尾礦庫隧洞工程涌水處置技術研究

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摘要：為進一步研究尾礦庫隧洞工程涌水處置技術及其實踐方式，以Tundayme尾礦庫隧洞工程為例，通過對發生的大量涌水情況進行綜合成因分析，提出了同時兼顧環境保護理念的處置方案。結果表明使用水溝疏水集中泵排與圍巖注漿堵水有機結合的方法可以大幅提高施工效率，節約時間成本，并且有利于環保措施的進行。處置方案遵循了“預防為主、疏堵結合、注重保護環境”的原則，可為其它類似工程提供技術參考。

關鍵詞：隧洞工程；涌水處理；注漿施工；環境保護

隨著全球交通事業不斷發展，國內外絕大多數隧洞工程需要在地形復雜的區域進行施工。由于其復雜的地質條件和多變的地形情況，前期勘測工作很難做到全面，施工過程中涌水狀況頻發[1-3]，對安全施工帶來了嚴峻的挑戰[4-5]。文中以Tundayme尾礦庫隧洞工程為例，綜合實際情況分析了涌水的成因，并提出了相應的解決方法，同時，也兼顧了環境保護的理念。

一、工程概括

厄瓜多爾米拉多銅礦項目位于南美洲厄瓜多爾國東南部的薩莫拉-欽奇佩省，在安第斯山東麓，與秘魯西部接壤。礦區在首都基多市南約340km，距厄瓜多爾第三大城市昆卡市東南110km，在薩莫拉河以東10km處。Tundayme尾礦庫清污分流系統隧洞工程包括主洞及支洞、排水隧洞。主洞設計為圓拱直墻型式，主洞進口端的前358m凈斷面為4m×5m（凈寬4m，墻高3.845m，拱高1.155m）；358~594m凈斷面為4m×4.5m（凈寬4m，墻高3.345m，拱高1.155m）；其余部分主洞和支洞凈斷面均為4m×4m（凈寬4m，墻高2.845m，拱高1.155m）。主洞進口底標高為1077.5m，出口底標高為945.6m，全長2,843.89m，其中樁號K0+000～K1+242.2間縱坡坡度為2.88%，樁號K1+242.2～K2+843.89間縱坡坡度為6.01%；支洞進口底標高為1072m，終點與主洞K1+242.2交匯，全長279.94m，縱坡坡度為10.7%。

二、隧洞涌水產生原因

清污分流系統隧洞排水支洞為下行隧洞，坡度為10.7%。在地質勘探和設計中未指出出現涌水，然而在實際掘進過程中，支洞涌水量隨進尺增加而增加，最大時涌水量在360m3/h以上，排水壓力極大，在當地設備物資嚴重匱乏的情況下，嚴重影響了施工的正常進行。其涌水發生原因經分析后有如下3點：1．降雨量增加，水文條件差本工程位于南美洲東部，屬于濕潤性熱帶雨林氣候，由于常年受到亞馬遜盆地以及大西洋氣候的影響，年平均降雨量達到2,300mm，平且在雨季（3~8月份），其年降雨最高可達3,400.6mm，日降雨量可高達300mm。本次施工進行時剛好處于其雨季，降雨量猛增，導致施工現場水量增加。2．地質變化快，前期工作不足由于該隧洞處于雨林地區，圍巖裂隙發育，富水高壓，并且前期的地址勘測也不夠詳細，圖紙標注的地質狀況大多為推導而來，與現場施工遇到的情況有很大的出入。比如在出口段圖紙標注只顯示了Ⅲ-Ⅳ類圍巖的部位，實際開挖之后卻多為Ⅴ類圍巖。3．圍巖穩定性差，穿越溪流多清污分流系統隧洞全線為花崗巖地質，由于風化程度不同而分為Ⅲ-V類圍巖。主洞出口段為花崗巖殘積土地質，此種圍巖為V類圍巖中最差的圍巖種類之一，該圍巖開挖時堅硬，需進行爆破，但揭露后遇到空氣極易氧化成土狀，遇到水后膨脹成泥狀。隧洞主線穿越區域山頂溝壑縱橫，溪流較多，開挖后巖層裂隙水發育，開挖過程中的突發涌水沖刷軟弱圍巖使拱頂形成巖體擠壓造成局部失穩導致大面積垮塌。雖然開挖過程中采取短進尺、弱爆破，強支護措施，涌水量大是制約現場安全施工的關鍵因素。

三、隧洞涌水處理與污染防治

隧道涌水處理應符合“預防為主、疏堵結合、注重保護環境”的原則[6-7]。本項目涌水處理措施主要包括：超前圍巖預注漿堵水和水溝疏水集中泵排，并在處理完涌水后對其產生的水污染進行治理。1．水溝疏水集中泵排在隧道內左右兩側各挖一條水溝，在出渣后，若發現圍巖出現涌水，且水量較大，應盡快用鐵皮瓦封閉，將流水引至隧洞兩側排水溝中，以便能盡快進行初期支護。根據現場水量情況，在隧洞右側邊墻，初步確定為每隔20~40m修一個集水槽，具體間隔距離應根據水量大小確定；集水槽尺寸為長5m，寬2m，深2m；側墻開槽高2m，開槽處噴射10cm厚C20砼進行封閉，防止掉塊。左側水溝中的流水通過底板的斜溝匯入右側水溝中，右側水溝將水導入集水槽，再通過大功率水泵，將集水槽的水導入前一集水槽或直接通過側墻管線排至洞口沉淀池。隧道貫通后，對集水槽及側墻開槽進行回填處理，回填材料為混凝土。在隧道右側側墻安裝兩道排水管線，配合大排量水泵進行抽水，日后根據排水需要，再增設排水管線和大功率水泵。在支洞與主洞交接處，根據現場情況在支洞與主洞交接的側墻處選定位置，設置長10m，寬10m，深2m，蓄水量200m3的泵房，以確保水泵短時間不作業的情況下，施工能正常進行。為保證安全，泵房表面及3m側墻開槽均噴10cm砼進行封閉。在隧道貫通后，用混凝土進行回填。2．圍巖注漿堵水在爆破鉆孔作業時，若發現所打的探測孔出現大量涌水狀況，則停止作業，根據現場情況和涌水部位，進行注漿封閉，以達到堵水的效果[8-9]。鑒于支洞斷面較小且涌水量較大，故注漿時加入適量水玻璃進行雙液注漿，以達到加速凝固封堵裂隙的效果。其具體過程如下：（1）埋設注漿管在涌水孔附近打6個深3m的φ50鉆孔，作為注漿時的觀察孔，注漿孔與觀察孔均用插入長1.5m、壁厚3.5mm的φ42無縫鋼管，無縫鋼管一端用棉紗頭纏裹1m，另一端車絲后，安裝三通接頭，接頭另兩端均安裝高壓球閥，一個作為注漿閥，另一個作為泄壓閥，高壓球閥最大承壓不小于2MPa，注漿管提前制作好之后，在球閥外套上保護件，用大錘將注漿管砸入涌水孔，使涌水孔不再涌水。（2）初步制定注漿參數水泥、水玻璃雙液注漿凝結時間如圖1所示：圖1水泥、水玻璃凝結時間建筑常用水玻璃為硅酸鈉水溶液，其化學式多為Na2OnSiO39H2O，化學通式為Na2OnSiO2，其中n為二氧化硅與氧化鈉摩爾數的比值。在水玻璃用量較大時，水玻璃中的SiO2含量越高，凝結時間越短，凝結后的強度越大。雙液注漿所采用的水玻璃模數應在2.8~3.4之間，其濃度應在30%~45%之間。清污分流系統隧洞支洞的設計斷面較小，且根據此次涌水情況—單孔高壓涌水，初步確定注漿參數：注漿管深入圍巖0.8~1m，灌漿壓力0.5~1MPa，加入水玻璃進行雙液注漿，加速凝結封堵；注漿采用普通硅酸鹽水泥，水泥漿中水與水泥的質量比初定為1：1，水泥漿與水玻璃的體積比為1：0.3~1：0.5，可根據現場情況進行適當調整，并且保證漿液凝膠時間不大于1h。（3）雙液注漿施工在設備、材料準備就緒之后，將200kg的水泥和200L的水加入制漿機攪拌成質量比1：1的水泥漿，同時啟動雙液注漿機，兩個吸漿管均插入水中，先進行注水調試，并觀察壓力表示數；示數正常后，將兩個吸漿管同時放入水泥漿中，先注入純水泥漿，觀察壓力表示數，若示數無異常，則持續注漿2~3h后，將其中一個注漿管放入稀釋過的水玻璃中，控制插入水玻璃的吸漿管的吸漿速度，使水泥漿與水玻璃的吸漿速率比為1：0.3~1：0.5之間，同時時刻觀察壓力表示數。在注完一桶稀釋的水玻璃之后，若仍能持續吸漿且壓力表示數正常，則之后的水玻璃不稀釋，直接注入注漿孔。注漿期間，安排專人時刻觀察壓力表示數，若出現異常，立即打開泄壓閥，并將兩個吸漿管均插入水中。其具體流程如圖2所示。3．涌水污染防治清污分流系統隧洞施工包括主洞及支洞，主洞施工由出口向進口開挖掘進，為順坡排水，清污分流系統隧洞支洞為逆坡排水，在隧道開挖爆破及初期護、二次襯砌過程中混凝土材料水解后產生的物質溶于巖石破碎后的雜質污水中，使整體污水呈弱酸性。由于當地降雨量大，隧洞地下水豐富，掘進過程中涌水量大，污水量大，為使排放水達到厄瓜多爾當地排放水標準，主洞支洞均設置三級沉淀池，沉淀池均為混凝土澆筑，防止污水滲入地下污染地下水，在每級沉淀池連接處設置土工布用于阻渣，沉淀過程中使用安全環保的以聚合硫酸鐵為主的生物質混凝劑，以聚丙烯酰胺為主要成份的絮凝劑，在混凝-絮凝-沉淀過程中，首先在污水中加入混凝劑，使懸浮顆粒分離，由污水進入一級沉淀池時產生的湍流緩慢地攪動混合物，并在一級沉淀池中加入少量絮凝劑，第二階段的絮凝劑誘導顆粒聚集在一起形成“絮凝體”，在三階段，在二級沉淀池放置另一劑絮凝劑，以便更好地補充沉降過程，通過添加混凝劑、絮凝劑的劑量來調節水體pH值使水體達到排放標準，最后經過三級沉淀池后將處理過的水排放到其正常河床或泉水中，在污水處理過程中，每日定時添加混凝劑、絮凝劑，去除水體表面漂浮物，及時清除沉淀池中沉淀物，并定期對沉淀池水質進行檢測。

四、結論

1．針對尾礦庫隧洞工程出現涌水的問題，在前期無法詳盡勘測地質情況的條件下，現場應結合隧洞的地形特點、水文情況、以及巖層巖性，分析涌水形成的原因，采取合理的解決方案。2．針對隧洞工程中涌水，采取水溝疏水集中排泵和圍巖注漿堵水相結合的施工方式較為適宜。雙液注漿施工方式，不僅使涌水情況得到了有效的緩解，而且提高了巖石的物理力學性質和抗滲能力。3．進行涌水防治施工時，通過設立三級沉淀池混凝、絮凝、沉降的方式來處理污水，可以做到生產效率與環保并存。

作者：李樹亭 單位：中鐵十四局集團海外工程分公司