隧道及地下工程突涌水治理与工程实例

发布时间:2017-08-21

隧道及地下工程突涌水治理与工程实例

一、我国地下工程突涌水灾害现状

我国是隧道突涌水灾害最严重的国家之一，突涌水灾害所造成的人员伤亡和经济损失在各类隧道地质灾害中居于前列，不仅导致重大人员伤亡或严重工期延误，也对地表及隧址区水资源和环境造成了不可修复的污染和生态破坏。据统计，1988年以来修建的铁路隧道施工中70%遇到水害，涌水量在1×104m³/d以上有31座，造成停工的时间约占总工期的30%。在渝怀铁路（圆梁山隧道、武隆隧道、歌乐山隧道等）、成昆铁路（沙木拉达隧道等）、京广铁路（大瑶山隧道、南岭隧道等）、宜万铁路（马鹿箐隧道、野三关隧道等）、大秦铁路（军都山隧道、秦岭隧道等）等铁路工程建设中均发生过重大突水突泥灾害，以世界上最难建设的山区铁路——宜万铁路为例，在建设过程中多条隧道发生重大突水突泥灾害，马鹿箐隧道施工中先后发生19次严重的突水突泥灾害，瞬间突涌水量创世界铁路建设之最，其中2006年1月21日与2008年4月11日的两次特大突水突泥灾害共导致15人死亡，野三关隧道于2007年8月5日突发大型突水突泥灾害，致10人死亡。在水利水电工程方面，有些隧洞埋深已突破2000m，具有“高水压、大流量、高地应力”的显著特点。锦屏二级电站辅助洞、输水隧洞最大埋深超过2500m，施工中遭遇多次高压大流量突涌水灾害，水压超过10MPa，流量超过7m³/s，最大地应力接近70MPa，严重影响了施工进度。地下工程突涌水的具体危害如下：

（1）造成人员伤亡和经济损失

一般来说，当隧道修建过程中发生较大规模突涌水灾害时，常伴随涌泥、涌砂，从而淹没隧道、冲毁机具，轻则中断施工，重则造成隧道废弃易址，更甚者会造成重大的人员伤亡。

图1 锦屏电站辅助洞高压大流量突水

图2 宜万铁路野三关隧道突水

（2）诱发地面附带地质灾害

地下工程修建过程中发生地质灾害引发的深部扰动往往波及地面，从而诱发地面附带的地质灾害，诸如地面塌陷、陡坡滑移、地表沉降等。

图3 沪蓉线齐岳山隧道涌水与地面塌陷

（3）破坏水资源系统的平衡

隧道突涌水将不可避免地引起地下水循环系统的紊乱，短时间内大量动力势能的释放打破了水资源系统的原有平衡，主要表现在水资源枯竭和污染两方面。

图4 某隧道开挖前后地表水形态

（4）其他潜在性危害

由于突涌水灾害极大程度上改变了围岩应力状态和地下水动力循环系统，其危害性远远高于爆发初期的假象，潜在的灾害仍难以预料，诸如突水通道二次突水、季节性蓄水构造复活以及区域性应力突变等。

二、地下工程突涌水灾害的分类与综合治理技术体系

1. 含导水通道类型划分

含导水通道是隧道与地下工程突涌水灾害发生及治理的关键环节，也是难以探查及查清的因素，多数突涌水灾害正是导水通道认识不清所致。从突涌水灾害治理角度出发，综合考虑涌出物特征及含导水通道空间特征，含导水通道具体划分如表1所示。

表1 突涌水灾害含导水构造类型划分

2. 突涌水灾害类型划分

工程中发生频率高、治理难度大的四种突涌水类型包括：节理裂隙型突涌水、富水断层破碎带突涌水、管道型突涌水及微孔隙与微裂隙型突涌水。

（1）节理裂隙型突涌水（图1）

在漫长的地质历史时期经历多期次、多种地质构造作用以及风化作用、开挖扰动作用，地下工程岩体显著特征是在原生结构面（成岩裂隙、层理面、不整合面）的基础上，广泛发育构造裂隙、风化裂隙及扰动裂隙。各类型结构面的存在降低了岩体强度和完整性，若沟通围岩中存在含水层或含水体，则将产生突涌水灾害。

图1 节理裂隙型突涌水

（2）富水断层破碎带突涌水（图2）

当地下工程穿越无充填或胶结程度较差的断层破碎带围岩时，由于断层破碎带导水性极强，极易发生突涌水灾害，严重影响地下工程施工安全。断层突涌水灾害是地下工程建设与运营过程中最常见的水害类型，也是影响隧道正常、安全开挖的主要因素之一。断层含导水性是影响地下工程突涌水规模及强度的重要因素。原始应力状态下，断层含导水性主要受制于断层力学性质和两盘地层岩性影响，此外断层面所受应力状态、断层活动次数和序次、断层破碎带胶结物性质与程度等因素对其亦有较大影响。

图2 富水断层破碎带突涌水

（3）岩溶管道型突涌水

岩溶管道涌水是我国岩溶地区地下工程施工建设中面临的主要水害类型，由它带来的一系列地质工程问题对地下工程具有极强的控制性和危害性。岩溶地区地下工程施工过程中，常常揭露隐伏的岩溶管道、地下暗河或溶洞溶腔，有时甚至揭露成片分布的岩溶管道网络，地下水将涌入地下工程。在岩溶地区修建隧道、水电站、跨流域调水以及深部矿产等地下工程时所遇到的大型地质灾害中，以岩溶管道涌水水害最为严重。

图3 管道型突涌水

（4）微孔隙与微裂隙型突涌水

微孔隙砂岩具有孔隙率高、孔径微小、结构复杂及储水能力强的特点（图4）。孔隙既是储水介质，又是导水通道，是隧道与地下工程建设中重要的含水层之一，当地下工程揭露含水层时，地下水以微孔隙为导水通道，呈大面积散状涌水，严重影响工程安全建设与正常运营。

图4 孔隙岩体特征

3. 涌水灾害综合治理技术体系

突涌水治理技术体系可概括为“四因素与四过程”。即突涌水治理中始终贯穿着技术可行、经济合理、环境保护、工程安全四个因素；突涌水治理从技术流程上分为查清水文地质条件、探明含导水构造特征、制定灾害治理方案、检查评估治理效果四个过程。针对“四因素与四过程”，将突涌水综合治理技术体系的核心分为多元信息融合分析、信息化动态调控、协同防治、效果科学评估四个部分。

三、工程实例—隧道岩溶管道与裂隙水治理工程实践

1. 湖北齐岳山隧道工程概况

齐岳山隧道全长4080m，为分离式双向四车道特长公路隧道，地面高程1386~1750m，隧道最大埋深约354m。隧道穿越地层为：三叠系嘉陵江组、大冶组灰岩；二叠系吴家坪组灰岩夹页岩、煤层；长兴组白云岩。隧道穿越齐岳山背斜及两条断层，岩溶十分发育，隧道开挖已揭露多个溶洞及多条暗河，尤其出口右洞存在严重的岩溶突水问题。

齐岳山隧道出口右洞段处于嘉陵江组二段灰岩中，岩溶强发育，主要以岩溶管道及岩溶裂隙形式存在。红椿槽槽谷是其重要的补给区，岩层倾角大约在50°左右，有较大的汇水面积且地表降水易顺层而下，渗入隧道，从而使隧道成为新的地下水排泄口。

2007年12月23日，出口右线掌子面（YK329＋272）打炮孔时，发生炮孔涌水，喷距达到3m；2008年3月初发生一次较大规模的涌水，存在边墙和底板两个出水点，估计涌水量大于500m³/h，最终水量大致稳定为300m³/h；2008年3月28日，掌子面（YK329＋094）左拱脚处揭露一个小型溶洞，边墙上揭露一处岩溶裂隙，初步判断二者存在紧密的水力联系。隧道具体涌水点的分布如图5所示。

图5 右线隧道涌水点简图

2. 工程难点

（1）齐岳山隧道顶板上方不存在较大的暗河系统，基本不存在大规模的突水、突泥威胁，但由于具备一定静储量水体的充水溶洞等含水构造存在，施工过程中可能会因突然揭露而造成突水突泥灾害。

（2）齐岳山隧道位于季节交替带中并且由于溶洞、岩溶管道、裂隙极其发育，在顺坡施工的情况下不会造成较大水害威胁，而反坡施工则要保证充足的排水能力，否则极易发生隧道淹没。

（3）已经揭露的马槽洞暗河主河道，距离隧道底板仅有8m，在丰水季节，水位上涨会造成隧道的倒灌和淹没。

（4）根据隧道已揭露水害情况，管道型涌水和裂隙型涌水占主要部分，峰值涌水量高达1000m³/h，这成为反坡施工主要的困难。

3. 工程治理方案

1）注浆材料选择

（1）普通水泥浆

普通水泥货广价廉，结石体强度高，抗渗性能好，注浆工艺简单，易于操作，无污染。但其颗粒较粗，可注性较差，在细裂隙及粗砂以下岩土体中很难注入，凝胶时间长且难以准确控制，初期强度低，浆液易沉淀析水，易被水稀释，稳定性差。

（2）双液浆

C-S双浆液凝胶时间可调，结石率可达100%，早期强度较高，可注性好，材料来源丰富，价格低廉，但是它需采用双液注浆系统，工艺复杂，操作困难，而且其后期强度不能得到有效保证。

（3）马丽散浆

马丽散注浆材料具有高度黏合力和很好的机械性能，其凝胶速度快、反应时间短、强度高，反应中具有一定的挂壁能力，不容易被急速水冲散，在封堵高压急速水流工程上较其他注浆材料具有一定的优势，但其反应时间受浆液温度、水温以及水速的影响比较大，对现场封堵的注浆参数的调节要求比较高。

2）注浆量估算

注浆量指单孔注浆量，按假设浆液在地层中均匀扩散，注浆量参照下式计算：

Q＝πR²Lnαβ

式中：Q——浆液注入量，m³；

R——浆液有效扩散半径，取R＝2.5~3.0，m；

L——注浆段长度，m；

n——围岩孔隙率，按地质资料；

α——浆液充填系数，取0.8；

β——超耗系数（含超注、跑冒消耗），取1.2~1.5。

在岩溶发育区及断层破碎带，注浆量不太符合上述公式，往往计算与实际出入较大，因而事前难以给出准确的数量，应以现场实际注入量为准。

3）注浆治理过程

根据围岩地质情况以及物探和钻探相结合取得的技术成果，将涌水区域分为单一涌水点、浅层裂隙破碎区和深层岩溶过水管道区。

（1）模带注浆封堵涌水点

水泥浆液添加GXJ-A添加剂通过模带形成一期堵头实现出水口封堵，对现有涌水点实现局部封堵引流。出水口预埋ϕ89mm 的引流管，引流管固定端大约4~5m，引流管加装抗压10MPa的孔口高压阀门。出水口封堵引流见图6。

图6 模带封堵涌水口示意图

模袋注浆具体实施过程：

①将预制好的模袋安装到注浆管上，并放置于围岩的裂隙中。

②将注浆管阀门打开进行排水，连接模袋注浆管路。

③按照一定配比使用GXJ-A型添加剂配合水泥浆填充模袋，将模袋完全鼓起，牢固地贴附在裂隙结构面上。

④充填模袋设计终压定为1MPa，具体施工中根据模袋抗压程度和施工要求确定。

（2）马丽散注浆封堵涌水浅层裂隙破碎区

由于浅层裂隙破碎区具有涌水流速大、涌水出露面广的特点，造成水泥浆液不易沉积凝结，易导致跑浆漏浆严重，造成材料的浪费，所以采用马丽散速凝材料进行注浆封堵。注浆孔布置见图7。

图7 马丽散注浆孔布置示意图

（3）水泥浆封堵深部涌水构造

在实施马丽散浅层封堵后，使用凝胶速度快、早期强度高的水泥改性基材料进行水泥深部注浆封堵。注浆过程中，采用先稀后浓的方式进行，保证水泥的注入率和浆液的扩散范围。水泥注浆过程见图8。

图8 水泥注浆过程

深部注浆孔的选择根据钻孔揭露裂隙的情况确定，选择水泥深部注浆孔的依据为：

①钻孔直接揭露裂隙，并且涌水量较大，能够占到总涌水量的50%以上。

②钻孔围岩较为完整坚硬，否则需要人工处理。

③钻孔揭露裂隙的深度要达到3m以上，能够保证止浆岩盘的应有强度和满足高压注浆和浆液充分扩散的要求。

④钻孔要穿过尽可能多的涌水裂隙，保证封堵效果。

4. 工程治理效果

（1）注浆后取芯后观察，浅层裂隙被马丽散反应生成的聚合物密实填充胶结，深部裂隙被水泥密实填充胶结。注浆封堵效果见图9。

图9 注浆封堵效果

（2）采用4m检查孔，没有发现钻孔有涌水的现象发生。

（3）注浆封堵完成后单点渗水量不超过3L/s。

（4）通过上述标准认定注浆堵水施工结束，达到预期目标。