摘要：针对深埋长隧洞施工中可能出现的高压大流量涌水问题，通过国外3个工程施工实例进行分析，提出地质勘测、隧洞布置和处理措施方面的意见，尤其从环保角度比较了止水工和排水工的不同，推荐了止水工具体实施方法。
关键词：深埋长隧洞；高压涌水；排水工；止水工
中图分类号：TV672
文献标识码：A
文章编号：1672-1683(2006)05-0004-04
Discussion for High-Pressure Blow of Deeply Buried Long Tunnels
WANG Yi-sen
(Expert"s Committee of the South-to-North Water Diversion Project Commission of the State Council，Beijing 100053，China)
Abstract：In this paper，the problems of high-pressure blow that possibly occurs during theconstruction of deeply buried long tunnels are discussed. After analyzing three foreign engineeringconstruction examples，some suggestions on geology investigation，tunnel layout and treatment for high-pressure blow are put forward. In particular，the water sealmeasures and the drainagemeasures arecompared from the view of the environmental protection and themethod toconstruct water seals is recommended.
Key word：deeply buried long tunnel；high-pressure blow；drainmeasures；water sealmeasures
2005年10月，国务院南水北调办公室和中国岩土工程学会在北京召开由国内外知名专家参加的南水北调西线工程深埋长隧洞TBM施工技术讨论会，对于深埋长隧洞施工中可能会碰到的岩爆问题、活断层和破碎带问题、有害气体问题、高地热问题以及高地压下的软岩支护问题等均进行了热烈讨论并提出对策措施，但对于高压大流量涌水问题，国内外专家均未能提出有效的解决措施。会后笔者对国内外有关资料进行了搜集与整理，根据日本地芳隧道、青函隧道以及美国加州赫尔姆斯蓄能电站介绍的对策措施，现对深埋长隧洞开挖中高压涌水问题进行如下讨论。
1 关于地芳隧道高压涌水带的施工对策
日本地芳隧道位于爱媛县上浮穴郡至高知县高冈郡之间，隧道全长2 990m，内径9.25m。最深复盖390m，地质年代属中生代侏罗纪，以石灰岩为主混杂黏板岩和绿色岩，石灰岩地层中有高压涌水带，通过先进的水平钻探技术发现最大水压为2.65 MPa。开挖中实际出现最大水压为2.0 MPa，由于高水压引起隧洞施工掌子面崩塌和土砂流出，不得已中断施工(见图1)。为此，根据观测资料和逆解析分析掌子面崩塌原因并修改设计，重新布置排水绕行支道、进行支护设计、确定主洞必须的止水范围。
根据计算，绕行支道选择圆形断面，内半径为2.6m，按照弹性梁模型计算确定了支道的支护设计，采用双层钢拱架，喷高强度钢纤维混凝土40cm，支护处理后的绕行支道可保证在高水压下排水且安全稳定运行。图2为地质纵断面和施工位置扩大图。
对主洞的止水设计主要包括止水域设计、入注材料选择和止水施工技术要求3部分。
为确定止水域，采用青函隧洞同样的解析方法进行分析，其结果是对于D1级围岩(C=0.4～0.5N/mm2)，止水域取半径3倍可以满足稳定开挖要求，对于D2级围岩(C=0.2N/mm2)，止水域取半径5倍可以满足稳定开挖要求。实际施工时对于大涌水地段取半径4倍作为止水域，一般地段取3倍半径作为止水域，见图3。
为保证山地入注材料有一定强度，从原使用活性水玻璃入注液改为地基注入专用高耐久性水泥急硬入注材料。
入注压力取5.0 MPa，即涌水压力2.0 MPa的2.5倍，注浆顺序为先外环后内环，最后用检查孔确认注浆效果，质量控制标准为0.4吕荣，如同预想一样在注浆施工时经常遭遇到每孔5t/min、水压力2.0 MPa的出水情况。经过上述处理后，工程得以继续施工并顺利完成。
2 关于青函隧道地基注入工法
青函隧道位于日本青森县东津轻郡至北海道上矶郡之间，1964年开工，1985年完成，隧道全长53.85 km，其中海底部分23.35 km，陆上部分30.55 km，隧道设计标准为：最小曲率半径6.5 km，最小坡度1.2%，最大水深140m，海底最小土覆盖100m，地基注入量847 000m3。青函隧道布置示意图，见图4。
青函隧道海底部分由主隧道、作业隧道和导洞3部分组成，主隧道高7.85m，宽9.7m，正常运行时通行列车。作业隧道位于主隧道侧面30m左右，先于主隧道平行开挖，作为施工辅助通道，正常运行时作为维修通道。导洞低于主洞并最先开挖，主要用于海底地质、涌水调查，研究施工方法，支援作业隧道和主隧道开挖，正常运行时用于排水和换气。青函隧洞组成示意图，见图5。
由于主洞低于海面240m，必须采用先进施工方法，其一是先进的水平钻探技术，即保持相当精度、长度可达千米的水平方向钻孔，通过该钻孔可正确预测海底水文地质情况。其二是地基注入技术，在海面下240m处开挖隧道必须对2.4 MPa以上的涌水采取止水措施，止水技术是青函隧道成功的关键，所谓地基注入技术即是在地基内注入由水玻璃(硅酸苏打)和水泥浆混合的特殊胶黏材料，注入范围是开挖内径的3～5倍，根据超前勘测情况详细计算注入时机和范围。其三是喷混凝土技术，这在当时对于围岩稳定起了很大作用。
3 关于赫尔姆斯蓄能电站超细水泥压力灌浆
赫尔姆斯抽水蓄能电站位于美国加州Fresno镇以东Siena Nevada山区。工程全部位于地下，包括6 706m长、直径8.25m混凝土衬砌压力隧洞，213m长、直径9.45m不衬砌交通洞，三条深竖井，一条斜井和二个大于305m的主要地下洞室。工程处于花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩和具有伟晶岩脉的石英二长岩岩层中。施工开始前进行了地面测绘和岩心钻探，表明在岩体中普遍存在紧密、中等间距节理，极少严重的不连续构造。但在尾水交通洞和压力管道交通洞开挖时，于厂房洞室西部遇到以前未曾探明的主要剪切带。由于充有高压水的隧洞穿越此剪切带，从隧洞剪切带渗出的地下水成为绕过隧洞混凝土堵头的高压隧洞的渗水通道。为此加强了混凝土衬砌压力隧洞的接触和防渗灌浆。1982年秋天压力隧洞初始充水，随着隧洞中水压增加堵头下游岩石渗压计压力和绕过堵头地下水渗水量急剧增长，厂房洞室群渗压计压力和地下水渗流量也同样增长。当压力隧洞达到最大静水压力5.75 MPa时，堵头下游岩石中渗压计立即达5.526 MPa，堵头附近地下水总渗水量达45 L/s。岩石中高渗透压力超过最小主应方向中岩石最小约束压力5.273 MPa，可能引起岩石节理张开(水力劈裂)、渗流增加、岩石失稳并向已开挖区位移，为此要求排干压力隧洞并提出高压水流的修补措施。
设计采用在压力隧洞周围造成一个阻水屏障，防止高压水从隧洞通过剪切越过屏障。于是选择压力灌浆作为形成压力隧洞周围屏障的最好方法。灌浆区紧靠穿过压力隧洞剪切带区域。确定灌浆压力为5.273 MPa。实行分期灌浆，逐段增加灌浆压力，以减少高压灌浆压力损坏混凝土隧洞衬砌的风险。灌浆材料必须具有低黏度、高渗透率，可以控制凝固时间，低毒性和与岩石强结合能力，有较高的抗压强度。
灌浆孔布置，孔径5cm，每圈8孔，圈距3m，相邻圈孔位交错22.5°。灌浆孔分期钻孔，最深达12.19m(约1.5倍隧洞直径，受到至灌浆区道路限制，为轻型设备必要的实际限度)。凡离剪切带远的灌浆孔，在达到 12.19m深度前的浅孔阶段不吸浆时即终止。为实现计划目标。特细水泥(布莱因(Blaine)细度模数超过8 000cm2/g)被选为最适宜的灌浆材料。由于不能获得这种细度模数的国产水泥，选用日本生产的Alofix MC水泥(实际布莱因细度模数8 880cm2/g)。但这种材料价格昂贵(约5倍于国产波特兰水泥)，于是对于浅和低压阶段的灌浆孔选用国内超细再磨Ⅲ号水泥，表1列出特细和再磨Ⅲ号水泥的比较。表2为特细Alofix MC水泥化学成份。
灌浆程序包括分期灌浆，在不断加深的孔中不断加高压力，此程序主要目的在于保护混凝土衬砌。包括接触灌浆的第一段灌浆，孔深离混凝土与岩石交面以外0.3m(离混凝土衬砌内表面以外约1.5m)，第二段钻孔灌浆为1.52～4.57m，第三段钻孔灌浆为4.57～47.62m，第四段钻孔灌浆为7.62～412.19m。在完成前一段沿隧洞中心线各个方向最少距离36.6m钻灌之前不允许下一段钻孔或灌浆。为了限制一圈相邻孔间串浆，只允许同时钻灌相距180度2个孔。接触灌浆从灌浆区的一端开始，一圈一圈地进行。分期灌浆采用分离间距法，首先进行中到中间距 12.2m的一序环灌浆，然后进行6.1m间距二序环，最后完成3.05m三序环，以已灌浆的形成阻塞效应，并用以后阶段的相对吸浆量来监测以前灌浆阶段的效果。
接触灌浆压力限定为0.703 MPa，分段灌浆压力分别为1.406 MPa，2.461 MPa和4.921 MPa。
对特细水泥和Ⅲ号水泥都开发了几种不同水灰比的级配设计。不同的灌浆条件采用不同的配合比，见表3。所有特细拌和料包括百分之一(水泥重量比)扩散剂，加入拌和水中。扩散剂减少颗粒间吸附力，因而确保全部湿润和充分拌和。
1983年8月压力隧洞重新充水，重新充水前整个厂房洞室群增加了渗压计、测流堰和岩石监测仪器，其情况是：不断增加的隧洞水压和灌浆区岩石下游渗压计压力升高之间的响应时间大大增加。响应时间从过去几小时增加到几天；灌浆区下游剪切带中渗压计压力减少约20%；剪切带外侧岩石深处和灌浆区下游渗压计压力稳定在最大压力2.376 MPa，比目标最大压力3.516 MPa低很多；近岩石外侧表面剪切带和灌浆区下游的渗压计压力稳定在最大压力0.619 MPa；灌浆区岩石下游渗出的总水量减少约40%。
从以上观察结果，可得出如下结论。
(1)特细水泥灌浆与普通波特兰水泥灌浆比较，有着低黏性和优良渗透能力。
(2)对特细水泥采用1∶1水灰比看来是最适宣的。再增加水实质上不能降低黏性，但减缓凝固时间，降低抗压强度。
(3)推荐由水泥制造厂提供的扩散剂以确保超细水泥浆液全部湿润和充分拌和。超过l%扩散剂用量(水泥重量比)对凝固有不利影响。不推荐用其它掺加剂，除非它们与特细水泥适应性经过了充分的试验。
(4)特细水泥灌浆与花岗岩岩石结合可达到与波特兰水泥灌浆相近的强度。
(5)特细水泥可有效地补充普通波特兰水泥灌浆计划。此外，当要求化学灌浆特性时，特细水泥可有效替代化学灌浆。
总之，灌浆计划时压力隧洞至剪切带和围岩水的渗流已有实质性效果。实现了减少渗压计压力和尽量减少渗流量的目的，并满足了进度计划。特细水泥灌浆新事物的使用是计划成功的关键。
4 高压涌水处理经验讨论
随着大深度地下空间的开发利用，国外正在研究1 000m以下的洞室群施工技术，图6为日本瑞浪超深地层研究所进行
的深度为1 000m的竖井和水平隧道研究示意图，该研究隧道施工中的主要安全对策之一是如何解决高压涌水问题。
南水北调西线工程也都面临着深埋长隧道开挖中如何处理突发涌水问题。可见处理高压突发涌水是确保隧道安全开挖的最关键问题之一。根据现有处理高压突发涌水的经验介绍，大致可以归纳为以下几点讨论意见。
(1)必须应用先进的勘测技术进行全面的地质勘测调查。通过物探、钻探等技术弄清隧道所处地带的地质构造、水文地质情况、地下水的水理学和地球化学调查、岩石物理力学调查等。从现有突发实例看，对于沉积岩中的突发涌水，往往伴随着发生流砂，用灌浆进行处理效果不理想。对于花岗岩破碎带中的突发涌水，由于结构面比较明显，事先预测的可能性较大。
(2)突发高压涌水对策措施大致可分为两类，一类是排水工，另一类是止水工，前者是以处置涌水为目的，后者是以减少涌水为目的。对于大深度隧道使用排水工有一定困难，采用止水工法又按注入材料的不同分为水泥灌浆法、黏土灌浆法和化学灌浆法，化学灌浆法又可分为高分子化学灌浆和水玻璃化学灌浆法。具体使用何种工法应根据灌浆试验效果选择。
(3)从保护环境角度出发，一般不推荐采用排水工法，在化学灌浆中，也严格限制使用高分子化学灌浆，防止其对地下水产生影响。但对于压力过高的地下涌水，如大于10 MPa时，则应同时采取排水工，以降低涌出压力，便于提高止水工效果。日本青函隧道施工中的先导隧道即主要为施工排水而设立，在整个施工过程中起了相当大的作用。
(4)先进的水平钻探技术是做好深埋长隧道高压堵水的关键技术，弹性波探查，地下雷达法以及比抵抗法等物理探查均是常用方法，近年来在开挖掌子面前方使用的TSP(Tunnel Seismic Prediction)反射法地震探查技术和VSP(Vertical Seismic Prediction)能够较好地预测前方地质状况。
(5)止水工设计包括止水范围、灌浆深度、灌浆材料、灌浆参数、灌浆试验等，是一项精细复杂的工作，应进行相应计算，制定施工技术要求，不能等同于一般的高压灌浆施工。
参考文献：
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