隧道地下水環(huán)境保護(hù)技術(shù)

李澤龍

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

對于隧道建設(shè)排泄地下水而影響地表自然環(huán)境的問題，一直是隧道設(shè)計(jì)、施工的先驅(qū)者想解決而一直未能很好解決的事情。渝懷鐵路重慶樞紐引入工程歌樂山隧道，由于其所處的特殊地理位置，地表水源和環(huán)境的敏感性，地表眾多的人口、企業(yè)和學(xué)校，以及該隧道地表植被在重慶市生態(tài)平衡維持、局域氣候調(diào)節(jié)等方面的作用等原因，解決該隧道施工對地表水環(huán)境的影響和破壞問題是刻不容緩和毋庸置疑的。

1 工程概況

1.1 隧道地理位置、地表人文環(huán)境、社會環(huán)境及用水條件

歌樂山隧道全長4 050 m，是渝懷線西端第一座隧道，為全線控制工程。隧址地表為重慶市沙坪壩區(qū)下屬的歌樂山鎮(zhèn)和中梁山鎮(zhèn)，并聚集了許多工礦企業(yè)、學(xué)校、部隊(duì)等單位，共6.4萬人在此生產(chǎn)、生活。

地表居民的生產(chǎn)、生活用水基本上取自山上的泉、井、暗河及附近的凌云水庫、普照寺水庫等，在歷史上基本屬于雨季尚能滿足供水，旱季則要缺水的狀況。但隨著近年經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工礦企業(yè)、學(xué)校、部隊(duì)等的遷入，以及山頂原居民人口的不斷膨脹，隧道地表已成為重慶市嚴(yán)重缺水的區(qū)域之一。

隧道地表植被發(fā)育，為重慶市自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)，被譽(yù)為“重慶市自然綠色屏障”，在維持重慶市生態(tài)平衡、保持水土、調(diào)節(jié)本地氣候等方面發(fā)揮著不可估量的作用。平坦、開闊的洼地中廣布良田，為重慶市比較重要的蔬菜基地之一。由于山頂空氣清新，氣候宜人，除擁有諸多企業(yè)、學(xué)校、部隊(duì)外，也是重慶市旅游度假的重要場所。

如果由于本隧道施工造成地表水泄漏，將影響到地表居民的生產(chǎn)、生活，造成地表植被的干枯，破壞生態(tài)平衡。由于地表本來就是重慶市的嚴(yán)重缺水地區(qū)，一旦發(fā)生泄漏水事件，將影響到社會安定團(tuán)結(jié)，造成社會不穩(wěn)定因素。

1.2 主要地質(zhì)條件

隧道近垂直穿越歌樂山山脈，隧道的地貌、地層特征受觀音峽背斜控制。該背斜為區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造，軸線近南北走向，與山脈的走向基本一致。背斜兩翼為泥巖夾砂巖及須家河組煤系地層(隧道穿越1 600 m)，核部為雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r及泥巖等可溶巖地層(隧道穿越2 450 m)。隧道最大埋深280 m。

隧道地下水在背斜兩翼的泥巖夾砂巖及須家河煤系地層以基巖裂隙水為主，核部可溶巖地層以巖溶水為主。

可溶巖地段于地表漏斗、洼地、溶洞、落水洞、溶溝、溶槽等溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，地下巖溶水水位較高(最高220 m)。由于巖溶裂隙、通道的發(fā)育，地下巖溶水與地表水源連通性好，隧道預(yù)測最大涌水量為5.3×104m3/d。

2 地下水處理

要解決隧道建設(shè)、運(yùn)營排水對地表環(huán)境的破壞，其核心理念就是要在隧道建設(shè)后形成新的滲流場條件下維持地下水環(huán)境的動態(tài)平衡。也就是隧道長期排水量與原自然泄水點(diǎn)泄水量之和不得大于隧址范圍地下水的補(bǔ)給量，這樣地下水環(huán)境才不會惡化并逐步恢復(fù)。因此在確定隧址后，有必要對隧址區(qū)域的地下水補(bǔ)給量、自然泄水點(diǎn)排水量進(jìn)行調(diào)查，以此確定隧道允許的排水量。

隧道允許排水量確定后，要結(jié)合隧道地層分布、富水段落、分段涌水量預(yù)測等制定分區(qū)限排段落、限排措施等，以保證隧道建設(shè)實(shí)際排水量小于地下水補(bǔ)給量，從而維持地下水的動態(tài)平衡。

2.1 地下水處理原則

根據(jù)隧址區(qū)域地下水補(bǔ)給量、自然泄水量調(diào)查，結(jié)合隧道施工涌水量預(yù)測，如不采取措施，隧道建設(shè)后的長期泄水將造成地表水源點(diǎn)的疏干，影響地表企業(yè)、居民的生產(chǎn)、生活用水，破壞生態(tài)環(huán)境。基于維持地下水動態(tài)平衡、保護(hù)環(huán)境的理念，必須對隧道施工及運(yùn)營期間的排水量進(jìn)行限制。因此確定本隧道地下水處理的原則為:非可溶巖段對地表生態(tài)無影響的地下裂隙水以排為主，可溶巖段地下水以堵為主，限量排放。

2.2 隧道容許排水量

前文根據(jù)本隧道所處環(huán)境條件的調(diào)查資料擬定了可溶巖段地下水“以堵為主，限量排放”的處理原則。因此“限量排放”的“量”的確定就成為了措施方案制定、地下水治理措施成敗檢驗(yàn)的重要標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)隧址區(qū)域地下水補(bǔ)給量、自然泄水量調(diào)查資料，隧道涌水量預(yù)測，參考相鄰、相似隧道容許涌水量的標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)專家論證，本隧道建成地下水的排放標(biāo)準(zhǔn)擬定為平均不大于1 m3/m·d。

2.3 分區(qū)限排段落的確定

地勘資料揭示，隧道穿越的三疊系雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組灰?guī)r地層都不同程度存在巖溶發(fā)育現(xiàn)象，其巖溶發(fā)育的最大特點(diǎn)即順層面發(fā)育與地表連通。如果出現(xiàn)較大涌水，造成大量的地下水泄漏，將襲奪地表水，造成地表泉、井、水庫干涸。在歷史上該區(qū)域曾發(fā)生過由于修建隧道、深孔鉆井而導(dǎo)致地表水干涸的事件。

因此確定隧道穿越的雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組灰?guī)r地層為本隧道地下水“限量排放”區(qū)域，總長2 450 m。

2.4 限排措施

對隧道地下水的限制排放，必須進(jìn)行堵水。堵水是通過打孔注漿進(jìn)行的，即在一定的安全巖柱的保護(hù)下，在工作面往富水帶施作注漿孔，注漿孔施作完成后通過預(yù)埋的孔口管向孔內(nèi)壓注漿液(水泥漿或水泥～水玻璃漿)，在一定的高壓作用下，漿液擴(kuò)散到注漿孔周邊的節(jié)理、裂隙中或擠出節(jié)理、裂隙中的水、粘土等，在裂隙中凝固，使裂隙被具有一定強(qiáng)度的漿液結(jié)晶體或結(jié)石體充填，并與巖體固結(jié)為一體。通過多循環(huán)、多孔(應(yīng)保證有一定的重疊)的注漿，在隧道周邊形成一定厚度的止水帷幕。

根據(jù)隧道地下水特點(diǎn)、水壓力、水量及隧道周邊的地質(zhì)條件，按照工序隧道注漿分工前(開挖前)預(yù)處理和工后(開挖后)后處理兩種方式。

2.4.1 工前處理

根據(jù)超前預(yù)測預(yù)報(bào)資料，預(yù)測掌子面前方存在高壓富水區(qū)，且根據(jù)探孔資料驗(yàn)證，如掌子面總涌水量大于10 m3/h時，或掌子面總涌水量雖小于10 m3/h，但個別探水孔出水量大于2 m3/h時，則應(yīng)進(jìn)行工前預(yù)處理。

2.4.1.1 掌子面處理

由于本隧道最高水壓達(dá)2.2 MPa，要進(jìn)行工前預(yù)處理，必須有一定厚度的安全巖柱作為施工安全屏障，并為將來的注漿堵水起到止水、止?jié){的作用。安全巖柱的厚度根據(jù)水壓、水量的差異而不同，但一般情況下其厚度不應(yīng)小于5 m。因此在掌子面至富水區(qū)厚度不足安全厚度的前提下，進(jìn)行注漿前須先施作止?jié){墻以達(dá)到要求的安全巖柱厚度。

當(dāng)開挖掌子面至富水區(qū)巖柱厚度滿足安全厚度時，如掌子面圍巖較好，巖體完整，能夠起到安全屏障作用且能較好地起到止水、止?jié){作用，則一般不施作專門的混凝土止?jié){墻，對掌子面噴混凝土封閉或?qū)r體中的較大裂隙進(jìn)行注漿加固，即可作為止?jié){巖盤。

當(dāng)開挖掌子面至富水區(qū)巖柱厚度滿足安全厚度時，但掌子面節(jié)理發(fā)育，裂隙連通性較好，通過噴混凝土或注漿加固難以改善其整體性，使其起到止水、止?jié){效果時，則也要施作一定厚度的混凝土止?jié){墻。

2.4.1.2 全斷面超前帷幕注漿

根據(jù)超前探孔資料，如掌子面前方大面積出水，且涌水總量大于10 m3/h時，則進(jìn)行全斷面超前帷幕注漿。注漿加固圈厚度按照第四強(qiáng)度理論計(jì)算，如式(1):

式中:E為注漿加固圈計(jì)算厚度(m);R為隧道毛洞半徑(m);P為最大靜水壓力值(MPa);σ為注漿加固體綜合強(qiáng)度抗壓(MPa)。

根據(jù)本隧設(shè)計(jì)，R為4.6 m，P為2.2 MPa，σ取4.8 MPa，得E值為5.53 m，故采用注漿加固圈厚度為襯砌開挖輪廓線外6 m。

圖1 注漿鉆孔縱斷面布置

對于每循環(huán)帷幕注漿，其注漿段落長度一般為25～27 m，如段落太長，則注漿孔長度加大，施作困難，施工速度較慢。

注漿孔單孔擴(kuò)散半徑按2.5 m考慮，鉆孔終孔間距不大于3 m，以保證各孔注漿范圍有足夠的搭接。預(yù)設(shè)計(jì)每循環(huán)注漿共設(shè)6環(huán)，共107個注漿孔，其中前三環(huán)1#～72#孔主要是對隧道周邊來水進(jìn)行封堵，施工順序?yàn)橄韧馊髢?nèi)圈，由近漸遠(yuǎn)，采用前進(jìn)式注漿;后三環(huán)73#～107#孔是對隧道正面來水進(jìn)行封堵，施工順序?yàn)橄韧馊髢?nèi)圈，采用后退式注漿，在連續(xù)帷幕注漿段兼顧對下一循環(huán)注漿的止?jié){巖盤進(jìn)行加固，注漿長度一般為5～7 m。

在實(shí)際的施工中，注漿鉆孔應(yīng)根據(jù)每循環(huán)的出水情況對每環(huán)鉆孔的終孔位置、鉆孔數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，以保證更有效地注漿堵水并節(jié)約投資。

2.4.1.3 超前局部注漿

當(dāng)掌子面總涌水量雖小于10 m3/h，但個別探水孔出水量大于2 m3/h時，則需對這些孔眼進(jìn)行超前局部預(yù)注漿。

超前局部注漿是以超前帷幕注漿設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，根據(jù)出水點(diǎn)的位置，采用其局部注漿孔，并在其它位置設(shè)檢查孔對整個隧道范圍內(nèi)掌子面前方的地下水情況進(jìn)行檢查。

2.4.2 工后處理

隧道開挖后，圍巖較差、節(jié)理較發(fā)育、洞室周邊漏水、滲水點(diǎn)較多，但水壓力較小或無水壓，采用系統(tǒng)的徑向注漿措施對圍巖予以加固并堵水。

隧道開挖后，若圍巖較好、節(jié)理裂隙不發(fā)育、只有局部點(diǎn)以股狀水流出，采用徑向局部注漿予以封堵，采用注漿材料為水泥～水玻璃雙液漿。注漿時以出水點(diǎn)為中心布孔，先外圈，后內(nèi)圈，層層注漿，最后對出水點(diǎn)集中注漿封堵。

2.4.3 主要注漿參數(shù)

2.4.3.1 注漿壓力

注漿壓力是注漿過程中非常重要的參數(shù)，它對漿液擴(kuò)散、裂隙充填效果等影響很大，是注漿效果的控制參數(shù)之一。注漿壓力與通道、水壓力及漿液材料有關(guān)，一般情況下注漿壓力為實(shí)測水壓力加1.0 MPa或略高于靜水壓力，注漿終壓為2～3倍的實(shí)測靜水壓力。

2.4.3.2 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

(1)單孔注漿壓力上升至設(shè)計(jì)終壓，并持續(xù)注漿10 min以上;(2)單孔注漿結(jié)束時進(jìn)漿量小于20 L/min;(3)全段注漿結(jié)束后，所有注漿孔均符合單孔注漿結(jié)束條件;(4)全段注漿結(jié)束后檢查孔出水量小于0.2 L/min;(5)每一循環(huán)注漿結(jié)束后，至少施作5個檢查孔對注漿效果進(jìn)行檢查，要求每個孔內(nèi)的出水量均小于0.4 L/min·m。

2.4.4 注漿材料

本隧道地下水通道以巖溶裂隙為主，通道一般較大且通暢，注漿過程中漿液消耗量大。鑒于水泥單液漿所具有的特點(diǎn)，尤其是價格低、結(jié)石體后期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在隧道超前帷幕注漿堵水的過程中，注漿材料以單液水泥漿為主。水泥－水玻璃雙液漿一般用于掌子面加固、埋設(shè)孔口管及注漿結(jié)束時的封孔。

3 效果評價

在本隧道可溶巖地段的施工中，須貫徹“先探水、預(yù)注漿、后開挖、補(bǔ)注漿、再襯砌”的施工方針，并在隧道建成后進(jìn)行長期監(jiān)測。有關(guān)本隧道采用的超前探測地下水的措施、方法另有撰文介紹，在本文中就不再贅述。

為了對堵水成果及地表水環(huán)境的保護(hù)效果進(jìn)行評價、檢驗(yàn)，隧道開工前于地表主要水源(如井、泉眼、暗河、水塘、水庫等)布置了監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控量測。根據(jù)監(jiān)控資料分析:在隧道施工期間，由于地下水的流失，在短時間內(nèi)造成了地表水位的下降。但在隧道堵水完成并經(jīng)過一個雨季后，地表水源均恢復(fù)正常。目前隧道已竣工并運(yùn)營多年，隧道內(nèi)日排水量約4 000 m3左右，達(dá)到了隧道建成地下水排放量平均不大于1 m3/m·d的目標(biāo)，保護(hù)了地表水環(huán)境。

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