高水壓富水隧道地下水控制技術(shù)探討

李治國(guó)

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

國(guó)內(nèi)外大量的施工實(shí)踐表明，高水壓富水隧道涌水突泥會(huì)給施工、運(yùn)營(yíng)和環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害。如日本青函隧道［1］主隧道全長(zhǎng) 53.85 km，其中海底部分23.3 km，埋深最淺處距海底100 m，施工過(guò)程中曾遇到4次大的突水、涌泥。其中，1974年1月8日，吉岡作業(yè)坑最大涌水量達(dá)15 840 m3/d，處理時(shí)間為362 d;1976年5月6日，北海道一側(cè)的輔助隧道又發(fā)生70 m3/min的涌水，造成主隧道被淹沒1 493 m，輔助隧道被淹沒3 015 m，處理時(shí)間將近1年。中國(guó)臺(tái)灣的東北部新永春隧道［2］是一條單線鐵路隧道，長(zhǎng)4 433 m，隧道從南口開挖到1 812 m時(shí)，掌子面發(fā)生大的突水涌泥，突水量從開始的15 m3/min增加到80 m3/min，最大水壓力達(dá)到5 MPa，涌出泥石15 000 m3，淹沒已開挖和支護(hù)的隧道540 m，造成局部地段改線。臺(tái)灣臺(tái)北到宜蘭的高速公路雪山隧道［3］由2條主隧道和1條平行導(dǎo)坑組成，長(zhǎng)度12.9 km，隧道通過(guò)地層主要為砂巖，多次發(fā)生涌水，隧道最大涌水量達(dá)到0.75 m3/s，最大水壓力達(dá)到 2 MPa。渝懷線圓梁山隧道［4］全長(zhǎng)11.070 km，最大埋深780 m，在毛壩向斜區(qū)存在2層承壓水，相對(duì)于隧道洞身標(biāo)高而言，其靜水頭最高為460 m，2號(hào)溶洞DK354+390掌子面實(shí)測(cè)水壓力超過(guò)3.0 MPa，最大涌水量達(dá)到10 000 m3/h，由于大量粉細(xì)砂多次涌出，處理時(shí)間將近1年。雅礱江錦屏二級(jí)水電站引水隧道［5］最大埋深2 525 m，輔助洞共揭露12條出水帶，突發(fā)性涌水點(diǎn)5個(gè)，涌泥點(diǎn)2個(gè)，A洞和B洞最大穩(wěn)定總涌水量為11.50 m3/s，單點(diǎn)突發(fā)性最大涌水量為5～7.3 m3/s，集中涌水段外水壓力為5～6 MPa，其他為一般涌水地段，最大水壓力為4 MPa。從國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)例來(lái)看，高水壓富水隧道涌水突泥引發(fā)施工災(zāi)害的案例很多，地下水控制理論和技術(shù)還不成熟，需要進(jìn)一步研究和探討，以提高理論和技術(shù)水平。國(guó)內(nèi)外鐵路、公路和水電等工程的長(zhǎng)大隧道正在大規(guī)模修建，由于曲線半徑和坡度等技術(shù)參數(shù)的嚴(yán)格要求，隧道穿越高水壓富水區(qū)是需要面對(duì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一，因此繼續(xù)開展地下水控制技術(shù)研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 隧道涌水量和水壓力控制

1.1 地下水的滲流規(guī)律

1.1.1 滲流流量計(jì)算

地下水一般是通過(guò)管道、節(jié)理裂隙和空隙等通道向隧道周圍流動(dòng)，并流入隧道內(nèi)部，根據(jù)水流中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形式，地下水在均勻介質(zhì)中的滲流運(yùn)動(dòng)一般分為層流、紊流和混合流(層流和紊流同時(shí)存在)。3種運(yùn)動(dòng)滲流流量計(jì)算公式［6］如表1所示。

表1 地下水滲流流量計(jì)算公式Table 1 Formulas to calculate ground water seepage flow rate

從表1中可以看出，隧道涌水量主要和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、水力坡度、地層滲透系數(shù)和流態(tài)指數(shù)有關(guān)，為了降低隧道涌水量，應(yīng)采取合適的措施，如降低地下水的水力梯度、滲透系數(shù)、過(guò)水?dāng)嗝?，改變?jié)理裂隙寬度和粗糙程度、流態(tài)指數(shù)等。

1.1.2 動(dòng)水壓力計(jì)算

對(duì)于土體中的穩(wěn)定滲流、單位體積土骨架所受到的壓力總和，稱為動(dòng)水力GD，動(dòng)水力計(jì)算公式［7］如下:

式中:GD為動(dòng)水力，kN/m3，其方向與水流方向一致;γw為水的重度，kN/m3;I為水力梯度。

從式(1)可以看出，要減小單位體積土骨架上的壓力，主要應(yīng)減小水力梯度。

1.1.3 過(guò)水通道對(duì)水頭損失的影響

過(guò)水通道的大小、粗糙程度、彎曲程度及受力狀態(tài)等對(duì)水壓力影響很大，對(duì)于水在圓管中流動(dòng)，沿程水頭損失一般采用 J.Weisbach－H.P.G.Darcy公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為:

式中:hf為沿程水頭損失;l為管道長(zhǎng)度;d為管道直徑;v為地下水流度;g為重力加速度;λ為沿程阻力系數(shù)，在層流中，λ=64/Re(其中Re為雷諾數(shù))，在紊流中，λ和Re及Δ/d有關(guān)(其中Δ為粗糙突出高度)。

從式(2)可以看出:沿程阻力系數(shù)、管道長(zhǎng)度、地下水流速越大，管道直徑越小，沿程水頭損失也越大，在地下水控制方面應(yīng)增加流水管道粗糙度、長(zhǎng)度，減小管道直徑。有關(guān)資料表明［8］，當(dāng)裂縫寬度在0.1～0.2 mm時(shí)，如地下水流速很小，其自身攜帶的泥砂或混凝土析出物與空氣中的某些物質(zhì)反應(yīng)，容易堵塞過(guò)水通道，裂隙或裂縫容易出現(xiàn)自愈現(xiàn)象。因此，過(guò)水通道越小，沿程水頭損失越大，其傳遞到隧道的水壓力也就越小。

1.2 減小隧道涌水量和水壓力的措施

1.2.1 地層加固和止水措施

1)在隧道位置選擇時(shí)，應(yīng)使隧道盡量避開高水壓富水區(qū)，修建在較完整或完整的巖石中，或?qū)⑺淼佬藿ㄔ跐B透系數(shù)很小的黏土或粉質(zhì)黏土中，盡量不要將隧道修建在軟弱破碎地層或含水量較大的砂層中，以減少地下水向隧道內(nèi)滲透。圍巖完整性越好，強(qiáng)度越高，隔水性越好，水壓力折減越多，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的水壓力也越小。如地層完整性指數(shù)大于0.55，RQD指標(biāo)大于75，對(duì)控制隧道涌水量和水壓力是非常有利的。

2)通過(guò)注漿、旋噴和攪拌等方法，進(jìn)行加固和堵水，降低地層空隙率和滲透系數(shù)，或通過(guò)施作地下連續(xù)墻形成止水帷幕，改變地下水滲流路徑。如果使裂隙寬度減小到0.2 mm以下，地層滲透系數(shù)降低到10－5cm/s及以下，或在隧道周圍形成封閉的止水帷幕，隧道的涌水量和水壓力會(huì)大大減小。

對(duì)于高水壓和極高水壓地段，如采用超前預(yù)注漿，應(yīng)通過(guò)對(duì)隧道周圍一定范圍過(guò)水通道的封堵，將水壓力降低到0.3 MPa以內(nèi)，然后通道開挖后的徑向注漿和局部補(bǔ)充注漿等措施將水壓力進(jìn)一步降低，如降低到0.1 MPa以內(nèi)，對(duì)于防止二次襯砌開裂和滲漏水是非常有利的。

有關(guān)資料表明［9］，對(duì)于深埋隧道，注漿后隧道單位長(zhǎng)度涌水量［8］

式中:Qg為隧道單位最大涌水量，m3/(d·m);K0為巖體滲透系數(shù)，m/d;Kg為注漿加固圈滲透系數(shù)，m/d;H為水深，m;h為隧道覆蓋層厚度，m;Rg為注漿加固圈厚度，m;R0為隧道等效半徑，m。

從大量的注漿試驗(yàn)檢驗(yàn)資料可知，Kg比K0一般小100～1 000倍，因此，從式(3)可以看出，注漿加固圈厚度Rg越大，滲透系數(shù)Kg越小，注漿后隧道的涌水量就會(huì)越小。

3)可通過(guò)冷凍方法，將水從液體變?yōu)楣腆w，使水失去流動(dòng)性，水轉(zhuǎn)化成冰后，強(qiáng)度和完整性增加，以抵抗水壓力。冰的強(qiáng)度一般為0.3～5.5 MPa，因此冷凍形成的凍土具有良好的阻水性能，但該方法應(yīng)考慮凍漲和融沉作用，并考慮水壓力恢復(fù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力和隧道排水量的影響。

1.2.2 限排降壓措施

1)可通過(guò)地表或洞內(nèi)降水措施，降低地下水位，減小隧道周圍的水頭高度，在粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及砂巖等地層，通過(guò)降水和排水，降低隧道周圍水壓力，減小掌子面涌水量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)試驗(yàn)資料［10］，一般情況下，如采取措施將地層含水量降低到12%～20%，可使土體的抗剪強(qiáng)度提高較多。

2)可采取疏導(dǎo)措施，改變地下水的流動(dòng)方向，如采用排水洞、排水管和排水鉆孔，截?cái)嗷蚋淖兊叵滤牧鲃?dòng)路徑、方向，從而減小隧道掌子面水壓力和涌水量。

3)隧道初期支護(hù)表面徑向注漿、局部注漿及二次襯砌背后回填注漿，也可減小涌水量和水壓力。

4)在涌水口安裝帶有閘閥的排水系統(tǒng)，根據(jù)需要調(diào)節(jié)閘閥排水量和水壓力。

5)采用可以拆裝更換或清洗的排水系統(tǒng)，以保證排水順暢，降低隧道周圍水壓力。

1.2.3 二次襯砌抗水壓

1)水壓力大小的分級(jí)。對(duì)于一般山嶺隧道，當(dāng)水頭小于10 m時(shí)，地下水流速一般較小，對(duì)施工、運(yùn)營(yíng)和環(huán)境影響輕微，封堵比較容易，可稱為極低壓水;當(dāng)水頭為10～30 m時(shí)，隧道開挖揭示后，地下水一般對(duì)施工、運(yùn)營(yíng)和環(huán)境影響不大，可稱為低壓水;當(dāng)水頭為30～50 m時(shí)，隧道開挖揭示后，地下水流速一般較大，壓力較高，對(duì)施工、運(yùn)營(yíng)和環(huán)境影響較大，可稱為中壓水;當(dāng)水頭為50～100 m時(shí)，一旦開挖揭露，噴射距離較遠(yuǎn)，封堵比較困難，對(duì)施工、運(yùn)營(yíng)和環(huán)境可能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，稱為高壓水;當(dāng)水頭大于100 m，開挖過(guò)程中，可能發(fā)生爆噴或大量涌突，封堵十分困難，可能對(duì)施工、運(yùn)營(yíng)、環(huán)境產(chǎn)生災(zāi)難性影響，可稱為極高壓水。結(jié)合以上分析，并參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)資料和隧道設(shè)計(jì)施工的經(jīng)驗(yàn)，建議水壓力大小分級(jí)如下:

①Ⅰ級(jí)。極低水壓:p≤0.1 MPa;

②Ⅱ級(jí)。低水壓:0.1 MPa＜p≤0.3 MPa;

③Ⅲ級(jí)。中水壓:0.3 MPa＜p≤0.5 MPa;

④Ⅳ級(jí)。高水壓:0.5 MPa＜p≤1.0 MPa;

⑤Ⅴ級(jí)。極高水壓:p＞1.0 MPa。

大量的工程實(shí)踐和監(jiān)測(cè)資料表明，如隧道涌水壓力超過(guò)1.0 MPa，開挖支護(hù)將十分困難，應(yīng)考慮封堵或引排等措施。此外通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，如混凝土襯砌背后水壓力超過(guò)1.0 MPa，隨著水壓力作用時(shí)間延長(zhǎng)，水將逐漸從混凝土微小空隙中緩慢滲出，產(chǎn)生“慢滲現(xiàn)象”，將給結(jié)構(gòu)承載能力和正常使用帶來(lái)不利影響。

綜合國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)隧道不同區(qū)段的水壓力狀態(tài)，在隧道防排水體系設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分區(qū)設(shè)防，分類處理。對(duì)于極低、低水壓地段宜以堵水為主、減少排放;對(duì)于中水壓地段，宜采取堵排結(jié)合，限量排放;對(duì)于高水壓、極高壓水地段，宜采取防、堵、截、排、疏相結(jié)合，因地制宜，綜合治理。

2)隧道二次襯砌抗水壓?jiǎn)栴}。根據(jù)國(guó)內(nèi)外隧道設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，從經(jīng)濟(jì)性和可靠性出發(fā)，如隧道上方的水頭小于30 m，即水壓力在0.3 MPa以內(nèi)，一般可采用全封堵結(jié)構(gòu)，尤其是國(guó)內(nèi)城區(qū)地鐵區(qū)間隧道和地下車站，其埋置深度一般小于30 m(個(gè)別城市和線路除外)，其水壓力一般小于0.3 MPa，因此大部分采用了以堵水為主、全封閉防水結(jié)構(gòu)，僅考慮少量排水。GB 50108—2008《地下工程防水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，地下工程的埋置深度H和抗?jié)B性的關(guān)系，當(dāng)H＜10 m，混凝土抗?jié)B等級(jí)采用P6，當(dāng)10≤H＜20 m，混凝土抗?jié)B等級(jí)采用P8，當(dāng)20≤H＜30 m，混凝土抗?jié)B等級(jí)采用P10，當(dāng)H≥30 m，混凝土抗?jié)B等級(jí)采用P12。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，如隧道的水壓力小于0.5 MPa，采用合理的斷面形式，主體結(jié)構(gòu)(管片、底板、側(cè)墻、頂板等)采用C30～C50、厚為30～80 cm全封閉的混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并輔以合理的抗?jié)B、防水、限排及加強(qiáng)仰拱或底板等措施，基本可以解決隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗水壓?jiǎn)栴}。

隨著抗水壓能力的提高，二次襯砌混凝土襯砌厚度、強(qiáng)度等級(jí)、配筋要求也相應(yīng)提高，工程成本也會(huì)相應(yīng)增加。根據(jù)文獻(xiàn)［11］資料，廈門東通道海底隧長(zhǎng)6.05 km，為雙向分離式6車道公路隧道，地下水和海水總水頭為50～70 m，全封閉復(fù)合襯砌在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖地段按初期支護(hù)和其所加固的圍巖承擔(dān)大部分圍巖壓力、二次襯砌承擔(dān)小部分圍巖壓力和全部靜水壓力;在Ⅰ～Ⅲ級(jí)圍巖地段按初期支護(hù)和其所加固的圍巖承擔(dān)全部圍巖壓力、二次襯砌承擔(dān)全部靜水壓力模式綜合考慮計(jì)算。靜水壓力按照隧道埋置深度進(jìn)行調(diào)整，拱頂最大靜水壓力按0.65 MPa取值，二次襯砌采用不等厚截面形式，基礎(chǔ)或仰拱截面加厚，可保證結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理;根據(jù)計(jì)算當(dāng)只考慮靜水壓力一種工況時(shí)，60 cm厚(拱部)的素混凝土二次襯砌，最大可承受0.65 MPa(拱頂)靜水壓力。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，該隧道海域Ⅳ級(jí)圍巖初期支護(hù)為Ι18工字鋼拱架和C25、厚度28 cm的濕噴混凝土，二次襯砌為厚度60 cm、強(qiáng)度等級(jí)C50的鋼筋混凝土襯砌;海域Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)為Ι20b工字鋼拱架和C25、厚度30 cm的濕噴混凝土，二次襯砌為厚度70 cm、強(qiáng)度等級(jí)C50的鋼筋混凝土襯砌。實(shí)際施工過(guò)程中，由于水壓力較高，局部二次襯砌墻腳出現(xiàn)濕漬現(xiàn)象，采用了封堵措施，并增設(shè)了泄水孔進(jìn)行引排。

青島膠州灣海底隧道［12］海底段的海水總水頭為50～78 m，在海底，海域Ⅳ級(jí)圍巖初期支護(hù)采用了格柵拱架和C35、厚度25 cm的濕噴混凝土，二次襯砌采用了厚度70 cm、C50的鋼筋混凝土襯砌;海域Ⅴ級(jí)圍巖初期支護(hù)采用了格柵拱架和C35、厚度30 cm的濕噴混凝土，二次襯砌采用了厚度60～70 cm、C50的鋼筋混凝土襯砌。

福寧高速公路洋坪隧道［13］最大埋深180 m，結(jié)構(gòu)計(jì)算表明:60 cm厚C30混凝土二次襯砌，能夠承受0.3～0.4 MPa的靜水壓力，60 cm 厚鋼筋混凝土二次襯砌(4φ20)，能夠承受0.6～0.65 MPa的靜水壓力，60 cm厚鋼筋混凝土二次襯砌(5φ22 mm)，能夠承受0.65 ～0.74 MPa的靜水壓力。

重慶軌道交通一號(hào)線二期工程沙坪壩至大學(xué)城段中梁山隧道［14］最大埋深270 m，隧道施工過(guò)程中遇到10余處高水壓富水溶洞，多次發(fā)生涌水突泥，地下水高峰期時(shí)流量達(dá)26 000 m3/d，最大水壓力為1.8 MPa。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮最大水壓力折減后為881.1 kPa，當(dāng)抗水壓等級(jí)為0.5 MPa時(shí)，二次襯砌鋼筋混凝土厚度為60～80 cm、強(qiáng)度等級(jí)C40;當(dāng)抗水壓等級(jí)為1.0 MPa時(shí)，二次襯砌鋼筋混凝土厚度為80～100 cm、強(qiáng)度等級(jí)C40。

渝懷線圓梁山隧道2號(hào)溶洞初期支護(hù)為工字鋼或H型鋼拱架和20～25 cm鋼纖維網(wǎng)噴射混凝土，二次襯砌根據(jù)抗水壓等級(jí)的不同，中、高水壓段采用了抗0.5 MPa和1.0 MPa水壓鋼筋混凝土襯砌，混凝土厚度為60～100 m;極高水壓段采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30;抗1.5MPa和2.5 MPa水壓鋼筋混凝土襯砌及抗4.5 MPa水壓力型鋼鋼筋混凝土混凝土襯砌，混凝土厚度為80～120 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，如二次襯砌抗水壓等級(jí)過(guò)高，混凝土厚度增加較多，配筋率也需要大大提高，鋼筋間距過(guò)小，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)灌注和震搗都比較困難，大體積混凝土的水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力容易引起裂縫，此外，施工縫和變形縫需要特殊的抗高水壓設(shè)計(jì)，因此，即使二次襯砌混凝土土強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性能夠滿足要求，其在高水壓長(zhǎng)期作用下混凝土的抗?jié)B性很難滿足要求，因?yàn)榈叵滤偷乇硭哂泻軓?qiáng)的水力聯(lián)系，當(dāng)?shù)乇斫涤陮?dǎo)致隧道襯砌背后水壓力持續(xù)升高時(shí)，如作用時(shí)間較長(zhǎng)，混凝土滲漏問題就會(huì)發(fā)生，且難以解決。因此，在只考慮水土壓力的情況下，隧道二次襯砌混凝土的抗水壓等級(jí)宜控制在1.0 MPa之內(nèi)，二次襯砌厚度宜控制在120 cm之內(nèi)，為了改善隧道的受力條件，應(yīng)盡量采用圓形斷面或鵝卵形斷面，如對(duì)抗水壓有特殊要求，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)和特殊設(shè)計(jì)，如采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼管片和型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)等。

2 隧道排水量分級(jí)及水中泥砂控制問題

2.1 排水量分級(jí)

在高壓富水區(qū)，通常修建排水洞或截水洞，地下水長(zhǎng)期大量排放時(shí)，如排出的地下水中攜帶大量泥砂，將對(duì)環(huán)境帶來(lái)不利影響，主要是造成地面塌陷和地表水位下降、植被破壞、河流污染和影響環(huán)境。此外，鐵路隧道排水一旦影響道床和鋼軌，將危及行車安全。

關(guān)于排水量，不同的隧道規(guī)定有所不同。例如，日本青函隧道建成后的排水量小于0.3 m3/(m·d);丹麥西部沿海奧勒(ALesund)松附近修建有2座海底隧道，其中一座從奧勒松至埃林索伊島(Ellingsoy)隧道最大常年排水量為300 L/min/km，相當(dāng)于0.432 m3/(m·d);中國(guó)香港Rote－9號(hào)線沙田嶺隧道設(shè)計(jì)要求排水量不大于36 L/min/100 m，相當(dāng)于0.518 m3/(m·d);渝懷線圓梁山隧道設(shè)計(jì)允許排水量為3.0 m3/(m·d);渝懷線歌樂山隧道設(shè)計(jì)允許排水量為1.0 m3/(m·d)。

中國(guó)廈門翔安海底隧道建成通車后的涌水量基本上控制在0.4 m3/(m·d)以內(nèi)。青島海底隧道設(shè)計(jì)要求主隧道的涌水量不得大于0.4 m3/(m·d)，服務(wù)隧道不得大于0.2 m3/(m·d)。

重慶軌道交通一號(hào)線二期工程沙坪壩至大學(xué)城段中梁山隧道［13］，設(shè)計(jì)要求地下水排放控制標(biāo)準(zhǔn)為1.0 m3/(m·d)。

結(jié)合以上分析，參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料和隧道設(shè)計(jì)施工的經(jīng)驗(yàn)，如隧道開挖斷面不大于150 m2，建議根據(jù)隧道建成后的排水量Q，將隧道排水等級(jí)分成5級(jí)，其適用的隧道類型如表2所示。

為了保證隧道運(yùn)營(yíng)安全和環(huán)境安全，還應(yīng)限定任意出水點(diǎn)的最大涌出量和泥砂含量，防止局部涌水量過(guò)大，攜帶泥砂過(guò)多，堵塞排水系統(tǒng)，造成水壓力升高，影響結(jié)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)和環(huán)境安全。

2.2 隧道排水中泥砂含量及粒徑控制

隧道排水中的泥砂含量過(guò)多和泥砂顆粒粒徑過(guò)大，將帶來(lái)很多問題:1)容易把隧道初期支護(hù)背后的地層局部掏空，圍巖抗力減小，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布和局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂和破壞;2)大量泥砂容易造成排水系統(tǒng)堵塞，引起襯砌背后水壓力升高，造成二次襯砌開裂或破壞;3)泥砂容易沉淀在排水溝(管)中，造成清洗困難;4)如泥砂進(jìn)入無(wú)碴軌道道床，將影響列車運(yùn)營(yíng);5)泥砂的大量排放，還可能造成地面塌陷、地下水位下降和下游河水污染等環(huán)境問題。因此，對(duì)于運(yùn)營(yíng)隧道的排水，除限定排水量外，還應(yīng)限制水中的泥砂含量和最大顆粒粒徑，當(dāng)然，在環(huán)保要求嚴(yán)格的地區(qū)，其他排放指標(biāo)也應(yīng)達(dá)標(biāo)。

表2 隧道排水量分級(jí)Table 2 Grades of drainage flow rate of tunnels

2.2.1 排水中泥砂含量的限制

根據(jù)JGJT111—98《建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范》，全部降水運(yùn)行時(shí)，抽排水的含砂量應(yīng)符合下列規(guī)定:粗砂含量應(yīng)小于1/50 000;中砂含量應(yīng)小于1/20 000;細(xì)砂含量應(yīng)小于1/10 000。達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在很大程度上可以減小由于泥砂抽出對(duì)周圍環(huán)境的影響。

考慮到大部分高水壓富水隧道排水中含有一定數(shù)量的中砂或細(xì)砂，并考慮隧道建成后排水時(shí)間長(zhǎng)、排量多、影響范圍大和清理難等特點(diǎn)，隧道的排水中泥砂含量應(yīng)控制在1/10 000以內(nèi)，要達(dá)到這一目標(biāo)，應(yīng)采取綜合控制措施。

2.2.2 排水中顆粒粒徑的限制

一般情況下，隧道防水板后設(shè)置的排水盲管等效孔徑為0.1～0.2 mm，為了防止排水系統(tǒng)堵塞，泥砂等顆粒物應(yīng)盡量懸浮在水中，以便順利排出，排水中泥砂顆粒粒徑宜小于0.2 mm。

3 中天山隧道高水壓富水區(qū)地下水控制

南疆鐵路土庫(kù)二線中天山隧道為平行雙洞單線隧道，線間距 36 m，左線長(zhǎng)度 22.449 km，右線長(zhǎng)度22.467 km，隧道最大埋深1 700 m。隧道右線進(jìn)口采用TBM施工，承擔(dān)施工任務(wù)12 753 m，出口和斜井地段采用鉆爆法反坡施工，承擔(dān)施工任務(wù)9 714 m。2011年10月6日右線出口掌子面施工至DyK154+901時(shí)(距出口9 139 m，距斜井3 625 m)，在實(shí)施超前探孔的過(guò)程中施鉆孔突然噴出一股高壓水，水柱噴射長(zhǎng)度達(dá)30多m，呈霧化狀，單孔出水量最大約5 000 m3/d，實(shí)測(cè)水壓6.3 MPa，受停電等多種因素影響，2011年10月最大一次涌水，淹沒隧道900 m左右。DyK154+901涌水區(qū)域?yàn)镕7逆斷層影響帶，長(zhǎng)度96 m，由于隧道長(zhǎng)、坡度大，反坡抽排水能力有限，為了保證施工和運(yùn)營(yíng)安全，采用全斷面超前預(yù)注漿封堵高壓水［15］，每循環(huán)注漿段長(zhǎng)30 m，注漿材料為普通水泥單液漿、水泥－水玻璃雙液漿和硫鋁酸鹽水泥單液漿，水灰質(zhì)量比為0.6∶1 ～1∶1，水泥 － 水玻璃體積比為 1∶1 ～1∶0.3，外加劑用量為水泥量的2% ～5%，注漿最大壓力最高為8 MPa，注漿前，超前探孔平均值涌水量為176 m3/h，注漿后，經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查和補(bǔ)充注漿，單孔單段涌水量滿足不大于0.2 L/(m·min)的控制標(biāo)準(zhǔn)才達(dá)到開挖條件。

每循環(huán)注漿后，在開挖之前，在止?jié){墻后部一定距離打3～5個(gè)泄水孔，孔底控制在注漿加固圈外1.0 m外，在開挖之前進(jìn)行泄水減壓和限量排放，等整個(gè)初期支護(hù)及仰拱填充完成后進(jìn)行徑向注漿，以進(jìn)一步提高注漿加固圈的抗水壓性能，在密切監(jiān)測(cè)初期支護(hù)和圍巖穩(wěn)定的情況下，采用頂水注漿的方式將泄水減壓孔封堵。隧道采用2臺(tái)階開挖，開挖過(guò)程中掌子面涌水量和水壓力大大減小，注漿堵水率達(dá)到90%以上。

隧道初期支護(hù)采用工22b型鋼和厚度30 cm、C25的網(wǎng)噴混凝土，隧道拱墻初期支護(hù)表面設(shè)置φ50 mm的環(huán)向透水盲管，縱向間距6 m，墻腳設(shè)置φ100 mm的縱向透水盲溝，環(huán)向和縱向盲管由墻腳的φ100 mm排水管將水引入側(cè)溝，以降低襯砌背后的水壓力。初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)置EVA防水板，二次襯砌按承受1.0 MPa外水壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用厚度70 cm、C35的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論及建議

1)高水壓富水隧道設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)分析涌水量、水壓力、水中泥砂含量、顆粒粒徑對(duì)施工、運(yùn)營(yíng)和環(huán)境的影響，制訂合理的控制標(biāo)準(zhǔn)和有效的工程措施。

2)在隧道防排水方面，應(yīng)分類處理、分區(qū)設(shè)防，堵、排結(jié)合，堵大排小，堵混排清，因地制宜，綜合治理，以保證施工和運(yùn)營(yíng)安全，并盡量減少排水對(duì)周圍環(huán)境的影響。

3)注漿是減小隧道涌水量、水壓力和水中泥砂含量的有效措施。對(duì)于極高水壓力隧道，如采用帷幕注漿方案，選用合理的方法、材料、參數(shù)、工藝及設(shè)備，并嚴(yán)格進(jìn)行效果檢查和補(bǔ)充注漿，堵水率也能達(dá)到90%以上，水壓力、涌水量和水中泥砂含量會(huì)大大減小。

4)為了減小隧道內(nèi)排水量，降低支護(hù)結(jié)構(gòu)水壓力，如修建排水洞進(jìn)行無(wú)限制排水，會(huì)攜帶大量泥砂，很可能影響周圍環(huán)境，造成地面塌陷和地下水位降低，因此在地下水控制方面，宜首先考慮注漿堵水、鉆孔排水及抗水壓襯砌等方案，如進(jìn)行排水洞排水，應(yīng)考慮限量排放措施，并分析長(zhǎng)期大量排水對(duì)環(huán)境的影響。

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