劉

（山西路橋集團(tuán)晉南項目管理有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

防排水技術(shù)作為隧道設(shè)計施工中最重要的環(huán)節(jié)之一，直接決定了隧道設(shè)計施工的成敗。尤其在富水、軟弱圍巖地層的隧道工程中，隧道地下水處治的效果直接決定了隧道施工的進(jìn)度、成本及質(zhì)量，而且直接影響到隧道運營期的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性及安全性。若隧道防排水設(shè)置不合理，一方面會引起地下水的過度排泄，使得地下水位下降，地下水資源枯竭，地表沉降、塌陷，嚴(yán)重影響隧址區(qū)居民生活及生產(chǎn)；另一方面，若排水不足，使得地下水匯集至隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)背后，增大隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載，導(dǎo)致隧道襯砌開裂、滲漏水、底板隆起、突涌水等病害，嚴(yán)重影響隧道施工及運營安全，降低隧道服務(wù)功能。

當(dāng)前，我國對于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)要求越來越高，因此在隧道防排水設(shè)計過程中，地下水保護(hù)的理念始終放在首要位置。目前，學(xué)者們針對地下水保護(hù)理念的隧道施工技術(shù)開展了大量而深入的研究，取得了一系列的研究成果。劉翠容[1]深入分析了現(xiàn)有規(guī)范中排堵結(jié)合的防排水理念，并從生態(tài)保護(hù)理念出發(fā)，提出了控制性的防排水措施；段靖海[2]結(jié)合青龍山隧道的工程案例，基于水資源保護(hù)的目的，采用帷幕注漿、增設(shè)施工縫、變形縫等措施構(gòu)建防排水體系，并對防排水效果進(jìn)行全面評價；李蒼松[3]利用數(shù)值模擬手段分析了隧道襯砌水壓力的分布規(guī)律，提出了高水壓下的隧道防排水技術(shù)體系；華福才[4]利用地下水動力學(xué)理論，構(gòu)建了裂隙水的分析模型，對城市地鐵隧道的涌水量進(jìn)行預(yù)測。本文依托某富水巖溶隧道，首先闡述了地下水平衡理念，并利用理論分析手段研究隧道限排量，進(jìn)而提出隧道防排水設(shè)計方法及注漿技術(shù)，為類似工程提供參考價值。

1 工程概況

某高速公路隧道為分離式雙向四車道隧道，其左右線長度均為6 210 m，為特長公路隧道。該隧址區(qū)位于中山地貌，隧道地表處存在溝谷地形，局部有陡立的峽谷地帶，地表植被較厚，局部有民居建筑群及農(nóng)田。隧址區(qū)內(nèi)的地層主要有第四系沖洪積層（Q4al+pl）、坡殘積層（Q4dl+el）、二疊系下統(tǒng)梁山組（P11）、寒武系中統(tǒng)婁關(guān)山群等。

該隧址區(qū)內(nèi)巖性主要為3 類：粉質(zhì)黏土，其呈灰褐色及灰黃色，圍巖呈破碎狀，并含有少量的碎石，其為隧道洞口段的主要圍巖；灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，其呈深灰色、淺灰色，質(zhì)地較硬，脆性較大，局部夾有鹽溶角礫巖及含膏巖，該地層中分布有巖溶；鈣質(zhì)泥巖、砂巖，其呈灰黃色，質(zhì)地堅硬，厚度約5 m，局部含有石英砂巖，風(fēng)化程度較高。

隧址區(qū)內(nèi)分布有多條斷層破碎帶，其巖層產(chǎn)狀以N60°W/44°NE 為主，斷層破碎帶以灰?guī)r和泥巖為主，其膠結(jié)松散，以泥鈣質(zhì)膠結(jié)為主，含有糜棱巖，其巖體破碎，整體穩(wěn)定性較差。經(jīng)開挖后，暴露出的隧道斷層破碎帶圍巖情況如圖1 所示；隧址區(qū)巖溶地貌情況如圖2所示。

圖1 隧道斷層破碎帶

圖2 隧道巖溶地貌

2 考慮地下水保護(hù)的隧道防排水理論

2.1 地下水平衡理論

在隧道施工及運營過程中，隧址區(qū)內(nèi)地下水的平衡狀態(tài)直接決定了隧道防排水的設(shè)計方案及效果。為保證隧道地下水達(dá)到平衡狀態(tài)，需充分研究地下水補給量、消耗量、貯存量[5]。

2.1.1 地下水補給量

隧址區(qū)地下水主要來源于大氣降水、地表滲水、地層中含水層的垂直滲流、人工灌溉及生活用水的入滲等，而地下水補給量是指單位時間、單位體積內(nèi)各類地下水入滲的總量。根據(jù)本項目的實際情況，其地下水補給量主要取決于大氣降水的入滲，其計算公式為：

式中：W為隧址區(qū)的年平均降雨量，m/a；A為隧道施工的影響范圍面積，m2；α 為大氣降水的入滲系數(shù)，其值可根據(jù)隧址區(qū)地層情況進(jìn)行確定。

2.1.2 地下水消耗量

地下水消耗主要分為兩類，即自然蒸發(fā)與人工排放，其中自然蒸發(fā)與隧址區(qū)氣候條件、地層情況、地表植被、地下水位等因素有關(guān)，且與潛水層的徑流、越流也有一定關(guān)系；人工排放是指在隧道施工過程中，采用人工手段排泄地下水，以降低地下水位。結(jié)合本項目的實際情況，本隧道地下水消耗量主要考慮因施工影響而引起的人工排放量。

2.1.3 地下水貯存量

隧道地下水貯存量是指隧道影響范圍內(nèi)圍巖含水量的重力水體積，其中潛水含水層的計算公式為：

式中：μ 為地下水的給水度；V為潛水含水層的體積。

承壓含水層中除了上述地下水貯存量外，還應(yīng)考慮地下水頭變化所釋放出的動態(tài)貯存量，其計算公式為：

式中：μ'為承壓含水層的貯水系數(shù)；F為承壓含水層分布面積；H為承壓含水層厚度。

2.2 隧道限排量確定方法

為全面實現(xiàn)隧址區(qū)地下水保護(hù)的效果，在隧道施工及運營過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制隧道排水量；同時，結(jié)合地下水平衡理念，綜合考慮襯砌水壓力及施工經(jīng)濟(jì)效益，力爭達(dá)到整體平衡。隧道地下水限排量確定方法主要有以下幾個步驟：

a）基于理論分析手段，結(jié)合隧道工程實際情況，預(yù)測隧道在施工及運營過程中最大涌水量。

b）預(yù)測隧道上部土體地下水疏干范圍，準(zhǔn)確計算隧址區(qū)地下水水位下降的區(qū)域及影響范圍。

c）結(jié)合隧道地表生態(tài)情況及地下水補給情況，預(yù)測隧址區(qū)地下水水位下降的幅度。

d）基于地下水平衡理念，計算維持地下水平衡狀態(tài)所允許的隧道排水量。

e）根據(jù)地下水排水量及襯砌水壓力，確定隧道圍巖體注漿范圍及注漿體滲透系數(shù)控制值。

3 隧道防排水設(shè)計方法

本項目隧址區(qū)巖性為粉質(zhì)黏土、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖、砂巖，風(fēng)化程度較高，滲透性較強(qiáng)；且隧道穿越斷層破碎帶、巖溶區(qū)，導(dǎo)致隧道涌水量較大。為使得隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所受水壓力保持在較低的水平，需加強(qiáng)隧道防排水設(shè)計，保持隧道排水暢通?；凇耙远聻橹?，限量排放”的防排水原則，本項目采用的防水系統(tǒng)主要為防水層和抗?jié)B混凝土，排水系統(tǒng)主要為初支與防水層間的排水設(shè)施。

在隧道防水系統(tǒng)方面，首先是在初支表面設(shè)置防水板，將圍巖滲水拒之于隧道襯砌之外；抗?jié)B混凝土主要采用抗?jié)B等級為S8 的混凝土材料，可有效避免防水板失效后地下水滲入隧道襯砌內(nèi)部。

在隧道排水系統(tǒng)方面，首先在隧道襯砌與初支間布設(shè)排水管，該排水管與排水側(cè)溝相通，將隧道滲水匯集至中心排水溝排至洞外。其中，排水管主要為環(huán)向盲管和縱向排水管兩種，環(huán)向盲管為Φ50 的軟式透水管，沿初支混凝土表面布設(shè)，用于將滲水匯集至排水管，其縱向間距一般為5 m。該項目在穿越軟弱破碎帶地層中，為避免環(huán)向盲管堵塞采用高分子聚合物材料HDPE 排水板，其具體情況如圖3所示。隧道縱向排水管布設(shè)在拱腳部位，其采用直徑為Ф100 的PVC 管，防水板、環(huán)向盲管末端均與縱向排水管進(jìn)行連接，從而將涌水匯集至縱向排水管，其具體情況如圖4所示。

圖3 HDPE 排水板

圖4 環(huán)向盲管與縱向排水管連接

4 隧道注漿限排技術(shù)

由于該項目隧址區(qū)巖溶發(fā)育，地下水系發(fā)育，在隧道施工過程中極易產(chǎn)生較大的涌水量，若過度排放，極易導(dǎo)致地下水失衡，影響隧址區(qū)生態(tài)平衡，因此在隧道設(shè)計方案中應(yīng)結(jié)合隧道地下水排水量及襯砌水壓力，制定精細(xì)的注漿方案。結(jié)合本項目的實際情況，其采用“水平注漿+輻射注漿”相結(jié)合的手段進(jìn)行注漿堵水。

圖5 水平注漿孔布設(shè)（單位：mm）

首先在水平注漿方面，其通過在掌子面布設(shè)注漿孔，全面實現(xiàn)掌子面圍巖的加固。水平注漿孔在隧道掌子面輪廓線1 m 范圍內(nèi)時，其間距為0.6 m，呈梅花型布設(shè)，孔深為10 m，注漿擴(kuò)散半徑為1.5 m；在掌子面其他部位，水平注漿孔孔距為0.8 m，呈梅花型單層布設(shè)，孔深為8 m，注漿擴(kuò)散半徑為2.0 m，其結(jié)構(gòu)示意情況如圖5所示。

在輻射注漿方面，注漿孔以掌子面輪廓線1 m范圍內(nèi)水平注漿孔為中心，在隧道豎向范圍內(nèi)以不同角度布設(shè)5 個注漿孔，其與隧道水平線的夾角及注漿孔深度、注漿孔長度的具體情況如表1 所示，注漿孔位置布設(shè)情況如圖6所示。通過輻射注漿孔的布設(shè)，將進(jìn)一步加固隧道周邊圍巖并在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)背后形成一定滲透系數(shù)的注漿圈，從而達(dá)到地下水平衡的目的。

表1 輻射注漿孔基本參數(shù)

圖6 輻射注漿孔布設(shè)

5 結(jié)論

本文結(jié)合某富水巖溶隧道的典型工程案例，全面分析其工程特性，結(jié)合地下水平衡理念，深入分析其隧道防排水設(shè)計方案及注漿限排技術(shù)，全面構(gòu)建了基于地下水保護(hù)理念的隧道防排水技術(shù)體系，在研究過程中，得出以下幾點結(jié)論：

a）地下水平衡狀態(tài)主要取決于隧道地下水補給量、消耗量、貯存量；結(jié)合地下水排水量及襯砌水壓力，分析隧道圍巖體注漿范圍及注漿體滲透系數(shù)控制值，可全面實現(xiàn)隧道地下水平衡。

b）基于“以堵為主，限量排放”的防排水原則，該項目采用的防水系統(tǒng)主要為防水板和抗?jié)B混凝土，排水系統(tǒng)主要為初支與防水層間的排水設(shè)施。

c）在隧道注漿限排技術(shù)方面，該項目采用“水平注漿+輻射注漿”相結(jié)合的手段，水平注漿孔通過在掌子面布設(shè)注漿孔，全面實現(xiàn)掌子面圍巖的加固；輻射注漿有利于加固隧道圍巖并形成注漿圈，促進(jìn)地下水實現(xiàn)平衡狀態(tài)。