傍湖隧道滲漏通道評價及防治措施

曾 科，許 模，張 強(qiáng)

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護(hù)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(zhì)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(qiáng)導(dǎo)水性通道，則會對隧道安全造成極大威脅。根據(jù)導(dǎo)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(fēng)險性、特征、以及作用機(jī)理都有明顯的區(qū)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(shè)計施工提供理論上的指導(dǎo)意義。

表1 各類型介質(zhì)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(jù)國內(nèi)外大量統(tǒng)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(fā)的巖溶涌突水更是屢見不鮮。在水體作用下，貫通型通道發(fā)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(dǎo)水，主要與斷層形成時的力學(xué)性質(zhì)、斷層兩盤巖性、充填膠結(jié)、斷層規(guī)模等因素有關(guān)如(表2)所示。一般來說，兩盤為脆性巖體、充填膠結(jié)程度差的張性大規(guī)模斷層導(dǎo)水性最大。兩盤為塑性圍巖的壓性斷裂一般膠結(jié)性也較好，透水性很差。而對于半充填膠結(jié)的斷裂，揭露時初期涌水量較小，如果放任其發(fā)展，在高水頭水流的沖蝕作用下，充填物質(zhì)被水流帶走造成斷層易突然聯(lián)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(qū)，水動力作用強(qiáng)烈，巖溶作用相應(yīng)也較強(qiáng)，多發(fā)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(fā)性高，水量大且穩(wěn)定。另一方面，巖溶區(qū)分布著數(shù)量眾多的，由原巖溶洼地內(nèi)部落水洞充填堵塞形成的巖溶湖。天然具備垂向?qū)ǖ?，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(fā)性的涌水突泥，造成不可估量的損失。目前準(zhǔn)確預(yù)測巖溶管道、溶洞的手段相對較少，對于巖溶區(qū)的傍湖隧道只能加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報，多種手段相結(jié)合探明掌子面前方巖體是否存在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。

2 裂隙型通道

主要存在于脆性巖體，由原生結(jié)構(gòu)面及構(gòu)造裂隙組合形成網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)水空間。在水體高水頭作用下持續(xù)不斷地向隧道內(nèi)涌水，給隧道排水造成困難，準(zhǔn)確的預(yù)測隧道水量是預(yù)防此類型介質(zhì)涌水的關(guān)鍵。

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

圖1 傍湖隧道地質(zhì)剖面

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

式中:Q為隧道預(yù)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(shù)(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(dǎo)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(fā)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?？衫孟铝泄絹碛嬎愀羲敯宓陌踩穸龋?］:

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(qiáng)度;

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

4 防治措施

4.1 加強(qiáng)地質(zhì)勘察

查明水體向隧道滲漏的通道類型、性質(zhì)、水文地質(zhì)參數(shù)、規(guī)模、位置等，為隧道設(shè)計施工提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

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(wù)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(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報

目前超前地質(zhì)預(yù)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(yōu)缺點及適宜性，如地震波法預(yù)報溶洞等點狀地質(zhì)體時效果不佳，而地質(zhì)雷達(dá)對點狀地質(zhì)體預(yù)報較為準(zhǔn)確，但探測的距離太短，一次只能探測5～30 m。因此超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)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(dǎo)水通道，并后續(xù)施工提供處理措施依據(jù)。

4.4 超前帷幕注漿

在水庫影響范圍內(nèi)采取全斷面深孔預(yù)注漿，封閉、固結(jié)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(jìn)行填充形成帷幕，以達(dá)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(fēng)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(fēng)險段，取得了良好的效果。

4.5 全斷面封閉結(jié)構(gòu)

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

5 結(jié)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(fā)生涌突水災(zāi)害的風(fēng)險大大提高?？辈祀A段應(yīng)重點查明貫通型通道的位置、規(guī)模、性質(zhì)等，為隧道設(shè)計提供可靠的依據(jù);施工階段應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)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(shè)計與施工［J］.公路交通技術(shù).2002(S1):82－86.

［2］胡東祥，楊文欽.斷層導(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.公路交通技術(shù).2002(S1):78－81.

［5］毛邦燕，許模等.礦區(qū)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.