變質(zhì)軟巖隧道施工中地下水滲漏處治措施

李皓暉，左昌群，唐霞，丁少林，劉代國

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

變質(zhì)軟巖隧道施工中地下水滲漏處治措施

李皓暉，左昌群，唐霞，丁少林，劉代國

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

由于變質(zhì)軟巖具有遇水軟化、崩解的特征，在隧道施工過程中易出現(xiàn)地下水滲漏、涌水等，給隧道施工安全帶來巨大隱患。以十堰至房縣高速公路武當(dāng)群片巖隧道中典型地下水滲漏區(qū)段為主要研究對象，從災(zāi)害段地下水滲漏特征、圍巖的水理性、地下水的物理力學(xué)作用等方面闡述了變質(zhì)軟巖隧道施工中地下水滲漏的影響，并提出了有針對性的地下水控制措施。實踐證明，該措施對軟巖隧道地下水滲漏具有較好的控制作用，可為類似軟巖隧道富水段安全施工提供參考。

高速公路隧道 變質(zhì)軟巖 地下水作用 控制措施

隧道滲漏水可能造成開挖時突水、突泥、翻漿冒泥、塌方等。地下水滲漏是隧道施工中常見的地質(zhì)災(zāi)害，同時也是其它地質(zhì)災(zāi)害的最主要的觸發(fā)和誘發(fā)因素之一［1］。對隧道地下水的處治一直是困擾工程界的難題，前人也做了大量研究，如李蒼松等［2］明確提出高水壓的概念，建立了隧道襯砌水壓力計算的概念模型，研究成果為高壓富水隧道設(shè)計提供了理論依據(jù)。王國棟［3］從技術(shù)和環(huán)保的角度，提出了在施工中對地下水處理的定性與定量標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)測預(yù)報方法、高承壓水的注漿設(shè)計和程序。楊會軍等［4］針對滲流水以靜儲存或者動儲存為主的兩種情況，分別采用以排為主和以堵為主的兩種處治方式。

地下水能降低圍巖的強度和自穩(wěn)能力，給隧道施工帶來不利影響，在元古界武當(dāng)群(Pt2wd)片巖隧道中表現(xiàn)尤為顯著。該片巖極易受地下水影響，具有吸水膨脹、崩解及泥化等特點。在穿越武當(dāng)群片巖地區(qū)的通省隧道中，地下水與圍巖的相互作用，促使圍巖劣化，施工中出現(xiàn)的多次大變形和塌方，與地下水的作用密不可分。因此，地下水對變質(zhì)軟巖隧道施工的影響不容忽視，對其進(jìn)行研究意義重大。

1 隧道地質(zhì)概況

通省隧道長約6 890 m，屬分離式特長隧道，最大埋深約515 m，是十房高速公路上的控制性工程。隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌區(qū)，大地構(gòu)造上處于揚子克拉通北緣和秦嶺—大別造山帶的交接部位，屬上揚子板塊。在長期的地質(zhì)發(fā)展演化進(jìn)程中，經(jīng)歷了多期次、多階段的變形變質(zhì)作用和巖漿活動，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。隧道主要穿越地層為元古界武當(dāng)群片巖，該片巖具鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，云母、綠泥石、滑石等成分含量較高，強度較低，屬于變質(zhì)軟巖，易受地下水影響。隧址區(qū)元古界武當(dāng)群片巖包含絹云母片巖、絹云母石英片巖、綠泥石石英片巖、絹云鈉長石英片巖四種，其中以絹云母片巖和絹云母石英片巖為主，其他兩種只在局部發(fā)育。絹云母片巖多為薄層狀，云母含量較高，片理發(fā)育，強度較低，局部具揉皺現(xiàn)象。絹云母石英片巖常見為中厚～厚層狀，石英含量相對較高，強度大，節(jié)理裂隙發(fā)育。這兩種圍巖時常交替出現(xiàn)(圖1)。隧道區(qū)基巖接受大氣降水入滲補給，隧道淺埋段風(fēng)化裂隙較發(fā)育，裂隙水受地表水補給條件較好。

圖1 隧道圍巖分布

2 通省隧道地下水滲漏特征分析

2.1 隧道地下水滲漏情況

通省隧道自2013年11月9日爆破開挖后，在里程ZK114+610段線路右側(cè)邊墻錨桿鉆孔中有水流噴出(圖2)，其后掌子面局部出現(xiàn)股狀涌水和較大范圍淋雨狀滴水，地下水沿圍巖裂隙流出，初期支護(hù)上出現(xiàn)明顯滴水、濕斑。隧道為兩臺階鉆爆法施工，上、下臺階底部都出現(xiàn)20～40 cm深的積水(圖3)，影響現(xiàn)場施工。地下水的存在促進(jìn)圍巖劣化，使圍巖強度降低，變形量增大，開挖過程中出現(xiàn)小型塌方。地下水的出滲還導(dǎo)致噴射混凝土難度增大，質(zhì)量下降，引起初期支護(hù)強度不足。同時，受圍巖較大變形影響，初支混凝土局部出現(xiàn)開裂、掉塊現(xiàn)象。

圖2 邊墻錨桿鉆孔管狀涌水

圖3 上臺階底部積水及初支混凝土濕斑

2.2 滲漏特點

通省隧道施工過程中多處出現(xiàn)滲漏。滲漏現(xiàn)象具有以下特點:

1)滲漏范圍廣，形式多樣。隧道滲漏段有的長達(dá)幾百米，滲漏部位遍布洞身和掌子面各個部位。滲漏形式多變，有管狀涌水、股狀涌水、面狀滲水、淋雨狀滴水、線狀滴水等多種形式。

2)滲漏水量與形式受地質(zhì)構(gòu)造控制。滲漏水量的大小與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切，未經(jīng)歷多次構(gòu)造地段，節(jié)理裂隙不發(fā)育，圍巖閉合，地下水沒有良好的儲存空間，施工中少見滲漏現(xiàn)象，或只出現(xiàn)輕微滴水，滲漏水量小。在經(jīng)歷多次張拉與擠壓地段，節(jié)理裂隙發(fā)育且張開，地下水擁有良好儲存空間，因而易出現(xiàn)涌水或淋雨狀滴水現(xiàn)象，滲漏水量大，危害較嚴(yán)重。

3)滲漏現(xiàn)象受巖性控制。滲漏多出現(xiàn)在絹云母石英片巖分布段，而絹云母片巖分布段地下水含量低，少見滲漏現(xiàn)象，或僅在兩種圍巖交界處有潮濕或者輕微滲水現(xiàn)象。因為絹云母片巖分布段，節(jié)理裂隙不發(fā)育，沒有良好的地下水儲存環(huán)境，且絹云母片巖中黏土礦物含量豐富，易吸水泥化，起到隔水作用，使地下水不能進(jìn)一步向巖體滲透。

4)滲漏現(xiàn)象間歇性出現(xiàn)。滲漏現(xiàn)象間歇性出現(xiàn)受圍巖空間分布控制。如圖1所示，兩種圍巖的交替分布導(dǎo)致了涌水、滲水現(xiàn)象間歇性出現(xiàn)。

3 隧道地下水的作用

隧道開挖前后，地下水對圍巖存在著各種作用。隧道的開挖，給地下水提供了良好的排泄通道，促進(jìn)地下水的運移，加重地下水對結(jié)構(gòu)面的影響。地下水還以靜水壓力和動水壓力的形式作用于圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)，使其承受的荷載增大。地下水中部分化學(xué)物質(zhì)能腐蝕支護(hù)結(jié)構(gòu)，使其性能降低，使用壽命縮短。

通省隧道圍巖經(jīng)過多期次地質(zhì)構(gòu)造的擠壓、張拉，絹云母石英片巖中各種結(jié)構(gòu)面發(fā)育，為地下水提供了較好的儲存環(huán)境和運移通道，是地下水滲漏的主要地段;而絹云母片巖片理發(fā)育，云母含量高，一旦與地下水接觸，巖性易受地下水影響，發(fā)生軟化、崩解、泥化現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖物理、力學(xué)性能惡化，喪失自承能力，出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

4 軟巖隧道地下水處治措施及效果

4.1 地下水處治措施

地下水的控制原則主要有“以排為主”和“以堵為主”兩種，實踐證明按“以排為主”施工會導(dǎo)致眾多問題［5-8］。隨著人們對地下水與隧址周邊生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)的認(rèn)識不斷深入，“以堵為主，適量排放”等新的隧道防排水原則逐漸得到廣泛應(yīng)用［9-10］。通省隧道ZK114+610段出現(xiàn)大量涌水、滲漏后，鑒于變質(zhì)片巖易受地下水影響發(fā)生變形，需立即采取治理措施。滲水隧道地下水主要為基巖裂隙水。針對裂隙水的特點，現(xiàn)場施工遵循“以堵為主，適量排放”的原則采取了相應(yīng)的處治措施。

1)以堵為主

①加強超前防、堵水支護(hù)。通省隧道滲漏段采取加強超前支護(hù)的措施，將原設(shè)計的單排超前小導(dǎo)管改為雙排，進(jìn)行預(yù)注漿支護(hù)。更改前后設(shè)計中超前小導(dǎo)管都采用外徑42 mm壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，鋼管環(huán)向間距皆為40 cm。原設(shè)計中單排小導(dǎo)管與隧道縱軸線以10°外傾角打入拱部圍巖，導(dǎo)管縱向間距1.6 m(圖4);修改后設(shè)計中導(dǎo)管分為奇偶兩排，奇數(shù)排小導(dǎo)管與隧道縱軸線以10°外傾角打入拱部圍巖(根據(jù)巖體節(jié)理面產(chǎn)狀確定最佳方向)，偶數(shù)排小導(dǎo)管與隧道縱軸線以35°外傾角打入拱部圍巖。奇偶排導(dǎo)管成梅花狀錯開布設(shè)，同一外傾角打入的導(dǎo)管縱向間距為1.2 m，相鄰兩導(dǎo)管縱向間距0.6 m(圖5)，通過注漿形成小管棚。小導(dǎo)管尾部焊接于鋼拱架上，連成整體。小導(dǎo)管注漿后，在注漿影響范圍內(nèi)形成具有隔水功能的殼體，一方面增強了圍巖的自穩(wěn)能力，另一方面起到隔水、堵水的作用，減少地下水對初期支護(hù)和施工的影響。相對于單排小導(dǎo)管，雙排小導(dǎo)管注漿效果更好，且能減少因?qū)Ч芤詥我煌鈨A角打入而形成的三角體掉塊。

圖4 原設(shè)計超前小導(dǎo)管布置

②調(diào)整支護(hù)參數(shù)，提高支護(hù)強度。在隧道富水地段，為增強整個區(qū)段的防、堵水能力，將原設(shè)計300 cm長20MnSiφ22徑向砂漿錨桿調(diào)整為外徑42 mm壁厚3.5 mm的熱軋無縫注漿小導(dǎo)管，導(dǎo)管縱向間距60 cm，環(huán)向間距120 cm，梅花狀布置，注漿加固。地下水雖然經(jīng)過了適量排放，但由于采取了“以堵為主”的相關(guān)措施，相對干燥段，隧道支護(hù)仍需承受額外的水壓力，且水量越豐富，水壓力越大。因此，施工中采用調(diào)整ZK114+610段附近的支護(hù)參數(shù)，將鋼筋網(wǎng)由φ6 mm (雙層)@25 cm×25 cm調(diào)整為φ6 mm(雙層)@20 cm ×20 cm，洞身和仰拱鋼拱架均采用HW175型鋼拱架，間距由80 cm調(diào)整為60 cm，初支采用25 cm厚的C25噴射混凝土，洞身和仰拱二襯均采用C25防水鋼筋混凝土，厚度由40 cm調(diào)整為50 cm，仰拱噴射的混凝土采用25 cm厚素混凝土。

2)適量排放

以堵為主會增大作用于初支、二襯的水壓力，支護(hù)所受荷載增大。為減少地下水對襯砌的作用，在地下水含量較豐富的施工區(qū)段，開挖后通過圍巖自有裂隙或者鉆孔，將地下水適量引出，并增加布設(shè)排水管和排水盲溝等設(shè)施。

圖5 改進(jìn)后超前小導(dǎo)管布置

4.2 地下水處治效果

除采取了適量排水的措施外，還采用了預(yù)注漿加固技術(shù)與新奧法(超前支護(hù)+錨噴支護(hù))結(jié)合的防、堵水工程措施。該措施就是在圍巖受擾動前(開挖前)進(jìn)行超前注漿，把地下水堵在灌漿范圍以外，減少了地下水對圍巖整體結(jié)構(gòu)及隧洞襯砌的破壞。同時，漿液在地層中充填膠結(jié)擠壓，提高了圍巖的整體結(jié)構(gòu)強度，調(diào)控了應(yīng)力的重分布，阻止了松動變形向縱深發(fā)展。在管棚—鋼拱架—錨噴支護(hù)的聯(lián)合作用下，形成一個強大的整體支護(hù)體系。采取處治措施后，滲漏現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)，后期施工中未出現(xiàn)大變形與塌方現(xiàn)象，施工穩(wěn)步安全。

5 結(jié)論

1)地下水的物理化學(xué)作用，能促使變質(zhì)片巖軟化、泥化、崩解、膨脹，使片巖強度和完整性降低，甚至失去自承能力;地下水產(chǎn)生的水壓力亦能破壞圍巖，增大圍巖與支護(hù)所受荷載，給施工安全帶來隱患。因此，在變質(zhì)片巖隧道施工過程中，地下水的作用不可忽視。

2)地下水滲漏受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等因素控制。通省隧道武當(dāng)群片巖的特殊性質(zhì)造成其地下水滲漏與眾不同，絹云母石英片巖和絹云母片巖在空間上的交錯分布使?jié)B漏現(xiàn)象間歇性出現(xiàn)。

3)隧道地下水的處治應(yīng)遵循“以堵為主，適量排放”的原則。地下水的處治應(yīng)考慮對周邊生態(tài)環(huán)境的影響，并結(jié)合地下水作用的特點，有針對性地采取措施，以達(dá)到最佳處治效果。通省隧道滲漏段在采用適量排放地下水的同時，將預(yù)注漿技術(shù)與新奧法有效結(jié)合處治地下水，取得良好效果，可為類似條件下的地下水滲漏處治提供參考。

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Treatment measures for underground water leakage during construction of tunnel in metamorphic soft rock

LI Haohui，ZUO Changqun，TANG Xia，DING Shaolin，LIU Daiguo
(Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan Hubei 430074，China)

Due to the metamorphic soft rock characteristics of water softening and disintegration，there is the phenomenon such as groundwater seepage and water inflow in tunnel construction，which could bring huge hidden danger to the tunnel construction safety．T aking the typical groundwater seepage zone of W udang group schist tunnel in Shiyan-fangxian expressway as research object，in this paper，the groundwater seepage effect in metamorphic soft rock tunnel construction was analyzed from the aspects including groundwater seepage characteristics of disaster section，water rationality of surrounding rock，physical mechanics function of groundwater，and put forward the specific control measures of groundwater．T he practice showed that the measures presented in this paper has good control effect on groundwater leakage of soft rock tunnel，which could provide a reference for watery section safe construction of similar soft rock tunnel．

Expressway tunnel;M etamorphic soft rock;Groundwater effect;Control measures

U457+．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．22

1003-1995(2015)03-0076-04

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-03-10;

2014-09-20

國家自然科學(xué)基金(41202201)

李皓暉(1987—)，男，湖南永州人，碩士研究生。