傍湖隧道滲漏通道評價及防治措施

曾 科，許 模，張 強

(成都理工大學地質災害防治與環境保護國家重點實驗室，四川 成都610059)

我國天然湖泊眾多，人工筑壩形成的湖泊更是不勝枚舉。受線型、坡度、地質條件等因素的控制，一些大型線狀工程如高速鐵路、公路、引水工程，將不可避免地以隧道方式穿越湖體。水體為隧道涌水提供了大量涌水源與良好的水動力條件，一旦隧道揭露強導水性通道，則會對隧道安全造成極大威脅。根據導水性不同，將通道類型分為貫通型、裂隙型、弱滲透型三類(表1)。不同類型的通道滲漏造成涌突水的風險性、特征、以及作用機理都有明顯的區別。本文著重討論各類通道的滲漏影響因素及定性定量評價方法及防治措施，為傍湖隧道的設計施工提供理論上的指導意義。

表1 各類型介質涌突水特征及實例

1 貫通型通道

貫通型通道主要指斷層、巖溶管道兩類，據國內外大量統計資料表明，由于揭露或靠近斷層而引起突水事故占70%～80%［1］;而由揭露巖溶管道引發的巖溶涌突水更是屢見不鮮。在水體作用下，貫通型通道發生涌突水的可能性及危險性都大大提高。

1.1 斷層的透水性

斷層是最具威脅的涌水通道之一，但并不是所有的斷層都能成為涌水通道，斷層能否導水，主要與斷層形成時的力學性質、斷層兩盤巖性、充填膠結、斷層規模等因素有關如(表2)所示。一般來說，兩盤為脆性巖體、充填膠結程度差的張性大規模斷層導水性最大。兩盤為塑性圍巖的壓性斷裂一般膠結性也較好，透水性很差。而對于半充填膠結的斷裂，揭露時初期涌水量較小，如果放任其發展，在高水頭水流的沖蝕作用下，充填物質被水流帶走造成斷層易突然聯通威脅隧道安全。

1.2 巖溶管道

大型湖泊作為地下水的排泄區，水動力作用強烈，巖溶作用相應也較強，多發育利于地下水排泄的管道或溶隙。隧道揭露巖溶管道或大型溶隙時，水體沿貫通的巖溶通道直接倒貫形成隧道涌突水，突發性高，水量大且穩定。另一方面，巖溶區分布著數量眾多的，由原巖溶洼地內部落水洞充填堵塞形成的巖溶湖。天然具備垂向導水通道，隧道開挖形成臨空面，填充物在自重和虹吸作用下松動或跨塌，形成突發性的涌水突泥，造成不可估量的損失。目前準確預測巖溶管道、溶洞的手段相對較少，對于巖溶區的傍湖隧道只能加強超前地質預報，多種手段相結合探明掌子面前方巖體是否存在巖溶強烈發育區。

2 裂隙型通道

主要存在于脆性巖體，由原生結構面及構造裂隙組合形成網絡導水空間。在水體高水頭作用下持續不斷地向隧道內涌水，給隧道排水造成困難，準確的預測隧道水量是預防此類型介質涌水的關鍵。

水體下隧道涌水量的預測常用解析法和數值模擬法，解析法基于簡化的水文地質模型，適用于簡單條件下隧道涌水量的計算。數值模擬法可以刻畫復雜水文地質邊界條件，適用性廣泛，隨著計算機運算能力的提升以及處理軟件的不斷提升，數值法已經成為計算隧道涌水量的主流方法。

圖1 傍湖隧道地質剖面

Polubarinova－Kochina(1962)根據沿隧道軸線區域性滲流的特性，水平圓形隧道穩定滲流問題可以建立如圖1所示數學模型。推導出了計算隧道滲流流量解析式［2］:

式中:Q為隧道預測涌水量(m3/d);H為湖水深度(m);h為上覆巖體厚度(隧道頂至水底的巖體厚度);K為巖層滲透系數(m/d);r為隧道有效開挖半徑(m)。

3 弱滲透型通道

主要指泥巖、湖底覆蓋物等塑性巖體，導水性及透水性都很差，在具備一定厚度的條件下即有良好的隔水意義，一般不易發生大的涌突水，多為滴水。但隧道上部地表水的靜水壓力和巖石裂隙靜水壓力以及施工對巖體造成的擾動形成的裂隙帶可能會延伸至地表水體。因此必須留夠隧道與水體之間的安全距離。可利用下列公式來計算隔水頂板的安全厚度［3］:

式中:B為隧道頂板寬度;γ為隧道頂板隔水層平均容重;H為作用于隧道頂板上的實際水頭值，水庫水頭高與裂隙靜水壓力之和;σt為隧道頂板隔水層平均抗拉強度;

如洋坪山隧道水庫段，B(11.25)、γ(2.7kg/cm3)、H(20m)、(3.3Mpa)，經上式計算安全頂板厚度為25.76 m。

4 防治措施

4.1 加強地質勘察

查明水體向隧道滲漏的通道類型、性質、水文地質參數、規模、位置等，為隧道設計施工提供可靠的地質依據。

4.2 降低地表水位

對于人工湖、水庫等人為可控的地表水體，在保證水體服務功能的條件下，在施工期間盡可能降低庫水位，以減輕作用在洞體圍巖的水壓力。

4.3 加強超前地質預報

目前超前地質預報的方法較多，按原理主要分為電法、電磁法、紅外線法、地震波法、超前鉆孔法等5類，各類方法都有其優缺點及適宜性，如地震波法預報溶洞等點狀地質體時效果不佳，而地質雷達對點狀地質體預報較為準確，但探測的距離太短，一次只能探測5～30 m。因此超前地質預報應多采用幾種方法，綜合各類方法的成果判定斷層、巖溶空腔等貫通型導水通道，并后續施工提供處理措施依據。

4.4 超前帷幕注漿

在水庫影響范圍內采取全斷面深孔預注漿，封閉、固結掌子面前方洞室及周壁4～5 m巖體及軟弱透水層，對斷層、裂隙密集帶、小型溶腔進行填充形成帷幕，以達到減小隔斷地下水徑流途徑的目的［4］。此法是目前通過高風險涌突水段的主要方法，如福鼎至寧德高速公路洋坪隧道過湖段采用全隧道帷幕注漿順利通過涌突水高風險段，取得了良好的效果。

4.5 全斷面封閉結構

在初期支護和二襯之間鋪設防水層，在施工縫、沉降縫等防水薄弱環節采用中埋式橡膠止水帶，以達到全面封堵涌水，防止地下水在高水頭作用下對導水通道的沖刷，裂隙擴展至水體，威脅隧道施工及運營的安全。

5 結論

傍湖隧道由于臨近地表水體，水體為隧道涌水提供了高水頭、大量涌水源，使其比其它隧道發生涌突水災害的風險大大提高。勘察階段應重點查明貫通型通道的位置、規模、性質等，為隧道設計提供可靠的依據;施工階段應加強超前地質預報，貫徹“不探不挖”的原則，以保證隧道施工安全。

［1］柯小華，朱光儀.水庫底下的兩座隧道設計與施工［J］.公路交通技術.2002(S1):82－86.

［2］胡東祥，楊文欽.斷層導水性定量分析方法初探［J］.山東煤炭科技.2001，(05):46 －47.

［3］YaP.Theoryofgroundwatermovement［M］.TranslatedbyR.J.M.DeWiest.Princeton:PrincetonUniversityPress，1962.

［4］郭小紅，梁巍.穿越水庫底部的全封閉隧道結構設計［J］.公路交通技術.2002(S1):78－81.

［5］毛邦燕，許模等.礦區水庫滲漏影響評價問題的模糊綜合評價研究［J］.人民長江.2007，38(6):103 －106.