深埋长隧洞工程全阶段渗控体系研究

闫尚龙 孙 云 刘博伟 向天兵

(1.中国电建集团 昆明勘测设计研究院有限公司, 昆明 650051;2.云南省滇中引水工程有限公司, 昆明650051)

随着西南地区水利水电工程、跨流域调水工程的建设,水工隧洞的建设数量逐渐增多.由于地质条件复杂,在施工过程中经常会遇到许多不良地质问题,如围岩稳定问题、高外水压力问题、涌水突泥、有毒有害气体等,严重影响施工进度,增加工程造价,甚至会造成人员伤亡.其中,高外水压力是影响隧洞开挖过程中围岩稳定及衬砌结构稳定的关键因素之一[1].

目前,众多学者对水工隧洞渗流机理和渗控措施进行研究.应宏伟等[2]基于镜像法对水下隧洞渗流场进行分析,得到了渗流场的分布规律及解析解;周利等[3]提出透水衬砌渗流-应力-损伤耦合算法,对高压水工隧洞的衬砌渗透孔压演变特征进行研究;林太清等[4]基于离散单元法,对高压隧洞裂隙岩体的渗控效应进行模拟,得到了裂隙岩体优势渗透路径及渗控效应规律;黄红元[5]采用有限差分数值模拟法对不同形状的隧洞渗流进行三维数值模拟分析,得到隧洞的渗流规律;王克忠等[6]基于锦屏二级水电站工程,对深埋引水隧洞高渗透压问题进行模型试验;庄锦彬[7]基于流固耦合模型试验,对隧洞衬砌背后存在厚度不足时的渗流特性进行研究;Li等[8]采用复变分、镜像和轴对称建模方法对海底注浆隧道稳态渗流问题进行解析求解,并讨论了在数值模拟中选择边界条件对渗流场的影响;崔皓东等[9]采用三维有限元精细模拟技术对深埋洞室群围岩渗流场进行研究,发现采用防渗帷幕和排水孔幕组合防渗体系对衬砌开裂状态下的高压渗水有显著控制作用;葛金花等[10]采用ANSYS软件建立局部隧洞三维模型,发现透水衬砌能很好地防治高外水压力,大幅度减小外水压力;程普等[11]对白鹤滩水电站地下厂房层间错动带渗控措施的研究,发现截渗洞和帷幕灌浆能有效截断渗漏通道,排水降压效果显著;Yu等[12]通过保角映射和分离变量法推导出隧道二维稳态渗流场的显式分析解,发现隧道衬砌中以拱底为中心均匀布置排水孔可有效降低衬砌水压.

本文基于云南省滇中引水工程,结合施工过程中遇到的不良地质问题解决方法,建立了一套适用于渗流场动态演化的高外水压力条件下深埋长隧洞工程全阶段渗控体系.

1 基本理论

滇中引水工程输水总干渠沿线地质构造背景复杂,断裂和褶皱构造发育,岩溶地层分布广,隧洞高外水压力洞段(大于1 MPa)长约68 km,局部地段洞顶水头超过10 MPa,深埋长隧洞工程普遍存在以下工程地质问题:1)岩溶富水地层隧洞涌水问题;2)过区域断层、构造破碎带隧洞涌水突泥和活动断层结构适应性问题;3)高外水压力洞段;4)地下水水质污染、地表存在污染源、对地表用水户影响问题.针对隧洞工程的不同实施阶段,考虑地下水渗流场动态演化,梳理不同实施阶段高外水压力条件下深埋长隧洞工程的渗控措施,建立一套适用于渗流场动态演化的高外水压力条件下深埋长隧洞工程全阶段渗控体系,如图1所示.

图1 高外水压力条件下深埋长隧洞工程全阶段渗控体系研究框架图

1.1 开挖前渗控设计

隧洞工程开挖前根据断层洞段围岩变形破坏危险等级划分标准(表1)和隧洞涌突水灾害危险等级划分标准表(表2),综合评定出隧洞过断层、构造密集带围岩稳定及涌水突泥综合防治措施分类(表3).

表2 隧洞涌突水灾害危险等级划分标准表

表3 隧洞过断层、构造密集带围岩稳定及涌水突泥综合防治措施分类表

根据隧洞过断层、构造密集带及涌水突泥风险综合防治分类及风险因素,隧洞开挖前主要采取以下防治措施(超前堵水灌浆为主).

1.1.1 A1类处理措施

洞周及掌子面超前灌浆堵水兼顾加固围岩.A1类洞段涌水突泥问题最为突出,且多存在断层、构造密集带围岩稳定问题,采用超前灌浆堵水兼顾加固围岩,洞周及掌子面进行超前灌浆,灌浆孔的布置以浆液扩散不出现空白为原则;掌子面喷混凝土封闭,采用玻璃纤维锚杆工艺进行注浆加固,以提高土体的抗侧压能力;超前支护用顶拱超前大管棚+超前小导管注浆加固;根据开挖揭露地下水情况必要时进行超前排水降压;预留隔水岩柱.

1.1.2 A2类处理措施

边顶拱超前灌浆加固围岩.A2类洞段涌水突泥问题不突出,主要是断层、构造密集带围岩稳定问题,采用超前灌浆加固围岩,边顶拱进行超前固结灌浆,灌浆孔的布置以浆液扩散不出现空白为原则;掌子面喷混凝土封闭,采用玻璃纤维锚杆工艺进行注浆加固,以提高土体的抗侧压能力;超前支护:顶拱超前大管棚+超前小导管注浆加固;根据开挖揭露地下水情况必要时进行超前排水降压.

1.1.3 B1类处理措施

洞周超前灌浆堵水兼顾加固围岩.B2类洞段涌水突泥问题较突出,部分洞段还存在断层、构造密集带围岩稳定问题,采用超前灌浆堵水兼顾加固围岩,洞周进行超前堵水灌浆,灌浆孔的布置以浆液扩散不出现空白为原则;掌子面喷混凝土封闭,采用玻璃纤维锚杆工艺进行注浆加固,以提高土体的抗侧压能力;超前支护:顶拱超前大管棚+超前小导管注浆加固;根据开挖揭露地下水情况必要时进行超前排水降压;预留隔水岩柱.

1.1.4 B2类处理措施

B2类洞段涌水突泥风险不大,主要是断层、构造密集带围岩稳定问题.掌子面喷混凝土封闭,采用玻璃纤维锚杆工艺进行注浆加固,以提高土体的抗侧压能力;超前支护:顶拱超前大管棚+超前小导管注浆加固.

1.1.5 C、D 级洞段类处理措施

对地表水存在疏干影响洞段采用以下措施:限量排放,局部集中渗水点布置堵水灌浆进行封堵,并按相应围岩等级进行一次支护;对断层、构造密集带围岩稳定C级风险洞段顶拱用超前小导管注浆加固.

1.2 开挖及一次支护渗控设计

滇中引水工程深埋长隧洞工程在隧洞开挖及一次支护完成之后,针对隧洞沿线局部或散状出水点,根据洞室围岩加固、洞室变形处理或地下水治理需求,可在隧洞衬砌前实施径向固结灌浆,主要制定以下渗控措施:

对涌突水灾害风险等级为C 级和D 级的Ⅳ类、Ⅴ类和Ⅴ(特)类围岩进行径向固结灌浆;施作径向固结灌浆无法成孔时,可采用超前小导管进行径向固结灌浆加固;支洞与主洞交叉口由于开挖过程多次扰动,极易变形,受施工条件限制,不能及时进行二次衬砌,安全风险较高,为确保围岩稳定和施工安全,支洞与主洞交叉口各向30 m 范围进行径向固结灌浆;灌浆压力综合围岩条件、地下水压力、支护情况等因素考虑,灌浆深度结合岩溶发育情况及外水水头进行综合考虑;短进尺、分台阶开挖,边挖边衬,在开挖过程中根据开挖揭露的围岩条件及时跟进一次支护措施,一次支护采用型钢支撑结合系统喷锚支护体系;对于IV、V 及V(特)围岩局部较差洞段,可局部加强一次支护或增加超前支护,如增加随机锚杆、顶拱120°～180°范围内增设超前小导管等措施;增加隧洞底板厚度;素混凝土垫层调整为钢筋混凝土.

1.3 二次衬砌及固结灌浆渗控设计

为降低作用与隧洞衬砌结构外水荷载,避免因外水荷载导致加大衬砌厚度及配筋、造成投资大幅增加,根据地下水有无腐蚀性、地下水水质、隧洞排水对地下水环境的影响等因素将隧洞划分为以下几类:排水洞段、限制排水洞段及不排水洞段.针对不同洞段的渗流控制进行分类设计:

1)排水洞段

适用于地下水水质不存在污染因子洞段、地下水对混凝土或钢筋无腐蚀性洞段、隧洞穿越的地层无膨胀岩(土)洞段、隧洞排水对地下水用水户及地表库塘河渠无影响洞段.采用平压型衬砌(Ⅱ、Ⅲ1为减糙衬砌);结构缝设橡胶止水一道,仅对Ⅴ类围岩边顶拱进行加固型固结灌浆,为减小作用于衬砌上的外水压力,衬砌结构均采用透水衬砌,即在衬砌结构顶拱设排水孔.

2)限制排水洞段

适用于地下水对混凝土或钢筋腐蚀性洞段、隧洞穿越的地层膨胀岩(土)洞段、隧洞排水对地下水用水户地表库塘河渠有影响洞段.采用承压型衬砌,对于外水水头大于50 m 的洞段设少量排水孔释压,同时在衬砌外根据外水荷载大小设置不同防渗固结灌浆圈减少排水量及外水荷载;结构缝设铜止水及橡胶止水各一道.外水压力p＜0.5 MPa洞段:仅对Ⅴ类围岩边顶拱进行加固型固结灌浆,不设排水孔;外水压力p≤0.5 MPa洞段:全断面进行固结灌浆,设排水孔释压.

3)不排水洞段

适用于地下水水质存在污染因子及水腐蚀洞段.采用承压型衬砌,在喷混凝土表层喷一层水固化聚氨酯防水涂料,混凝土衬砌内表面均涂水固化聚氨酯防水涂料,衬砌外表面设置HDP 防水板,且在防水板外侧铺设缓冲层无纺土工布,衬砌结构缝处设铜止水及橡胶止水各一道;结构缝采用聚硫密封胶进行充填,外水压力p＜0.5 MPa洞段:仅对Ⅴ类围岩边顶拱进行加固型固结灌浆,不设排水孔;外水压力p≤0.5 MPa洞段:全断面进行固结灌浆,在衬砌与防渗固结灌浆圈间顶拱设横向和纵向排水引排释压.

2 工程案例

滇中引水工程昆明段龙泉隧洞全长9 218 m,设计流量80 m3·s-1,龙泉隧洞穿越I级区域性断裂—铁峰庵断裂(F28),主断裂带宽度约87 m,含影响带总宽度约414 m,且地表新发现旁侧次级断裂3条,并下穿小(二)型水库—松林水库.该段围岩类别为极不稳定的V(特),断层构造带围岩稳定风险为A 级(极高风险),涌水突泥风险为B级(高风险),单位长度最大涌水量20.15～25.61 m3·(d·m)-1,同时存在不小于0.5 MPa高外水压力,预测最大外水压力0.63 MPa.龙泉隧洞过铁峰庵断裂及松林水库段带平面布置如图2所示,龙泉隧洞过铁峰庵断裂及松林水库段地质构造如图3所示,龙泉隧洞与松林水库三维关系如图4所示.

图2 龙泉隧洞过铁峰庵断裂及松林水库段平面布置图

图3 龙泉隧洞过铁峰庵断裂及松林水库段地质构造图

图4 龙泉隧洞与松林水库三维关系图

龙泉隧洞过铁峰庵断裂及松林水库段存在的主要地质问题:围岩稳定问题突出,为围岩变形破坏极高风险区(A),存在严重～极严重挤压变形问题;存在高外水压力问题及断层破碎带涌水突泥风险;下穿松林水库,具备铁峰庵断裂F28沟通隧洞的条件,水库向隧洞产生渗漏的风险较大,隧洞施工降水和围岩变形破坏均可能引发地基沉降和变形问题,同时还具有围岩大变形、涌水、突泥、塌方、冒顶等地质灾害风险.

针对龙泉隧洞过铁峰庵断裂及松林水库段存在的地质问题,保证隧洞围岩稳定,严格控制隧洞排水,避免隧洞施工对水库的扰动和对水环境的不良影响.在隧洞施工过程中采取以下措施:

1)开挖前渗控设计

①超前地质预报:用长短结合的超前地质预报,预测措施为地质素描、TSP 或TRT(100 m)、地质雷达(15～30 m)、红外线探水或瞬变电磁(20 m).

②超前支护:主断裂带在顶拱180°范围采用超前大管棚及超前小导管支护;影响带在顶拱120°～180°范围采用超前大管棚及超前小导管支护.

③超前预加固:主断裂带采用全断面超前灌浆,掌子面玻璃纤维锚杆注浆加固;影响带采用洞周超前灌浆.

2)开挖及一次支护渗控设计

①开挖:采用微台阶开挖、控制爆破及机械开挖掘进.

②一次支护:主断裂带和影响带采取挂网喷混凝土、系统锚杆、钢支撑、底板设素混凝土垫层设置、预留变形量、视情况施做边顶拱径向固结灌浆等措施.

3)二衬及固结灌浆渗控设计

①衬砌及衬后灌浆:该段隧洞属于限制排水洞段,为承压型衬砌,地下水存在敏感因子,结构缝设铜止水及橡胶止水各一道;仅对Ⅴ类围岩边顶拱进行加固型固结灌浆;设排水孔释压,仅穿透衬砌结构.

②安全监测:加强隧洞施工过程中围岩变形观测,每5米设置一个变形观测断面,及时埋设监测设施,加强洞内外安全巡视,做好施工过程中影响取证.

③地下水监测:根据区段工程地质与水文地质条件、需要监测的项目以及各类监测方法的适宜性等,确定监测的主要方法为:钻孔地下水水位长期观测、地表水体、泉点定期巡视巡查,地下水涌水量监测.

通过长短距离超前地质预报、常规地质预报与专项地质预报结合及对比分析,有效预见及降低了隧洞开挖风险;采用控制爆破及机械开挖掘进,主断裂带按照三台阶法施工,有效控制了隧洞施工过程中岩体扰动;落实超前堵水措施后,隧洞施工中多以顶拱滴渗水为主,未发生涌水突泥事件,出水量未超出抽排水能力,未对地下水及地表库塘造成不良影响;采取加密大小管棚等超前支护和加强钢支撑等措施后,围岩得到有效加固,施工过程中除局部掉块和垮塌外,无大规模塌方问题;采取各项开挖支护措施后,隧洞围岩变形受控,依《滇中引水工程昆明段施工3标龙泉隧洞进口施工安全监测月报》显示,龙泉隧洞过铁峰庵断裂洞段洞身周边收敛累计值为2.9～18.5 mm,拱顶下沉累计值为3.0～18.3 mm.

3 结论与展望

本文基于渗流场动态演化的高外水压力下深埋长隧洞工程不同实施阶段所采取的渗控措施,建立一套适用于高外水压力条件下深埋长隧洞工程全阶段渗控体系,针对隧洞开挖前、开挖及一次支护、二衬及固结灌浆3个阶段进行不同的渗控设计.将该渗控体系应用于云南省滇中引水工程龙泉隧洞下穿铁峰庵断裂及松林水库段,得出以下结论:1)能够有效预见降低隧洞开挖风险,控制围岩变形速度;2)能够避免隧洞涌突水以及隧洞施工对水库的扰动和对水环境的不利影响;3)对隧洞工程进行全阶段的渗控设计,可以减少工程事故的发生,有效保证施工安全及工程进度.

深埋长隧洞工程全阶段渗控体系可以有效解决隧洞开挖过程中遇到的问题,不仅适用于水利工程中深埋长隧洞的开挖,对于铁路隧道、地下深埋隧洞及海底灌浆隧道等工程也有一定的参考价值.