隧道涌水的原因分析及治理措施

吴明玉 宁殿晶 谢轶琼

山区高等级公路因地形条件限制,隧道工程往往占线路里程比例较大。隧道中遇到涌水地质灾害,较大地影响隧道施工及建成养护。在涌水处理过程中选择合理经济的处理措施,有着重大的技术价值和经济意义。

1 涌水对隧道工程的影响

在隧道开挖工程中,因对掌子面前方地质情况预测不准或涌水流量估计过小出现的涌水事故,往往造成施工人员伤亡和较大的经济损失。

在隧道衬砌施工完以后,因涌水处理不彻底而使衬砌渗漏水,造成隧道侵蚀破坏,侵蚀性的渗漏水对衬砌和隧道附属设备的腐蚀性更严重;寒冷地区反复的冻融循环,造成衬砌混凝土冻胀开裂;衬砌与围岩之间,由于冻胀引起拱圈变形甚至破坏,造成路面积水、结冰,从而降低了路面与轮胎的摩擦力,使行车安全得不到保障;隧道内的各种附属设施和设备对于绝缘与防锈都有严格要求。

2 隧道涌水的原因分析

隧道涌水是由于隧道掘进破坏了含水层结构,使水动力条件和围岩力学平衡状态发生急剧改变,造成地下水体所储存能量以流体高速运移形式瞬间释放而产生一种动力破坏现象。

3 涌水量的预测

3.1 水文地质比拟法

水文地质比拟法是建立在水文地质条件相似的基础上,以既有工程的涌水量计算拟建工程的涌水量:

其中,Q,Q′分别为拟建、既有隧道的正常(或最大)涌水量,m3/d;F,F′分别为拟建、既有隧道的集水面积,m2;S,S′分别为拟建、既有隧道含水体中静止水位计起的水位降深,m。

3.2 水均衡法

水均衡法指在一定范围内,水在循环过程中保持平衡状态,收入和支出相等,查明隧道施工段水的补给、排泄之间的关系,从而获得施工段的涌水量。水均衡法预测正常涌水量时,常分为地下径流深度法、地下径流模数法和降水入渗法。

常用的地下径流模数法公式:Qs=MA。

其中,M为地下径流模数,m3/(d◦km2);A为隧道通过含水体地段的集水面积,km2。

3.3 地下水动力学法

地下水动力学法又称解析法,是依据介质中地下水动力学的基本理论,建立地下水运动规律的基本方程,通过数学解析的方法求解这些基本方程,从而获得在给定边界和初值条件下的涌水量。

3.3.1 预测正常涌水量的公式

其中,Qs为隧道正常涌水量,m3/d;L为隧道通过含水体的长度,m;K为含水体的渗透系数,m/d;H为洞底以上潜水含水体厚度,m,采用各段加权平均厚度;h为洞外水柱高度,m;R为影响半径或引用补给半径,m;r为洞身横断面宽度之半,m。

2)经验公式:Qs=LKH(0.676-0.06K),符号意义同上。

3.3.2 预测最大涌水量的公式

1)经验公式:Q0=L(0.025 5+1.922 4KH)。

其中,Q0为隧道最大涌水量,m3/d;H为静止水位与洞身横断面等价圆中心的距离,m;d为洞身横断面等价圆直径,m;其他符号意义同上。

其中,r0为洞身横断面等价圆半径,m;m为换算系数,一般取0.86;其他符号意义同上。

4)佐藤邦明公式:

其中,hc为含水体总厚度,m;其他符号意义同上。

4 涌水处理的原则及施工注意事项

4.1 涌水处理的原则及措施

根据各种情况,做好周密的应急预案,包括材料、人员、机具及技术方法等。为确保隧道施工安全,在断层破碎富水带开挖时,应按照管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、衬砌紧跟的原则。根据隧道涌水段所处的位置不同,施工中按不同段落分别采用不同的处理方案:1)岩体完整。其结构性能可保证施工安全,但大面淌水且流量小于控制排水量时,采取直接通过。2)岩体较完整。其结构性能可保证施工安全,但大面淌水,且流量大于控制排水量时,采取先通过后注浆堵水。3)小段落的岩层破碎带、次断层构造带。大面淌水,且流量大于控制排水量时,采取超前管棚支护先通过后注浆堵水。4)大段落的岩层破碎带、断层构造带。极易产生集中涌水地段,根据对施工的影响程度不同,分别采取不同的超前注浆措施。

4.2 涌水段施工的注意要点

4.2.1 加强初期支护

隧道涌水段应加强初期支护,增加喷射混凝土厚度,提高混凝土的抗渗性能,以使喷射混凝土起到封闭、止水的作用。

4.2.2 防水层排水设施施工

1)防水板悬挂时间不宜过早,应在二衬施工前几天开始,防止土工布因吸水自重加大而下垂。2)凿除凸出物,割除锚杆头,防止防水板被尖角割破,影响防水效果。3)固定防水板应由拱顶向两侧逐渐展开,防水板尽可能和岩面密贴,防水板挂设时留有余量,以免防水板因混凝土压力而绷坏,拱顶部位存在空洞。4)接缝焊接应采用双面焊,保证焊接温度和搭接长度。

4.2.3 二衬防水施工

二次衬砌施工是隧道施工的最后一道工序,其质量的好坏将直接影响最终的防水效果,混凝土中应加入防水剂提高其抗渗性,并进行现场试验,使其达到抗渗要求;加强二次衬砌混凝土板与板之间环向施工缝防水工艺。

5 工程实例

5.1 工程概况

陕西南部某隧道出口端左右线自进洞约50 m后隧道出现多次涌水,左右线合计共发生大型涌水32次,累计1 200余米,其中最大涌水压力4 MPa,最大日涌水量30 000 m3/d。隧道出口端频发的涌水大部分位于倒转背斜核部,从构造上来看,背斜核部具有发育的“二次纵张节理”而富水,形成地下水径流带和轴向一致的基岩裂隙带;另外此段内分布了F6,F7,F8三条断裂破碎带,断裂构造岩表现为碎裂岩化、角砾岩化,富含构造裂隙水。

5.2 涌水原因分析

因为掌子面围岩比较破碎,开挖后长时间暴露风化严重,强度迅速降低,围岩自稳能力变弱,在水头压力下形成过水通道,经过实际勘察发现涌水水源补给有两方面:1)地表水的补给。隧道发生涌水后,隧道上方的多条沟内山泉流水干涸或水量减少,此处正好是断层出露地表处,由此可以推断地表水对涌水进行补给。2)层间溶沟、溶槽。隧道地处秦岭复合造山带南部大巴山褶皱,断裂发育,主要沿软质岩与硬质岩之间分布,断层层间岩体破碎带在地下水和地表水的长期作用下,破碎带被溶蚀,而且越溶越宽,越溶越深,最终形成多处形状各异的溶沟、溶槽等富水构造物,构造物内地下水下泄形成涌水。

5.3 处理措施

1)加大排水能力。由于隧道出口段是反坡开挖,并且涌水段较长,掌子面泄水减压和初支后涌水限量排放致使隧道内总涌水量非常大,远远超出预测的涌水量,必须配备足够的抽排水设备、人员等保证施工正常进行。2)布置超前水平钻孔探测。超前钻孔可以直观揭示前方地质情况,为优化设计提供正确的地质依据,对构造裂隙水进行减压(包括分流孔)。3)根据超前水平钻孔资料和分流孔减压情况,制定针对性的注浆加固方案。按涌水量大小,涌水水压变化情况进行适当调整。

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