丁亞龍，張 威，樊 敏，李 凱

（1.貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 550003；2.貴州省水利投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 550081）

隨著強(qiáng)省會(huì)戰(zhàn)略的實(shí)施， 貴陽(yáng)日益增長(zhǎng)的人口和輸配水不均衡狀況逐漸凸顯， 為此當(dāng)?shù)卣?guī)劃建設(shè)了包括本工程在內(nèi)的多個(gè)連通與輸水工程。 花南工程是以輸水為主的水利工程， 全線為鋼筋混凝土襯砌有壓隧洞，最大內(nèi)水頭44.2m，隧洞開挖斷面為4.2m×4.1m（寬×高）城門洞形。工程旨在向南郊、中曹水廠輸水，遠(yuǎn)期輸水量為13073萬m3/a，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模屬中型。

1 概述

本工程線路規(guī)劃階段， 受密集程度較大高層建筑物區(qū)、阿哈水庫(kù)飲用水源保護(hù)區(qū)域、穿越鐵路、花溪河等因素的影響，并盡量遵循線路短、節(jié)約投資的原則， 最終選擇線路自取水口 （1114.8m） 通過約11.5km輸水隧洞至終點(diǎn)南郊泵站（1100.9m）。

工程區(qū)地勢(shì)總體西高東低，中部地勢(shì)較平緩，多為溶丘洼地地貌，地形波狀起伏，殘丘低矮圓滑，呈饅頭狀，上覆不厚的殘積物；溶洼、溶斗星羅棋布（現(xiàn)多被人工填平），呈碟狀。 隧洞埋深15～85m，大部分埋深約40m；穿越地層由老至新分別為三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）、安順組（T1a）及中統(tǒng)花溪組（T2h）；巖層產(chǎn)狀總體較平緩，受構(gòu)造影響段產(chǎn)狀較陡，總體上洞軸線與巖層走向斜交，夾角15°～70°；洞身圍巖以微風(fēng)化～新鮮基巖為主，巖性以灰?guī)r與白云巖為主，夾雜少量泥質(zhì)白云巖，層厚總體較薄。 區(qū)內(nèi)發(fā)育螃蟹井、花溪等兩條斷層，其走向多為SN向，發(fā)育特征如表1。

表1 發(fā)育特征

2 水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)地下水按含水地層貯水空間的成因與特征，可分為碳酸鹽巖裂隙溶洞水（簡(jiǎn)稱巖溶水）、基巖裂隙水、松散巖類孔隙水3大基本類型。 地下水資源數(shù)量受氣候、水文網(wǎng)及地貌等自然因素控制，徑流循環(huán)條件，使地下水類型復(fù)雜化。主要補(bǔ)給來源為大氣降水，平面上自補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，地下水徑流量逐漸增大，以裸露型巖溶水最為顯著。河流侵蝕切割與地質(zhì)構(gòu)造、地貌條件相結(jié)合，區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄關(guān)系較復(fù)雜［1］。

工程隧洞圍巖以富水性強(qiáng)的碳酸鹽巖含水層巖組為主，洞身均位于穩(wěn)定地下水位以下，巖溶水是工程區(qū)最主要的地下水類型， 根據(jù)水力特征與賦存形式劃分為淺埋藏裸露型巖溶水， 地下水徑流模數(shù)為6.41L/s·km2。 區(qū)內(nèi)層狀地形發(fā)育，相對(duì)高差不大，線路于爛泥溝附近穿越花溪水庫(kù) （南側(cè)） 與阿哈水庫(kù)（北側(cè)）的區(qū)域分水嶺，附近地勢(shì)寬闊較平坦，有利于大氣降水補(bǔ)給； 長(zhǎng)期以來， 巖溶作用以水平方向?yàn)橹?，巖溶化程度較高且均勻，地下水水力聯(lián)系較好，利于形成水位不深、相對(duì)均勻的富水區(qū)。

通常情況下，分水嶺地區(qū)普遍巖溶發(fā)育強(qiáng)烈；線路于爛泥溝附近穿越花溪水庫(kù)（南側(cè)） 與阿哈水庫(kù)（北側(cè)）的區(qū)域地表分水嶺；途經(jīng)多個(gè)洼地、落水洞、巖溶漏斗、水塘等，呈串珠狀分布。 結(jié)合巖溶組合形態(tài)與巖溶泉出露規(guī)律， 認(rèn)為爛泥溝以南發(fā)育一暗河系統(tǒng)， 主流向?yàn)槭迳诨疖囌?（1168m）→貓洞（1140m）→杉樹林（1140m）→貴大西校區(qū)（第一出水點(diǎn)1125m）→螃蟹井（第二出水點(diǎn)1106m）；以北發(fā)育巖溶系統(tǒng)主流向沿花溪斷層兩支，由南而北延伸。

3 隧洞地下涌水的主要來源及特征

隧洞施工中， 斷層破碎帶、 節(jié)理裂隙密集發(fā)育帶、巖溶溶洞等薄弱部位易于涌水，常常伴有夾泥；由于泥砂的排泄，使得原空隙進(jìn)一步暢通，加劇涌水的發(fā)生， 進(jìn)一步襲奪臨近水系， 改變隧洞的地質(zhì)條件，影響隧洞施工。 受制于工程區(qū)的特有地質(zhì)條件，區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給來源主要有：地表水體、溶洞和暗河水、含水層水，前兩者對(duì)工程施工威脅最大。

3.1 地表水體

區(qū)內(nèi)地表水體包括花溪水庫(kù)、 水塘、 地面流水等； 花溪水庫(kù)的總體水量與水位受季節(jié)性變化與防洪調(diào)度等因素影響， 介于此水庫(kù)周邊出現(xiàn)間歇性水塘與泉眼， 可能是由于水庫(kù)水位的雍高抬升了地下水位露出水面所致；另外，區(qū)內(nèi)水塘、地面流水等水量受季節(jié)性變化明顯。

研究認(rèn)為，巖體完整情況較好的背景下，若垂距大于洞高的50倍以上， 地表水體對(duì)隧洞施工基本沒有影響。工程全線埋深均小于此值，地表水多分布于隧洞軸線附近范圍， 受花溪斷層與螃蟹井?dāng)鄬拥挠绊懀瑤r體局部裂隙發(fā)育，易形成與地表聯(lián)通的溶蝕通道，對(duì)施工影響很大，以隧洞進(jìn)口端最為顯著。

3.2 溶洞與暗河水

根據(jù)區(qū)內(nèi)可溶巖分布與地質(zhì)構(gòu)造， 結(jié)合隧洞高程，施工中遇到溶洞與暗河水的可能性較大，以推測(cè)爛泥溝以南暗河系統(tǒng)最為顯著。此暗河水量較大，補(bǔ)給豐富，附近可能分布較多巖溶通道，可視為其“支流”。施工中遇到此類水源體，或臨近水源體太近，靜水壓力超過巖體強(qiáng)度時(shí)， 地下水將突破巖體或直接涌入隧洞，形成強(qiáng)涌水。暗河的總水量也受季節(jié)變化影響，部分溶洞、洼地干旱季節(jié)可能無水，雨季由于排水不暢等原因造成充水狀態(tài)，對(duì)施工影響較大。

3.3 含水層水

隧洞施工中最常見的地下水來源為含水層水，即孔隙水（基巖裂隙水）；主要為大氣降水通過巖石或透水巖層，從被揭露的含水層進(jìn)入隧洞，地下水儲(chǔ)量由靜儲(chǔ)量與動(dòng)儲(chǔ)量組成。 隧洞揭露前賦存于含水層中的穩(wěn)定地下水為靜儲(chǔ)量， 大小由含水層厚度與裂隙、孔隙的數(shù)量與大小決定。 隧洞開挖后，隨著地下水的不斷涌出， 大氣降水與地表水體再次補(bǔ)給含水層的地下水為動(dòng)儲(chǔ)量。隧洞開挖早期，含水層中主要為靜儲(chǔ)量地下水，隨著抽排水的進(jìn)行，動(dòng)儲(chǔ)量的比例逐漸增大；當(dāng)動(dòng)儲(chǔ)量補(bǔ)給不足時(shí)，伴隨靜儲(chǔ)量中地下水逐漸減少，含水層的地下水可能被完全排干。

4 隧洞涌水施工處理技術(shù)

經(jīng)分析，工程具有地下水補(bǔ)給豐富、導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育、水動(dòng)力特征顯著的特點(diǎn)，隧洞涌水的處理技術(shù)可分為未揭露洞段的超前處理與已揭露洞段涌水封堵處理兩類；根據(jù)涌水表現(xiàn)方式，形成與之相應(yīng)的處理原則與措施。

4.1 未揭露洞段涌水處理技術(shù)

針對(duì)未揭露洞段，本著“先預(yù)報(bào)、后開挖”的思路，預(yù)測(cè)前方地質(zhì)條件。采用如下的探測(cè)手段與判定方法：

（1）掌子面編錄法。 屬于短期地質(zhì)預(yù)報(bào)，頻次為5m/次， 通過對(duì)掌子面及已開挖段出露圍巖仔細(xì)觀察，對(duì)其巖層產(chǎn)狀及層厚、結(jié)構(gòu)面形態(tài)、節(jié)理裂隙與巖溶發(fā)育情況進(jìn)行地質(zhì)描述， 結(jié)合地表巖層層序與構(gòu)造發(fā)育特征對(duì)掌子面前方圍巖進(jìn)行預(yù)判。 當(dāng)出現(xiàn)不良地質(zhì)體的前兆特征時(shí)（節(jié)理裂隙密度劇增、巖體強(qiáng)度降低、溶蝕風(fēng)化嚴(yán)重、泥質(zhì)含量增高等），應(yīng)進(jìn)行超前鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證性揭露。

（2）超前物探法。 采用地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水進(jìn)行短距離預(yù)報(bào)，頻次為20m/次，搭接3～5m。 地質(zhì)雷達(dá)法是發(fā)射天線定向發(fā)射的電磁波， 利用其在掌子面前方巖體中傳播、反射，通過反射回來的信號(hào)判斷前方異常反射界面（斷層、軟弱夾層等）與掌子面的距離。紅外探水法是根據(jù)掌子面前方巖體或水體分子振動(dòng)發(fā)射的紅外波段電磁波所形成的場(chǎng)， 利用紅外探測(cè)儀對(duì)異常情況進(jìn)行采集分析， 預(yù)報(bào)前方是否存在含水構(gòu)造。

（3）超前鉆探法。由于物探方法的多解性與局限性， 不同種類的地質(zhì)體可以引起強(qiáng)度和形態(tài)相近的物探異常，相同種類的地質(zhì)體也可產(chǎn)生強(qiáng)度不一、形態(tài)不同的物探異常。為較全面、準(zhǔn)確地獲取掌子面前方巖體的地質(zhì)信息，工程針對(duì)編錄法、物探法或現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)發(fā)現(xiàn)異常的情況采用超前鉆探加以探測(cè)分析。

當(dāng)預(yù)報(bào)顯示前方巖體完整性較差、 富水規(guī)模較大的導(dǎo)水通道（如暗河）時(shí)，硐室周邊地下水連通性強(qiáng)，需進(jìn)行全斷面超前帷幕灌漿（如圖1），預(yù)先對(duì)前方導(dǎo)水構(gòu)造與破碎巖體進(jìn)行灌漿加固， 避免可能的涌水影響施工安全。 當(dāng)預(yù)報(bào)顯示涌水類型為局部存在的裂隙性集中涌水時(shí)， 可以采用局部超前帷幕灌漿處理（如圖2）；結(jié)合超前地質(zhì)資料掌握管道、裂隙結(jié)構(gòu)、走向與分布情況，有針對(duì)性地布置切斷來水通道的灌漿鉆孔，進(jìn)行深層封堵［2］。 實(shí)施中應(yīng)遵循“堵排結(jié)合”原則，鉆孔的布置應(yīng)兼顧灌漿系統(tǒng)安裝與操作方便，排水孔盡量低于集中出水點(diǎn)，封堵鉆孔應(yīng)盡量與結(jié)構(gòu)面相交，盡可能較多地穿越裂隙，利用前期排水孔作為后期灌漿孔。

圖1 全斷面超前帷幕灌漿孔布置示意圖

圖2 局部超前帷幕灌漿孔布置示意圖

如HX2+081位置圍巖為T1d1灰色薄層灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，左側(cè)壁至頂拱位置巖體溶蝕裂隙發(fā)育，隙內(nèi)夾少量泥，伴有滲水；此處地表為多個(gè)洼地（大部被填平），雨季見有水雍高成間歇性山塘，可能存在與地表連通且排水能力有限的巖溶管道。另外，在HX2+086位置超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示， 前方5～8m存在異常反映，局部存在夾泥富水的現(xiàn)象。隨后在掌子面進(jìn)行的超前鉆探反映頂拱溶蝕裂隙發(fā)育位置存在掉鉆，夾泥且水量穩(wěn)定，具有一定壓力，水質(zhì)清澈程度與地表洼地水質(zhì)呈現(xiàn)同向變化趨勢(shì)， 因此前方發(fā)育的巖溶管道可能與地表洼地同屬一個(gè)巖溶系統(tǒng)，連通性較好。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件， 在掌子面頂拱偏左側(cè)壁布置先導(dǎo)孔5個(gè)，作為灌漿Ⅰ序孔；為預(yù)防鉆孔過程中出現(xiàn)涌水，采用專門孔口封閉裝置進(jìn)行鉆進(jìn)灌注。Ⅰ序孔實(shí)施完畢后，再進(jìn)行逐步加密實(shí)施Ⅱ序孔，使之取得足夠的加固厚度。 灌漿漿液濃度遵循由濃到稀的原則逐級(jí)改變， 使先灌入的漿液隨裂隙水的流動(dòng)逐漸凝固堵塞通道，再沿孔內(nèi)出水通道灌注稀漿。灌漿孔全部實(shí)施待凝且通過檢查孔檢驗(yàn)， 隧洞恢復(fù)開挖后未出現(xiàn)較大的股狀出水，僅見少量滲水，堵水效果良好。

4.2 已揭露洞段涌水處理技術(shù)

由于硐室的開挖，破壞了水力平衡，使得被揭露的地下水呈動(dòng)力形式，局部地下水壓力大、流量大，不利于漿液凝結(jié)，封堵難度大。 因此，可以結(jié)合涌水表現(xiàn)形式，分析水頭壓力、補(bǔ)給條件、導(dǎo)水構(gòu)造特征，針對(duì)不同涌水規(guī)模采取不同的處理原則、措施［3］。

對(duì)于揭露巖溶涌水點(diǎn)分散、 規(guī)模小、 壓力不大時(shí)， 在保證襯砌滿足抵抗外水壓力的前提下， 遵循“堵排結(jié)合、以排為主”原則，直接灌漿封堵處理。 應(yīng)設(shè)置集中排水孔， 對(duì)其周圍分散涌水點(diǎn)進(jìn)行一定深度灌漿封堵，處理完成后再關(guān)閉集中排水孔，并對(duì)排水孔及周邊進(jìn)行固結(jié)灌漿封堵。

對(duì)于揭露的巖溶涌水壓力大，流量穩(wěn)定時(shí)，直接封堵難度大。較為可行的辦法是先采用惰性材料，在保證巖盤不被分流后的主管道水壓擊穿的前提下，采用高壓灌漿方式， 利用地下水的流動(dòng)帶動(dòng)漿液蔓延，此過程中惰性材料會(huì)逐漸堵塞細(xì)小裂隙，再與漿液、圍巖一起凝結(jié)，形成止水體。 封堵的實(shí)施需保證抽排能力的基礎(chǔ)上， 在主管道附近設(shè)置分流孔并安設(shè)高壓止水閥， 利用分流孔的分流緩和主出水孔的水壓，完成主通道封堵后再關(guān)閉止水閥，使之恢復(fù)形成“靜水”或“準(zhǔn)靜水”狀態(tài)，達(dá)到封堵高壓水的目的。隨后參照超前帷幕灌漿的方式， 合理選擇注漿材料與注漿工藝，達(dá)到長(zhǎng)期封堵的目的［4］。

對(duì)于揭露的巖溶涌水為較大流量的季節(jié)性涌水時(shí)，應(yīng)先查明涌水的地表補(bǔ)給來源，具備地表處理?xiàng)l件時(shí)，可優(yōu)先選擇地表抽排、井點(diǎn)降水等方式。 不具備地表處理?xiàng)l件時(shí)轉(zhuǎn)入地下處理， 若地下抽排能滿足灌漿作業(yè)時(shí)，可按“堵排結(jié)合、以排為主”的思路進(jìn)行灌漿封堵。 若水量大于抽排能力， 可增加抽排設(shè)施，后實(shí)施封堵；亦可在保證臨近作業(yè)區(qū)不受影響且工期允許的前提下，暫停封堵保留抽排，待雨期過后水量明顯減少的條件下實(shí)施灌漿封堵［5］。

5 結(jié)語

本工程引水隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜， 施工中出現(xiàn)巖溶涌水類型較多， 應(yīng)及時(shí)針對(duì)已揭露洞段地質(zhì)情況及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充勘察， 分析判斷隧洞與巖溶系統(tǒng)的關(guān)系，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)施工提出合理建議。 施工應(yīng)做好臨時(shí)支護(hù)，保證抽排能力，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，確保施工作業(yè)的安全與工程質(zhì)量。