尾矿库隧洞工程涌水处置技术研究

摘要：为进一步研究尾矿库隧洞工程涌水处置技术及其实践方式，以Tundayme尾矿库隧洞工程为例，通过对发生的大量涌水情况进行综合成因分析，提出了同时兼顾环境保护理念的处置方案。结果表明使用水沟疏水集中泵排与围岩注浆堵水有机结合的方法可以大幅提高施工效率，节约时间成本，并且有利于环保措施的进行。处置方案遵循了“预防为主、疏堵结合、注重保护环境”的原则，可为其它类似工程提供技术参考。

关键词：隧洞工程；涌水处理；注浆施工；环境保护

随着全球交通事业不断发展，国内外绝大多数隧洞工程需要在地形复杂的区域进行施工。由于其复杂的地质条件和多变的地形情况，前期勘测工作很难做到全面，施工过程中涌水状况频发[1-3]，对安全施工带来了严峻的挑战[4-5]。文中以Tundayme尾矿库隧洞工程为例，综合实际情况分析了涌水的成因，并提出了相应的解决方法，同时，也兼顾了环境保护的理念。

一、工程概括

厄瓜多尔米拉多铜矿项目位于南美洲厄瓜多尔国东南部的萨莫拉-钦奇佩省，在安第斯山东麓，与秘鲁西部接壤。矿区在首都基多市南约340km，距厄瓜多尔第三大城市昆卡市东南110km，在萨莫拉河以东10km处。Tundayme尾矿库清污分流系统隧洞工程包括主洞及支洞、排水隧洞。主洞设计为圆拱直墙型式，主洞进口端的前358m净断面为4m×5m（净宽4m，墙高3.845m，拱高1.155m）；358~594m净断面为4m×4.5m（净宽4m，墙高3.345m，拱高1.155m）；其余部分主洞和支洞净断面均为4m×4m（净宽4m，墙高2.845m，拱高1.155m）。主洞进口底标高为1077.5m，出口底标高为945.6m，全长2,843.89m，其中桩号K0+000～K1+242.2间纵坡坡度为2.88%，桩号K1+242.2～K2+843.89间纵坡坡度为6.01%；支洞进口底标高为1072m，终点与主洞K1+242.2交汇，全长279.94m，纵坡坡度为10.7%。

二、隧洞涌水产生原因

清污分流系统隧洞排水支洞为下行隧洞，坡度为10.7%。在地质勘探和设计中未指出出现涌水，然而在实际掘进过程中，支洞涌水量随进尺增加而增加，最大时涌水量在360m3/h以上，排水压力极大，在当地设备物资严重匮乏的情况下，严重影响了施工的正常进行。其涌水发生原因经分析后有如下3点：1．降雨量增加，水文条件差本工程位于南美洲东部，属于湿润性热带雨林气候，由于常年受到亚马逊盆地以及大西洋气候的影响，年平均降雨量达到2,300mm，平且在雨季（3~8月份），其年降雨最高可达3,400.6mm，日降雨量可高达300mm。本次施工进行时刚好处于其雨季，降雨量猛增，导致施工现场水量增加。2．地质变化快，前期工作不足由于该隧洞处于雨林地区，围岩裂隙发育，富水高压，并且前期的地址勘测也不够详细，图纸标注的地质状况大多为推导而来，与现场施工遇到的情况有很大的出入。比如在出口段图纸标注只显示了Ⅲ-Ⅳ类围岩的部位，实际开挖之后却多为Ⅴ类围岩。3．围岩稳定性差，穿越溪流多清污分流系统隧洞全线为花岗岩地质，由于风化程度不同而分为Ⅲ-V类围岩。主洞出口段为花岗岩残积土地质，此种围岩为V类围岩中最差的围岩种类之一，该围岩开挖时坚硬，需进行爆破，但揭露后遇到空气极易氧化成土状，遇到水后膨胀成泥状。隧洞主线穿越区域山顶沟壑纵横，溪流较多，开挖后岩层裂隙水发育，开挖过程中的突发涌水冲刷软弱围岩使拱顶形成岩体挤压造成局部失稳导致大面积垮塌。虽然开挖过程中采取短进尺、弱爆破，强支护措施，涌水量大是制约现场安全施工的关键因素。

三、隧洞涌水处理与污染防治

隧道涌水处理应符合“预防为主、疏堵结合、注重保护环境”的原则[6-7]。本项目涌水处理措施主要包括：超前围岩预注浆堵水和水沟疏水集中泵排，并在处理完涌水后对其产生的水污染进行治理。1．水沟疏水集中泵排在隧道内左右两侧各挖一条水沟，在出渣后，若发现围岩出现涌水，且水量较大，应尽快用铁皮瓦封闭，将流水引至隧洞两侧排水沟中，以便能尽快进行初期支护。根据现场水量情况，在隧洞右侧边墙，初步确定为每隔20~40m修一个集水槽，具体间隔距离应根据水量大小确定；集水槽尺寸为长5m，宽2m，深2m；侧墙开槽高2m，开槽处喷射10cm厚C20砼进行封闭，防止掉块。左侧水沟中的流水通过底板的斜沟汇入右侧水沟中，右侧水沟将水导入集水槽，再通过大功率水泵，将集水槽的水导入前一集水槽或直接通过侧墙管线排至洞口沉淀池。隧道贯通后，对集水槽及侧墙开槽进行回填处理，回填材料为混凝土。在隧道右侧侧墙安装两道排水管线，配合大排量水泵进行抽水，日后根据排水需要，再增设排水管线和大功率水泵。在支洞与主洞交接处，根据现场情况在支洞与主洞交接的侧墙处选定位置，设置长10m，宽10m，深2m，蓄水量200m3的泵房，以确保水泵短时间不作业的情况下，施工能正常进行。为保证安全，泵房表面及3m侧墙开槽均喷10cm砼进行封闭。在隧道贯通后，用混凝土进行回填。2．围岩注浆堵水在爆破钻孔作业时，若发现所打的探测孔出现大量涌水状况，则停止作业，根据现场情况和涌水部位，进行注浆封闭，以达到堵水的效果[8-9]。鉴于支洞断面较小且涌水量较大，故注浆时加入适量水玻璃进行双液注浆，以达到加速凝固封堵裂隙的效果。其具体过程如下：（1）埋设注浆管在涌水孔附近打6个深3m的φ50钻孔，作为注浆时的观察孔，注浆孔与观察孔均用插入长1.5m、壁厚3.5mm的φ42无缝钢管，无缝钢管一端用棉纱头缠裹1m，另一端车丝后，安装三通接头，接头另两端均安装高压球阀，一个作为注浆阀，另一个作为泄压阀，高压球阀最大承压不小于2MPa，注浆管提前制作好之后，在球阀外套上保护件，用大锤将注浆管砸入涌水孔，使涌水孔不再涌水。（2）初步制定注浆参数水泥、水玻璃双液注浆凝结时间如图1所示：图1水泥、水玻璃凝结时间建筑常用水玻璃为硅酸钠水溶液，其化学式多为Na2OnSiO39H2O，化学通式为Na2OnSiO2，其中n为二氧化硅与氧化钠摩尔数的比值。在水玻璃用量较大时，水玻璃中的SiO2含量越高，凝结时间越短，凝结后的强度越大。双液注浆所采用的水玻璃模数应在2.8~3.4之间，其浓度应在30%~45%之间。清污分流系统隧洞支洞的设计断面较小，且根据此次涌水情况—单孔高压涌水，初步确定注浆参数：注浆管深入围岩0.8~1m，灌浆压力0.5~1MPa，加入水玻璃进行双液注浆，加速凝结封堵；注浆采用普通硅酸盐水泥，水泥浆中水与水泥的质量比初定为1：1，水泥浆与水玻璃的体积比为1：0.3~1：0.5，可根据现场情况进行适当调整，并且保证浆液凝胶时间不大于1h。（3）双液注浆施工在设备、材料准备就绪之后，将200kg的水泥和200L的水加入制浆机搅拌成质量比1：1的水泥浆，同时启动双液注浆机，两个吸浆管均插入水中，先进行注水调试，并观察压力表示数；示数正常后，将两个吸浆管同时放入水泥浆中，先注入纯水泥浆，观察压力表示数，若示数无异常，则持续注浆2~3h后，将其中一个注浆管放入稀释过的水玻璃中，控制插入水玻璃的吸浆管的吸浆速度，使水泥浆与水玻璃的吸浆速率比为1：0.3~1：0.5之间，同时时刻观察压力表示数。在注完一桶稀释的水玻璃之后，若仍能持续吸浆且压力表示数正常，则之后的水玻璃不稀释，直接注入注浆孔。注浆期间，安排专人时刻观察压力表示数，若出现异常，立即打开泄压阀，并将两个吸浆管均插入水中。其具体流程如图2所示。3．涌水污染防治清污分流系统隧洞施工包括主洞及支洞，主洞施工由出口向进口开挖掘进，为顺坡排水，清污分流系统隧洞支洞为逆坡排水，在隧道开挖爆破及初期护、二次衬砌过程中混凝土材料水解后产生的物质溶于岩石破碎后的杂质污水中，使整体污水呈弱酸性。由于当地降雨量大，隧洞地下水丰富，掘进过程中涌水量大，污水量大，为使排放水达到厄瓜多尔当地排放水标准，主洞支洞均设置三级沉淀池，沉淀池均为混凝土浇筑，防止污水渗入地下污染地下水，在每级沉淀池连接处设置土工布用于阻渣，沉淀过程中使用安全环保的以聚合硫酸铁为主的生物质混凝剂，以聚丙烯酰胺为主要成份的絮凝剂，在混凝-絮凝-沉淀过程中，首先在污水中加入混凝剂，使悬浮颗粒分离，由污水进入一级沉淀池时产生的湍流缓慢地搅动混合物，并在一级沉淀池中加入少量絮凝剂，第二阶段的絮凝剂诱导颗粒聚集在一起形成“絮凝体”，在三阶段，在二级沉淀池放置另一剂絮凝剂，以便更好地补充沉降过程，通过添加混凝剂、絮凝剂的剂量来调节水体pH值使水体达到排放标准，最后经过三级沉淀池后将处理过的水排放到其正常河床或泉水中，在污水处理过程中，每日定时添加混凝剂、絮凝剂，去除水体表面漂浮物，及时清除沉淀池中沉淀物，并定期对沉淀池水质进行检测。

四、结论

1．针对尾矿库隧洞工程出现涌水的问题，在前期无法详尽勘测地质情况的条件下，现场应结合隧洞的地形特点、水文情况、以及岩层岩性，分析涌水形成的原因，采取合理的解决方案。2．针对隧洞工程中涌水，采取水沟疏水集中排泵和围岩注浆堵水相结合的施工方式较为适宜。双液注浆施工方式，不仅使涌水情况得到了有效的缓解，而且提高了岩石的物理力学性质和抗渗能力。3．进行涌水防治施工时，通过设立三级沉淀池混凝、絮凝、沉降的方式来处理污水，可以做到生产效率与环保并存。

作者：李树亭 单位：中铁十四局集团海外工程分公司