古兜山隧道富水段探測(cè)與處置技術(shù)研究

摘 要：為探明古兜山隧道富水情況，通過(guò)超前鉆孔、瞬變電磁法探測(cè)隧道富水段情況；針對(duì)古兜山隧道的富水情況，開展現(xiàn)場(chǎng)注漿止水加固試驗(yàn)研究，提出富水區(qū)注漿止水關(guān)鍵技術(shù)；綜合考慮隧道地下水排放量與植被生態(tài)的平衡，給出隧址區(qū)的地下水允許排放量。研究結(jié)果表明：選擇普通水泥-水玻璃雙液漿用于鉆孔揭露隧道涌水量較大的區(qū)域，確保注漿效果；綜合考慮地下水壓力、地層巖性、漿液的性質(zhì)和濃度及注漿擴(kuò)散半徑等因素，確定注漿終壓取值為5～6 MPa；針對(duì)植被、生態(tài)環(huán)保要求，按2年內(nèi)恢復(fù)原始地下水位，確定泄洪口區(qū)、水庫(kù)連接區(qū)及隧道近出口區(qū)的地下水允許排放量。

關(guān)鍵詞：隧道；富水情況探測(cè)；注漿止水技術(shù)；加固試驗(yàn)；瞬變電磁法

中圖分類號(hào)：U45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）22-0095-04

Abstract： In order to find out the water-rich situation of Gudoushan Tunnel， the water-rich section of Gudoushan Tunnel is detected by advanced drilling and transient electromagnetic method; according to the water-rich situation of Gudoushan Tunnel， the experimental study on on-site grouting water stop reinforcement is carried out， and the key technology of grouting water stop in rich water area is put forward. Considering the balance between tunnel groundwater discharge and vegetation ecology， the allowable discharge of groundwater in the tunnel site is given. The research results show that the common cement-water glass double slurry is selected for drilling to expose the area with large water inflow in the tunnel， and the effect of grouting is ensured， and the final pressure of grouting is determined to be 5～6 MPa by comprehensively considering the factors such as groundwater pressure， formation lithology， properties and concentration of slurry， grouting diffusion radius and so on. According to the requirements of vegetation and ecological environmental protection， according to the restoration of the original groundwater level within 2 years， the allowable discharge of groundwater in the flood discharge area， the reservoir connection area and the tunnel near the outlet area was determined.

Keywords： tunnel; detection of rich water condition; grouting water stop technology; reinforcement test; transient electromagnetic method

突水涌水是隧道施工中常見的地質(zhì)災(zāi)害，隧道突涌水不僅會(huì)造成隧址區(qū)地下水位下降，地表綠化環(huán)境遭受破壞，嚴(yán)重的還會(huì)造成人員傷亡。因此，探明隧道富水情況，針對(duì)富水段突水涌水災(zāi)害的處置是確保隧道安全施工的關(guān)鍵。

目前，已有學(xué)者對(duì)富水隧道突涌水的處置措施進(jìn)行了深入研究。陶偉明等[1]利用Galerkin有限元法建立連續(xù)模型方程，分析注漿過(guò)程中的流場(chǎng)特征，驗(yàn)證了復(fù)合注漿材料對(duì)山嶺隧道突涌水的注漿封堵效果；趙建平等[2]通過(guò)研究隧道注漿圈、初期支護(hù)的滲流參數(shù)與初期支護(hù)外水頭、滲水量及水頭差的關(guān)系，提出了隧道結(jié)構(gòu)合理滲流參數(shù)的確定方法；竺維彬等[3]在總結(jié)隧道事故案例的基礎(chǔ)上，提出了綜合地質(zhì)勘察-動(dòng)態(tài)施工設(shè)計(jì)的防治對(duì)策；傅鶴林等[4]依托斷層區(qū)富水隧道，采用數(shù)值仿真軟件設(shè)計(jì)了隧道緩沖層厚度；田四明等[5]針對(duì)隧道富水構(gòu)造帶提出了超前泄水、堵水限排的處置措施。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要集中于一般地質(zhì)條件下富水隧道突涌水災(zāi)害的處置技術(shù)，針對(duì)隧道在斷層破碎帶-近水庫(kù)耦合的復(fù)雜地質(zhì)條件下的突涌水災(zāi)害處置技術(shù)的研究鮮有涉及。本文依托古兜山隧道實(shí)體建設(shè)工程，采用超前鉆孔-瞬變電磁法探明在斷層破碎帶-水庫(kù)多因素耦合下的富水情況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料提出古兜山隧道富水段處置關(guān)鍵技術(shù)，以期為類似條件下富水隧道突涌水災(zāi)害處置措施的研究提供參考。

1 工程概況

古兜山隧道左線長(zhǎng)3 293 m，起訖歷程ZK50+132～ZK53+425；右線長(zhǎng)3 290 m，起訖歷程K50+150～K53+440，屬特長(zhǎng)深埋隧道。隧道范圍內(nèi)涉及的主要地層為：第四系全新統(tǒng)殘坡積層，覆蓋層下部主要為燕山三期花崗巖。隧址區(qū)中部山勢(shì)相對(duì)平緩，溝谷多發(fā)育寬且略具半封閉溝谷，地表溪流屬常年流水，故水庫(kù)水利設(shè)施較多。與古兜山隧道有關(guān)的水庫(kù)主要為油柑坑水庫(kù)和松仔坑水庫(kù)如圖1所示。

1）油柑坑水庫(kù)：位于隧址區(qū)北部，隧道里程 K51+150～K51+700 段，水庫(kù)呈近東西走向展布，東西長(zhǎng)840 m，南北寬約200 m。最東端隧道軸線約100 m。水庫(kù)壩底海拔高約134 m，設(shè)計(jì)隧道拱頂海拔99 m，二者高差高出約35 m。水庫(kù)總?cè)萘?119萬(wàn)m3，集水面積2.17 km2。

2）松仔坑水庫(kù)：位于隧址區(qū)中部，隧道K51+800～K52+100段，水庫(kù)呈北東62°走向展布，水庫(kù)最西端距離隧道軸線約360 m。初勘資料顯示水庫(kù)水面高程100 m，估算水庫(kù)壩底海拔高約94.3 m，在該段的隧道拱頂海拔高約79 m，二者高差約15 m。水庫(kù)總?cè)萘?1.8萬(wàn)m3，集水面積1.9 km2。

2 隧道富水情況探測(cè)

受到多種因素的影響，發(fā)生突涌水災(zāi)害時(shí)涌水來(lái)源及因素復(fù)雜，可能由區(qū)域降水、斷層破碎帶等裂隙水、水庫(kù)補(bǔ)給等多種水體組成。為明確隧道周邊地下水關(guān)鍵水力路徑的分布，根據(jù)古兜山隧道現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，對(duì)隧道富水區(qū)段進(jìn)行了3次超前鉆孔探測(cè)及瞬變電磁法探測(cè)。

2.1 超前鉆孔探測(cè)

第一次超前鉆探：左洞ZK51+096.8～ZK51+151.99段，鉆探長(zhǎng)度56 m。鉆進(jìn)里程0～5 m巖質(zhì)與掌子面較一致，回水褐黃夾灰白色小顆粒渣樣，5～8 m回水灰色小顆粒渣樣，8～20 m為淺紅麻灰色小顆粒狀態(tài)渣樣，20～55.19 m回水灰白帶淡黃小顆粒，鉆探完無(wú)水流出。

第二次超前鉆探：左洞ZK51+130～ZK51+180段，鉆探長(zhǎng)度50 m。鉆進(jìn)里程0～23 m渣樣棕紅色褐黃回水灰黃白巖質(zhì)與掌子面較一致，23～30 m渣樣棕紅灰黑色回水灰黃色，30～32 m渣樣灰黑回水灰黑，32～42 m渣樣棕紅色褐黃白回水灰黃白，鉆進(jìn)到39 m處涌水。涌水量較大，約3 m3/h。

第三次超前鉆探：左洞ZK51+170～ZK51+220段，鉆探長(zhǎng)度50 m。鉆進(jìn)里程0～11 m存在夾層風(fēng)化強(qiáng)烈渣樣褐黃夾灰黑色灰，11～14 m存在夾層風(fēng)化強(qiáng)烈渣樣灰黑，14～30 m渣樣棕紅色褐黃回水灰黃灰黑色巖質(zhì)與掌子面較一致，30～50 m渣樣灰黃白，鉆探完無(wú)水流出。

在左洞K51+130～ZK51+180段，掌子面超前鉆探長(zhǎng)度50 m后，孔內(nèi)出水，約3 m3/h，且隨小進(jìn)尺開挖后，仰拱部位出現(xiàn)明顯滲水。以上情況表明隧道開挖進(jìn)入富水區(qū)段，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況調(diào)整施工進(jìn)度并進(jìn)行相應(yīng)的工作調(diào)整。

2.2 瞬變電磁法探測(cè)

對(duì)古兜山隧道左隧道進(jìn)口掌子面采用瞬變電磁法進(jìn)行試驗(yàn)性超前預(yù)報(bào)探測(cè)，瞬變電磁法探測(cè)方案如下。沿掌子面布置平移測(cè)線一條，點(diǎn)距1 m，點(diǎn)位依次從掌子面左幫到右?guī)?。沿掌子?、8、12 m（即圖2中4號(hào)點(diǎn)、8號(hào)點(diǎn)、12號(hào)點(diǎn)）處布置3個(gè)扇形超前探測(cè)點(diǎn)。每個(gè)探測(cè)點(diǎn)布置3條測(cè)線，角度分別為上仰30°、0°、下傾30°。每條測(cè)線布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，角度分別為45、60、75、90、105、120和135°。瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在平移測(cè)線4、8、12 m處瞬變電磁超前探測(cè)電阻率扇形等值線圖。從圖2中可以看出，掌子面由左至右沿測(cè)點(diǎn)4 m→8 m→12 m方向，電阻率呈逐漸減小的趨勢(shì)。與平移測(cè)線所測(cè)結(jié)果吻合。在4、8 m測(cè)點(diǎn)位置扇形圖顯示，電阻率曲線形態(tài)較為圓滑，無(wú)明顯低阻異常，推測(cè)巖體較為完整。在12 m測(cè)點(diǎn)處，巖體電阻率整體偏小，且在0°方位，以及75～90°方向，存在明顯的低阻異常帶。推測(cè)此處為巖體富水區(qū)域。

3 富水區(qū)處置關(guān)鍵技術(shù)

3.1 隧道富水區(qū)存在的問(wèn)題

綜合前期的古兜山隧道富水情況的物探結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，總結(jié)出以下問(wèn)題。

1）承壓水突水預(yù)防問(wèn)題。富水區(qū)段水體主要有2種形式：一是在地表風(fēng)化破碎體內(nèi)的潛水，主要分布在水庫(kù)連接區(qū)和隧道近出口區(qū)；二是斷層、裂隙及與水庫(kù)右下側(cè)連通的承壓水，主要分布在泄洪口區(qū)。承壓水體對(duì)隧道施工安全影響很大，避免承壓水突水事故是目前要解決的主要問(wèn)題。

2）斷層破碎帶位置確定問(wèn)題。隧道開挖到臨近富水破碎帶時(shí)，存在破碎體垮落，圍巖不穩(wěn)定、透水等問(wèn)題，因此應(yīng)解決破碎體位置、范圍探測(cè)問(wèn)題。

3）掌子面局部偏壓富水問(wèn)題。通過(guò)前期工作發(fā)現(xiàn)，隧道穿越古兜山富水區(qū)段時(shí)，水體分布位置多變。在掌子面爆破施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)探測(cè)掌子面前方富水體位置、體積，及時(shí)調(diào)整帷幕注漿位置、注漿深度及注漿參數(shù)。

4）注漿時(shí)跑漿范圍控制問(wèn)題。帷幕注漿時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制跑漿、漏漿，避免注漿范圍漿液不飽和生態(tài)污染問(wèn)題。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)注漿止水加固試驗(yàn)

古兜山富水區(qū)段裂隙巖體注漿效果是否理想，取決于根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的注漿工藝及參數(shù)確定，現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)是確定注漿工藝和參數(shù)最直接、最有效的方法，這對(duì)隧道注漿安全控制和注漿效果具有重要意義?，F(xiàn)場(chǎng)注漿加固試驗(yàn)內(nèi)容及步驟如下。

1）注漿材料選擇。選擇水泥漿液、C-S漿液，以及考慮對(duì)裂隙充填效果較好的超細(xì)水泥漿液。水泥漿液強(qiáng)度高，長(zhǎng)期性好，但凝固時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，擴(kuò)散距離遠(yuǎn)，需配合C-S漿液實(shí)現(xiàn)加固范圍控制。

2）注漿加固界限確定與優(yōu)選。針對(duì)富水裂隙巖體止水的要求，確定注漿加固范圍。設(shè)計(jì)及施工方案為5 m。試驗(yàn)過(guò)程中針對(duì)具體情況，考慮3～7 m范圍，以檢查鉆孔水流量確定合理注漿范圍。

3）注漿量確定?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析中建立檢查鉆孔出水量與注漿量的關(guān)系，確定達(dá)到止水或加固有效范圍所需的經(jīng)濟(jì)注漿量范圍。

4）注漿壓力確定。注漿壓力與漿液在巖體裂隙中擴(kuò)散的深度成正比，為保證漿液在巖層內(nèi)的滲透性和擴(kuò)散半徑，需適當(dāng)增加壓力。

3.3 富水區(qū)注漿止水技術(shù)

根據(jù)注漿材料特點(diǎn)及古兜山隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)注漿止水技術(shù)優(yōu)化如下。

1）注漿材料選擇。古兜山隧道富水區(qū)段的注漿材料選用普通水泥-水玻璃雙漿液，配比為水灰比0.6∶1～0.8∶1，水泥漿與水玻璃體積比1∶1、水玻璃濃度35Be'，漿液凝膠時(shí)間控制為1～3 min，注漿速度控制為5～110 L·min-1。另外，還可以通過(guò)試驗(yàn)，研制出更適合于富水?dāng)鄬迎h(huán)境下的注漿材料，進(jìn)一步保證注漿效果。

2）注漿壓力調(diào)整。注漿壓力大小直接影響著漿液擴(kuò)散6+Bh2wasVBi/xiyK8WnEZA==和充填效果。注漿壓力大小取決于地下水壓力、地層巖性、漿液的性質(zhì)和濃度及注漿擴(kuò)散半徑等因素，可以按以下2個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式之一來(lái)確定

P′<P<（3～5）P′， （1）

P=P′+（2～4） MPa ， （2）

式中：P′為注漿處的靜水壓力，MPa；P為設(shè)計(jì)注漿壓力，MPa。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，地表最高水位與古兜山隧道底板最大高差63.309 m，最大靜水壓力為

依據(jù)式（1），注漿壓力取值范圍為1.92～3.2 MPa；依據(jù)式（2），注漿壓力取值范圍為2.63～4.63 MPa。為確保古兜山隧道近水庫(kù)破碎斷裂富水區(qū)段施工安全，便于施工控制，故注漿終壓取值為5～6 MPa。

3.4 地下水生態(tài)保護(hù)措施

假設(shè)隧址區(qū)要求N年內(nèi)恢復(fù)原始地下水位，地下水體積QS及降雨對(duì)隧道地下水的補(bǔ)給量VSi根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料進(jìn)行估算，采用堵水措施封閉隧道周邊水體與水庫(kù)的連接通道，故要求N年內(nèi)恢復(fù)原始地下水位隧道允許排放量表達(dá)式為

式中：PN為要求年恢復(fù)水平衡的排放量，m3·m-1·d-1；N為要求N年內(nèi)恢復(fù)；Li為隧道各分區(qū)長(zhǎng)度。

綜合考慮植被、生態(tài)環(huán)保要求，按2年內(nèi)恢復(fù)原始地下水位，帶入公式（4）可得隧道各分區(qū)每天、每延米所允許的排放量見表1。

4 結(jié)論

1）古兜山隧道左洞ZK51+130～ZK51+180段，掌子面超前鉆探長(zhǎng)度50 m后，孔內(nèi)出水，約3 m3/h，仰拱部位出現(xiàn)明顯滲水。表明隧道開挖進(jìn)入富水區(qū)段。

2）通過(guò)瞬變電磁法探測(cè)可知掌子面由左至右12 m測(cè)點(diǎn)處，巖體電阻率整體偏小，且在0、75～90°，推測(cè)為巖體富水區(qū)域。掌子面前方深度25～35 m位置處，出現(xiàn)明顯的低阻異常區(qū)，推測(cè)為基巖裂隙水富集區(qū)域。

3）開展古兜山現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，將成果應(yīng)用于全段注漿加固并且確定了注漿量、注漿壓力及注漿加固界限，確定富水裂隙巖體注漿處置合理，注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及補(bǔ)漿條件和補(bǔ)漿施工結(jié)束要求。

4）普通水泥-水玻璃雙液漿可最大程度地控制漿液在加固圈范圍內(nèi)有效擴(kuò)散，確保注漿效果。

5）通過(guò)理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，確定注漿終壓取值為5～6 MPa。

6）以最低地下水位為基準(zhǔn)，通過(guò)綜合考量植被及生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需求，制定了2年內(nèi)恢復(fù)原始地下水位的目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，確定了泄洪口區(qū)域、水庫(kù)連接區(qū)域及隧道近出口區(qū)域的地下水允許排放量。

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第一作者簡(jiǎn)介：劉建波（1980-），男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槁窐蚴┕す芾怼?/p>