隧道仰拱涌突水原因分析及治理措施研究

南力輝，楊其新，蔣雅君，劉小俊

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

隧道仰拱涌突水原因分析及治理措施研究

南力輝，楊其新，蔣雅君，劉小俊

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

針對大量隧道出現(xiàn)仰拱涌突水的情況，結(jié)合工程實例，從隧址區(qū)巖性、水文條件和地質(zhì)構(gòu)造三方面對病害原因進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示:出現(xiàn)仰拱涌突水的隧道大部分圍巖為灰?guī)r等可溶巖;水文條件為地表水源豐富，并存在溫泉水;地質(zhì)構(gòu)造中以褶皺居多，褶皺區(qū)的構(gòu)造節(jié)理裂隙和斷層破碎帶為巖溶水垂直循環(huán)提供了通道，且褶皺區(qū)存在較高的地應(yīng)力，從而形成了高壓富水的環(huán)境條件。針對不同的地質(zhì)構(gòu)造以及涌水與降水之間的聯(lián)系程度，可分別采取注漿堵水、地表處理、泄水洞排水等相應(yīng)的治理措施。

隧道仰拱 涌突水 原因分析 治理措施

近年來，西南山嶺地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)帶動了隧道工程的發(fā)展。同時，在西南地區(qū)存在著大片巖溶、斷裂帶等特殊地質(zhì)環(huán)境，隧道施工過程中遇到了很多涌突水的地質(zhì)災(zāi)害，其發(fā)生位置不同，采取的治理措施也不相同。

隧道涌突水位置大多集中在掌子面前方和洞頂上方，采用全斷面帷幕注漿和超前管棚等措施進(jìn)行加固，可以保證隧道施工的安全進(jìn)行［1-2］。但是隧道仰拱出現(xiàn)的涌突水對隧道施工影響很大，并且一些施工中未出現(xiàn)仰拱涌水的隧道，在后期卻由于降水導(dǎo)致底部水壓增大出現(xiàn)了底板隆起和冒水的情況。針對這一問題，本文結(jié)合仰拱涌突水的工程實例進(jìn)行分析，總結(jié)涌水原因，探討治理措施。

1 仰拱涌突水案例及分析

對近年來發(fā)生仰拱隆起和涌突水的大量隧道進(jìn)行了調(diào)研［3-9］(表1僅列出部分)。除了列出的隧道外，還有石林隧道、銅鑼山隧道、大奎隧道等均出現(xiàn)隧底隆起開裂出水情況。在隧道施工階段出現(xiàn)仰拱涌突水情況時，不僅會嚴(yán)重影響到仰拱的開挖及后續(xù)支護(hù)工作的進(jìn)行，而且還會引起初期支護(hù)的下沉變形甚至塌方［10］。若運營階段出現(xiàn)該情況，則會嚴(yán)重危險到交通安全。所以該類情況需要特別重視，下面從巖性、地質(zhì)構(gòu)造和水文條件三方面對原因進(jìn)行分析。

1)巖性

出現(xiàn)仰拱涌突水或隆起的隧道大部分圍巖為可溶巖，以灰?guī)r為主。可溶巖經(jīng)過溶蝕作用在地表形成了落水洞、洼地，在地下經(jīng)過物理化學(xué)作用被水帶走，非可溶巖則成為溶腔或者地下暗河管道的骨架，從而為水的富集提供了空間。

2)地質(zhì)構(gòu)造

①褶皺區(qū)的構(gòu)造裂隙(見圖1)。構(gòu)造裂隙為巖溶水入滲和循環(huán)創(chuàng)造了有利條件，因而隧洞內(nèi)巖溶相對發(fā)育，巖溶水活動也相對強(qiáng)烈。表1中屬于節(jié)理裂隙構(gòu)造的有中梁山隧道、上古隧道、華鎣山隧道、南石壁隧道和歌樂山隧道。

②褶皺區(qū)的斷層破碎帶(見圖2)。當(dāng)上盤為砂巖，下盤為灰?guī)r等可溶巖時，褶皺運動過程中脆性巖層極易錯動破碎，形成順層斷層破碎帶，多為承壓含水層［11］，并且水量較大。在該種地質(zhì)條件下，水富集時壓力較大，可以通過垂直的巖溶通道以上升泉的形式表現(xiàn)。當(dāng)隧道線路穿越泉水的上升通道時，隧道仰拱就會承受較高的水壓，如果底板承受的荷載過大，就可能造成仰拱隆起甚至破裂發(fā)生涌突水。表2中屬于斷層破碎帶的有洋碰隧道、明月山隧道、彭水隧道和腦包上隧道。

③隧道底部存在暗河。隧道底部與暗河的巖石厚度較小時，就會導(dǎo)致隧道涌水量極大。表1中仰拱涌突水因暗河引起的是武隆隧道，見圖3。

3)水文條件

隧道所處的灰?guī)r地層巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地下水富集，表現(xiàn)為地表水庫和以上升泉形式出露的泉水，證明該地區(qū)地層中地下水的靜儲量和動儲量都較大。由于上升泉來自于地層深部巖溶水，水的溫度一般較高，該水文系統(tǒng)屬于巖溶水垂直循環(huán)帶。降水會沿著泉水通道對地下水進(jìn)行補給，水壓可能會直接作用在隧道襯砌結(jié)構(gòu)上，造成隧道涌突水量增大。通過上古隧道、腦包上隧道、南石壁隧道和武隆隧道的情況可以得出，隧道涌突水與降水的水力聯(lián)系密切時，隧道涌水量可增大到5～10倍，所以必須對涌突水的來源調(diào)查清楚。

以上分析說明，高壓、富水條件導(dǎo)致了隧道仰拱出現(xiàn)涌突水。巖性為灰?guī)r等可溶巖，地質(zhì)構(gòu)造為褶皺區(qū)的構(gòu)造裂隙、斷層破碎帶和暗河，水文條件為地表水源豐富，并存在溫泉水，屬于巖溶水垂直循環(huán)帶。在以上這些特征同時具備的地區(qū)修建隧道工程時，要做好地質(zhì)勘查工作，將勘測范圍擴(kuò)大，為隧道設(shè)計與施工提供詳細(xì)的水文和地質(zhì)資料，預(yù)防仰拱涌突水的發(fā)生。

圖1 褶皺區(qū)構(gòu)造裂隙帶

圖2 褶皺區(qū)斷層破碎帶

圖3 武隆隧道暗河平面示意

2 處治方案

通過表1中的隧道案例分析，隧道仰拱涌突水量的大小與地質(zhì)構(gòu)造具有相關(guān)性。當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造為褶皺區(qū)的斷層破碎帶或暗河時，涌突水量較大;當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造為褶皺區(qū)的裂隙帶時，其涌水量較小。因此，地質(zhì)構(gòu)造不同，仰拱涌突水的治理方案也不同。

2.1 構(gòu)造裂隙帶

隧道仰拱涌水區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造為裂隙帶時，圍巖的完整度相對較好，治理措施以注漿堵水為主，地表處理和泄水洞排水為輔。

1)當(dāng)涌突水與大氣降水聯(lián)系不密切時，仰拱涌水量Q≤10 000 m3/d，可只采用注漿加固圍巖。例如中梁山隧道和歌樂山隧道。

根據(jù)注漿施工時間不同，隧道注漿分為預(yù)注漿和后注漿。在隧道施工之前，預(yù)先用漿液填充圍巖裂隙來堵塞水流和加固圍巖稱為預(yù)注漿，包括全斷面帷幕注漿、全斷面周邊預(yù)注漿和局部斷面預(yù)注漿等方式。當(dāng)預(yù)注漿完成繼續(xù)開挖隧洞，圍巖還存在滲漏水情況時，注漿加固支護(hù)和止水稱為后注漿，包括徑向注漿、局部注漿和補充注漿等方式［12］?？筛鶕?jù)實際工程中涌水量大小、水壓力高低和隧道施工特點，在超前預(yù)注漿堵水和揭示后注漿堵水兩種方式中進(jìn)行選擇。

①超前探測確定掌子面前方涌水量相對較大(7 200 m3/d＜Q≤10 000 m3/d)，水壓高(P＞0.5 MPa)，采取后處治方式施工難度大，注漿堵水效果差，因此，應(yīng)采取預(yù)注漿中的全斷面帷幕注漿堵水方案。對于仰拱涌突水的情況，高水壓來自隧底，則要保證掌子面斜下方注漿效果?？梢约用苄毕路阶{孔，增大其注漿堵水范圍，如圖4所示。

圖4 預(yù)注漿示意

②當(dāng)超前探測確定掌子面前方涌水量不大(Q≤7 200 m3/d)，水壓不高(P≤0.5 MPa)，且水量比較穩(wěn)定時，可采取爆破揭示后局部注漿或徑向注漿方案。采用后處治方式既能滿足隧道快速施工要求，也能達(dá)到注漿堵水加固效果。如果預(yù)注漿效果未達(dá)到預(yù)期，或者超前地質(zhì)勘探未探測到隧道線路經(jīng)過上升泉通道時，隧道施工后底板隆起涌水應(yīng)采用后注漿措施進(jìn)行止水。后注漿應(yīng)遵循“先排后堵、深排淺堵、遠(yuǎn)排近堵、擇機(jī)收口”原則，先堵住次大流量的出水點、出水段，再深層加固圍巖形成一定厚度的防滲固結(jié)圈，最后集中對大出水點進(jìn)行封堵［4］。如果涌水量大和水壓大，則先行鉆設(shè)泄壓孔進(jìn)行分流降壓，并通過鉆孔來判定地下水通道的方向，然后再采用后注漿堵水。

如果仰拱開挖后出現(xiàn)涌突水，會對仰拱施工產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而影響二次襯砌的施工時間。處治這種情況首先回填一定厚度的漿片砌石或者碎石作為濾水層，同時采用排水管對仰拱內(nèi)的涌水進(jìn)行有組織的排放，再用型鋼對仰拱部位初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)并澆筑混凝土，然后施作仰拱，最后對該仰拱一定范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固，見圖5。注漿順序應(yīng)先上后下(即先拱頂后邊墻仰拱)，防止仰拱注漿后導(dǎo)致高壓水沿圍巖裂隙上升造成拱頂和邊墻壓力過大而破壞［13］。

圖5 仰拱開挖后涌水治理

2)當(dāng)涌突水與降水聯(lián)系密切，但仰拱涌突水量增加不大時，除預(yù)注漿堵水外，還可以通過地表處理和增大排水管過水?dāng)嗝鎭碇卫?。地表處理即對地表存在的陷坑回填夯實，對溶洞、漏斗堵塞，并加?qiáng)排水系統(tǒng)，使地表水盡快流走，減少地表水的補給來源。巖溶區(qū)隧道地下水活動頻繁、搬運能力強(qiáng)、持續(xù)時間長，很容易引起泥沙、碎石等進(jìn)入排水系統(tǒng)的地下暗溝引起堵塞，因此應(yīng)加強(qiáng)巖溶區(qū)隧道洞內(nèi)排水能力設(shè)計，建議采用大斷面明溝排水，一則方便檢修，二則降低排水管堵塞概率，避免襯砌承受過大水壓。

3)當(dāng)涌突水與降水聯(lián)系密切并且降水對隧道影響很大時，除了地表處理和注漿堵水外，同時可以采用排水降壓措施。在隧道仰拱易發(fā)生涌突水地段，安放若干泄水管，可將水直接排放排水溝中，泄水管的長度根據(jù)注漿半徑和水頭高度確定，見圖6。并在隧道初支和二襯之間埋設(shè)壓力盒，進(jìn)行壓力監(jiān)測。雨季時當(dāng)監(jiān)測到壓力達(dá)到襯砌承載能力設(shè)計值的一定比例后，打開泄水管，將壓力釋放，保證襯砌結(jié)構(gòu)安全。

如果隧址區(qū)的強(qiáng)降雨導(dǎo)致涌水量巨大，例如上古隧道施工旱季未見涌水，雨季涌水量達(dá)331 312 m3/d，造成仰拱隆起長度達(dá)60 m。對于這種突發(fā)性、季節(jié)性的巨大涌水量，通過注漿堵水效果不是特別好，則采用泄水洞進(jìn)行排水降壓。該種情況下雖以泄水為主，同時也要進(jìn)行注漿加固。因為根據(jù)巖溶發(fā)育的特點，若采取以排為主的措施，由于水力坡度增大，地下水循環(huán)加速，圍巖溶蝕裂隙將越來越大，地下水排放量會越來越大，不但隧道防排水系統(tǒng)的有效運行難以保證，而且圍巖的穩(wěn)定性也會逐漸惡化，進(jìn)而危及結(jié)構(gòu)的安全，所以堵水是保證運營期間隧道結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定的必要措施。

2.2 斷層破碎帶

當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造為斷層破碎帶時，巖溶水沿層面發(fā)育，隧道仰拱涌突水量很大，且與地表連通性好，涌突水的季節(jié)性和突發(fā)性更強(qiáng)，若采用注漿堵水為主要方式，壓注漿液極易沿層面隨水流失，注漿封堵后，地下水勢必尋找新的排泄通道，巖溶水極易發(fā)生縱向串水，從而危及隧道結(jié)構(gòu)安全，所以采用泄水洞排水降壓，同時注漿加固提高圍巖強(qiáng)度來保證施工和運營結(jié)構(gòu)安全。

泄水洞斷面應(yīng)根據(jù)流量和施工條件來確定，其中施工條件是關(guān)鍵因素。近年來一般采用的斷面不小于2.2 m×2.0 m(高×寬)，斷面大小可以根據(jù)已建隧道泄水洞來選用，見表2。華鎣山隧道泄水洞示意如圖7。

當(dāng)泄水洞的排水量達(dá)不到要求時，可通過增設(shè)橫向排水通道和泄水孔提高其排水能力。由于巖溶水排放過程中會攜帶大量泥沙，所以需對泄水洞進(jìn)行定期清淤作業(yè)，保證排水通暢。

2.3 暗河

當(dāng)隧底存在暗河，仰拱出現(xiàn)涌突水，水量一般較大。若暗河與地表連通性好，則強(qiáng)降雨時涌水量會增大很多，比如武隆隧道強(qiáng)降雨時期的最大涌水量是平時的10倍以上，竟達(dá)434×104m3/d。并且在暗河的影響下隧底圍巖強(qiáng)度低，隧道通過該區(qū)域時，為防止仰拱涌突水的發(fā)生，應(yīng)采用隧底處理、框架結(jié)構(gòu)跨越和泄水洞相結(jié)合的措施。為提高地基承載能力，隧底采用分段開挖分段漿砌片石回填，用鋼管群樁注漿加固地基，并采用框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和全封閉隧道襯砌結(jié)構(gòu)保證整體結(jié)構(gòu)安全。

除了以上所介紹的處理措施外，在高壓富水地段還可采用抗水壓型襯砌。因為隧道揭穿巖溶管道后，其原有的巖溶水力平衡條件被打破，徑流條件由此發(fā)生改變，雖然對巖溶水進(jìn)行了引排，但在雨季發(fā)生特大暴雨時，仍可能因巖溶水引排系統(tǒng)排泄不暢，造成水位上升，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)形成一定的水壓。同時，在仰拱的混凝土中摻入聚丙烯纖維，易可控制仰拱隆起。

圖6 排水泄壓示意

表2 部分已建隧道泄水洞

圖7 華鎣山隧道泄水洞示意

3 結(jié)論

結(jié)合實例，對隧道仰拱涌突水病害原因進(jìn)行了分析，并提出了針對性的處治措施。主要結(jié)論包括:

1)隧道仰拱涌突水發(fā)生的地質(zhì)構(gòu)造中，以褶皺居多，褶皺區(qū)的裂隙帶和斷層破碎帶為巖溶水垂直循環(huán)提供了通道，褶皺區(qū)存在較高的地應(yīng)力，從而形成了高壓富水的環(huán)境條件。可根據(jù)隧址區(qū)的地質(zhì)條件對隧道仰拱是否發(fā)生涌突水進(jìn)行初步預(yù)測。

2)褶皺區(qū)的構(gòu)造裂隙帶以注漿堵水為主，根據(jù)涌水與降雨之間的聯(lián)系程度，決定是否采用地表處理切斷水源。如果降雨導(dǎo)致隧道涌水量巨大，影響結(jié)構(gòu)安全，則采取泄水管或泄水洞排水降壓的措施，同時也要注重注漿堵水的效果，以保證運營期間隧道結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定。

3)褶皺區(qū)構(gòu)造破碎帶涌水量大，具有很強(qiáng)的季節(jié)性，宜采取以泄水洞為主的治理措施。

4)暗河地段可采取隧底處理、框架結(jié)構(gòu)跨越和泄水洞相結(jié)合的措施，以提高地基承載力和襯砌整體強(qiáng)度，降低水壓。

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Cause analysis and study on treatment measures of gushing water out from tunnel invert

NAN Lihui，YANG Qixin，JIANG Yajun，LIU Xiaojun
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T he cause of gushing water out from many tunnel inverts was analyzed from such three aspects as lithology of tunnel site，hydrological condition and geological structure by combing with engineering examples.T he results indicated that the surrounding rock of tunnel inverts in which gushing water happens is mostly limestone karst，hydrological conditions has rich surface water source and the existence of hot spring water，most of the geological structures are folds，structural joint fissure and fault fracture zone of which provides a channel for the vertical circulation of karst water，and there is a high stress in the fold zone which forms the environment conditions of high pressure and rich water.According to different geological structures and the relation between gushing water and precipitation，the corresponding treatment measures including grouting and water plugging，surface treatment and drain hole drainage should be adopted.

T unnel invert;Gushing water;Cause analysis;T reatment measure

U457+.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.15

1003-1995(2015)12-0054-05

(責(zé)任審編葛全紅)

2015-08-10;

2015-09-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(SWJTU11ZT33)

南力輝(1988—)，男，助理工程師，碩士。