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(qū)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(zhì)災(zāi)害,較大地影響隧道施工及建成養(yǎng)護(hù)。在涌水處理過程中選擇合理經(jīng)濟(jì)的處理措施,有著重大的技術(shù)價值和經(jīng)濟(jì)意義。

1 涌水對隧道工程的影響

在隧道開挖工程中,因?qū)φ谱用媲胺降刭|(zhì)情況預(yù)測不準(zhǔn)或涌水流量估計過小出現(xiàn)的涌水事故,往往造成施工人員傷亡和較大的經(jīng)濟(jì)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(shè)備的腐蝕性更嚴(yán)重;寒冷地區(qū)反復(fù)的凍融循環(huán),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(jié)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(nèi)的各種附屬設(shè)施和設(shè)備對于絕緣與防銹都有嚴(yán)格要求。

2 隧道涌水的原因分析

隧道涌水是由于隧道掘進(jìn)破壞了含水層結(jié)構(gòu),使水動力條件和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)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(chǎn)生一種動力破壞現(xiàn)象。

3 涌水量的預(yù)測

3.1 水文地質(zhì)比擬法

水文地質(zhì)比擬法是建立在水文地質(zhì)條件相似的基礎(chǔ)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(nèi),水在循環(huán)過程中保持平衡狀態(tài),收入和支出相等,查明隧道施工段水的補(bǔ)給、排泄之間的關(guān)系,從而獲得施工段的涌水量。水均衡法預(yù)測正常涌水量時,常分為地下徑流深度法、地下徑流模數(shù)法和降水入滲法。

常用的地下徑流模數(shù)法公式:Qs=MA。

其中,M為地下徑流模數(shù),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(xué)法

地下水動力學(xué)法又稱解析法,是依據(jù)介質(zhì)中地下水動力學(xué)的基本理論,建立地下水運動規(guī)律的基本方程,通過數(shù)學(xué)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(yù)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(shù),m/d;H為洞底以上潛水含水體厚度,m,采用各段加權(quán)平均厚度;h為洞外水柱高度,m;R為影響半徑或引用補(bǔ)給半徑,m;r為洞身橫斷面寬度之半,m。

2)經(jīng)驗公式:Qs=LKH(0.676-0.06K),符號意義同上。

3.3.2 預(yù)測最大涌水量的公式

1)經(jīng)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(shù),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(jù)各種情況,做好周密的應(yīng)急預(yù)案,包括材料、人員、機(jī)具及技術(shù)方法等。為確保隧道施工安全,在斷層破碎富水帶開挖時,應(yīng)按照管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、襯砌緊跟的原則。根據(jù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(hù)先通過后注漿堵水。4)大段落的巖層破碎帶、斷層構(gòu)造帶。極易產(chǎn)生集中涌水地段,根據(jù)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(qiáng)初期支護(hù)

隧道涌水段應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù),增加噴射混凝土厚度,提高混凝土的抗?jié)B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(shè)施施工

1)防水板懸掛時間不宜過早,應(yīng)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(yīng)由拱頂向兩側(cè)逐漸展開,防水板盡可能和巖面密貼,防水板掛設(shè)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(yīng)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(zhì)量的好壞將直接影響最終的防水效果,混凝土中應(yīng)加入防水劑提高其抗?jié)B性,并進(jìn)行現(xiàn)場試驗,使其達(dá)到抗?jié)B要求;加強(qiáng)二次襯砌混凝土板與板之間環(huán)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(jìn)洞約50 m后隧道出現(xiàn)多次涌水,左右線合計共發(fā)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(fā)的涌水大部分位于倒轉(zhuǎn)背斜核部,從構(gòu)造上來看,背斜核部具有發(fā)育的“二次縱張節(jié)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(nèi)分布了F6,F7,F8三條斷裂破碎帶,斷裂構(gòu)造巖表現(xiàn)為碎裂巖化、角礫巖化,富含構(gòu)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(fēng)化嚴(yán)重,強(qiáng)度迅速降低,圍巖自穩(wěn)能力變?nèi)?在水頭壓力下形成過水通道,經(jīng)過實際勘察發(fā)現(xiàn)涌水水源補(bǔ)給有兩方面:1)地表水的補(bǔ)給。隧道發(fā)生涌水后,隧道上方的多條溝內(nèi)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(jìn)行補(bǔ)給。2)層間溶溝、溶槽。隧道地處秦嶺復(fù)合造山帶南部大巴山褶皺,斷裂發(fā)育,主要沿軟質(zhì)巖與硬質(zhì)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(gòu)造物,構(gòu)造物內(nèi)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(nèi)總涌水量非常大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)測的涌水量,必須配備足夠的抽排水設(shè)備、人員等保證施工正常進(jìn)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(zhì)情況,為優(yōu)化設(shè)計提供正確的地質(zhì)依據(jù),對構(gòu)造裂隙水進(jìn)行減壓(包括分流孔)。3)根據(jù)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(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

[1] TB 10049-2004/J 339-2004,鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S].

[2] 梅志榮,張軍偉,李傳富.鐵路長大隧道建設(shè)中地下水防治有關(guān)問題研究進(jìn)展[J].鐵道工程學(xué)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(jī)理及防治對策研究[J].巖土力學(xué),2006,7(2):228-246.

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

[5] 蔡德志.朱家?guī)r隧道涌水處理施工技術(shù)[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(yù)測計算方法研究[J].水利水電技術(shù),2009(7):41-44.

[7] 張 琳.隧道與地下水環(huán)境相互影響計算[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2009(196):19-23.

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

[9] 羅文藝.秦嶺東梁隧道水文地質(zhì)特征分析及涌水量預(yù)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(shù)[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(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),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(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2009,20(2):76-79.