某输水隧洞工程突涌水除险处理

闵建忠

(陕西葛洲坝延黄宁石高速公路有限公司，陕西 西安 710065)

1 工程概况

某输水隧洞其中一个标段全长4.5km，钻爆法施工。隧洞坡比为1.7‰，平底同心圆断面。除洞口段为明洞外，其余均采用一次支护体系和二次衬砌组合的复合式结构，即由钢拱架、锁脚锚管、喷射混凝土等组成的一次支护，模筑钢筋混凝土组成的二次衬砌。该隧洞埋深大、水文地质条件非常复杂，围岩类别以V类围岩为主，施工难度很大，存在多种施工风险。

2 突涌水情况

2.1 发生时间过程

在施工过程中，某桩号段边墙出现拱架受力、喷混面破裂剥落等异常情况。随后，该桩号段右侧60°角范围出现多点喷射状股状水，喷混面被破坏，下部底部未封闭的钢拱架被挤出，出水较混浊，夹带砂砾，估测总涌水量150～180m3/h。8h后，出水呈灰白色，带有少量泥砂，出水量无明显变化。

次日，总涌水量呈缓慢减小趋势，估测涌水量80～100m3/s，涌水中泥沙含量也有减小。但右侧60°范围再次出现喷射状股状水，喷出距离约4m，后渐变为岩壁流水，水量随时间有减小迹象，掌子面左右侧近边拱处有连续漫流水出露。

第三日，掌子面左右侧近边顶拱流水点流量增大，总涌水量呈减小趋势，估测涌水量约50m3/h，涌水较清澈。下午15：00，某一桩号中、下台阶连接处喷射股状涌水，共计2次，间隔约5min，喷射的水质较混浊，呈黄色。

第四日，掌子面处拱部11：00、1：00方向出现两处股状流水，水压水量无法检测，主要出水点水量、水压没有明显变化，水质由较清澈变化为浅黄色、混浊，夹带粉细砂、泥，含沙量检测比重分别为0.42%、0.24%、0.14%；粒径小于1mm；流量135～150m3/s，水温19℃。

自发生突涌水以来，估测总涌水量120～180m3/s，水质含砂量最大达到0.5%。发生突涌水桩号段，仰拱初始抬动约9cm，累计抬动最大处18.9cm，核心土上抬近60cm。现场监测观测显示，涌水流量为130～180mm3/s，水质含砂量最大达到5‰，近20m范围内仰拱上抬最大达18cm，核心土台阶发生隆起变形约60cm，涌水点沿洞轴线和环向均发生多次变化。

2.2 突涌水段地质条件

2.2.1地层岩性

发生突涌水位置附近的主要地层为第三系地层与志留系地层，主要岩性及性状特征如下：

第三系(N1+2)地层主要岩性为砂砾岩；灰白色，厚层-巨厚层状构造，泥钙质中等胶结，砂为中-粗砂，砾石含量约50%，粒径一般0.5～3cm，偶见最大8cm，次圆状。

志留系地层(S2j1)地层岩性为砂质泥岩、砂岩；暗红色，泥质结构，薄层状构造，砂岩岩石坚硬，砂质泥岩岩石强度低，局部呈泥状。

2.2.2地质构造

主要为上第三系地层与志留系地层的不整合接触带。不整合面不规则，总体走向为NW310°∠SW20°～30°。接触面下部的志留系地层岩性变化频繁，主要为砂岩及砂质泥岩，岩石强度差异较大，岩体破碎。

2.2.3水文地质

第三系地层与志留系地层的不整合接触带揭露初期未见地下水出露，洞壁多以干燥-潮湿为主。根据地表钻孔及洞内垂直钻孔勘探成果，志留系地层内赋存在有高水头的裂隙承压水(在不整合接触面以下10～13m揭露承压水)。

根据前期勘探成果判断，该桩号段间的志留系承压含水层内水力连续密切，地下水储量丰富。初步判断主要接受工程区东侧地下含水层的补给，向西径流过程中受到第三系相对隔水层的阻隔而形成了高承压水。

3 突涌水原因分析

输水隧洞已施工开挖揭露的第三系地层中未见大流量的地下水活动。在涌水段附近的多个钻孔中均在志留系地层中揭露了高水头承压水，因而可以判断地下水的来源为下部志留系地层中的裂隙承压水。

隧洞突涌水段可能发育有与深层高水头承压水相连通的裂隙获破碎带，被细颗粒物质填充，透水性相对较弱。隧洞开挖后，在洞壁面位置形成临空面，裂隙或破碎带的细颗粒物质在下部或前方的高水压力作用下逐渐被破坏、运移，形成了渗流通道。随着洞内地下水的涌出，充填在裂隙或破碎带内的细颗粒被带出，渗流通道逐渐畅通，导致深部的承压水大量涌出，形成了突涌水。

4 突涌水应急抢险处理

4.1 方案概述

首先加固尚未封闭成环的钢支撑，在掌子面前设置混凝土除险安全墙，墙内回填混凝土并预埋灌浆管，将下游侧已变形洞段和掌子面封闭于除险安全墙中，待充填物及除险安全墙达到一定强度后，对前方实施超前预注浆。在除险安全墙施工时，同步进行前方洞段侧顶拱的二次混凝土衬砌。

4.2 临时支撑

临时支撑采用横、竖焊接相连的HW150型钢，自上游向下游逐步推进；每次试作洞段长度不大于2m，在确保已试作临时支撑洞段安全后再继续向前推进。

4.3 除险安全墙设计

目前下游工作面施工采用3台阶开挖，上台阶长3.5m，高1.77m；中台阶长5.5m，高1.77m；下台阶长9m，高2.7m。

出水点桩号距掌子面账号8m，因突涌水桩号段已设立临时横、竖支撑，且已持力，再拆除将造成隧洞失稳，故除险安全墙位置的选择在满足后期施工空间前提下，尽量靠上游布置，布置在距掌子面桩号前20m处。

除险安全墙采用现浇混凝土平面式，为了使混凝土尽早具备承载能力，采用纳米硅粉纤维混凝土。厚度根据经验公式计算：

式中，B—混凝土除险安全墙厚度，m；K—安全系数一般取1.0～2.0；当除险安全墙等效半径小于2.0m时，K取1.6；当除险安全墙等效半径等于2.0m时，K取1.6；当除险安全墙等效半径大于2.0m时，K取2/3；ω—作用在墙上的载荷，ω=PS/MN，P为灌浆压力/MPa，S为除险安全墙的面积/(m2)；b—除险安全墙的宽度，m；h—隧洞的高度，m；[σ]—混凝土允许抗压强度，MPa。

计算得B=1.14m，取B=1.2m。

除险安全墙施工顺序为：设置排水孔(利用现有出水点适当加深，采用C20混凝土封闭其周边，适情况可增设排水孔)-接长排水管(将现排水钢管接长至除险安全墙附近)-安装孔口管(在接长后的排水管上游段加装孔口管，孔口管为φ108mm的无缝钢管，长度3.5m，孔口管埋入深度不小于3.2m，外露300mm，以便于注浆施工)-除险安全墙基础处理(首先，清理除险安全墙位置内的一切杂物，并在其周边打设径向锚杆，锚杆长度5.5m，间距1m，入岩长度4.5m，外露1.0m。无法清理部位采用块石料挤淤。边向基础部位填充块石，边向其中灌注M20砂浆。并加φ50钢花管作为灌浆管，待砂浆达到一定强度时对其进行充填灌浆，灌浆压力0.2～0.3MPa。)-除险安全墙下游回填混凝土(除险安全墙基础处理的同时，在其下游侧混凝土混凝土，并在不同层高设置灌浆钢花管，管径108mm。在原超前预注浆中心孔位置埋设5根钢花管，在右侧大变形部位拱顶、拱腰和底部各埋设一根钢花管。钢花管前期作为排水管、灌浆管，后期作为超前预注浆钻孔预埋管。108mm钢花管外露段加装孔口管及高压闸阀。前期抢险临时支撑不拆除，以确保除险安全墙施工期间的洞室稳定。)-绑扎钢筋(为了加快施工进度，采用φ25单层钢筋，将其布置于上游侧，并与周边锚杆焊接。每0.5m布置一根长6m的L型φ25钢筋，洞轴线方向长5.5m，垂直于洞轴线方向长0.5m。短边与除险安全墙焊接，长边伸入下游侧回填混凝土中。间距0.5m，排距0.4m。)-架立外模-浇筑混凝土(混凝土采用纳米硅粉混凝土，内掺聚丙烯粗纤维，没方掺量9kg。为了防止除险安全墙周边漏水，在其周边预埋灌浆管。拌制时加入适量外加剂以使混凝土早强、高强。待混凝土强度达到设计强度的75%后方可开始钻孔注浆施工。)-回填灌浆-安装高压闸阀-超前预注浆(先进行生产性试验灌浆，根据确定的灌浆参数和推测的不整合接触面形态，调整灌浆孔布置，实施超前预注浆。在超前预注浆钻孔部位预埋φ120UPVC管)。

4.4 施工安全

超前探水钻孔应设置孔口管和水封装置，遇高压水时能阻止水从孔口喷出，并能对钻孔实施注浆封堵。

由于隧洞埋深较大，较大范围洞段存在高承压水，且补给较为充分，尽管开挖施工过程中采取超前探水和超前预注浆阻水措施，但发生意外突涌水的情况依然可能出现，且探孔涌水、爆破钻孔涌水难以避免。为避免意外突涌水给隧洞施工带来灾难性的损失，隧洞施工排水系统应配备足够的排水容量。

4.5 安全监测

全断面监控量测，包括一次支护变形(顶拱下沉、水平变位)及衬砌底拱抬动。并对量测结果及时整理与分析。分别绘制时间-变形曲线，及时作出应急预警。当变化速率过快、过大，或当位移-时间曲线除险返弯点时应停止左右，撤离人员，确保施工人员安全。

除险安全墙与衬砌洞段间一次支护设置变形监测及拱架的盈利监测。

4.6 除险安全墙拆除及后续施工

观测半个月后，洞内出水量减少并稳定至70m3/h，变形稳定，拆除除险安全墙并进行后续施工。

为了不对已浇筑混凝土洞段造成破坏，除险安全墙的拆除应采用非爆破开挖方式。

除险安全墙后突涌水段回填混凝土拆除施工每循环爆破不得超过1m，开挖完成后立即对一次支护背后空腔采用C30合成纤维混凝土进行回填以及时封闭岩面。同时，在塌腔内预埋φ63钢花管，花管长度根据塌腔深度埋设，且入岩深度不小于50cm，间排距1.5m。

对侵占二次衬砌厚度的一次支护进行换拱施工，拱架割除前需对割除部位以上30cm打设一对φ63，L=4.5m锁脚锚管，确保一次支护稳定。利用换拱台车从小里程向大里程逐环进行，对每环的拱架置换应遵循先墙后拱的原则。换拱完成后对中、下台阶拱脚各补打1对φ63，L=4.5m锁脚锚管。

爆破开挖完成后每2-3m通过预埋回填注浆管进行径向注浆，注浆需将一次支护后空腔回填混凝土密实后方可进行下一循环施工。

5 结语

本工程因前期已对预想能遇到的各种突发情况均做了应急预案并进行了相关演练，本次突涌水发生时，及时启动应急预案，进行了应急处理，后续处理措施及施工方案也保证安全通过了该突涌水洞段，相关经验可为类似工程做参考。