甬舟鐵路金塘海底隧道礦山法段地下水限排標(biāo)準(zhǔn)研究

毛優(yōu)達(dá)，羅士瑾，唐銘蔚，凌學(xué)鵬，王文正，劉大剛，毛升

(1.舟山市鐵路建設(shè)中心,浙江舟山 316000; 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031;3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031; 4.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

引言

伴隨我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展,交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度更是不斷加快,隧道與地下工程的建設(shè)規(guī)模越來越龐大,其中海底隧道的需求及修建數(shù)量也逐年攀升[1-5]。

海底隧道“V”形反坡排水需要采用機(jī)械強(qiáng)制抽排,隧道排放標(biāo)準(zhǔn)合理選擇對(duì)海底隧道后期運(yùn)營費(fèi)用有重大影響[6]。礦山法隧道防排水模式是根據(jù)隧道所處的地質(zhì)條件對(duì)隧道水壓力的處理方式進(jìn)行分類。目前,對(duì)水壓力處理各國的觀點(diǎn)基本一致,均按照二次襯砌是否承受水壓來進(jìn)行劃分,可分為3種,即完全封堵型隧道、局部排水型隧道和全排水型隧道,排水模式見表1。結(jié)合相關(guān)規(guī)范[7]總結(jié)出不同排水模式的適用條件。

表1 隧道防排水模式

從相關(guān)文獻(xiàn)中調(diào)研了目前國內(nèi)外已建成的7座海底隧道[8]的排放模式及限排量。調(diào)研結(jié)果顯示,已建成的海底隧道以采用限排為主、局部海域段采用全包防水模式,允許排放量為0.072～0.43 m3/(m·d)。

海底礦山法隧道的限排依據(jù)多與圍巖構(gòu)造特性、滲透性以及水壓力值等相關(guān)。以國內(nèi)海底礦山法隧道為例,廈門翔安海底隧道[9]、膠州灣海底隧道[10]和珠江口鐵路隧道[11]限排標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的依據(jù)來源于對(duì)涌水量較大的區(qū)域(如斷層破碎帶段、海域段的軟弱圍巖段等圍巖滲透性極好的區(qū)段)注漿堵水處理的控制值。對(duì)于其余涌水量較小區(qū)段可繼續(xù)采用該標(biāo)準(zhǔn)或者在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下適當(dāng)降低其限排標(biāo)準(zhǔn)[12]。

目前對(duì)海底隧道限排標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的研究較少,而海底隧道限排標(biāo)準(zhǔn)是影響隧道運(yùn)營成本的關(guān)鍵因素。為此,以甬舟鐵路海底隧道陸域段為依托工程對(duì)海底隧道限排標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。

1 工程概況

金塘隧道為新建寧波至舟山鐵路全線的控制性工程之一,位于浙江省東北沿海地區(qū),如圖1所示。

圖1 甬舟鐵路平面示意

隧道進(jìn)口位于寧波市北侖區(qū)小港街道,于青峙河西側(cè)下穿金塘水道,在大浦口北側(cè)登陸舟山金塘島,出口位于舟山市定海區(qū)金塘鎮(zhèn)永昌村境內(nèi)[13]。

該項(xiàng)目起訖里程DK14+623.00～DK30+713.00,全長(zhǎng)16.09 km,單洞雙線,其中礦山法施工段約5.13 km。礦山法段隧道主要位于丘陵區(qū),巖性主要為侏羅系上統(tǒng)流紋質(zhì)英安巖,強(qiáng)～弱風(fēng)化,表層覆蓋有殘坡積含礫粉質(zhì)黏土;隧道洞身主要穿越弱風(fēng)化流紋質(zhì)英安巖地層。寧波側(cè)礦山法段主要發(fā)育有 F1、F2、F3三條斷層,局部區(qū)域發(fā)育有節(jié)理密集帶,節(jié)理密集帶及斷層破碎帶影響范圍內(nèi)巖體裂隙發(fā)育,巖體較破碎。礦山法段圍巖級(jí)別以Ⅲ級(jí)為主,僅隧道和輔助坑道進(jìn)出口、斷層帶、節(jié)理密集帶等軟弱部位為Ⅳ～Ⅴ級(jí),如圖2所示。

圖2 礦山法區(qū)域段圍巖級(jí)別長(zhǎng)度比重

地下水的徑流方向基本與地表水一致,山嶺段斜坡洼地地帶為地下水的補(bǔ)給、徑流區(qū),河谷地帶為其排泄區(qū),主要受大氣降水補(bǔ)給,通過風(fēng)化裂隙或構(gòu)造裂隙網(wǎng)絡(luò)徑流,在低洼處以下降泉的形式出露,水量一般較少,季節(jié)性明顯;在斷層破碎帶及裂隙密集帶等儲(chǔ)水構(gòu)造中,構(gòu)造裂隙水發(fā)育,分布不均,水量豐富。富水程度較高地區(qū)強(qiáng)富水圍巖最大涌水量達(dá)7.2 m3/(m·d),地下水位最大196 m。局部區(qū)段涌水量較大,涌水量區(qū)間1.5～7.2 m3/(m·d)區(qū)段長(zhǎng)度所占比重較小,為19.19%,如圖3所示。

圖3 礦山法區(qū)域段預(yù)測(cè)涌水量統(tǒng)計(jì)

2 甬舟鐵路海底隧道礦山法結(jié)構(gòu)防排水模式研究

2.1 海底礦山法隧道防排水模式研究

礦山法隧道防排水模式根據(jù)隧道所處的地質(zhì)條件對(duì)隧道水壓力的處理方式進(jìn)行分類。目前對(duì)水壓力的處理各國的觀點(diǎn)基本一致,均按照二次襯砌是否承受水壓來進(jìn)行劃分,可分為三種:完全封堵型隧道(全包型)、局部排水型隧道和全排水型隧道。

金塘海底隧道礦山法段位于陸域,地下水的排放可能會(huì)對(duì)隧道造成一系列不利影響(如結(jié)構(gòu)上浮問題、滲漏問題、高水壓?jiǎn)栴}和地面沉降問題等),同時(shí)在運(yùn)營期內(nèi)將產(chǎn)生一系列的次生環(huán)境及工程問題,因此,地下水的排放選擇主要和運(yùn)營期費(fèi)用關(guān)系較大。

根據(jù)國內(nèi)海底礦山法隧道(廈門翔安海底隧道、膠州灣海底隧道)的防排水設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于海底隧道海域段全、強(qiáng)風(fēng)化地段、斷層破碎帶地段等區(qū)域,海底補(bǔ)給量大、圍巖透水性好,通常采用全包型襯砌;海底隧道陸域地下水發(fā)育段、海域微風(fēng)化地段通常采用排導(dǎo)型襯砌[14-18]。

2.2 海底礦山法隧道限排標(biāo)準(zhǔn)研究

目前針對(duì)已建成的7座海底礦山法隧道陸域段限排標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研,其中海底隧道陸域段允許排放量在0.072～0.43 m3/(m·d)。將上述隧道允許排放量繪制成散點(diǎn)圖,海底隧道陸域段最大限排量為0.43 m3/(m·d),限排量在0.25～0.43 m3/(m·d)區(qū)間的頻率(區(qū)間點(diǎn)數(shù)/總數(shù))為57.14%,如圖4所示。

圖4 已建成的海底隧道限排標(biāo)準(zhǔn)

圍巖注漿加固效果差異較大,為降低圍巖注漿體滲透系數(shù),注漿材料及注漿方案的選定尤為重要。

注漿材料應(yīng)根據(jù)堵水、加固要求,以及是否作為永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)等方面,并從無毒性、無污染角度綜合考慮進(jìn)行選擇。注漿方案的選擇主要參考依據(jù)有地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果、涌水量大小和以往類似工程經(jīng)驗(yàn)等。一般來說,在節(jié)理裂隙較發(fā)育且水量或水壓較大地段也應(yīng)采用超前預(yù)注漿方案;在圍巖完整、節(jié)理、裂隙不太發(fā)育地層中,局部出水或滲漏水地段可采用開挖后徑向注漿及局部注漿方案。

限排標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定與區(qū)域地段圍巖滲透特性相關(guān)。根據(jù)《廈門東通道施工設(shè)計(jì)說明(翔安海底隧道)》陸域段巖層的完整性較好,圍巖的滲透系數(shù)為0.012 m/d。根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》[19],其正常涌水量為0.324 m3/(m·d),考慮注漿加固封閉裂隙和初期支護(hù)的封堵作用,隧道建成后穩(wěn)定涌水量的1/10考慮,即0.032 4 m3/(m·d)。而膠州灣隧道以對(duì)斷層破碎帶采用全斷面注漿堵水后的涌水量0.4 m3/(m·d)作為限排標(biāo)準(zhǔn)。故丹麥斯多貝爾特大海峽隧道、挪威馬斯特?cái)U(kuò)海底隧道以及廈門翔安海底隧道陸域段等限排量設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)較低。

3 甬舟鐵路海底隧道礦山法隧道段防排水模式研究

海底隧道礦山法段的限排標(biāo)準(zhǔn)主要集中在0.25～0.43 m3/(m·d),如圖5所示,圍巖完整性差、滲透性好,限排標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)越高[20-21]。局部地區(qū)為特殊地質(zhì)構(gòu)造段(斷層破碎帶)與膠州灣海底隧道的情況較為接近,故參考膠州灣海底隧道的限排標(biāo)準(zhǔn),初步確定0.43 m3/(m·d)作為全線的最大限排量,見表2。

表2 甬舟鐵路海底隧道陸域段各區(qū)域限排標(biāo)準(zhǔn)

故以0.43 m3/(m·d)作為全線的最大限排量(<0.43段按全排考慮),計(jì)算甬舟鐵路海底隧道礦山法段的總排水量為1 856 m3/d。計(jì)算其他海底隧道陸域段單洞的限排量。甬舟鐵路海底隧道礦山法段的總體水平與挪威埃林索伊一隧道的總排放量接近。

此外,對(duì)于圍巖滲透性較好的特殊構(gòu)造段(斷層破碎帶和節(jié)理密集帶)初始水位高度較大,區(qū)段總長(zhǎng)932 m。故需要對(duì)特殊構(gòu)造區(qū)(斷層破碎帶、節(jié)理密集帶)排放量經(jīng)過結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)證后確定,針對(duì)性設(shè)置甬舟鐵路海底隧道礦山法段各區(qū)域的防排模式。

4 結(jié)語

通過對(duì)已建成的海底礦山法隧道防排水模式進(jìn)行調(diào)研分析,結(jié)合依托工程礦山法隧道段的水文地質(zhì)特點(diǎn),提出了甬舟鐵路海底鐵路礦山法隧道段的防排水模式及最大排放量。

(1)根據(jù)二次襯砌是否承受水壓進(jìn)行劃分,海底隧道可分為完全封堵型隧道、局部排水型隧道和全排水型隧道3種,并考慮國內(nèi)海底礦山法隧道(廈門翔安海底隧道、膠州灣海底隧道)的防排水設(shè)計(jì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn),建議甬舟鐵路海底隧道礦山法段采用排導(dǎo)(限排或全排)模式。

(2)分析甬舟鐵路海底隧道陸域段各區(qū)域限排標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),計(jì)算出保證甬舟鐵路海底隧道礦山法段的總體水平與挪威埃林索伊一隧道的總排放量接近的最大排放量,基于統(tǒng)計(jì)分析與工程類比,建議甬舟鐵路海底礦山法隧道段最大排放量為0.43 m3/(m·d)。