基于地下水保護理念的公路隧道防排水技術研究

劉

（山西路橋集團晉南項目管理有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

防排水技術作為隧道設計施工中最重要的環(huán)節(jié)之一，直接決定了隧道設計施工的成敗。尤其在富水、軟弱圍巖地層的隧道工程中，隧道地下水處治的效果直接決定了隧道施工的進度、成本及質(zhì)量，而且直接影響到隧道運營期的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性及安全性。若隧道防排水設置不合理，一方面會引起地下水的過度排泄，使得地下水位下降，地下水資源枯竭，地表沉降、塌陷，嚴重影響隧址區(qū)居民生活及生產(chǎn)；另一方面，若排水不足，使得地下水匯集至隧道支護結(jié)構(gòu)背后，增大隧道支護結(jié)構(gòu)荷載，導致隧道襯砌開裂、滲漏水、底板隆起、突涌水等病害，嚴重影響隧道施工及運營安全，降低隧道服務功能。

當前，我國對于生態(tài)環(huán)境的保護要求越來越高，因此在隧道防排水設計過程中，地下水保護的理念始終放在首要位置。目前，學者們針對地下水保護理念的隧道施工技術開展了大量而深入的研究，取得了一系列的研究成果。劉翠容[1]深入分析了現(xiàn)有規(guī)范中排堵結(jié)合的防排水理念，并從生態(tài)保護理念出發(fā)，提出了控制性的防排水措施；段靖海[2]結(jié)合青龍山隧道的工程案例，基于水資源保護的目的，采用帷幕注漿、增設施工縫、變形縫等措施構(gòu)建防排水體系，并對防排水效果進行全面評價；李蒼松[3]利用數(shù)值模擬手段分析了隧道襯砌水壓力的分布規(guī)律，提出了高水壓下的隧道防排水技術體系；華福才[4]利用地下水動力學理論，構(gòu)建了裂隙水的分析模型，對城市地鐵隧道的涌水量進行預測。本文依托某富水巖溶隧道，首先闡述了地下水平衡理念，并利用理論分析手段研究隧道限排量，進而提出隧道防排水設計方法及注漿技術，為類似工程提供參考價值。

1 工程概況

某高速公路隧道為分離式雙向四車道隧道，其左右線長度均為6 210 m，為特長公路隧道。該隧址區(qū)位于中山地貌，隧道地表處存在溝谷地形，局部有陡立的峽谷地帶，地表植被較厚，局部有民居建筑群及農(nóng)田。隧址區(qū)內(nèi)的地層主要有第四系沖洪積層（Q4al+pl）、坡殘積層（Q4dl+el）、二疊系下統(tǒng)梁山組（P11）、寒武系中統(tǒng)婁關山群等。

該隧址區(qū)內(nèi)巖性主要為3 類：粉質(zhì)黏土，其呈灰褐色及灰黃色，圍巖呈破碎狀，并含有少量的碎石，其為隧道洞口段的主要圍巖；灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，其呈深灰色、淺灰色，質(zhì)地較硬，脆性較大，局部夾有鹽溶角礫巖及含膏巖，該地層中分布有巖溶；鈣質(zhì)泥巖、砂巖，其呈灰黃色，質(zhì)地堅硬，厚度約5 m，局部含有石英砂巖，風化程度較高。

隧址區(qū)內(nèi)分布有多條斷層破碎帶，其巖層產(chǎn)狀以N60°W/44°NE 為主，斷層破碎帶以灰?guī)r和泥巖為主，其膠結(jié)松散，以泥鈣質(zhì)膠結(jié)為主，含有糜棱巖，其巖體破碎，整體穩(wěn)定性較差。經(jīng)開挖后，暴露出的隧道斷層破碎帶圍巖情況如圖1 所示；隧址區(qū)巖溶地貌情況如圖2所示。

圖1 隧道斷層破碎帶

圖2 隧道巖溶地貌

2 考慮地下水保護的隧道防排水理論

2.1 地下水平衡理論

在隧道施工及運營過程中，隧址區(qū)內(nèi)地下水的平衡狀態(tài)直接決定了隧道防排水的設計方案及效果。為保證隧道地下水達到平衡狀態(tài)，需充分研究地下水補給量、消耗量、貯存量[5]。

2.1.1 地下水補給量

隧址區(qū)地下水主要來源于大氣降水、地表滲水、地層中含水層的垂直滲流、人工灌溉及生活用水的入滲等，而地下水補給量是指單位時間、單位體積內(nèi)各類地下水入滲的總量。根據(jù)本項目的實際情況，其地下水補給量主要取決于大氣降水的入滲，其計算公式為：

式中：W為隧址區(qū)的年平均降雨量，m/a；A為隧道施工的影響范圍面積，m2；α 為大氣降水的入滲系數(shù)，其值可根據(jù)隧址區(qū)地層情況進行確定。

2.1.2 地下水消耗量

地下水消耗主要分為兩類，即自然蒸發(fā)與人工排放，其中自然蒸發(fā)與隧址區(qū)氣候條件、地層情況、地表植被、地下水位等因素有關，且與潛水層的徑流、越流也有一定關系；人工排放是指在隧道施工過程中，采用人工手段排泄地下水，以降低地下水位。結(jié)合本項目的實際情況，本隧道地下水消耗量主要考慮因施工影響而引起的人工排放量。

2.1.3 地下水貯存量

隧道地下水貯存量是指隧道影響范圍內(nèi)圍巖含水量的重力水體積，其中潛水含水層的計算公式為：

式中：μ 為地下水的給水度；V為潛水含水層的體積。

承壓含水層中除了上述地下水貯存量外，還應考慮地下水頭變化所釋放出的動態(tài)貯存量，其計算公式為：

式中：μ'為承壓含水層的貯水系數(shù)；F為承壓含水層分布面積；H為承壓含水層厚度。

2.2 隧道限排量確定方法

為全面實現(xiàn)隧址區(qū)地下水保護的效果，在隧道施工及運營過程中，應嚴格控制隧道排水量；同時，結(jié)合地下水平衡理念，綜合考慮襯砌水壓力及施工經(jīng)濟效益，力爭達到整體平衡。隧道地下水限排量確定方法主要有以下幾個步驟：

a）基于理論分析手段，結(jié)合隧道工程實際情況，預測隧道在施工及運營過程中最大涌水量。

b）預測隧道上部土體地下水疏干范圍，準確計算隧址區(qū)地下水水位下降的區(qū)域及影響范圍。

c）結(jié)合隧道地表生態(tài)情況及地下水補給情況，預測隧址區(qū)地下水水位下降的幅度。

d）基于地下水平衡理念，計算維持地下水平衡狀態(tài)所允許的隧道排水量。

e）根據(jù)地下水排水量及襯砌水壓力，確定隧道圍巖體注漿范圍及注漿體滲透系數(shù)控制值。

3 隧道防排水設計方法

本項目隧址區(qū)巖性為粉質(zhì)黏土、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖、砂巖，風化程度較高，滲透性較強；且隧道穿越斷層破碎帶、巖溶區(qū)，導致隧道涌水量較大。為使得隧道支護結(jié)構(gòu)所受水壓力保持在較低的水平，需加強隧道防排水設計，保持隧道排水暢通?；凇耙远聻橹?，限量排放”的防排水原則，本項目采用的防水系統(tǒng)主要為防水層和抗?jié)B混凝土，排水系統(tǒng)主要為初支與防水層間的排水設施。

在隧道防水系統(tǒng)方面，首先是在初支表面設置防水板，將圍巖滲水拒之于隧道襯砌之外；抗?jié)B混凝土主要采用抗?jié)B等級為S8 的混凝土材料，可有效避免防水板失效后地下水滲入隧道襯砌內(nèi)部。

在隧道排水系統(tǒng)方面，首先在隧道襯砌與初支間布設排水管，該排水管與排水側(cè)溝相通，將隧道滲水匯集至中心排水溝排至洞外。其中，排水管主要為環(huán)向盲管和縱向排水管兩種，環(huán)向盲管為Φ50 的軟式透水管，沿初支混凝土表面布設，用于將滲水匯集至排水管，其縱向間距一般為5 m。該項目在穿越軟弱破碎帶地層中，為避免環(huán)向盲管堵塞采用高分子聚合物材料HDPE 排水板，其具體情況如圖3所示。隧道縱向排水管布設在拱腳部位，其采用直徑為Ф100 的PVC 管，防水板、環(huán)向盲管末端均與縱向排水管進行連接，從而將涌水匯集至縱向排水管，其具體情況如圖4所示。

圖3 HDPE 排水板

圖4 環(huán)向盲管與縱向排水管連接

4 隧道注漿限排技術

由于該項目隧址區(qū)巖溶發(fā)育，地下水系發(fā)育，在隧道施工過程中極易產(chǎn)生較大的涌水量，若過度排放，極易導致地下水失衡，影響隧址區(qū)生態(tài)平衡，因此在隧道設計方案中應結(jié)合隧道地下水排水量及襯砌水壓力，制定精細的注漿方案。結(jié)合本項目的實際情況，其采用“水平注漿+輻射注漿”相結(jié)合的手段進行注漿堵水。

圖5 水平注漿孔布設（單位：mm）

首先在水平注漿方面，其通過在掌子面布設注漿孔，全面實現(xiàn)掌子面圍巖的加固。水平注漿孔在隧道掌子面輪廓線1 m 范圍內(nèi)時，其間距為0.6 m，呈梅花型布設，孔深為10 m，注漿擴散半徑為1.5 m；在掌子面其他部位，水平注漿孔孔距為0.8 m，呈梅花型單層布設，孔深為8 m，注漿擴散半徑為2.0 m，其結(jié)構(gòu)示意情況如圖5所示。

在輻射注漿方面，注漿孔以掌子面輪廓線1 m范圍內(nèi)水平注漿孔為中心，在隧道豎向范圍內(nèi)以不同角度布設5 個注漿孔，其與隧道水平線的夾角及注漿孔深度、注漿孔長度的具體情況如表1 所示，注漿孔位置布設情況如圖6所示。通過輻射注漿孔的布設，將進一步加固隧道周邊圍巖并在隧道支護結(jié)構(gòu)背后形成一定滲透系數(shù)的注漿圈，從而達到地下水平衡的目的。

表1 輻射注漿孔基本參數(shù)

圖6 輻射注漿孔布設

5 結(jié)論

本文結(jié)合某富水巖溶隧道的典型工程案例，全面分析其工程特性，結(jié)合地下水平衡理念，深入分析其隧道防排水設計方案及注漿限排技術，全面構(gòu)建了基于地下水保護理念的隧道防排水技術體系，在研究過程中，得出以下幾點結(jié)論：

a）地下水平衡狀態(tài)主要取決于隧道地下水補給量、消耗量、貯存量；結(jié)合地下水排水量及襯砌水壓力，分析隧道圍巖體注漿范圍及注漿體滲透系數(shù)控制值，可全面實現(xiàn)隧道地下水平衡。

b）基于“以堵為主，限量排放”的防排水原則，該項目采用的防水系統(tǒng)主要為防水板和抗?jié)B混凝土，排水系統(tǒng)主要為初支與防水層間的排水設施。

c）在隧道注漿限排技術方面，該項目采用“水平注漿+輻射注漿”相結(jié)合的手段，水平注漿孔通過在掌子面布設注漿孔，全面實現(xiàn)掌子面圍巖的加固；輻射注漿有利于加固隧道圍巖并形成注漿圈，促進地下水實現(xiàn)平衡狀態(tài)。