值班情况检查，对于上班睡觉等不负责任的抽水工予以罚款，严重者予以解除劳动关系。在过程中严格管理，确保不因人为因素导致隧洞被淹。

4 结语

传统的大涌水隧洞开挖均采用以堵为主，以排为辅的方式进行隧洞开挖，堵水施工时间长，不利于加快隧洞开挖施工。在山西省小浪底引黄工程施工Ⅰ标1#交通洞开挖施工过程中，通过对大涌水、反坡长隧洞的快速施工技术研究，提出了“以排为主，以堵为辅”的开挖方法，在洞内抽排能力富足的前提条件下，采取对洞内涌水进行强排措施，对特大涌水、溶洞溶腔等不良地质段进行灌浆封堵，保证隧洞安全。隧洞分层开挖、反坡排水的方式克服了大涌水对隧洞开挖掘进的影响，缩短了每循环施工时间，加快了施工进度，为小浪底引黄工程提前进入地下泵站开挖施工创造了有利条件，大大提升了施工进度，节省了施工成本。