富水圍巖山嶺隧道防排水技術研究*

劉榮鑫 陳 鵬 于瑋曉

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽 515325; 2.華中科技大學土木工程與力學學院 武漢 430074)

隧道施工期間遇到的地質災害主要是涌水和滲水，它們也是隧道運營的主要災害。我國自建設鐵路隧道以來，80%的建設施工過程中都遇到涌水問題，運營過程中30%的隧道存在涌水、滲水等災害[1]。因此，地下水對隧道工程建設和運營的影響不容忽視。

富水超前探測技術目前主要采用地質雷達法、超前鉆探法、聲波探測法、地震波法及紅外探測法等多種方法[2]。由于工程地質復雜，僅通過一種手段很難準確地預測地質狀況，所以在實際操作時，多采用幾種方法結合使用[3]。一般是在利用紅外探水、地質雷達、聲波及地震波等方法探出前方有地下水的情況下，再打超前鉆探孔，進行探水[4]。

富水隧道地下水的治理一般有：注漿、凍結法、壓氣法、井點降水等施工方法[5]。目前，隧道突水突泥防治原則轉變為“以堵為主，堵排結合，綜合治理，保護環境”，形成以注漿為主，其他措施為輔的處治體系。如日本青函隧道在穿越高壓富水斷層破碎帶時，發生了大規模突水突泥，經全斷面超前預注漿后該問題得以解決，而后采取探水-注漿-開挖3個環節交替進行，有效防止了突發性災害涌水事故的發生[6]。另外，針對國內的南嶺隧道、宜萬鐵路齊岳山隧道，吳治生等[7-10]將注漿技術進行了詳細介紹和總結，采取注漿治理方法解決了當時大規模突水突泥問題，達到了良好的堵水和加固效果，使注漿技術得到了進一步發展。

目前，在工程中一般采用“探孔-注漿”輔助施工技術。探孔的目的是為了使注漿更具有針對性，避免浪費漿液，從而降低工程成本。在鉆孔后可根據水量情況和工程自身的功能特點決定是否注漿以及注漿方式。

1 工程概況

小北山1號隧道分左右線布置，左線隧道里程ZK14+390-ZK17+390，長3 000 m，進口設計標高60.876 m，出口設計標高約40.630 m，最大埋深約280 m；右線隧道里程K14+380-K17+388，長3 008 m，進口設計標高約為60.816 m，出口設計標高約40.618 m，最大埋深270 m。

隧道位于丘陵區，地面標高為50～420 m，相對高差約為370 m，隧道南北走向穿越東西走向的山脊，山體地形起伏大，山體植被發育。ZK16+460 左側沿溝谷約300 m 處有一口山塘。

隧道位于河流侵蝕基準面以上。隧址區地下水類型主要為潛水及承壓水，以潛水為主，賦存于第四系松散層及基巖風化裂隙中；局部為承壓水，賦存于斷層破碎帶中，在SZK5 號鉆孔揭露，標高114.3～85.3 m 微風化花崗巖、輝長巖為承壓含水層。地下水以大氣降水和山谷匯水下滲補給為主，排泄方式則以蒸發和測向徑流排泄為主。

龍潭峰水庫位于小北山一號隧道K16+500-K16+900左側(見圖1)，水庫邊緣距隧道主線平面最小距離約為100 m，水庫與隧道設計高程相差約為150 m，水庫蓄水面積約68 000 m2，蓄水量約30萬m3。隧道K16+400-K16+550為水庫段，該段隧底標高55.7～58.4 m。由于隧道開挖過程中改變了天然地下水的補、徑、排條件，隧道成為新的局部排泄基準，從而可能出現局部滲水和漏水現象，尤其是小北山一號隧道ZK16+450-ZK16+600(K16+400-K16+580)段存在F3區域大斷裂，該斷層處圍巖破碎，裂隙發育，工程地質復雜，屬于IV，V級圍巖，易發生塌方、涌水、水資源流失、破壞生態環境等不良情況。

圖1 龍潭峰水庫位置圖

F3屬于大的斷裂破碎帶，斷裂于地表ZK16+500通過隧址區。斷裂走向為北西305°～335°，傾向北東，傾角50°～65°。貫穿全區，斷裂可見長度大于4 km、由糜棱巖化、碎裂花崗巖、強硅化花崗巖等組成一條寬約數十米的構造帶。主斷裂內發育近于平行的密集裂隙群，裂隙產狀30°∠57°或200°∠53°。裂隙面發育階步、擦痕，階步呈不規則條痕狀。斷層范圍大，斷裂帶通過隧道(K16+150-K16+600)處圍巖破碎、裂隙發育，易形成地下水的通道及富集帶，圍巖級別低，穩定性差，容易掉塊、塌落。龍潭峰水庫通過F3

斷裂破碎帶與小北山1號隧道相連，隧道開挖施工可能會引起掌子面塌方、涌水，從而造成地下水文地質環境的改變，地下水資源流失、造成生態環境的破壞，同時也可能排放龍潭峰水庫存水，影響龍潭峰水庫的正常蓄水量。

2 小北山1號隧道超前探水

2.1 探測方法

在隧道施工時，使用紅外探水、超前預報及超前水平鉆孔等多種超前探測技術，及時探明掌子面前方地質情況，從而采取適當的處治措施以保障隧道施工的安全性，超前探水程序見圖2所示。

圖2 隧道超前探水程序

2.2 紅外探水地質預報

紅外探水儀是采用探測水體發射出的紅外線來探明水體存在區域及水量大小。由于紅外探測儀攜帶方便，且操作簡便，與其他探水方式相比，紅外探水儀運用得更為普遍。紅外探水儀能夠快速預報隧道開挖方向隱伏含水體狀況，這對隧道的施工安全有重要的作用。

紅外超前探水測點布置如圖3所示。

圖3 測點布設

掌子面上，水平方向布設3條測線，豎直方向布設4條測線，在其交點處取 12個測點，如圖3a)所示。通過探測12個測點的數據，比對數據之間的最大差值來判定隧道掌子面開挖前方是否存在隱伏含水體。周邊測點由掌子面反方向依次按照隧道底部、左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻的順序進行數據采集，如圖3b)所示；每3 m測取1組數據，共測取30 m即6條測線，每條測線包含11個測點，如圖3c)所示。將采集的數據通過紅外輻射曲線的形式展示出來，根據線性的走勢來分析隧道掘進方向是否有水。

根據圖3所示測點，使用紅外探水儀對小北山一號隧道ZK16+415掌子面進行紅外探水數據采集工作，探測范圍為ZK16+415-ZK16+445，探測所得數據如表1、表2所示。

表1 掌子面探測數據表μW/cm2

表2 隧道周邊探測數據表 μW/cm2

由表1可見，掌子面12個測點數據的最大場強與最小場強的差值為14 μW/cm2，由此判斷掌子面前方可能存在含水構造體。

根據表2所測得的隧道周邊數據繪制得如圖4所示曲線，發現函數圖形變化趨勢較規律，隧道掌子面前方存在具有含水構造的可能。

圖4 斷面測試數據曲線圖

2.3 地質雷達GPR探水

地質雷達也是現階段比較常用的超前探水技術，其原理是通過天線向地下發射高頻電磁波，由于不同圍巖介電常數不同，電磁波在通過不同介質時會出現各種變化，通過分析研究回收到的電磁波的走時、振幅及圖形變化等相關資料，大致上能夠判別出隧道圍巖中各種介質的埋深及類型。地質雷達超前探水儀器是選用拉托維亞研發的Zond-12e。測量時采用的發射天線是空氣耦合型天線，通過分析隧道掌子面掘進方向圍巖的物理性質、地質雷達的探測原理及施工場地的實際情況，其探測深度能夠達到30 m。

由紅外探水結果表明，小北山一號隧道ZK16+415掌子面前方存在水的可能性很大，為查明隧道前方的隱伏含水體，使用地質雷達進行超前探水，選擇天線為75 MHz，其探測深度可達33.54 m(根據實踐經驗，有效的探測深度為25 m)，采樣窗口長度可達500 ns，所得結果如圖5a)所示。由圖5b)可見，當探測的圍巖中不存在隱伏含水層時，圖形中的同相軸是正常的，而實際測得的數據同相軸發生反向，故存在隱伏含水層。

圖5 紅外探水

為確保隧道的安全施工和保護生態環境，防止疏干水庫，隧道穿越該區域的防水以“防、排、堵、截相結合”為原則，以“堵”為主，限量排放。在保證隧道防排水效果的前提下，加強防水、堵水措施，盡量減小隧址上方龍潭峰和地下水的流失，避免對水文地質環境造成重大影響，因此，當超前探水工作探測到掌子面前方存在隱伏含水體時，需進行超前鉆孔測定水量，再根據水量大小情況采取不同的注漿措施。

3 富水區注漿技術

根據超前探水及測定的掌子面前方水量大小情況，當水量不大時，應采取隧道局部超前預注漿堵水措施，當水量較大時，需采取隧道超前帷幕注漿預加固措施。當隧道出現滲漏水現象時，還要采取針對性的后注漿止水措施。

3.1 隧道局部超前預注漿堵水

當超前探水孔中總出水量小于15 m3/h但個別探水孔出水量大于3 m3/h時，宜對隧道進行局部超前預注漿堵水。局部超前預注漿堵水設計如圖6所示。

圖6 局部注漿示意圖

局部超前預注漿堵水段落按照地質詳勘報告及探水結果來確定，注漿材料主要采用單漿液，困難時采用水泥-水玻璃雙液漿。注漿范圍為出水通道范圍內、隧道開挖外輪廓線以外5～6 m，單孔注漿有效擴散半徑R=3.6 m，注漿結束最終壓力為凈水壓力的2～3倍。注漿后，總出水量小于2 m3/h且每一處出水量小于0.6 m3/h，即可結束注漿。

3.2 隧道超前帷幕注漿預加固

當超前探水孔中出水量過大時，需對隧道采取全斷面超前帷幕注漿措施進行預加固。全斷面超前帷幕注漿預加固設計如圖7所示。

圖7 全斷面帷幕注漿示意圖

全斷面深孔預注漿分2次進行，第一次鉆孔數22個，第二次鉆孔數24個，第一次注漿孔位離開挖邊界0.5 m，第二次注漿孔位離開挖邊界1.0 m，第一次注漿孔的外插角為9.3°，第二次注漿孔的外插角9.7°。為防止串漿，第一次注漿與第二次注漿之間宜間隔2～3 h。注漿材料主要采用單液漿，困難時采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比為0.6～1.1，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.5，凝膠時間根據現場情況確定。當注漿壓力達到3 MPa，進漿量小于100 L/min且壓力升高較快時，則可停止注漿，最大注漿壓力不能超過5 MPa。

3.3 隧道后注漿止水

在隧道施工過程中，施作初期支護后，若仍出現滲漏水情況，需進行隧道后注漿止水。對于出現大面積淋水或嚴重滲漏水現象，采用全斷面注漿止水；而對于局部大量涌水或嚴重滲漏水時，采用局部注漿止水。

注漿前，先對圍巖進行了現場注漿實驗，確定采用水泥-水玻璃雙液注漿，終壓采用靜水壓力的1.5倍，不低于2 MPa。水泥漿水灰比1∶1，水玻璃模數為2.6，濃度為35 °Bé，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.3，緩凝劑摻量為水泥用量的2%。注漿時按跳孔間隔方式進行，從水頭高的一端開始注漿。當注漿壓力達到設計終壓并繼續注漿10 min以上，或單孔注漿量與設計注漿量大致相同，且進漿速度小于20 L/min，可以結束本孔注漿。待一個注漿段的注漿孔全部注完后，鉆檢查孔對注漿效果進行檢驗，檢查孔數量不少于總孔數的5%且不小于3個，并取巖芯觀察填充情況，同時檢查孔內涌水量不大于5 L/min，否則應加密鉆孔注漿，補充漿液。全斷面注漿止水與局部注漿止水分別如圖8所示。

圖8 注漿止水

3.4 注漿效果

現場施工表明，通過對隧道F3斷裂破碎帶的注漿，控制了隧道破碎帶涌水、塌方現象的發生，避免施工時出現不良地質災害，確保了該段隧道的順利施工；通過注漿措施進行堵水限排，使得施工現場測得的隧道排水量低于限制性排放標準，達到防排水的目的。

4 結論

1) 采用紅外探測和地質雷達相結合的方法可準確預報隧道工作面前方的地質狀況與水文地質條件，使得隧道設計與施工更具有針對性，從而減少不必要的麻煩。

2) 對于毗鄰水庫的山嶺隧道， “以堵為主，限量排放”的防排水方式較為合適，能夠在保證隧道防排水效果的前提下，最大限度的保護原有生態條件。

3) 在超前探水探測到掌子面前方有隱伏含水體時，要進行鉆孔測量水量大小，并根據水量的不同采取不同的注漿措施，該方法既提高了工程的防排水效果，又可節約材料，降低成本。

[1] 王夢恕.大瑤山隧道：20世紀隧道修建新技術[M].廣州:廣東科技出版社,1994.

[2] 何繼善,柳建新.隧道超前探測方法技術與應用研究[J].工程地球物理學報,2004(4):293-298.

[3] 邱奕超,鐘文衡.地質雷達在公路滑坡加固治理中的應用[J].華南地震,2006,26(2):84-88.

[4] 代勇.綜合地質預報技術在巖溶隧道中的應用研究[D].廣州: 華南理工大學,2012.

[5] 羅寧寧.玉蒙鐵路秀山特隧道高壓富水區施工技術研究[D].成都：西南交通大學,2011.

[6] 關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京：人民交通出版社,2004.

[7] 吳治生,付伯森.南嶺隧道突發性涌泥介紹及成因分析[J].鐵道工程學報,1987(2):100-103.

[8] 吳治生,付伯森.南嶺隧道巖溶注漿概況及經驗教訓[J].鐵道工程學報,1989(2):168-176.

[9] 武林,張謝東,張志華,等.基于離散元的過江雙線隧道盾構施工位移影響分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2017,41(6):1041-1046.

[10] 張慶民,張梅.高壓富水斷層“外堵內同注漿法”設計新理念與工程實踐[J].中國工程科學,2009,11(12):26-34.