隧道突水對環(huán)境的影響及控制對策

肖霞林 劉成禹

(1.成綿樂鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司, 四川成都 610051； 2.福州大學(xué)巖土工程與工程地質(zhì)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(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模興建,隧道將大量出現(xiàn)。隧道建設(shè)期間的地下水一直是廣大工程建設(shè)人員關(guān)注的問題,它不僅影響隧道施工安全、建成后的結(jié)構(gòu)安全和正常使用,還可能誘發(fā)一系列環(huán)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(fā)育區(qū),若不采取適宜的措施,將在較短的時間發(fā)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(xiàn)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(fā)性和涌水量巨大的特點(diǎn)，不僅對施工安全造成了嚴(yán)重威脅,還會在較短的時間內(nèi)誘發(fā)地表變形、塌陷、泉水枯竭、地表建筑開裂、倒塌等一系列環(huán)境問題,從而對隧道周邊居民的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生非常不利的影響。

隧道突水及其誘發(fā)的環(huán)境問題與該區(qū)域的地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)條件及隧道埋深等有著十分密切的聯(lián)系。本文以某特長隧道突水為例,結(jié)合突水區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，對隧道突水及其誘發(fā)地表變形的機(jī)理、地表變形特點(diǎn)及其對建筑的影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并在此基礎(chǔ)上對防止隧道突水的措施進(jìn)行了分析。

1 隧道突水及其誘發(fā)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(jié)構(gòu)形式多為磚混結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)類型以條形基礎(chǔ)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(jù)設(shè)計圖提供的地質(zhì)資料,本段隧道圍巖主要為硅灰?guī)r、薄層粉砂巖、泥質(zhì)砂巖,局部有溶蝕現(xiàn)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(fā)生兩次大的突水。第一次突水發(fā)生于2008年4月12日。在隧道右線YDK24+098進(jìn)行灰?guī)r段超前地質(zhì)鉆探時,探孔內(nèi)突然出現(xiàn)大量涌水,涌水量在幾分鐘內(nèi)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(dá)1.5～2.0 MPa,所幸施工人員、設(shè)備及時撤出,并未發(fā)生人身安全事故。

第二次突水發(fā)生于2008年6月3日,注漿孔鉆進(jìn)至25 m時,鉆孔內(nèi)突然出現(xiàn)大量突水,起始為黃色泥漿狀,水質(zhì)渾濁,含泥沙及小碎石,后逐漸變清,初始水量約1 000 m3/h,穩(wěn)定后仍達(dá)450～500 m3/h。

1.2 地表變形

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

2 隧道突水及其誘發(fā)地表變形的機(jī)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(jìn)行封堵,另一方面隨即在地表布設(shè)了多個沉降監(jiān)測點(diǎn)對地表沉降實施定人定時連續(xù)觀測。部分測點(diǎn)地表沉降隨時間的變化如圖1～圖4所示。

圖1 D9測點(diǎn)地表沉降隨時間變化曲線

圖2 D10測點(diǎn)地表沉降隨時間變化曲線

圖3 D12測點(diǎn)地表沉降隨時間變化曲線

圖4 D19測點(diǎn)地表沉降隨時間變化曲線

2.1 地表變形與隧道突水的聯(lián)系

由圖1～圖4可看出：

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

(2)各測點(diǎn)在開始監(jiān)測44～48 d(2008年6月4日至6月8日)后地表沉降又出現(xiàn)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(diǎn)也具有上述規(guī)律。

2008年5月2日是對工作面出水進(jìn)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(wěn)定在時間上有較好的對應(yīng)關(guān)系；2008年6月3日則是施做帷幕注漿鉆孔時發(fā)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(jī)理

本隧道YDK24+098大量突水的發(fā)生與該區(qū)域的地形、地貌、水系及地質(zhì)條件等有十分密切的聯(lián)系。

(1)隧頂上方村莊四面環(huán)山有利于地表水匯聚,區(qū)域內(nèi)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(zhì)基礎(chǔ)。

(2)YDK24+098附近處于花崗巖與沉積巖接觸帶附近,隧址區(qū)的花崗巖在燕山期因先期形成的沉積巖發(fā)生大規(guī)模斷陷,巖漿沿斷裂構(gòu)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(gòu)造的規(guī)模相當(dāng)大,在該斷裂構(gòu)造的影響下,花崗巖附近的沉積巖內(nèi)斷裂及節(jié)理非常發(fā)育,巖性較脆的硅灰?guī)r內(nèi)尤甚。但距花崗巖較近的沉積巖中的節(jié)理、裂隙因巖漿侵入發(fā)生接觸變質(zhì),所以距花崗巖較近的沉積巖中并未發(fā)現(xiàn)較寬的裂隙而表現(xiàn)為沉積巖發(fā)生變質(zhì),沉積巖間夾有花崗巖的現(xiàn)象。然而,距花崗巖稍遠(yuǎn)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(gòu)造節(jié)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(fā)生在花崗巖與沉積巖接觸帶附近,而發(fā)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(zhì)成分以砂、礫、黏粒等碎屑物質(zhì)為主,結(jié)構(gòu)松散,為典型的二元結(jié)構(gòu),具有良好的透水性。

(4)基巖受強(qiáng)烈的斷裂構(gòu)造影響,大的構(gòu)造節(jié)理較發(fā)育,基巖上覆地層結(jié)構(gòu)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?shù)貙佑辛己玫牡叵滤疂B流通道,為該區(qū)段隧道涌水提供了必要的條件。

2.3 隧道突水誘發(fā)地表變形的機(jī)理

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

(1)洞內(nèi)大量涌水引起地下水水位下降,地下水水位下降誘發(fā)地表沉降。

(2)水從隧道大量流失,圍巖節(jié)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(xì)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(fù)活引起地表坍陷。由于該段地層中的硅灰?guī)r具可溶性,巖層中構(gòu)造節(jié)理發(fā)育,具有較好的地下水滲流條件,區(qū)域植被茂盛、地下水發(fā)育,因此該區(qū)域硅灰?guī)r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(fā)育的地方往往也是地下水流通條件較好的地方,隨著洞內(nèi)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(kuò)大至地表,從而危及地表建筑的安全。

3 地表變形特點(diǎn)及其對建筑的影響

在各測點(diǎn)地表沉降監(jiān)測及現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上確定地表下沉范圍,地表沉降區(qū)面積約220 600 m2。在地表沉降長期監(jiān)測的基礎(chǔ)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(yán)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(jié)構(gòu)較差的地段建筑會開裂,地表出現(xiàn)開裂或隆起。

(3)在下列地點(diǎn)附近地表沉降傾斜方向出現(xiàn)相背的偏離：①YDK24+320(測點(diǎn)D17、D18附近)；②測點(diǎn)D11附近；③YDK24+500右側(cè)附近；④測點(diǎn)D14、D15之間地表沉降傾斜方向出現(xiàn)相背的偏離,測點(diǎn)D13、D14之間沉降傾斜方向雜亂。上述區(qū)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(xiàn)下沉、傾斜,另一方面還將出現(xiàn)因拉伸而致的開裂。

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

4 隧道突水控制對策

前述分析表明,隧頂?shù)乇碜冃?、建筑開裂是由于隧道突水誘發(fā)的,而隧道突水又是由隧道所處的地表、地貌、地質(zhì)構(gòu)造,工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件決定的。因此,減弱隧道突水對環(huán)境負(fù)面影響的關(guān)鍵是控制隧道涌水量。隧道涌水量的控制關(guān)鍵則是在掌握施工前方地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上采取切實可行的注漿堵水措施。

4.1 強(qiáng)化超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報是地質(zhì)復(fù)雜地段確保施工安全的重要措施[6]。隧道突水大多發(fā)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(cè)。除周圍為完整巖體的巖溶外,上述地段在工程地質(zhì)上都有相應(yīng)的前兆特征(如節(jié)理密集程度的漸進(jìn)變化、滲水量的逐漸變化、沉積巖與巖漿巖的熔融膠結(jié)等)；斷層破碎帶、地層不整合接觸帶巖體的物性及物理力學(xué)性質(zhì)都有較明顯的差異,周圍為完整巖體的充水巖溶、大的構(gòu)造裂隙其電阻率、介電常數(shù)會發(fā)生突變。針對上述富水區(qū)域介質(zhì)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(zhì)雷達(dá)、高密度電法探測；針對斷層破碎帶的TSP、地質(zhì)雷達(dá)探測等),并結(jié)合工程地質(zhì)前兆分析,可大大提高超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性,及時預(yù)測突水風(fēng)險,為隧道突水的超前防治提供可靠的地質(zhì)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(qū)段的重要施工措施,是減少隧道涌水量,提高圍巖強(qiáng)度,保護(hù)地表環(huán)境的有效措施。隧道涌水區(qū)段宜采用漸進(jìn)式綜合注漿技術(shù),即采用全斷面注漿堵住大水,再采用徑向注漿、局部注漿、補(bǔ)充注漿及回填注漿堵住小水,達(dá)到設(shè)計要求的防排水標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 鉆孔及孔口管防突

地質(zhì)鉆機(jī)在鉆進(jìn)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(xiàn)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(chǎn)生大量的涌水。因此在高壓、富水區(qū)施做水平鉆或其他探孔作業(yè)時，應(yīng)設(shè)置鉆孔防突裝置,防止類似事件的發(fā)生。

4.4 加強(qiáng)監(jiān)控量測及信息反饋工作

施工過程中應(yīng)對工作面地質(zhì)探孔、主要出水炮眼涌水量變化、水壓大小、泥砂含量等進(jìn)行監(jiān)測,對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形進(jìn)行監(jiān)測。在地表建筑密集、施工涌水可能誘發(fā)地表變形的區(qū)域還應(yīng)加強(qiáng)地表沉降監(jiān)測。利用上述監(jiān)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(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、穩(wěn)定情況，隧道涌水對地表建筑的影響程度、發(fā)展情況等進(jìn)行綜合分析和判斷。

5 結(jié)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(xì)小顆粒隨水流失以及地下水流失引起的覆蓋型巖溶復(fù)活是誘發(fā)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(fā)生與該區(qū)域的地形、地貌、水系及地質(zhì)條件等有十分密切的聯(lián)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(cè)發(fā)生涌水的可能性很大,施工應(yīng)引起重視。

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

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