關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)， 四川 成都 610031)

漫談礦山法隧道技術(shù)第十五講
——隧道涌水控制技術(shù)

關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)， 四川 成都 610031)

涌水控制對(duì)策大體上分為“排水”對(duì)策和“堵水”對(duì)策2大類，經(jīng)驗(yàn)表明“排”與“堵”相結(jié)合的方法是控制地下水最有效的方法。在處理“排”與“堵”的關(guān)系上，關(guān)鍵是弄清何種情況下需要采取“堵”的方法。適用堵水方法的條件： 1)在地下水量大、圍巖滲透系數(shù)大于10-6～10-5cm/s時(shí)，為了確保施工可接受的滲漏水條件； 2)在地下水位降低對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生有害影響，為了確保周邊環(huán)境“可接受干擾”的條件； 3)為了避免二次襯砌直接承受水壓，或減小作用在二次襯砌上的水荷載，不僅需要注漿，而且注漿必須形成防滲體來承受水壓的場(chǎng)合。目前基本上都是采用注漿的方法堵水，挪威通過預(yù)注漿來控制海底隧道和城市隧道涌水，注漿圍巖的平均滲透系數(shù)大致是非注漿圍巖的1/100～1/25，采用高注漿壓力(3～4 MPa)可以減少注漿孔、提高圍巖注漿的“預(yù)應(yīng)力”效應(yīng)；日本青函隧道注漿實(shí)踐表明，隧道圍巖的綜合滲透系數(shù)大于10-6～10-5cm/s時(shí)需采取注漿堵水對(duì)策，改善圍巖滲透系數(shù)小于10-6cm/s時(shí)能夠正常安全開挖。通過一定范圍的注漿，把圍巖的滲透系數(shù)降低2個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到10-6cm/s，就完全可以不考慮水壓的作用。最后，用5個(gè)事例說明解決大量、集中、異常涌水的方法，多是放在形成有效的注漿域(防滲層)上。實(shí)際上，我們也是這樣做的，但在明確的目標(biāo)準(zhǔn)則和注漿工藝上尚需努力。

隧道； 礦山法； 堵水方法； 注漿； 滲透系數(shù)； 注漿壓力

0 引言

在第14講[1]中，談到涌水處理的目標(biāo)有3個(gè)，即： 1)確保隧道施工在無水的條件下進(jìn)行，或者是在可以接受的滲漏水條件下進(jìn)行，或者是在對(duì)周邊環(huán)境“可接受干擾”的條件下進(jìn)行； 2)二次襯砌原則上不承受水壓作用，不得已時(shí)把水壓控制在二次襯砌容許的范圍內(nèi)； 3)運(yùn)營(yíng)中的隧道洞內(nèi)不能成為地下水流經(jīng)的通道，隧道襯砌背后必須形成一個(gè)縱橫交錯(cuò)的、不易堵塞的、通暢的排水系統(tǒng)。達(dá)到上述目標(biāo)的唯一方法，就是要正確地處理好“堵”與“排”的關(guān)系。目前各國(guó)采用的方法，基本上是以“排”為主； 在極端的情況下，才采取“堵”與“排”相結(jié)合的方法。隧道涌水是很難完全堵住的。因此，不管在何種情況下，都應(yīng)該排放一定量的地下水，這不僅是技術(shù)問題，也是經(jīng)濟(jì)上應(yīng)該考慮的問題。

1 防水對(duì)策

涌水控制對(duì)策大體上分為“排水”對(duì)策和“堵水”對(duì)策2大類(見表1)?！芭潘睂?duì)策是積極地排出流入掌子面的地下水，同時(shí)降低隧道周邊地下水位的方法； “堵水”對(duì)策則是阻斷地下水的流路，抑制流入洞內(nèi)的涌水的方法。一般多采用工費(fèi)低、易于施工的排水方法； 但在地下水量大、排水方法降低地下水位困難和地下水位降低對(duì)周邊環(huán)境有影響的場(chǎng)合，則采用堵水方法。事實(shí)上，許多經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明，在隧道中采用組合的控制方法，即： “排”與“堵”相結(jié)合的方法可能是最佳的解決方案。實(shí)際上，我們目前的經(jīng)驗(yàn)也充分證實(shí)，“排”與“堵”相結(jié)合的方法是控制地下水最有效的方法。

表1 礦山法隧道的涌水控制對(duì)策方法

Table 1 Control technologies for water inrush of tunnel constructed by mining method

基本方法方法劃分施工方法排水方法重力排水方法排水鉆孔、排水坑道強(qiáng)制排水方法井點(diǎn)、管井重力排水和強(qiáng)制排水并用方法上述方法并用堵水方法注漿方法、凍結(jié)方法、壓氣方法、隔斷壁方法并用方法堵水方法與排水方法并用

表1所列的方法，幾乎在我們的實(shí)際施工中都得到了不同程度的應(yīng)用，經(jīng)驗(yàn)豐富，教訓(xùn)深刻。在處理隧道涌水方面，實(shí)際上我們是最有發(fā)言權(quán)的；遺憾的是，我們沒有對(duì)取得的成果進(jìn)行有目的的、系統(tǒng)的總結(jié)與歸納。至今，遇到涌水，還是手忙腳亂，不知所終。

在處理“排”與“堵”的關(guān)系上，只要搞清在什么情況下需要采取“堵”的方法，問題就解決了。

2 堵水的適用條件及方法

2.1 采用堵水方法的條件

在下述條件下，基本上要采用堵水對(duì)策。

1)地下水量大、圍巖滲透系數(shù)大于10-6～10-5cm/s時(shí)，為確保施工可接受的滲漏水條件；

2)地下水位降低對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生有害影響，為確保周邊環(huán)境“可接受干擾”的條件；

3)為避免二次襯砌直接承受水壓，或減小作用在二次襯砌上的水荷載，不僅需要注漿，而且注漿必須形成防滲體來承受水壓的場(chǎng)合。

2.2 挪威和日本的堵水方法

從目前的施工現(xiàn)狀看，基本上都是采用注漿的方法堵水。

2.2.1 挪威隧道預(yù)注漿堵水

挪威在海底隧道及城市隧道的設(shè)計(jì)中認(rèn)為： 涌水的控制可以通過掌子面前方的探孔探測(cè)，而后通過預(yù)注漿來實(shí)現(xiàn)(見圖1)[2]。預(yù)注漿的主要目的是圍繞隧道周邊建立一個(gè)不透水或滲透性小的圍巖域或稱為防滲域(見圖2)。此防滲域能夠確保全靜水壓力作用在隧道周邊預(yù)注漿域的外側(cè)。水壓力通過注漿區(qū)逐步減小，作用于隧道輪廓和隧道襯砌上的水壓力接近于0。此外，預(yù)注漿也起到提高注漿域圍巖穩(wěn)定性的效果，也是一個(gè)重要的特征。這種觀點(diǎn)與青函隧道注漿實(shí)踐得到的結(jié)論是一致的。

(a) 橫斷面

(b) 縱斷面

對(duì)于圍巖預(yù)注漿的基準(zhǔn)，挪威是從2方面來考慮的: 1)一般挪威海底公路隧道中常用的容許涌水(滲漏)量(供水是無限大的)為30～100 L/(min·m)； 2)在城市地區(qū)周圍環(huán)境要求限制發(fā)生地表沉降，以避免對(duì)建筑物造成影響和在因環(huán)境限制必須保護(hù)地下水的場(chǎng)合，允許涌水(滲漏)量每100 m為2～10 L/min。

(b) 立體圖

挪威經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)非注漿隧道量測(cè)到的涌水，每100 m為15～80 L/min。目視觀察到的涌水一般集中在沉積巖中的破碎帶、斷裂帶或火成巖脈/侵入體。水流基本上都流到地質(zhì)最差的區(qū)域，匯成集中水流流出。在中等埋深的隧道中這樣的集中涌水，經(jīng)量測(cè)可達(dá)60～80 L/min。在其他涌水區(qū)經(jīng)?？梢杂^察到滴水。

進(jìn)行了成功的和系統(tǒng)的預(yù)注漿的隧道測(cè)得的涌水量都低于6 L/(min·100 m)(交通隧道)。然而，也存在有相當(dāng)大涌水的情況，但多是非注漿隧道。

挪威根據(jù)反算得到的注漿圍巖和非注漿圍巖的平均滲透系數(shù)大致是： 對(duì)于隧道很少或根本沒有注漿的地段，反算的圍巖平均滲透系數(shù)k通常為0.8×10-6～2.0×10-5cm/s；迄今取得的注漿圍巖反算滲透系數(shù)ki最低值在(2～6)×10-7cm/s，大致是非注漿圍巖滲透系數(shù)的1/100～1/25。

2.2.2 日本隧道堵水方法

日本在大壩的注漿中主要采用水泥漿作為注漿堵水的標(biāo)準(zhǔn)方法，其作業(yè)方法和管理步驟均已標(biāo)準(zhǔn)化。隧道堵水注漿可以參考，其改良目標(biāo)規(guī)定見圖3。

圖3 大壩和隧道注漿的改良目標(biāo)

隧道和大壩比較有以下不同點(diǎn)： 1)多處于地下深部，一般水壓高； 2)改良目標(biāo)的滲透系數(shù)小(大壩的滲透系數(shù)為10-5～10-4cm/s，隧道滲透系數(shù)為10-6～10-5cm/s)； 3)多數(shù)是從洞內(nèi)施工，而且多在大的動(dòng)水坡度下水平施工。從以上條件看，隧道的堵水注漿比大壩的條件要嚴(yán)格一些。為此，在注漿材料和注漿方法等方面要加以改善，但施工條件是千差萬別的，要根據(jù)具體情況具體對(duì)應(yīng)。

不管圍巖的巖類和強(qiáng)度如何，涌水量均與圍巖自身的滲透系數(shù)有關(guān)。如改善圍巖使其滲透系數(shù)小于10-6cm/s，就能夠正常安全開挖。

日本青函隧道的注漿基準(zhǔn)如下： 1)異常涌水前，殘留涌水1 L/(min·m)，換算呂榮值0.5 Lu(0.65×10-5cm/s)； 2)異常涌水后，殘留涌水0.5 L/(min·m)， 換算呂榮值0.4 Lu(0.52×10-5cm/s)。

僅從注漿堵水角度出發(fā)，只要能夠滿足正常的施工條件就可以了; 也就是說，一定范圍內(nèi)的注漿后,圍巖達(dá)到一個(gè)能夠滿足正常施工條件的滲透系數(shù)就可以了。

對(duì)于防滲標(biāo)準(zhǔn)，其他國(guó)家的巖石地基工程一般為1～5 Lu(1.3×10-5～6.5×10-5cm/s)。采用滲透系數(shù)時(shí)，對(duì)于重要的防滲工程都要求注漿后的滲透系數(shù)降低到10-5～10-4cm/s以下。

依上所述，隧道圍巖的綜合滲透系數(shù)如果大于10-6～10-5cm/s，就需要采取注漿堵水對(duì)策來減少其涌水量。

此外，隧道完工后，也有背后排水被堵塞而使水壓增大、襯砌破壞的情況發(fā)生。因此，背后排水保持通暢是很重要的。

注漿域的厚度需根據(jù)要求的滲透系數(shù)以及注漿技術(shù)的水平等條件決定。日本規(guī)定： 1)以改良圍巖為目的時(shí)，其改良范圍為2.0～(D/2) m，改良效果的判斷標(biāo)準(zhǔn)黏聚力c設(shè)定為80 kPa; 2)以堵水為目的時(shí)，其注漿范圍為3.0～(1～2)Dm。

3 注漿工藝

3.1 注漿設(shè)計(jì)方法

流入巖石隧道的涌水幾乎全都來自節(jié)理、層理、剪切帶、斷裂帶和其他裂隙。因?yàn)檫@些可以識(shí)別，注漿是最常用的控制涌水方法。不同注漿材料的使用取決于坑道的尺寸和水流量。

注漿設(shè)計(jì)方法是： 1)在掌子面前方鉆設(shè)探孔檢測(cè)潛在的、大量的地下水流； 2)確定區(qū)域的特點(diǎn)，并初步界定攜帶水的主要節(jié)理； 3)鉆設(shè)一系列注漿孔，以攔截距隧道掌子面或側(cè)面35 m范圍以外的節(jié)理的水流； 4)用注漿管把水泥漿液注入，封閉水； 5)鉆設(shè)輔助孔，注入微細(xì)?；蚋邼B透性的漿液，如超細(xì)水泥或硅酸鈉完成封堵； 6)基于對(duì)注漿效果的評(píng)價(jià)，可能需要補(bǔ)充鉆孔注漿使水流最終降低到可接受的水平。通常，必須重復(fù)步驟4)、5)，進(jìn)行試驗(yàn)和修正，直至水流減小到要求的程度。

3.2 挪威注漿實(shí)踐

3.2.1 形成涌水的地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)普遍觀察，只有10%～15%的注漿孔在鉆孔中出現(xiàn)涌水和需要較大的注漿量。這證明隧道涌水一般主要集中在局部的類似脈狀的通道。這種類似脈狀的通道可能出現(xiàn)在節(jié)理或斷裂系統(tǒng)的交叉點(diǎn)，或由節(jié)理的粗糙度和節(jié)理/斷裂的相對(duì)位移造成。此外，也可能是由于局部侵蝕或節(jié)理充填材料(如方解石)的化學(xué)溶解形成的，這在沉積巖中經(jīng)常出現(xiàn)。對(duì)富水圍巖，注漿孔需要采用非常密集的鉆孔模式。如在富水圍巖中有在約10 m2的表面積上鉆設(shè)約100個(gè)注漿孔的事例。

3.2.2 采用高注漿壓力

一般情況下，采用高注漿壓力(至少3～4 MPa)可以提高注漿量和降低圍巖滲透性。理由是采用高注漿壓力會(huì)導(dǎo)致水力壓裂，從而更容易接觸富水通道，即使注漿孔不直接接觸水流通道。因此，采用高注漿壓力可能在一定程度上允許減少注漿孔，但可達(dá)到采用中等注漿壓力(1～3 MPa)相同的結(jié)果。

使用高注漿壓力的另一個(gè)潛在的好處是會(huì)提高圍巖注漿的“預(yù)應(yīng)力”效應(yīng)，從而提高隧道的穩(wěn)定性，減小隧道開挖時(shí)節(jié)理的相對(duì)位移及節(jié)理張開的傾向。

使用高注漿壓力會(huì)增加漿液的滲透距離。有時(shí)漿液會(huì)達(dá)到地面、進(jìn)入地下室、污水處理和水收集管道。因此，必須控制并設(shè)定限制對(duì)每孔的注漿量。

3.2.3 注漿材料的選擇

市場(chǎng)上有許多不同類型的注漿材料，這些不同的注漿材料必須根據(jù)圍巖條件和可接受的滲漏水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)然，成本也是一個(gè)問題。微細(xì)水泥的成本通常是普通硅酸鹽水泥的3～4倍?；瘜W(xué)注漿材料如丙烯酰胺漿液可能要高于標(biāo)準(zhǔn)高水壓水泥漿的10倍。

毫無疑問，使用高注漿壓力能夠達(dá)到采用硅酸鹽水泥和微細(xì)水泥同樣的效果，從而減少高滲透化學(xué)注漿的需求。目前正在建設(shè)的隧道，已引入硅酸鹽水泥和二氧化硅粉末的混合物。這似乎增加了注漿的滲透性，可能接近采用微細(xì)水泥的效果。還請(qǐng)注意，在挪威和瑞典，因潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)，公共衛(wèi)生官員禁止采用化學(xué)注漿材料。

3.3 日本青函隧道注漿實(shí)踐

青函隧道是在海平面以下240 m施工的，為了應(yīng)對(duì)2.4 MPa的高水壓和無限的海水，在隧道周邊構(gòu)筑了3R的注漿域。透過注漿域的流水，從襯砌背后導(dǎo)出，按水壓不直接作用在襯砌上設(shè)計(jì)。為此設(shè)計(jì)了厚70 cm的素混凝土襯砌。根據(jù)打擊聲的檢查結(jié)果，目前仍然保持良好的狀態(tài)。

隨著注漿帶半徑與隧道半徑比值的增大，效果并不同步增加，不管哪種情況，從實(shí)用角度看3倍左右就可以了。

青函隧道在此研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，注漿帶的大小在普通地質(zhì)區(qū)間采用隧道半徑的3倍，在斷層破碎帶采用5～6倍。

日本青函海底隧道是一座采用全斷面圍巖注漿的典型隧道。他們認(rèn)為作用在隧道襯砌上的水壓與圍巖的滲透系數(shù)有直接關(guān)系。根據(jù)青函隧道的經(jīng)驗(yàn)，如果隧道通過一定范圍的注漿，把圍巖的滲透系數(shù)降低2個(gè)數(shù)量級(jí)，即達(dá)到10-6cm/s，就完全可以不考慮水壓的作用。

4 注漿方法事例

4.1 事例1： 日本新宇治川水工隧洞

該隧洞通過的山體標(biāo)高為100～170 m，比較低，而且地下水位接近地表，是保水性良好的圍巖。地表有水田耕作，地下水廣泛用于生活用水和農(nóng)業(yè)用水。鉆孔調(diào)查結(jié)果顯示，存在40 m左右的大量涌水區(qū)間。因此，在此區(qū)間事前采取了隧道全斷面堵水注漿方法。

注漿域設(shè)定在隧道外周,形成5 m范圍的堵水帶，注漿材料采用水玻璃和高爐水泥，注漿率為5%，最大注漿壓力是水壓的3～5倍。注漿孔的布置見圖4。

4.2 事例2: 挪威奧斯陸的Jong-Asker鐵路隧道

該隧道位于奧斯陸人口稠密的地區(qū)。隧道區(qū)域地質(zhì)主要是寒武系—志留紀(jì)的沉積物，頁巖、片巖、粉砂巖和砂巖。這些巖石被二疊紀(jì)玄武巖、斑巖和輝綠巖的侵入體所覆蓋。

該隧道遇到一些特殊的條件，根據(jù)預(yù)期的問題對(duì)其進(jìn)行分類。它們是： 1)軟弱圍巖的結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)潛在的下沉； 2)沿未來線路的地下水和泉水的使用； 3)游樂用途的使用； 4)特殊群落生態(tài)環(huán)境的存在。

(a) 橫斷面

(b) 剖面

基于圍巖調(diào)查并輔以聲波探查，對(duì)有潛在下沉的地區(qū)分類見表2。

表2 潛在下沉的地區(qū)分類

100多戶居民目前使用地下水作為淡水供應(yīng)源。使用這種地下水作為其主要水源的家庭都將提供市政供水。

與當(dāng)?shù)厣虝?huì)合作保存的休閑區(qū)，通過對(duì)下沉對(duì)環(huán)境影響和潛在損害的分析，把允許泄漏量分為3級(jí)，見表3。

表3 泄漏量分級(jí)

采用Visual MODFLOW軟件，對(duì)3種滲透系數(shù)的均質(zhì)圍巖和3種注漿圍巖的滲透系數(shù)模擬分析，得到隧道的泄漏率分別為4、10、24 L/(min·100 m)。

Jong-Asker鐵路隧道的注漿策略包括3或4個(gè)爆破循環(huán)的預(yù)注漿，這取決于泄漏分類。每個(gè)注漿循環(huán)長(zhǎng)度是21～27 m，補(bǔ)充鉆孔取決于滲漏到鉆孔中的水量。但是，是否改變注漿主參數(shù)取決于地下水位的響應(yīng)。為了能夠?qū)Φ叵滤淖兓龀隹焖俜磻?yīng)，建立了約60口井的測(cè)壓管，記錄地下水位的變化。地下水位被連續(xù)記錄和顯示在互聯(lián)網(wǎng)上，使用電話調(diào)制解調(diào)器，夜以繼日地跟進(jìn)注漿。盡管如此，要使泄漏率下降至4 L/(min·100 m)，一個(gè)非常低的數(shù)字，確實(shí)需要采用超細(xì)水泥注漿和高壓力注漿。

在郊區(qū)，隧道注漿的目的應(yīng)該是改善圍巖條件和盡量減少對(duì)環(huán)境的影響。注漿方法應(yīng)采用能夠連續(xù)記錄地下水位和壓電讀數(shù)的方法，這是加強(qiáng)預(yù)注漿的最重要的參數(shù)。量測(cè)進(jìn)入隧道的泄漏水量是次要的參數(shù)。

4.3 事例3： 日本青函隧道

從青函隧道的注漿實(shí)踐可以看出，注漿的目的是為了堵水(同時(shí)也起到了降低水壓的作用，但主要是堵水)。在全長(zhǎng)54 km的隧道中，注漿地段(主洞)只有7 km左右，約占隧道總長(zhǎng)度的1/8。而在海底下的27 km，注漿的地段不到2 km。大部分注漿地段，不是斷層破碎帶，就是未固結(jié)的松散地層，還包括部分具有膨脹性的巖層。這也說明，在海底隧道這種情況下，在某些場(chǎng)合，水壓也是可以不考慮的。甚至在海底(覆蓋層厚度最大100 m，海水深度最大140 m)的場(chǎng)合，只要巖層良好，也不認(rèn)為襯砌是承受全部水壓的。

4.4 事例4： 考慮對(duì)流域水利用影響的隧道構(gòu)造

日本大萬山公路隧道長(zhǎng)4 878 m，其一側(cè)淺埋段施工時(shí)，會(huì)對(duì)地表約80萬m2、360處水田造成影響，地下水位降低也會(huì)使井點(diǎn)的水枯竭，對(duì)附近的居民影響很大。通過開挖對(duì)水位的影響分析及對(duì)策的比較研究，考慮施工、維修管理、對(duì)周邊的影響度及成本，決定在該區(qū)間采用防水型隧道構(gòu)造。防水型構(gòu)造的區(qū)間長(zhǎng)約1 200 m，埋深23～55 m，約為2D(洞徑D=13.5 m)。

4.4.1 區(qū)間地形、地質(zhì)概況

地形是標(biāo)高700～1 000 m的急峻的山地，地質(zhì)基巖是中生代白堊系—新生代老第三系的流紋巖，上覆為未固結(jié)的火山碎屑物、巖堆堆積物。地質(zhì)以安山巖質(zhì)的凝灰角礫巖為主，存在多條斷層。F1斷層的滲透系數(shù)為10-6cm/s，屬于“黏土質(zhì)不透水變質(zhì)帶”，構(gòu)成隔水層，但F3、F7、F9斷層的滲透系數(shù)為10-3cm/s，可能與河水連通，斷層以外的滲透系數(shù)約為10-6～10-4cm/s，與小埋深區(qū)間相鄰的圍巖滲透系數(shù)約10-6～10-5cm/s，屬于難透水性圍巖。

4.4.2 斷面形狀

通過對(duì)表4所示的3種斷面形狀(馬蹄形、近似圓形、圓形)的比較，根據(jù)構(gòu)造穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性選定近似圓形斷面。

4.4.3 防水型構(gòu)造端部處理方法

與排水型隧道的分界處，考慮到施工方便等因素，采用向難透水性圍巖方向延長(zhǎng)防水型構(gòu)造的方法(見圖5)，延長(zhǎng)1D左右。

圖5 防水型構(gòu)造的延長(zhǎng)處理

4.4.4 決定防水型構(gòu)造區(qū)間的指標(biāo)

1)開始點(diǎn)的判定。①前方探查鉆孔的涌水量達(dá)5 L/(min·5 m)以上； ②隧道洞內(nèi)涌水量達(dá)10 L/(min·5 m)以上； ③掌子面觀察為難透水性圍巖； ④與隧道開挖連動(dòng)的河川水位沒有變化； ⑤觀測(cè)井的水位降低40 cm以上。2)終點(diǎn)的判定。①掌子面觀察為難透水性圍巖； ②洞內(nèi)涌水量小于10 L/(min·5 m)； ③與開挖連動(dòng)的河川水位沒有變動(dòng)； ④滲透試驗(yàn)的滲透系數(shù)k小于10-5cm/s。

4.4.5 防水型構(gòu)造區(qū)間的施工狀況

1)為了減小隧道開挖發(fā)生地下水位急劇降低時(shí)對(duì)水利用的影響，先施工避難坑道，在防水型構(gòu)造區(qū)間的前方進(jìn)行探查； 2)施工中對(duì)觀測(cè)井的水位進(jìn)行觀測(cè)； 3)在防水型構(gòu)造區(qū)間，施工中的涌水量約為40 m3/h，而排水型構(gòu)造區(qū)間的涌水，幾乎都從中央排水溝中排出。

4.5 事例5： 考慮周邊水環(huán)境的止水注漿和管片襯砌的應(yīng)用

日本高尾山公路隧道長(zhǎng)1.3 km，位于森高尾國(guó)家公園，距南洞口約270 m、埋深約20 m處與河流交叉。隧道施工及完成后保護(hù)水環(huán)境是一個(gè)重要課題。專家建議在該區(qū)間(長(zhǎng)約500 m)采用襯砌止水構(gòu)造。施工時(shí)，為控制流入隧道的涌水，采用泥水盾構(gòu)先行構(gòu)筑超前導(dǎo)坑，從導(dǎo)坑內(nèi)對(duì)周邊5 m范圍內(nèi)圍巖進(jìn)行徑向注漿，注漿后進(jìn)行擴(kuò)幅開挖成形。

4.5.1 止水構(gòu)造區(qū)間

止水構(gòu)造區(qū)間的斷面見圖6。凈空斷面積為97 m2，開挖斷面積約107 m2。

圖6 止水構(gòu)造區(qū)間斷面(單位: m)

4.5.2 地質(zhì)狀況

地質(zhì)為頁巖占優(yōu)勢(shì)的砂頁巖互層。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查可知，沒有大規(guī)模的垂直斷層和破碎帶。

河流附近的巖層，裂隙可見褐色化，其他區(qū)間大都是新鮮的、堅(jiān)硬的、透水性低的巖層。

4.5.3 止水構(gòu)造及其施工方法

止水構(gòu)造區(qū)間的概況見圖7。長(zhǎng)約500 m，考慮工期有可能大幅延長(zhǎng)，故采用了事前開挖導(dǎo)坑，從導(dǎo)坑內(nèi)進(jìn)行注漿的方法。止水構(gòu)造區(qū)間的施工方法見圖8。

圖7 止水構(gòu)造區(qū)間概況

圖8 止水構(gòu)造區(qū)間施工方法

1)超前導(dǎo)坑的構(gòu)筑?？紤]到開挖超前導(dǎo)坑對(duì)水環(huán)境的影響，采用泥水盾構(gòu)施工。開挖直徑約5 m，考慮管片在注漿后解體，采用鋼管片。

2)圍巖注漿止水。為了提高導(dǎo)坑內(nèi)的施工效率，圍巖注漿止水，采用360°回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，上下行線各配置10臺(tái)，同時(shí)施工。為加速注漿作業(yè)，上下行線共配置了140臺(tái)注漿裝置，從洞口入口的中央設(shè)備用管道供應(yīng)注漿材料。在注漿止水作業(yè)中，為有效利用狹窄的導(dǎo)坑空間，鉆孔土砂用真空裝置搬運(yùn)，用光纜網(wǎng)收集施工數(shù)據(jù)。為確認(rèn)注漿質(zhì)量，用檢查孔進(jìn)行滲透試驗(yàn)，如達(dá)不到改良目標(biāo)(5×10-6cm/s)，需再次注漿。確保所有區(qū)間的滲透系數(shù)均達(dá)到目標(biāo)值。

3)擴(kuò)幅開挖。因?yàn)槭虑斑M(jìn)行了注漿，考慮爆破振動(dòng)對(duì)注漿圍巖的影響，均采用機(jī)械開挖。

4)水文監(jiān)控。為保護(hù)隧道施工中及完成后的水循環(huán)和植被環(huán)境，隧道施工前，測(cè)定了河流的流量、地下水位、土壤成分、降雨量等，一邊確認(rèn)對(duì)周邊水環(huán)境沒有影響，一邊慎重地施工。

4.5.4 RC管片(鋼筋混凝土管片)襯砌的水環(huán)境對(duì)策

擴(kuò)幅開挖后，構(gòu)筑早期的止水構(gòu)造，采用了RC管片襯砌。

1)管片的設(shè)計(jì)。本工程采用的RC管片要求如下： ①對(duì)設(shè)計(jì)水壓具有規(guī)定的安全度； ②能夠承受施工時(shí)的應(yīng)力； ③地下水不能浸入。

2)管片規(guī)格。①內(nèi)徑11.120 m，外徑11.980 m，每環(huán)10片，總質(zhì)量約60 t/環(huán)； ②厚度430 mm，寬度1 500 mm，外周長(zhǎng)約3 900 mm/片； ③混凝土設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)度為54 MPa； ④鋼筋(SD345)，2 938 kg/環(huán)； ⑤密封材，加硫橡膠系，水膨潤(rùn)1.5/2.5倍型。

3)回填注漿。回填注漿采用可塑性注漿材料。

4.5.5 止水效果的確認(rèn)

超前導(dǎo)坑的滲透試驗(yàn)結(jié)果見圖9，所有斷面都滿足改良目標(biāo)(滲透系數(shù)為5×10-6cm/s以下)的要求。水文監(jiān)控結(jié)果表明沒有引起河流量的變化。

(a) 上行線

(b) 下行線

5 結(jié)束語

本講受日本青函海底隧道和挪威海底隧道等施工中涌水處理對(duì)策的啟發(fā)，用幾個(gè)事例說明解決大量、集中、異常涌水的方法，多是放在形成有效的注漿域(防滲層)上，值得我們借鑒。實(shí)際上，我們也是這樣做的，但在明確的目標(biāo)準(zhǔn)則和注漿工藝上尚需努力。

[1] 關(guān)寶樹. 漫談礦山法隧道技術(shù)第十四講: 隧道涌水及其控制方法[J]. 隧道建設(shè), 2017, 37(1): 1-10.(GUAN Baoshu. Tunneling by mining method: Lecture ⅩⅣ： Tunnel water inrush and its countermeasures[J]. Tunnel Construction, 2017, 37(1): 1-10.(in Chinese))

[2] 挪威隧道學(xué)會(huì).挪威隧道巖體注漿[M].楊秀仁，周書明，譯.北京： 人民交通出版社股份有限公司，2016.(Norway Tunnelling Association.Rock mass grouting in Norwegian tunnelling[M].Translators: YANG Xiuren,ZHOU Shuming.Beijing: China Communications Press Co.,Ltd.,2016.(in Chinese))

Tunneling by Mining Method: Lecture ⅩⅤ:Control Technologies for Tunnel Water Inrush

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The countermeasures for tunnel water inrush are generally divided into drainage method and water sealing method; the water control experiences show that comprehensive method of drainage and water sealing is the most effective. The water sealing method depends on many conditions, i.e. acceptable water leakage conditions with large volume of water inrush and permeability coefficient of surrounding rock of larger than 10-6-10-5cm/s, acceptable disturbance conditions induced by water level dropping and grouting conditions when reducing/avoiding water pressures on secondary lining. Grouting is the conventional method for tunnel water sealing at present. In Norway, pre-grouting is adopted to control water inrush of undersea tunnels and urban tunnels; the average permeability coefficient of surrounding rock grouted is 1/100-1/25 time that of surrounding rock without grouting; the grouting holes can be reduced and the pre-grouting effect can be improved by adopting high grouting pressures of 3-4 MPa. In Japan, the grouting experiences of Seikan Tunnel show that the water sealing method should be used when the permeability coefficient of surrounding rock is larger than 10-6-10-5cm/s; the tunnel construction safety can be guaranteed and the water pressure can be ignored when the permeability coefficient of surrounding rock is smaller than 10-6cm/s after grouting. Finally, the control technologies for water inrush of 5 typical engineering projects are introduced and the results show that effective grouting zone (anti-leakage structure) is very important. In fact, we still have a lot to learn.

tunnel; mining method; water sealing method; grouting; permeability coefficient; grouting pressure

2015-08-10

關(guān)寶樹(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事隧道及地下工程教學(xué)和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.001

U 45

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1672-741X(2017)02-0115-08