探討巖土工程勘察在水下隧道設計和施工中的應用

蔡永生1 付小龍 2

楚雄欣源水利電力勘察設計有限責任公司

摘要：在隧道巖土工程勘察中，要想獲得準確、科學的數據，就應科學確定水利工程隧道洞口選擇、隧道埋深、巖體強度、隧道圍巖隔水性等要素，并從在綜合分析隧道圍巖類別和預算涌水量的基礎上，對隧道支護和防治水措施進行優化。本文將對圍巖類別判斷進行分析，并在此基礎上探索隧道位置的選擇和隧道頂板的埋深，進而探索了隧道涌水預測和隧道防水措施。

關鍵詞：巖土工程勘察；水下隧道設計；水下隧道施工

水利工程水下隧道巖土勘察的重點是查明不良災害地質現象、巖體崩解的膨脹性、巖體張開程度、巖體裂隙密集、巖體節理、熔巖發育程度、隧道穿越斷裂等內容，在此基礎上還應當對洞口位置和頂板埋深進行科學確定，并充分考慮水文參數、計算河床沖刷深度，確定隧道圍巖類別和巖土的富水性并調查統計地下水天然露頭的補給源和補給量。透水性和滲透系數的確定采用鉆孔水文地質試驗，運用涌水量計算公式預測評價隧道涌水量，根據以上內容確定處理措施和建議。

一、判定水利工程隧道圍巖類別

水利工程隧道一定范圍內影響坑道穩定性的巖體和土體就是隧道圍巖，通常情況下水利工程人員需根據圍巖完整性、圍巖結構特征等控制圍巖穩定性因素對隧道圍巖進行分析，同時圍巖巖石的強度也是重要的參考因素。水利工程坑道圍巖穩定性指的是開挖后未進行支護時圍巖的穩定水平，在對圍巖類別進行具體判斷時，需對裂隙發育程度、斷裂等機制構造和節理、巖體強度、巖層單層厚度、成巖程度、膠結與密實、圍巖巖性等因素進行綜合考慮，另外巖體縱波波速、巖石質量指標、軟弱夾層及結構特征也是重要的參考文獻[1]。

二、選擇水利工程隧道位置

水利工程水下隧道應當選擇河床順直、河道較窄、河水較淺的地段穿越河流，同時應當盡量錯開巖溶發育區、斷裂發育區、褶皺發育區。通常來說水下隧道在松散土層中穿越一般選用沉管法施工，但在巖層中穿越則不適用該法。一般在河流兩岸設置水下隧道洞口，并且盡可能將不良地質地段錯開，并將河流永久穩定岸坡和隧道洞口的距離控制在三十米以內[2]。

三、確定水利工程隧道頂板埋深

在運用沉管法施工時應當在河流沖刷深度以下設置水下隧道頂板。若選用其他方法施工，就應當在控制頂板深度的同時，提升頂板的的完整性、強度、單層厚度。大型侵入巖體具有完整性好、強度高的特點，并且由于節理、裂隙不發育，巖層滲透性就會控制在一定范圍內。變質巖類、侵入體邊緣與巖脈中的巖漿巖類和沉積巖類中的非泥質巖類存在相對發育的裂隙和節理，甚至會有貫通性好的構造裂隙或溶蝕裂隙存在[3]。

四、水利工程隧道涌水預測

穿越河流的水下隧道較易出現涌水，巖、土層的含水性和透水性據定了涌水量的大小。實際當中有兩種評價方法用于水利工程隧道涌水預測，分別為定量評價和定性評價。

（一）定性評價

位于水位之上的洞口是由含水量不大的巖、土層構成，所以大量涌水不會出現在此處；但如果發生大氣降水或其他原因造成水沿裂隙下滲，那么就會產生涌水；涌水量會隨著給水的增加而增加，涌水實踐亦是如此。斜井或豎井段位于河流常年洪水位之上、地下水以下時，巖、土層的透水性決定了隧道涌水量，而基巖裂隙水和松散土層孔隙水等地下水則是主要來源。如果穿越的區域為漂石層、卵石、砂石、巖溶發育區、斷裂、褶皺，那么隧道則會出現涌水，如果穿越的區域包含暗河、背斜軸部、導水斷裂，那么就會有特大涌水產生[4]。

（二）定量評價

水利工程隧道涌水定量評價建立在定性評價的基礎之上的，位于地下水之上洞口地段的隧道可以不進行涌水定量評價，地下水位之下的隧道涌水則需分段進行評價。需要從水文地質試驗成果出發，預測隧道涌水量。抽水試驗時水文地質試驗的主要構成部分，同時還需輔助進行滲水、注水、壓水試驗，進而獲得水文地質參數，包括抽水鉆孔的影響半徑、含水層滲透系數、巖層透水性、裂隙發育程度。另外抽水試驗應當在每一類水文地質單元進行，同時進行抽水鉆孔和觀測鉆孔。可在不便于進行抽水試驗或水上地段進行滲水、注水、壓水試驗，并通過對比和修正實驗結果獲得水文地質計算參數。在評價隧道涌水量的過程中，應當對相關因素進行考量，包括河流常年洪水位、地下水位、巖層滲透性、巖層富水性、裂隙發育密度、完整性、巖體強度、圍巖工程地質性質等。根據水平坑道計算分段平巷，在鉛垂線和斜井的夾角小于四十五度的情況下，根據豎井進行計算，其中計算井長等于斜井的垂直投影長度。在鉛垂線和斜井的夾角大于四十五度時，可依據水平坑道計算斜井，計算長度則等于斜井的水平投影長度[5]。

五、水利工程隧道防水措施

實際當中通常綜合運用防、排、堵、截、引等措施實現水利工程隧道防治，防主要采取超前探水的方法，包括長距離探水（二十米以上）、中距離探水（十米至二十米之間）、短距離探水（十米以內）。排主要是將水利工程隧道圍巖出水進行及時的抽排。堵主要是采用止水工程水墻堵水或注漿堵水的辦法處理超前探水鉆孔或隧道開挖出水。引則是通過飲水管集中引流隧道開挖斷面股狀水流，待襯砌體強度達到一定程度后進行封堵。實際當中應當采用柔性砼樁、地下連續墻、高壓旋噴注漿、帷幕灌漿等措施進行開挖前的松散土層中的豎井止水。如果穿越的松散土層的斜井低于地下水位，則可運用冷凍法施工或者管棚超前預支護，并采用橢圓形或者圓形的筒橫截面，澆筑方式選擇鋼筋砼整體澆筑。采用帷幕注漿防方法處理斷裂破碎帶，并根據一次能穿越斷裂破碎帶距離確定帷幕注漿鉆孔深度。如果是較寬的斷裂破碎帶，當一次不可能穿越時則采用分段進行的辦法。在注漿帷幕的基礎上，還應當將注漿鉆孔布置于隧道掌子面上，在掌子面前方進行注漿封閉[6]。

結語：

近年來為了滿足地方發展的需要，水利工程隧道建設逐年增多，其中巖土工程勘察是隧道工程建設中的關鍵環節，對于隧道質量和日后的使用都具有非常重要的意義。巖土工程勘察復雜且系統的過程，同時對于不同地質環境應當使用的技術和手段也存在很大差異。巖土工程勘察人員充分把握工程地質狀況，并據此選擇相應的技術和措施進行工程勘察，這樣才能夠為水利工程水下隧道設計和施工提供準確、科學的數據。本文論述了巖土工程勘察當中判定隧道圍巖類別、選擇隧道位置、確定隧道頂板埋深、隧道涌水預測、隧道防水措施等內容，以求為提升我國隧道施工設計中巖土工程勘察水平貢獻綿力，但本文仍存在一定局限，希望行業人員能夠加強重視，提升巖土工程勘察水平。

參考文獻：

[1]王龍，章長松，王小清等.巖土工程勘察在水下隧道設計和施工中的應用研究[J].科協論壇（下半月），2012，（6）：10.

[2]牛亞偉，呂建祥，胡孝榮等.高黎貢山隧道巖土工程勘察水平鉆孔施工技術[J].四川地質學報，2012，32（3）：325-327.

[3]辛田軍，顏山羊.大型河流穿越巖土工程勘察中穿越方式的選擇[J].西部探礦工程，2011，23（6）：14-16，20.

[4]張小冬，凌賢長，程亞鵬等.水下隧道周圍土體及襯砌變形力學性狀研究[J].哈爾濱工業大學學報，2013，35（7）：844-849.

[5]任建喜，賀小儷，劉朝科等.旁壓試驗在西安地鐵巖土工程勘察中的應用研究[J].鐵道工程學報，2013，（11）：98-101.

[6]葉俊能，張春進.寧波市軌道交通1號線一期Ⅰ標段巖土工程勘察探討[J].西部探礦工程，2010，22（3）：41-45.