富水围岩山岭隧道防排水技术研究*

刘荣鑫 陈 鹏 于玮晓

(1.广东省南粤交通揭惠高速公路管理中心 揭阳 515325; 2.华中科技大学土木工程与力学学院 武汉 430074)

隧道施工期间遇到的地质灾害主要是涌水和渗水，它们也是隧道运营的主要灾害。我国自建设铁路隧道以来，80%的建设施工过程中都遇到涌水问题，运营过程中30%的隧道存在涌水、渗水等灾害[1]。因此，地下水对隧道工程建设和运营的影响不容忽视。

富水超前探测技术目前主要采用地质雷达法、超前钻探法、声波探测法、地震波法及红外探测法等多种方法[2]。由于工程地质复杂，仅通过一种手段很难准确地预测地质状况，所以在实际操作时，多采用几种方法结合使用[3]。一般是在利用红外探水、地质雷达、声波及地震波等方法探出前方有地下水的情况下，再打超前钻探孔，进行探水[4]。

富水隧道地下水的治理一般有：注浆、冻结法、压气法、井点降水等施工方法[5]。目前，隧道突水突泥防治原则转变为“以堵为主，堵排结合，综合治理，保护环境”，形成以注浆为主，其他措施为辅的处治体系。如日本青函隧道在穿越高压富水断层破碎带时，发生了大规模突水突泥，经全断面超前预注浆后该问题得以解决，而后采取探水-注浆-开挖3个环节交替进行，有效防止了突发性灾害涌水事故的发生[6]。另外，针对国内的南岭隧道、宜万铁路齐岳山隧道，吴治生等[7-10]将注浆技术进行了详细介绍和总结，采取注浆治理方法解决了当时大规模突水突泥问题，达到了良好的堵水和加固效果，使注浆技术得到了进一步发展。

目前，在工程中一般采用“探孔-注浆”辅助施工技术。探孔的目的是为了使注浆更具有针对性，避免浪费浆液，从而降低工程成本。在钻孔后可根据水量情况和工程自身的功能特点决定是否注浆以及注浆方式。

1 工程概况

小北山1号隧道分左右线布置，左线隧道里程ZK14+390-ZK17+390，长3 000 m，进口设计标高60.876 m，出口设计标高约40.630 m，最大埋深约280 m；右线隧道里程K14+380-K17+388，长3 008 m，进口设计标高约为60.816 m，出口设计标高约40.618 m，最大埋深270 m。

隧道位于丘陵区，地面标高为50～420 m，相对高差约为370 m，隧道南北走向穿越东西走向的山脊，山体地形起伏大，山体植被发育。ZK16+460 左侧沿沟谷约300 m 处有一口山塘。

隧道位于河流侵蚀基准面以上。隧址区地下水类型主要为潜水及承压水，以潜水为主，赋存于第四系松散层及基岩风化裂隙中；局部为承压水，赋存于断层破碎带中，在SZK5 号钻孔揭露，标高114.3～85.3 m 微风化花岗岩、辉长岩为承压含水层。地下水以大气降水和山谷汇水下渗补给为主，排泄方式则以蒸发和测向径流排泄为主。

龙潭峰水库位于小北山一号隧道K16+500-K16+900左侧(见图1)，水库边缘距隧道主线平面最小距离约为100 m，水库与隧道设计高程相差约为150 m，水库蓄水面积约68 000 m2，蓄水量约30万m3。隧道K16+400-K16+550为水库段，该段隧底标高55.7～58.4 m。由于隧道开挖过程中改变了天然地下水的补、径、排条件，隧道成为新的局部排泄基准，从而可能出现局部渗水和漏水现象，尤其是小北山一号隧道ZK16+450-ZK16+600(K16+400-K16+580)段存在F3区域大断裂，该断层处围岩破碎，裂隙发育，工程地质复杂，属于IV，V级围岩，易发生塌方、涌水、水资源流失、破坏生态环境等不良情况。

图1 龙潭峰水库位置图

F3属于大的断裂破碎带，断裂于地表ZK16+500通过隧址区。断裂走向为北西305°～335°，倾向北东，倾角50°～65°。贯穿全区，断裂可见长度大于4 km、由糜棱岩化、碎裂花岗岩、强硅化花岗岩等组成一条宽约数十米的构造带。主断裂内发育近于平行的密集裂隙群，裂隙产状30°∠57°或200°∠53°。裂隙面发育阶步、擦痕，阶步呈不规则条痕状。断层范围大，断裂带通过隧道(K16+150-K16+600)处围岩破碎、裂隙发育，易形成地下水的通道及富集带，围岩级别低，稳定性差，容易掉块、塌落。龙潭峰水库通过F3

断裂破碎带与小北山1号隧道相连，隧道开挖施工可能会引起掌子面塌方、涌水，从而造成地下水文地质环境的改变，地下水资源流失、造成生态环境的破坏，同时也可能排放龙潭峰水库存水，影响龙潭峰水库的正常蓄水量。

2 小北山1号隧道超前探水

2.1 探测方法

在隧道施工时，使用红外探水、超前预报及超前水平钻孔等多种超前探测技术，及时探明掌子面前方地质情况，从而采取适当的处治措施以保障隧道施工的安全性，超前探水程序见图2所示。

图2 隧道超前探水程序

2.2 红外探水地质预报

红外探水仪是采用探测水体发射出的红外线来探明水体存在区域及水量大小。由于红外探测仪携带方便，且操作简便，与其他探水方式相比，红外探水仪运用得更为普遍。红外探水仪能够快速预报隧道开挖方向隐伏含水体状况，这对隧道的施工安全有重要的作用。

红外超前探水测点布置如图3所示。

图3 测点布设

掌子面上，水平方向布设3条测线，竖直方向布设4条测线，在其交点处取 12个测点，如图3a)所示。通过探测12个测点的数据，比对数据之间的最大差值来判定隧道掌子面开挖前方是否存在隐伏含水体。周边测点由掌子面反方向依次按照隧道底部、左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙的顺序进行数据采集，如图3b)所示；每3 m测取1组数据，共测取30 m即6条测线，每条测线包含11个测点，如图3c)所示。将采集的数据通过红外辐射曲线的形式展示出来，根据线性的走势来分析隧道掘进方向是否有水。

根据图3所示测点，使用红外探水仪对小北山一号隧道ZK16+415掌子面进行红外探水数据采集工作，探测范围为ZK16+415-ZK16+445，探测所得数据如表1、表2所示。

表1 掌子面探测数据表μW/cm2

表2 隧道周边探测数据表 μW/cm2

由表1可见，掌子面12个测点数据的最大场强与最小场强的差值为14 μW/cm2，由此判断掌子面前方可能存在含水构造体。

根据表2所测得的隧道周边数据绘制得如图4所示曲线，发现函数图形变化趋势较规律，隧道掌子面前方存在具有含水构造的可能。

图4 断面测试数据曲线图

2.3 地质雷达GPR探水

地质雷达也是现阶段比较常用的超前探水技术，其原理是通过天线向地下发射高频电磁波，由于不同围岩介电常数不同，电磁波在通过不同介质时会出现各种变化，通过分析研究回收到的电磁波的走时、振幅及图形变化等相关资料，大致上能够判别出隧道围岩中各种介质的埋深及类型。地质雷达超前探水仪器是选用拉托维亚研发的Zond-12e。测量时采用的发射天线是空气耦合型天线，通过分析隧道掌子面掘进方向围岩的物理性质、地质雷达的探测原理及施工场地的实际情况，其探测深度能够达到30 m。

由红外探水结果表明，小北山一号隧道ZK16+415掌子面前方存在水的可能性很大，为查明隧道前方的隐伏含水体，使用地质雷达进行超前探水，选择天线为75 MHz，其探测深度可达33.54 m(根据实践经验，有效的探测深度为25 m)，采样窗口长度可达500 ns，所得结果如图5a)所示。由图5b)可见，当探测的围岩中不存在隐伏含水层时，图形中的同相轴是正常的，而实际测得的数据同相轴发生反向，故存在隐伏含水层。

图5 红外探水

为确保隧道的安全施工和保护生态环境，防止疏干水库，隧道穿越该区域的防水以“防、排、堵、截相结合”为原则，以“堵”为主，限量排放。在保证隧道防排水效果的前提下，加强防水、堵水措施，尽量减小隧址上方龙潭峰和地下水的流失，避免对水文地质环境造成重大影响，因此，当超前探水工作探测到掌子面前方存在隐伏含水体时，需进行超前钻孔测定水量，再根据水量大小情况采取不同的注浆措施。

3 富水区注浆技术

根据超前探水及测定的掌子面前方水量大小情况，当水量不大时，应采取隧道局部超前预注浆堵水措施，当水量较大时，需采取隧道超前帷幕注浆预加固措施。当隧道出现渗漏水现象时，还要采取针对性的后注浆止水措施。

3.1 隧道局部超前预注浆堵水

当超前探水孔中总出水量小于15 m3/h但个别探水孔出水量大于3 m3/h时，宜对隧道进行局部超前预注浆堵水。局部超前预注浆堵水设计如图6所示。

图6 局部注浆示意图

局部超前预注浆堵水段落按照地质详勘报告及探水结果来确定，注浆材料主要采用单浆液，困难时采用水泥-水玻璃双液浆。注浆范围为出水通道范围内、隧道开挖外轮廓线以外5～6 m，单孔注浆有效扩散半径R=3.6 m，注浆结束最终压力为净水压力的2～3倍。注浆后，总出水量小于2 m3/h且每一处出水量小于0.6 m3/h，即可结束注浆。

3.2 隧道超前帷幕注浆预加固

当超前探水孔中出水量过大时，需对隧道采取全断面超前帷幕注浆措施进行预加固。全断面超前帷幕注浆预加固设计如图7所示。

图7 全断面帷幕注浆示意图

全断面深孔预注浆分2次进行，第一次钻孔数22个，第二次钻孔数24个，第一次注浆孔位离开挖边界0.5 m，第二次注浆孔位离开挖边界1.0 m，第一次注浆孔的外插角为9.3°，第二次注浆孔的外插角9.7°。为防止串浆，第一次注浆与第二次注浆之间宜间隔2～3 h。注浆材料主要采用单液浆，困难时采用水泥-水玻璃双液浆，水灰比为0.6～1.1，水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5，凝胶时间根据现场情况确定。当注浆压力达到3 MPa，进浆量小于100 L/min且压力升高较快时，则可停止注浆，最大注浆压力不能超过5 MPa。

3.3 隧道后注浆止水

在隧道施工过程中，施作初期支护后，若仍出现渗漏水情况，需进行隧道后注浆止水。对于出现大面积淋水或严重渗漏水现象，采用全断面注浆止水；而对于局部大量涌水或严重渗漏水时，采用局部注浆止水。

注浆前，先对围岩进行了现场注浆实验，确定采用水泥-水玻璃双液注浆，终压采用静水压力的1.5倍，不低于2 MPa。水泥浆水灰比1∶1，水玻璃模数为2.6，浓度为35 °Bé，水泥浆与水玻璃体积比1∶0.3，缓凝剂掺量为水泥用量的2%。注浆时按跳孔间隔方式进行，从水头高的一端开始注浆。当注浆压力达到设计终压并继续注浆10 min以上，或单孔注浆量与设计注浆量大致相同，且进浆速度小于20 L/min，可以结束本孔注浆。待一个注浆段的注浆孔全部注完后，钻检查孔对注浆效果进行检验，检查孔数量不少于总孔数的5%且不小于3个，并取岩芯观察填充情况，同时检查孔内涌水量不大于5 L/min，否则应加密钻孔注浆，补充浆液。全断面注浆止水与局部注浆止水分别如图8所示。

图8 注浆止水

3.4 注浆效果

现场施工表明，通过对隧道F3断裂破碎带的注浆，控制了隧道破碎带涌水、塌方现象的发生，避免施工时出现不良地质灾害，确保了该段隧道的顺利施工；通过注浆措施进行堵水限排，使得施工现场测得的隧道排水量低于限制性排放标准，达到防排水的目的。

4 结论

1) 采用红外探测和地质雷达相结合的方法可准确预报隧道工作面前方的地质状况与水文地质条件，使得隧道设计与施工更具有针对性，从而减少不必要的麻烦。

2) 对于毗邻水库的山岭隧道， “以堵为主，限量排放”的防排水方式较为合适，能够在保证隧道防排水效果的前提下，最大限度的保护原有生态条件。

3) 在超前探水探测到掌子面前方有隐伏含水体时，要进行钻孔测量水量大小，并根据水量的不同采取不同的注浆措施，该方法既提高了工程的防排水效果，又可节约材料，降低成本。

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