隧道涌水的原因分析及治理措施

吳明玉 寧殿晶 謝軼瓊

山區高等級公路因地形條件限制,隧道工程往往占線路里程比例較大。隧道中遇到涌水地質災害,較大地影響隧道施工及建成養護。在涌水處理過程中選擇合理經濟的處理措施,有著重大的技術價值和經濟意義。

1 涌水對隧道工程的影響

在隧道開挖工程中,因對掌子面前方地質情況預測不準或涌水流量估計過小出現的涌水事故,往往造成施工人員傷亡和較大的經濟損失。

在隧道襯砌施工完以后,因涌水處理不徹底而使襯砌滲漏水,造成隧道侵蝕破壞,侵蝕性的滲漏水對襯砌和隧道附屬設備的腐蝕性更嚴重;寒冷地區反復的凍融循環,造成襯砌混凝土凍脹開裂;襯砌與圍巖之間,由于凍脹引起拱圈變形甚至破壞,造成路面積水、結冰,從而降低了路面與輪胎的摩擦力,使行車安全得不到保障;隧道內的各種附屬設施和設備對于絕緣與防銹都有嚴格要求。

2 隧道涌水的原因分析

隧道涌水是由于隧道掘進破壞了含水層結構,使水動力條件和圍巖力學平衡狀態發生急劇改變,造成地下水體所儲存能量以流體高速運移形式瞬間釋放而產生一種動力破壞現象。

3 涌水量的預測

3.1 水文地質比擬法

水文地質比擬法是建立在水文地質條件相似的基礎上,以既有工程的涌水量計算擬建工程的涌水量:

其中,Q,Q′分別為擬建、既有隧道的正常(或最大)涌水量,m3/d;F,F′分別為擬建、既有隧道的集水面積,m2;S,S′分別為擬建、既有隧道含水體中靜止水位計起的水位降深,m。

3.2 水均衡法

水均衡法指在一定范圍內,水在循環過程中保持平衡狀態,收入和支出相等,查明隧道施工段水的補給、排泄之間的關系,從而獲得施工段的涌水量。水均衡法預測正常涌水量時,常分為地下徑流深度法、地下徑流模數法和降水入滲法。

常用的地下徑流模數法公式:Qs=MA。

其中,M為地下徑流模數,m3/(d?km2);A為隧道通過含水體地段的集水面積,km2。

3.3 地下水動力學法

地下水動力學法又稱解析法,是依據介質中地下水動力學的基本理論,建立地下水運動規律的基本方程,通過數學解析的方法求解這些基本方程,從而獲得在給定邊界和初值條件下的涌水量。

3.3.1 預測正常涌水量的公式

其中,Qs為隧道正常涌水量,m3/d;L為隧道通過含水體的長度,m;K為含水體的滲透系數,m/d;H為洞底以上潛水含水體厚度,m,采用各段加權平均厚度;h為洞外水柱高度,m;R為影響半徑或引用補給半徑,m;r為洞身橫斷面寬度之半,m。

2)經驗公式:Qs=LKH(0.676-0.06K),符號意義同上。

3.3.2 預測最大涌水量的公式

1)經驗公式:Q0=L(0.025 5+1.922 4KH)。

其中,Q0為隧道最大涌水量,m3/d;H為靜止水位與洞身橫斷面等價圓中心的距離,m;d為洞身橫斷面等價圓直徑,m;其他符號意義同上。

其中,r0為洞身橫斷面等價圓半徑,m;m為換算系數,一般取0.86;其他符號意義同上。

4)佐藤邦明公式:

其中,hc為含水體總厚度,m;其他符號意義同上。

4 涌水處理的原則及施工注意事項

4.1 涌水處理的原則及措施

根據各種情況,做好周密的應急預案,包括材料、人員、機具及技術方法等。為確保隧道施工安全,在斷層破碎富水帶開挖時,應按照管超前、短進尺、弱爆破、強支護、勤量測、襯砌緊跟的原則。根據隧道涌水段所處的位置不同,施工中按不同段落分別采用不同的處理方案:1)巖體完整。其結構性能可保證施工安全,但大面淌水且流量小于控制排水量時,采取直接通過。2)巖體較完整。其結構性能可保證施工安全,但大面淌水,且流量大于控制排水量時,采取先通過后注漿堵水。3)小段落的巖層破碎帶、次斷層構造帶。大面淌水,且流量大于控制排水量時,采取超前管棚支護先通過后注漿堵水。4)大段落的巖層破碎帶、斷層構造帶。極易產生集中涌水地段,根據對施工的影響程度不同,分別采取不同的超前注漿措施。

4.2 涌水段施工的注意要點

4.2.1 加強初期支護

隧道涌水段應加強初期支護,增加噴射混凝土厚度,提高混凝土的抗滲性能,以使噴射混凝土起到封閉、止水的作用。

4.2.2 防水層排水設施施工

1)防水板懸掛時間不宜過早,應在二襯施工前幾天開始,防止土工布因吸水自重加大而下垂。2)鑿除凸出物,割除錨桿頭,防止防水板被尖角割破,影響防水效果。3)固定防水板應由拱頂向兩側逐漸展開,防水板盡可能和巖面密貼,防水板掛設時留有余量,以免防水板因混凝土壓力而繃壞,拱頂部位存在空洞。4)接縫焊接應采用雙面焊,保證焊接溫度和搭接長度。

4.2.3 二襯防水施工

二次襯砌施工是隧道施工的最后一道工序,其質量的好壞將直接影響最終的防水效果,混凝土中應加入防水劑提高其抗滲性,并進行現場試驗,使其達到抗滲要求;加強二次襯砌混凝土板與板之間環向施工縫防水工藝。

5 工程實例

5.1 工程概況

陜西南部某隧道出口端左右線自進洞約50 m后隧道出現多次涌水,左右線合計共發生大型涌水32次,累計1 200余米,其中最大涌水壓力4 MPa,最大日涌水量30 000 m3/d。隧道出口端頻發的涌水大部分位于倒轉背斜核部,從構造上來看,背斜核部具有發育的“二次縱張節理”而富水,形成地下水徑流帶和軸向一致的基巖裂隙帶;另外此段內分布了F6,F7,F8三條斷裂破碎帶,斷裂構造巖表現為碎裂巖化、角礫巖化,富含構造裂隙水。

5.2 涌水原因分析

因為掌子面圍巖比較破碎,開挖后長時間暴露風化嚴重,強度迅速降低,圍巖自穩能力變弱,在水頭壓力下形成過水通道,經過實際勘察發現涌水水源補給有兩方面:1)地表水的補給。隧道發生涌水后,隧道上方的多條溝內山泉流水干涸或水量減少,此處正好是斷層出露地表處,由此可以推斷地表水對涌水進行補給。2)層間溶溝、溶槽。隧道地處秦嶺復合造山帶南部大巴山褶皺,斷裂發育,主要沿軟質巖與硬質巖之間分布,斷層層間巖體破碎帶在地下水和地表水的長期作用下,破碎帶被溶蝕,而且越溶越寬,越溶越深,最終形成多處形狀各異的溶溝、溶槽等富水構造物,構造物內地下水下泄形成涌水。

5.3 處理措施

1)加大排水能力。由于隧道出口段是反坡開挖,并且涌水段較長,掌子面泄水減壓和初支后涌水限量排放致使隧道內總涌水量非常大,遠遠超出預測的涌水量,必須配備足夠的抽排水設備、人員等保證施工正常進行。2)布置超前水平鉆孔探測。超前鉆孔可以直觀揭示前方地質情況,為優化設計提供正確的地質依據,對構造裂隙水進行減壓(包括分流孔)。3)根據超前水平鉆孔資料和分流孔減壓情況,制定針對性的注漿加固方案。按涌水量大小,涌水水壓變化情況進行適當調整。

[1] TB 10049-2004/J 339-2004,鐵路工程水文地質勘察規程[S].

[2] 梅志榮,張軍偉,李傳富.鐵路長大隧道建設中地下水防治有關問題研究進展[J].鐵道工程學報,2009(9):78-82.

[3] 劉招偉,何滿潮,王樹仁.圓梁山隧道巖溶突水機理及防治對策研究[J].巖土力學,2006,7(2):228-246.

[4] 王建秀,朱合華,葉為民.隧道涌水量的預測及其工程應用[J].巖石力學與工程學報,2004,23(7):1150-1153.

[5] 蔡德志.朱家巖隧道涌水處理施工技術[J].黑龍江科技信息,2009(27):289.

[6] 王振宇,陳銀魯,劉國華,等.隧道涌水量預測計算方法研究[J].水利水電技術,2009(7):41-44.

[7] 張 琳.隧道與地下水環境相互影響計算[J].交通標準化,2009(196):19-23.

[8] 陳秀義.北天山特長隧道涌水量預測及治理措施[J].鐵道建筑技術,2009(9):33-39.

[9] 羅文藝.秦嶺東梁隧道水文地質特征分析及涌水量預測[J].鐵道勘察,2009(6):62-65.

[10] 黃 鶴.紗帽山隧道涌水治理和防水施工技術[J].四川建筑,2009,29(4):229-230.

[11] 黑福生.仰口隧道地下涌水處理技術[J].鐵道建筑技術,2009(5):147-149.

[12] 陳運東.某高速公路隧道地下水控制[J].中國地質災害與防治學報,2009,20(2):76-79.