富水圍巖山嶺隧道防排水技術(shù)研究*

劉榮鑫 陳 鵬 于瑋曉

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽 515325; 2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 武漢 430074)

隧道施工期間遇到的地質(zhì)災(zāi)害主要是涌水和滲水，它們也是隧道運營的主要災(zāi)害。我國自建設(shè)鐵路隧道以來，80%的建設(shè)施工過程中都遇到涌水問題，運營過程中30%的隧道存在涌水、滲水等災(zāi)害[1]。因此，地下水對隧道工程建設(shè)和運營的影響不容忽視。

富水超前探測技術(shù)目前主要采用地質(zhì)雷達(dá)法、超前鉆探法、聲波探測法、地震波法及紅外探測法等多種方法[2]。由于工程地質(zhì)復(fù)雜，僅通過一種手段很難準(zhǔn)確地預(yù)測地質(zhì)狀況，所以在實際操作時，多采用幾種方法結(jié)合使用[3]。一般是在利用紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)、聲波及地震波等方法探出前方有地下水的情況下，再打超前鉆探孔，進(jìn)行探水[4]。

富水隧道地下水的治理一般有：注漿、凍結(jié)法、壓氣法、井點降水等施工方法[5]。目前，隧道突水突泥防治原則轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙远聻橹鳎屡沤Y(jié)合，綜合治理，保護(hù)環(huán)境”，形成以注漿為主，其他措施為輔的處治體系。如日本青函隧道在穿越高壓富水?dāng)鄬悠扑閹r，發(fā)生了大規(guī)模突水突泥，經(jīng)全斷面超前預(yù)注漿后該問題得以解決，而后采取探水-注漿-開挖3個環(huán)節(jié)交替進(jìn)行，有效防止了突發(fā)性災(zāi)害涌水事故的發(fā)生[6]。另外，針對國內(nèi)的南嶺隧道、宜萬鐵路齊岳山隧道，吳治生等[7-10]將注漿技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹和總結(jié)，采取注漿治理方法解決了當(dāng)時大規(guī)模突水突泥問題，達(dá)到了良好的堵水和加固效果，使注漿技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展。

目前，在工程中一般采用“探孔-注漿”輔助施工技術(shù)。探孔的目的是為了使注漿更具有針對性，避免浪費漿液，從而降低工程成本。在鉆孔后可根據(jù)水量情況和工程自身的功能特點決定是否注漿以及注漿方式。

1 工程概況

小北山1號隧道分左右線布置，左線隧道里程ZK14+390-ZK17+390，長3 000 m，進(jìn)口設(shè)計標(biāo)高60.876 m，出口設(shè)計標(biāo)高約40.630 m，最大埋深約280 m；右線隧道里程K14+380-K17+388，長3 008 m，進(jìn)口設(shè)計標(biāo)高約為60.816 m，出口設(shè)計標(biāo)高約40.618 m，最大埋深270 m。

隧道位于丘陵區(qū)，地面標(biāo)高為50～420 m，相對高差約為370 m，隧道南北走向穿越東西走向的山脊，山體地形起伏大，山體植被發(fā)育。ZK16+460 左側(cè)沿溝谷約300 m 處有一口山塘。

隧道位于河流侵蝕基準(zhǔn)面以上。隧址區(qū)地下水類型主要為潛水及承壓水，以潛水為主，賦存于第四系松散層及基巖風(fēng)化裂隙中；局部為承壓水，賦存于斷層破碎帶中，在SZK5 號鉆孔揭露，標(biāo)高114.3～85.3 m 微風(fēng)化花崗巖、輝長巖為承壓含水層。地下水以大氣降水和山谷匯水下滲補(bǔ)給為主，排泄方式則以蒸發(fā)和測向徑流排泄為主。

龍?zhí)斗逅畮煳挥谛”鄙揭惶査淼繩16+500-K16+900左側(cè)(見圖1)，水庫邊緣距隧道主線平面最小距離約為100 m，水庫與隧道設(shè)計高程相差約為150 m，水庫蓄水面積約68 000 m2，蓄水量約30萬m3。隧道K16+400-K16+550為水庫段，該段隧底標(biāo)高55.7～58.4 m。由于隧道開挖過程中改變了天然地下水的補(bǔ)、徑、排條件，隧道成為新的局部排泄基準(zhǔn)，從而可能出現(xiàn)局部滲水和漏水現(xiàn)象，尤其是小北山一號隧道ZK16+450-ZK16+600(K16+400-K16+580)段存在F3區(qū)域大斷裂，該斷層處圍巖破碎，裂隙發(fā)育，工程地質(zhì)復(fù)雜，屬于IV，V級圍巖，易發(fā)生塌方、涌水、水資源流失、破壞生態(tài)環(huán)境等不良情況。

圖1 龍?zhí)斗逅畮煳恢脠D

F3屬于大的斷裂破碎帶，斷裂于地表ZK16+500通過隧址區(qū)。斷裂走向為北西305°～335°，傾向北東，傾角50°～65°。貫穿全區(qū)，斷裂可見長度大于4 km、由糜棱巖化、碎裂花崗巖、強(qiáng)硅化花崗巖等組成一條寬約數(shù)十米的構(gòu)造帶。主斷裂內(nèi)發(fā)育近于平行的密集裂隙群，裂隙產(chǎn)狀30°∠57°或200°∠53°。裂隙面發(fā)育階步、擦痕，階步呈不規(guī)則條痕狀。斷層范圍大，斷裂帶通過隧道(K16+150-K16+600)處圍巖破碎、裂隙發(fā)育，易形成地下水的通道及富集帶，圍巖級別低，穩(wěn)定性差，容易掉塊、塌落。龍?zhí)斗逅畮焱ㄟ^F3

斷裂破碎帶與小北山1號隧道相連，隧道開挖施工可能會引起掌子面塌方、涌水，從而造成地下水文地質(zhì)環(huán)境的改變，地下水資源流失、造成生態(tài)環(huán)境的破壞，同時也可能排放龍?zhí)斗逅畮齑嫠?，影響龍?zhí)斗逅畮斓恼Ｐ钏俊?/p>

2 小北山1號隧道超前探水

2.1 探測方法

在隧道施工時，使用紅外探水、超前預(yù)報及超前水平鉆孔等多種超前探測技術(shù)，及時探明掌子面前方地質(zhì)情況，從而采取適當(dāng)?shù)奶幹未胧┮员Ｕ纤淼朗┕さ陌踩?，超前探水程序見圖2所示。

圖2 隧道超前探水程序

2.2 紅外探水地質(zhì)預(yù)報

紅外探水儀是采用探測水體發(fā)射出的紅外線來探明水體存在區(qū)域及水量大小。由于紅外探測儀攜帶方便，且操作簡便，與其他探水方式相比，紅外探水儀運用得更為普遍。紅外探水儀能夠快速預(yù)報隧道開挖方向隱伏含水體狀況，這對隧道的施工安全有重要的作用。

紅外超前探水測點布置如圖3所示。

圖3 測點布設(shè)

掌子面上，水平方向布設(shè)3條測線，豎直方向布設(shè)4條測線，在其交點處取 12個測點，如圖3a)所示。通過探測12個測點的數(shù)據(jù)，比對數(shù)據(jù)之間的最大差值來判定隧道掌子面開挖前方是否存在隱伏含水體。周邊測點由掌子面反方向依次按照隧道底部、左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻的順序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖3b)所示；每3 m測取1組數(shù)據(jù)，共測取30 m即6條測線，每條測線包含11個測點，如圖3c)所示。將采集的數(shù)據(jù)通過紅外輻射曲線的形式展示出來，根據(jù)線性的走勢來分析隧道掘進(jìn)方向是否有水。

根據(jù)圖3所示測點，使用紅外探水儀對小北山一號隧道ZK16+415掌子面進(jìn)行紅外探水?dāng)?shù)據(jù)采集工作，探測范圍為ZK16+415-ZK16+445，探測所得數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 掌子面探測數(shù)據(jù)表μW/cm2

表2 隧道周邊探測數(shù)據(jù)表 μW/cm2

由表1可見，掌子面12個測點數(shù)據(jù)的最大場強(qiáng)與最小場強(qiáng)的差值為14 μW/cm2，由此判斷掌子面前方可能存在含水構(gòu)造體。

根據(jù)表2所測得的隧道周邊數(shù)據(jù)繪制得如圖4所示曲線，發(fā)現(xiàn)函數(shù)圖形變化趨勢較規(guī)律，隧道掌子面前方存在具有含水構(gòu)造的可能。

圖4 斷面測試數(shù)據(jù)曲線圖

2.3 地質(zhì)雷達(dá)GPR探水

地質(zhì)雷達(dá)也是現(xiàn)階段比較常用的超前探水技術(shù)，其原理是通過天線向地下發(fā)射高頻電磁波，由于不同圍巖介電常數(shù)不同，電磁波在通過不同介質(zhì)時會出現(xiàn)各種變化，通過分析研究回收到的電磁波的走時、振幅及圖形變化等相關(guān)資料，大致上能夠判別出隧道圍巖中各種介質(zhì)的埋深及類型。地質(zhì)雷達(dá)超前探水儀器是選用拉托維亞研發(fā)的Zond-12e。測量時采用的發(fā)射天線是空氣耦合型天線，通過分析隧道掌子面掘進(jìn)方向圍巖的物理性質(zhì)、地質(zhì)雷達(dá)的探測原理及施工場地的實際情況，其探測深度能夠達(dá)到30 m。

由紅外探水結(jié)果表明，小北山一號隧道ZK16+415掌子面前方存在水的可能性很大，為查明隧道前方的隱伏含水體，使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前探水，選擇天線為75 MHz，其探測深度可達(dá)33.54 m(根據(jù)實踐經(jīng)驗，有效的探測深度為25 m)，采樣窗口長度可達(dá)500 ns，所得結(jié)果如圖5a)所示。由圖5b)可見，當(dāng)探測的圍巖中不存在隱伏含水層時，圖形中的同相軸是正常的，而實際測得的數(shù)據(jù)同相軸發(fā)生反向，故存在隱伏含水層。

圖5 紅外探水

為確保隧道的安全施工和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，防止疏干水庫，隧道穿越該區(qū)域的防水以“防、排、堵、截相結(jié)合”為原則，以“堵”為主，限量排放。在保證隧道防排水效果的前提下，加強(qiáng)防水、堵水措施，盡量減小隧址上方龍?zhí)斗搴偷叵滤牧魇?，避免對水文地質(zhì)環(huán)境造成重大影響，因此，當(dāng)超前探水工作探測到掌子面前方存在隱伏含水體時，需進(jìn)行超前鉆孔測定水量，再根據(jù)水量大小情況采取不同的注漿措施。

3 富水區(qū)注漿技術(shù)

根據(jù)超前探水及測定的掌子面前方水量大小情況，當(dāng)水量不大時，應(yīng)采取隧道局部超前預(yù)注漿堵水措施，當(dāng)水量較大時，需采取隧道超前帷幕注漿預(yù)加固措施。當(dāng)隧道出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象時，還要采取針對性的后注漿止水措施。

3.1 隧道局部超前預(yù)注漿堵水

當(dāng)超前探水孔中總出水量小于15 m3/h但個別探水孔出水量大于3 m3/h時，宜對隧道進(jìn)行局部超前預(yù)注漿堵水。局部超前預(yù)注漿堵水設(shè)計如圖6所示。

圖6 局部注漿示意圖

局部超前預(yù)注漿堵水段落按照地質(zhì)詳勘報告及探水結(jié)果來確定，注漿材料主要采用單漿液，困難時采用水泥-水玻璃雙液漿。注漿范圍為出水通道范圍內(nèi)、隧道開挖外輪廓線以外5～6 m，單孔注漿有效擴(kuò)散半徑R=3.6 m，注漿結(jié)束最終壓力為凈水壓力的2～3倍。注漿后，總出水量小于2 m3/h且每一處出水量小于0.6 m3/h，即可結(jié)束注漿。

3.2 隧道超前帷幕注漿預(yù)加固

當(dāng)超前探水孔中出水量過大時，需對隧道采取全斷面超前帷幕注漿措施進(jìn)行預(yù)加固。全斷面超前帷幕注漿預(yù)加固設(shè)計如圖7所示。

圖7 全斷面帷幕注漿示意圖

全斷面深孔預(yù)注漿分2次進(jìn)行，第一次鉆孔數(shù)22個，第二次鉆孔數(shù)24個，第一次注漿孔位離開挖邊界0.5 m，第二次注漿孔位離開挖邊界1.0 m，第一次注漿孔的外插角為9.3°，第二次注漿孔的外插角9.7°。為防止串漿，第一次注漿與第二次注漿之間宜間隔2～3 h。注漿材料主要采用單液漿，困難時采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比為0.6～1.1，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.5，凝膠時間根據(jù)現(xiàn)場情況確定。當(dāng)注漿壓力達(dá)到3 MPa，進(jìn)漿量小于100 L/min且壓力升高較快時，則可停止注漿，最大注漿壓力不能超過5 MPa。

3.3 隧道后注漿止水

在隧道施工過程中，施作初期支護(hù)后，若仍出現(xiàn)滲漏水情況，需進(jìn)行隧道后注漿止水。對于出現(xiàn)大面積淋水或嚴(yán)重滲漏水現(xiàn)象，采用全斷面注漿止水；而對于局部大量涌水或嚴(yán)重滲漏水時，采用局部注漿止水。

注漿前，先對圍巖進(jìn)行了現(xiàn)場注漿實驗，確定采用水泥-水玻璃雙液注漿，終壓采用靜水壓力的1.5倍，不低于2 MPa。水泥漿水灰比1∶1，水玻璃模數(shù)為2.6，濃度為35 °Bé，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.3，緩凝劑摻量為水泥用量的2%。注漿時按跳孔間隔方式進(jìn)行，從水頭高的一端開始注漿。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓并繼續(xù)注漿10 min以上，或單孔注漿量與設(shè)計注漿量大致相同，且進(jìn)漿速度小于20 L/min，可以結(jié)束本孔注漿。待一個注漿段的注漿孔全部注完后，鉆檢查孔對注漿效果進(jìn)行檢驗，檢查孔數(shù)量不少于總孔數(shù)的5%且不小于3個，并取巖芯觀察填充情況，同時檢查孔內(nèi)涌水量不大于5 L/min，否則應(yīng)加密鉆孔注漿，補(bǔ)充漿液。全斷面注漿止水與局部注漿止水分別如圖8所示。

圖8 注漿止水

3.4 注漿效果

現(xiàn)場施工表明，通過對隧道F3斷裂破碎帶的注漿，控制了隧道破碎帶涌水、塌方現(xiàn)象的發(fā)生，避免施工時出現(xiàn)不良地質(zhì)災(zāi)害，確保了該段隧道的順利施工；通過注漿措施進(jìn)行堵水限排，使得施工現(xiàn)場測得的隧道排水量低于限制性排放標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到防排水的目的。

4 結(jié)論

1) 采用紅外探測和地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合的方法可準(zhǔn)確預(yù)報隧道工作面前方的地質(zhì)狀況與水文地質(zhì)條件，使得隧道設(shè)計與施工更具有針對性，從而減少不必要的麻煩。

2) 對于毗鄰水庫的山嶺隧道， “以堵為主，限量排放”的防排水方式較為合適，能夠在保證隧道防排水效果的前提下，最大限度的保護(hù)原有生態(tài)條件。

3) 在超前探水探測到掌子面前方有隱伏含水體時，要進(jìn)行鉆孔測量水量大小，并根據(jù)水量的不同采取不同的注漿措施，該方法既提高了工程的防排水效果，又可節(jié)約材料，降低成本。

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