隧道突水對環境的影響及控制對策

肖霞林 劉成禹

(1.成綿樂鐵路客運專線有限責任公司, 四川成都 610051； 2.福州大學巖土工程與工程地質研究所, 福建福州 350108)

我國是多山的國家,鐵路、公路修建中隧道工程不可避免,隨著我國基礎設施的大規模興建,隧道將大量出現。隧道建設期間的地下水一直是廣大工程建設人員關注的問題,它不僅影響隧道施工安全、建成后的結構安全和正常使用,還可能誘發一系列環境問題[1～3]。

隧道施工穿越富水的斷層破碎帶、地層不整合接觸帶或巖溶發育區,若不采取適宜的措施,將在較短的時間發生大量的涌水。中梁山、大瑤山、華鎣山等隧道在施工過程中都出現過巖溶或斷層破碎帶突水的情況[4～5]。隧道突水因其具有突發性和涌水量巨大的特點，不僅對施工安全造成了嚴重威脅,還會在較短的時間內誘發地表變形、塌陷、泉水枯竭、地表建筑開裂、倒塌等一系列環境問題,從而對隧道周邊居民的生產、生活產生非常不利的影響。

隧道突水及其誘發的環境問題與該區域的地形、地貌、地質構造、工程地質條件及隧道埋深等有著十分密切的聯系。本文以某特長隧道突水為例,結合突水區的工程地質、水文地質條件，對隧道突水及其誘發地表變形的機理、地表變形特點及其對建筑的影響進行了系統分析,并在此基礎上對防止隧道突水的措施進行了分析。

1 隧道突水及其誘發的地表變形

某特長隧道YDK24+000～YDK24+600段從村莊下穿過,隧道埋深150～160 m。隧頂建筑密集,多為3～5層的民用建筑和少量土坯房,結構形式多為磚混結構,基礎類型以條形基礎為主,房屋整體性差,地表變形很容易引起建筑開裂和破壞。根據設計圖提供的地質資料,本段隧道圍巖主要為硅灰巖、薄層粉砂巖、泥質砂巖,局部有溶蝕現象,基巖以上地層為第四系洪積層、坡積層。

1.1 隧道突水

工作面共發生兩次大的突水。第一次突水發生于2008年4月12日。在隧道右線YDK24+098進行灰巖段超前地質鉆探時,探孔內突然出現大量涌水,涌水量在幾分鐘內便增至850 m3/h,涌水初期地下水夾帶黃泥,隨后逐漸變清,水壓達1.5～2.0 MPa,所幸施工人員、設備及時撤出,并未發生人身安全事故。

第二次突水發生于2008年6月3日,注漿孔鉆進至25 m時,鉆孔內突然出現大量突水,起始為黃色泥漿狀,水質渾濁,含泥沙及小碎石,后逐漸變清,初始水量約1 000 m3/h,穩定后仍達450～500 m3/h。

1.2 地表變形

2008年4月12日隧道第一次突水發生后,2008年4月14日隧頂上方村民發現部分地表、房屋地坪、散水、村道、國道路面出現裂縫,裂縫隨后迅速發展,至2008年4月21日,村內2/3的地表出現不同程度的下沉、房屋開裂現象,裂紋最寬處達3 cm；村內水井干涸,水泥路面多處開裂。嚴重影響了村民的生產、生活。第一次突水封堵后,地表變形得以少量恢復,水井水位隨后逐漸上升。

2 隧道突水及其誘發地表變形的機理

2008年4月16日,隧道突水后,施工單位一方面加大抽水能力,力爭早日將隧道突水抽至工作面,以便及時對工作面出水進行封堵,另一方面隨即在地表布設了多個沉降監測點對地表沉降實施定人定時連續觀測。部分測點地表沉降隨時間的變化如圖1～圖4所示。

圖1 D9測點地表沉降隨時間變化曲線

圖2 D10測點地表沉降隨時間變化曲線

圖3 D12測點地表沉降隨時間變化曲線

圖4 D19測點地表沉降隨時間變化曲線

2.1 地表變形與隧道突水的聯系

由圖1～圖4可看出：

(1)各測點均經歷了11～12 d的下沉期,隨后經歷了15～16 d的沉降穩定期,最后地表下沉慢慢恢復,各測點總沉降逐漸減小。

(2)各測點在開始監測44～48 d(2008年6月4日至6月8日)后地表沉降又出現較明顯的增大和波動(圖中虛線框所示)。本文未列出的其余測點也具有上述規律。

2008年5月2日是對工作面出水進行封堵的時間,封堵后整體水量減小至150 m3/h以下,工作面突水、突水封堵與地表急劇下沉及穩定在時間上有較好的對應關系；2008年6月3日則是施做帷幕注漿鉆孔時發生突水的時間,工作面再次突水與地表再次沉降在時間上也有很好的一致性。這說明隧道突水是引起地表下沉的重要原因。

2.2 隧道突水形成機理

本隧道YDK24+098大量突水的發生與該區域的地形、地貌、水系及地質條件等有十分密切的聯系。

(1)隧頂上方村莊四面環山有利于地表水匯聚,區域內溝谷縱橫有大量地表水來源,為大量地表水下滲提供了豐富的物質基礎。

(2)YDK24+098附近處于花崗巖與沉積巖接觸帶附近,隧址區的花崗巖在燕山期因先期形成的沉積巖發生大規模斷陷,巖漿沿斷裂構造侵入而形成。從隧道縱斷面圖可看出,該巖漿侵入帶寬約3.4 km(DK20+600～DK24+000),由此可看出該斷裂構造的規模相當大,在該斷裂構造的影響下,花崗巖附近的沉積巖內斷裂及節理非常發育,巖性較脆的硅灰巖內尤甚。但距花崗巖較近的沉積巖中的節理、裂隙因巖漿侵入發生接觸變質,所以距花崗巖較近的沉積巖中并未發現較寬的裂隙而表現為沉積巖發生變質,沉積巖間夾有花崗巖的現象。然而,距花崗巖稍遠處的沉積巖因巖漿侵入作用微弱或未侵入,斷裂作用形成的構造節理、裂隙仍然存在,成為良好的地下水滲流通道。這也正是隧道突水不發生在花崗巖與沉積巖接觸帶附近,而發生在距巖性接觸帶和F7斷層有一定距離的YDK24+098處的原因之一。

(3)基巖上覆地層為坡積、洪積層,物質成分以砂、礫、黏粒等碎屑物質為主,結構松散,為典型的二元結構,具有良好的透水性。

(4)基巖受強烈的斷裂構造影響,大的構造節理較發育,基巖上覆地層結構松散、具有良好的透水性,地表與隧道有較好的水力連通條件。右洞YDK24+098工作面涌水期間,地下水位下降、水井干涸,工作面涌水堵住后,水井水位緩慢上升的事實也說明了地表與隧道有較好的水力連通條件。由于地表有大量的地表水來源,隧頂地層有良好的地下水滲流通道,為該區段隧道涌水提供了必要的條件。

2.3 隧道突水誘發地表變形的機理

隧道突水發生后,隨著洞內大量涌水的排放,隧道周邊地表發生變形，建筑發生開裂,主要是由下列原因造成的。

(1)洞內大量涌水引起地下水水位下降,地下水水位下降誘發地表沉降。

(2)水從隧道大量流失,圍巖節理裂隙中的充填物隨水流走,地下水滲流通道貫通性愈來愈好,基巖上覆地層中的細小顆粒隨水流失使上覆地層的孔隙比變大、密實度降低,從而引起地表下沉和局部坍陷。

(3)地下水流失使覆蓋型巖溶復活引起地表坍陷。由于該段地層中的硅灰巖具可溶性,巖層中構造節理發育,具有較好的地下水滲流條件,區域植被茂盛、地下水發育,因此該區域硅灰巖具備形成巖溶的基本條件,可能存在巖溶。鉆探也表明在基巖面附近存在全充填的溶洞或溶腔。由于巖溶發育的地方往往也是地下水流通條件較好的地方,隨著洞內大量涌水,溶洞、溶腔中的充填物被水帶走,覆蓋型巖溶頂部的土體逐漸坍陷并慢慢擴大至地表,從而危及地表建筑的安全。

3 地表變形特點及其對建筑的影響

在各測點地表沉降監測及現場調查的基礎上確定地表下沉范圍,地表沉降區面積約220 600 m2。在地表沉降長期監測的基礎上作出地表最大沉降等值線/沉降傾斜矢量圖,如圖5所示。

圖5 地表最大沉降(單位：mm)及隨時間變化曲線

由圖5可看出：

(1)地表沉降主要有A、B、C三個沉降中心。其中沉降中心A影響范圍最廣,B次之,沉降中心C的影響范圍略小,但沉降中心C附近沉降傾斜最嚴重(圖中該處附近沉降等值線最密集)。

(2)地表沉降傾斜的方向總體上指向三個沉降中心,在其影響下地表建筑的變形形式以下沉、沉降傾斜為主,但傾斜程度、傾斜方向有差異,在差異較大及房屋結構較差的地段建筑會開裂,地表出現開裂或隆起。

(3)在下列地點附近地表沉降傾斜方向出現相背的偏離：①YDK24+320(測點D17、D18附近)；②測點D11附近；③YDK24+500右側附近；④測點D14、D15之間地表沉降傾斜方向出現相背的偏離,測點D13、D14之間沉降傾斜方向雜亂。上述區域由于地表沉降傾斜方向為相背的偏離,在其影響下地面建筑一方面出現下沉、傾斜,另一方面還將出現因拉伸而致的開裂。

(4)在YDK24+500附近區域地表傾斜最嚴重且傾斜方向出現相向的偏離,該區域地表建筑除出現較明顯的傾斜外,地面還可能出現隆起。

4 隧道突水控制對策

前述分析表明,隧頂地表變形、建筑開裂是由于隧道突水誘發的,而隧道突水又是由隧道所處的地表、地貌、地質構造,工程地質、水文地質條件決定的。因此,減弱隧道突水對環境負面影響的關鍵是控制隧道涌水量。隧道涌水量的控制關鍵則是在掌握施工前方地質條件的基礎上采取切實可行的注漿堵水措施。

4.1 強化超前地質預報

超前地質預報是地質復雜地段確保施工安全的重要措施[6]。隧道突水大多發生在巖溶、斷層、地層不整合接觸帶、巖漿巖與沉積巖侵入接觸帶的沉積巖側。除周圍為完整巖體的巖溶外,上述地段在工程地質上都有相應的前兆特征(如節理密集程度的漸進變化、滲水量的逐漸變化、沉積巖與巖漿巖的熔融膠結等)；斷層破碎帶、地層不整合接觸帶巖體的物性及物理力學性質都有較明顯的差異,周圍為完整巖體的充水巖溶、大的構造裂隙其電阻率、介電常數會發生突變。針對上述富水區域介質的物性差異特征采用針對性的物探探測方法(如針對巖溶的地質雷達、高密度電法探測；針對斷層破碎帶的TSP、地質雷達探測等),并結合工程地質前兆分析,可大大提高超前地質預報的準確性,及時預測突水風險,為隧道突水的超前防治提供可靠的地質信息。

4.2 注漿堵水

注漿堵水、加固軟弱圍巖是隧道通過高水壓、富水溶洞、斷層等區段的重要施工措施,是減少隧道涌水量,提高圍巖強度,保護地表環境的有效措施。隧道涌水區段宜采用漸進式綜合注漿技術,即采用全斷面注漿堵住大水,再采用徑向注漿、局部注漿、補充注漿及回填注漿堵住小水,達到設計要求的防排水標準。

4.3 鉆孔及孔口管防突

地質鉆機在鉆進過程中,如果揭穿高壓含水層,鉆桿在高壓水作用下可能被推出從而出現大的突水或鉆桿與孔壁周圍突水,這除對施工安全的造成較大的威脅外,如果封堵不及時還會產生大量的涌水。因此在高壓、富水區施做水平鉆或其他探孔作業時，應設置鉆孔防突裝置,防止類似事件的發生。

4.4 加強監控量測及信息反饋工作

施工過程中應對工作面地質探孔、主要出水炮眼涌水量變化、水壓大小、泥砂含量等進行監測,對圍巖及支護結構的應力、變形進行監測。在地表建筑密集、施工涌水可能誘發地表變形的區域還應加強地表沉降監測。利用上述監測資料可對施工前方涌水情況，注漿堵水過程中圍巖及支護結構的受力狀態、穩定情況，隧道涌水對地表建筑的影響程度、發展情況等進行綜合分析和判斷。

5 結論

(1)本隧道工作面突水引起的地下水水位下降，基巖上覆地層中的細小顆粒隨水流失以及地下水流失引起的覆蓋型巖溶復活是誘發起地表下沉、坍塌、建筑變形、開裂的重要原因。

(2)隧道突水的發生與該區域的地形、地貌、水系及地質條件等有十分密切的聯系。地表有集中水體或較好匯水條件的巖溶、斷層、地層不整合接觸帶、巖漿巖與沉積巖侵入接觸帶的沉積巖側發生涌水的可能性很大,施工應引起重視。

(3)隧道涌水的控制首先應針對地層及地質構造的特點,采用適宜的物探手段和工程地質分析相結合的超前地質預報方法探明施工前方的地質情況并以此為基礎采用切實可行的注漿堵水技術；此外,高壓、富水區探孔及注漿鉆孔施作過程中發生突水的可能性也很大,應采用適宜的鉆孔及孔口管防突措施。

[1]張小華,劉清文,楊其新.鐵路隧道防排水現狀與思考[J].現代隧道技術,2007,44(4)：61-66

[2]黃顯忠.公路隧道施工中的環境保護問題探討[J].探礦工程,2006(6)：27-30

[3]沈振武.山區長大隧道工程的環境問題研究[J].華東交通大學學報,2003,20(5)：35-37

[4]劉 丹,楊立中.華鎣山隧道排水的生態環境問題及效應[J].西南交通大學學報,2001,36(3)：308-313

[5]魏賢沖.秦嶺終南山特長隧道施工環境保護對策[J].現代隧道技術,2003,40(6)：31-33

[6]楊果林,楊立偉.隧道施工地質超前預報方法與探測技術研究[J].地下空間與工程學報,2006,2(4)：627-630