■吳圣增

（三明市沙縣區(qū)農(nóng)村公路站，三明 365500）

伴隨著“十四五”規(guī)劃的穩(wěn)步發(fā)展，我國高速公路和鐵路的里程數(shù)再創(chuàng)新高，進(jìn)一步加大了地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域的隧道建設(shè)需求[1-2]。 特別是在我國西南地區(qū)，由高地應(yīng)力、多雨水分布和復(fù)雜地形地貌帶來的復(fù)雜水文地質(zhì)條件給隧道的安全建設(shè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，隧道突涌水問題也一直成為隧道建設(shè)過程中亟需解決的問題[3-4]。 為此，通過隧道突涌水預(yù)測以及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)防止突涌水災(zāi)害發(fā)生的研究也逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)， 如傅洪金[5]在充分收集工程水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用多種方法對施工過程中的隧道涌水量進(jìn)行了預(yù)測； 趙曉峰[6]針對隧道掘進(jìn)中出現(xiàn)的突涌水問題，提出了加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)和整治措施的綜合預(yù)防策略。 本文以福建國道205 線瑯口隧道為例，圍繞隧道突涌水量預(yù)測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，針對性地提出了隧道突涌水防治處置方案，以保證后續(xù)施工的順利進(jìn)行。

1 工程概況

國道205 線瑯口隧道位于福建沙縣，設(shè)計(jì)為左右分離式隧道。 其中左線隧道長2530 m，曲線半徑與縱坡降分別設(shè)計(jì)為1450 m 和1.35%， 設(shè)計(jì)起訖樁號范圍為ZK7+485～ZK10+015； 右線隧道長2546 m， 曲線半徑與縱坡降分別設(shè)計(jì)為1480 m 和1.35%，起訖樁號范圍為K7+450～K9+996，均為長隧道。 隧道全線采用四車道設(shè)計(jì)， 凈空尺寸設(shè)計(jì)為10.25 m×5.0 m，隧道全線主洞采用R-545 cm 規(guī)格的單心圓斷面， 單洞隧道凈空斷面面積達(dá)76.07 m2（包括仰拱），詳細(xì)尺寸如圖1 所示。

圖1 隧道主洞凈空斷面

2 水文地質(zhì)條件

2.1 水文地質(zhì)條件特征

隧址區(qū)沙縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候，全年平均氣溫19°C，且晝夜溫差大。 氣候主要特點(diǎn)表現(xiàn)為夏冬分明，全年降雨充足（近3 年平均雨量為1544.2 mm），且主要集中在夏季（4—6 月），特別在每年7 月和8 月，多有暴雨，冬季受干燥冷季風(fēng)的影響，11 月—下年2 月期間溫和少雨。 全年多以0～1 級靜軟風(fēng)為主，4—6 月風(fēng)向偏南，冬季風(fēng)向偏北。

隧址區(qū)內(nèi)地下水主要以大氣降水補(bǔ)充為主，局部補(bǔ)給源為沙溪水系。 因此區(qū)內(nèi)地下水流量受季節(jié)降雨的影響較大，全年流量分布不均，以夏季洪期（4—6 月）最多，流量占比超全年的70%，冬季稍少。 隧址區(qū)內(nèi)地下水以潛水的形式分布在花崗巖地層中，這是由于風(fēng)化花崗巖層中大量存在節(jié)理裂隙給地下水的貯藏提供了便利條件， 除受大氣補(bǔ)給外，局部發(fā)育的沙溪地表水系也給地下水的補(bǔ)給提供了條件。 因此，隧道開挖施工時，應(yīng)注意地下水位不僅隨季節(jié)和地勢的不同而變化，還會受施工過程中改變的地下水徑流條件影響，出現(xiàn)局部滲漏水的情況，此時隧道將形成新的局部排水基準(zhǔn)。

雨季隧道施工時，有可能出現(xiàn)地表沙溪水沿巖層節(jié)理裂隙向隧道臨空面匯集的情況，應(yīng)特別注意區(qū)域內(nèi)地表水的排泄情況，以避免發(fā)生因地下水突涌而影響施工的事件。 隧道端口地勢較低，水文勘測期間， 隧道端口處溝谷內(nèi)均分布有少量流水，現(xiàn)場測定流量為100～200 t/d。

利用現(xiàn)場布置的鉆孔， 開展地下水成分解析，詳細(xì)成分分析結(jié)果如表1 所示。 根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，本次地下水分析數(shù)據(jù)反映出隧道所在區(qū)域內(nèi)地下水具有一定的微腐蝕性。

表1 地下水腐蝕性分析

2.2 水文地質(zhì)分區(qū)

根據(jù)區(qū)域工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，將瑯口左右分離式隧道，分別按左右線隧道起訖樁號里程進(jìn)行水文地質(zhì)分區(qū)，并對應(yīng)給出水文地質(zhì)評價，具體如表2、3 所示。

表2 右線隧道水文地質(zhì)分區(qū)評價

表3 左線隧道水文地質(zhì)分區(qū)評價

3 隧道涌水量預(yù)測

3.1 地下水動力學(xué)法

在初次水文地質(zhì)勘察完成的C-SBZK8、CSBZK10 兩鉆孔內(nèi)進(jìn)行抽水試驗(yàn)， 抽水過程使用空壓機(jī)。 測試設(shè)備主要有帶可導(dǎo)電測線的萬用表和三角堰計(jì)量器， 分別開展實(shí)時水位觀測和出水量測試。 考慮到本工程隧道穿越地層中地下水以潛水方法賦存， 因此選擇鐵路規(guī)范中的古德曼經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式，具體可參閱《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》中附錄內(nèi)容，計(jì)算公式如下：

式（1）中，Q 為單洞隧道計(jì)算涌水量（m3/d）；K為穿越含水地層滲透系數(shù)（m/d）；H 為含水體水位線至隧道等價圓中心的厚度（m）；d 為隧道等效直徑（m）；L 為隧道穿越含水地層的距離（m）。 詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如下：K 為0.6 m·d-1，H 為197 m，d 為10 m，L 為19 m，Q 為3.2×103m3·d-1?？芍畲笥克咳∮?jì)算涌水量的1.5 倍計(jì)算， 可推測本工程隧道單洞最大涌水量為4.842×103m3·d-1。

3.2 大氣降水入滲法

隧道沿線穿越節(jié)理裂隙發(fā)育的花崗巖地層，并且賦水地層內(nèi)地下水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水。綜合來看，地形溝谷、巖層節(jié)理裂隙、降水強(qiáng)度等多因素均不同程度影響含水層地下水的補(bǔ)給量。 因此，針對這類地表匯水面積大，主要補(bǔ)給受大氣降水控制的情況，可選用鐵路規(guī)范中的大氣降水入滲法計(jì)算公式進(jìn)行隧道涌水量預(yù)測，具體可參閱《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》中附錄內(nèi)容，詳細(xì)計(jì)算公式如下：

式（2）中，Q 為單洞隧道計(jì)算涌水量（m3/d）；α為地層入滲系數(shù)；A 為隧道集水面積（km2）；W 為區(qū)域年降雨量（mm）。 參考沙縣當(dāng)?shù)亟? 年氣象水文資料，隧址區(qū)年降雨量取1688 mm，根據(jù)工程勘察資料，取匯水長度2546 m，匯水寬度800 m，入滲系數(shù)0.20。 詳 細(xì) 計(jì) 算 結(jié) 果 如 下：α 為0.20，A 為2.04 km2，W 為1688 mm，Q 為5.16×103m3·d-1。 可知，最大涌水量取計(jì)算涌水量的1.5 倍計(jì)算，可推測本工程隧道單洞最大涌水量為3.87×103m3·d-1。

綜上所述，以上2 種方法進(jìn)行隧道最大涌水量預(yù)測，采用古德曼經(jīng)驗(yàn)法推測的隧道單洞最大涌水量為4.842×103m3·d-1；采用大氣降水入滲法推測所得隧道單洞最大涌水量為3.87×103m3·d-1。 兩者間有一定相差。 考慮到本工程所在區(qū)域主要受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，雨季洪期頻發(fā)，很容易受極端天氣影響含水層地下水補(bǔ)給，故建議工程實(shí)際參考古德曼經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測值進(jìn)行設(shè)計(jì)，即建議隧道單洞最大涌水量為4.842×103m3·d-1。

4 隧道突涌水預(yù)防策略及處置措施

4.1 地質(zhì)預(yù)報(bào)

瑯口隧道穿越地層節(jié)理裂隙密集發(fā)育，隧道掘進(jìn)施工過程中容易出現(xiàn)突涌水事故，為避免給隧道后續(xù)掘進(jìn)施工帶來工程事故災(zāi)害，應(yīng)在隧道掘進(jìn)施工中始終貫穿超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作業(yè)。 因本隧道穿越地段常存在工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變的情況，在地質(zhì)條件未探明前，不能盲目進(jìn)行大規(guī)模的掘進(jìn)施工。 應(yīng)在明確工程勘察資料的基礎(chǔ)上，宏觀把控隧道穿越地層基本情況，主要包括不良地質(zhì)發(fā)育以及地下水分布情況， 計(jì)算預(yù)測隧道涌水量，并根據(jù)風(fēng)險程度對隧道進(jìn)行分區(qū)評價，梳理預(yù)測隧道掘進(jìn)施工中的潛在突涌水防范區(qū)域，并制定針對的地質(zhì)預(yù)報(bào)方案和防治措施。

通過超前地質(zhì)鉆探和包括地震波探測法（TSP）在內(nèi)的現(xiàn)代物探等技術(shù)手段，詳細(xì)掌握隧道掘進(jìn)過程中前方地層地質(zhì)狀況， 在明確前方巖土體地層巖性、 結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及地下水分布情況的基礎(chǔ)上，給后續(xù)掘進(jìn)施工過程中防止突涌水災(zāi)害提供基礎(chǔ)指導(dǎo)，從而保證隧道掘進(jìn)的安全。本次工程施工中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要采用TSP 法進(jìn)行，局部輔助采用地質(zhì)雷達(dá)和超前探孔進(jìn)行詳細(xì)探測。主要工作內(nèi)容包括： 探測收集施工區(qū)域前方巖土體基本情況數(shù)據(jù)；結(jié)合地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險評估，進(jìn)一步對掌子面前方一定區(qū)域突涌水風(fēng)險情況進(jìn)行研判，并針對性給出處置措施。 本隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作具體情況如表4 所示。 TSP 現(xiàn)場布置位置如圖2 所示。

表4 瑯口隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)分級情況

圖2 TSP 現(xiàn)場使用示意圖

4.2 涌水突泥段處置施工

鑒于本工程隧道埋深較大， 最大埋深達(dá)358.5 m，且前期工程地質(zhì)勘察顯示隧道穿越地層節(jié)理裂隙發(fā)育， 地下水補(bǔ)給量季節(jié)分布較大等因素，綜合評估隧道在掘進(jìn)施工過程中可能存在局部突涌水的情況。 因此，針對這一問題，給出如下應(yīng)對措施預(yù)案：（1）隧道掘進(jìn)施工過程中應(yīng)重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段。 由于隧道穿越花崗巖地層普遍發(fā)育節(jié)理裂隙，且地下水補(bǔ)給來源豐富，具備較為復(fù)雜的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，采用超前地質(zhì)鉆探和現(xiàn)代物探等方法，準(zhǔn)確探明隧道前方地質(zhì)條件，對隧道后續(xù)施工具有較大的安全指導(dǎo)意義；（2）針對超前地質(zhì)手段已明確的潛在突涌水地段，若該段儲水量豐富且水壓較高，建議選擇帷幕注漿的方式對隧道全斷面進(jìn)行強(qiáng)化，以全面封堵周圍含水體的滲漏運(yùn)移通道，發(fā)揮較為可靠的工程防水效果。 全斷面防水帷幕加固處理后，再開展后續(xù)隧道的分布開挖作業(yè)；（3）針對超前地質(zhì)手段已明確的潛在突涌水地段，若該段儲水量較小，建議選擇適當(dāng)泄水降水壓的方法，即可通過局部鉆孔引流的方式，對前方含水體進(jìn)行排水泄壓；（4）針對超前地質(zhì)手段已明確的潛在突涌水地段，若該段為承壓性含水體，建議選擇從隧道襯砌角度考量，即選擇全封閉式隧道二襯結(jié)構(gòu)或半封閉式二襯，可充分抵抗周圍巖層中較高水壓的情況， 達(dá)到保證隧道掘進(jìn)施工安全的效果；（5）針對超前地質(zhì)手段已明確的潛在突涌水地段，若該段為承壓性含水體，建議在地質(zhì)探測鉆孔或錨桿鉆孔施工過程中， 考慮高壓水腔的突涌問題，建議在鉆孔開口處加裝安全穩(wěn)定的鉆孔防突保護(hù)結(jié)構(gòu)裝置，以保證超前鉆孔的施工安全。

4.3 處置效果

據(jù)現(xiàn)場TSP 和地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果， 隧道右洞K8+680.00 及左洞ZK8+350.00 為風(fēng)化花崗巖地層，巖體波速偏低且波形異常（2450～2850 m/s），反映出該處圍巖破碎程度高，巖體質(zhì)量差，另據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告該地段處于節(jié)理裂隙發(fā)育帶（破碎帶寬30 m左右）。 綜合水文地質(zhì)風(fēng)險評估，判斷該地段圍巖自穩(wěn)性差，存在局部坍塌及突涌水風(fēng)險，提示隧道掘進(jìn)過程中具有較大的涌水風(fēng)險。

綜合前述處置措施預(yù)案，現(xiàn)場選擇局部鉆孔引流加上全封閉式隧道二襯結(jié)構(gòu)相結(jié)合的處置措施，通過局部鉆孔使得前方潛在突涌水地段內(nèi)水壓適當(dāng)降低，采用全封閉式襯砌結(jié)構(gòu)極大提高了抵抗周圍巖層中較高水壓的能力，從而保證隧道施工的安全。通過對現(xiàn)場設(shè)置檢查孔涌水量的測定（圖3），可以看出突涌水風(fēng)險段實(shí)際涌水量降低了90%以上，部分檢查孔在處置施工后基本未見涌水、滲水。 因此， 現(xiàn)場采取的突涌水處置施工取得了較好的效果，可為今后類似工程問題提供參考。

圖3 現(xiàn)場檢查孔涌水量

5 結(jié)語

山區(qū)隧道建設(shè)不可避免需穿越復(fù)雜地層，加之補(bǔ)給豐富的地下水作用，極易在隧道掘進(jìn)過程中出現(xiàn)突涌水災(zāi)害。 為此，本文以福建瑯口隧道為依托，結(jié)合工程實(shí)際水文地質(zhì)情況，選擇多種方法計(jì)算預(yù)測隧道涌水量，并在此基礎(chǔ)上對隧道各區(qū)段進(jìn)行風(fēng)險評估， 通過全面先進(jìn)的地質(zhì)鉆探和物探手段，給出包括超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和施工措施在內(nèi)的隧道突涌水預(yù)防處置方案，從而準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道掘進(jìn)施工中的突涌水災(zāi)害，保證后續(xù)施工的順利進(jìn)行。