2006年的1月21日,宜万铁路马鹿菁隧道发生突泥涌水,顷刻间天崩地裂,山呼海啸,瞬时涌水量达到了的81万m3/h。
2018年6月10日上午,贵南客专K170+671处朝阳隧道发生一起涌水、涌泥事件(图4-29),水位高度大约在底板以上2.5 m,持续大约1 h后恢复至之前的正常出水量。洞口外约100 m处,有一当地村民驾驶自有挖掘机正在进行清理工作,被洞内突然涌水冲走。
隧道开挖发生的涌水多成为困扰隧道开挖的主要因素。特别是突发涌水和高压大量涌水,使隧道开挖变得极为困难,伴随大量涌水、土砂流出等成为对隧道开挖影响极大的主要因素。隧道涌水和涌泥如图4-30、图4-31所示。
图4-29 隧道涌水
图4-30 隧道涌水
图4-31 隧道涌泥
(一)隧道涌水的分类
隧道涌水视其发生位置、涌水量、发生时期、涌水量的历时变化其类型是各种各样的。隧道开挖中的涌水,根据其发生位置和测定位置可分为掌子面涌水、区间涌水和洞口涌水3类,如图4-32所示。
涌水量与地下水头有一定关系。一般来说,涌水量大,地下水头也高。因此,根据涌水量的大小,大致可以确定水头的大小。
通过水压和渗水量,将隧道涌水状态分为干燥、潮湿、滴水、线状流水、涌水5级,如表4-9所示。
图4-32 隧道涌水的分类
表4-9 水压和渗水量分级
从涌水现象的分类看,可能出现的涌水现象大体上分为局部的集中涌水、局部的突发涌水、正常涌水、伴随涌水的崩塌及土砂流出等。其中,伴随开挖的集中涌水、异常涌水和随掌子面崩塌的突发涌水、开挖初期阶段的大量涌水、伴随涌水的土砂流出等对施工安全、环境影响极大,应是关注的重点。
可见,隧道涌水的形态与地质情况和地下水的存在形态关系密切。特别是突发的异常涌水,分布极不均匀,可能是突然的、不可预计的,也会形成水荷载状态异常。因此,在规划时准确掌握隧道周边的地下水存在形态、水文地质构造等,对于应对隧道开挖中可能出现的问题是非常重要的。
因此,尽管对地下水有这样或那样的分类,但重要的是如何对隧道涌水进行分类,以便有的放矢地采取相应的对策。
(二)隧道涌水处理的原则
从施工角度出发,涌水处理应达到以下2个目标。(www.daowen.com)
目标1:确保隧道施工在无水的条件下进行,或者是在可以接受的渗漏水条件下进行,或者是在对周边环境“可接受干扰”的条件下进行。
目标2:二次衬砌原则上不承受水压作用,不得已时把水压控制在二次衬砌容许的范围内。
从结构角度出发,涌水处理应达到的目标:运营中的隧道洞内不能成为地下水流经的通道,隧道衬砌背后必须形成一个纵横交错的、不易堵塞的、通畅的排水系统。
达到上述目标的基本方法是:充分利用和提高围岩的隔水性能,合理地处理“排”与“堵”的关系。
隧道施工原则上应在无水的条件下进行,也就是说应该在掌子面稳定的条件下施工。实际上,所谓的无水条件是理想化的条件,不管是山岭隧道还是城市隧道,在存在地下水的条件下要保持无水施工,是较为困难的,而且也是不经济的。因此,多数隧道,特别是围岩条件较好的隧道,地下水对掌子面稳定性影响比较小的情况下,完全可以在排水的条件下顺利施工,这已被许多工程实践所证实。在围岩条件比较差的隧道,只要能够保持隧道的渗漏水在施工可接受的范围内,采取排水措施也是可以施工的。
一般来说,在干燥、潮湿、滴水渗水的状态下,基本上可以不采取排水对策进行施工;而在其他条件,均需采取不同的排堵水对策进行施工。也就是说,在涌水量q≤2.5 L/(min·m)时,基本上可以认为是在无水条件下施工。在一般情况下,线状流水、经常涌水可以采用通常的自然排水方式排水,而突发大量涌水则需要采取特殊的地下水对策予以解决。对地下水控制技术来说,突发大量涌水是大家最为关注的问题,也是当前地下水控制技术发展的主流。
隧道的涌水量与地下水赋存状态和围岩的渗透系数有直接关系,即隧道的涌水量q与围岩综合渗透系数k、水头h均成比例关系。渗透系数越大或水头越大,涌水量也越大。因此,了解围岩的综合渗透系数是必要的。
在大量涌水或承压水的条件下,即水压值比较大的场合,让衬砌来承担水压,从经济上、安全上都是不现实的。例如,在类似青函海底隧道那样埋深很大的隧道中,让衬砌抵抗水压几乎是不可能的。因此,用注浆方法提高围岩的抗渗性,让围岩也承担一部分水压是唯一可能的选择。
隧道的防排水构造各国基本上是大同小异,大家的认识也比较一致。不管是排水型隧道还是非排水型隧道,都需要在衬砌背后形成一个纵横交错的、不易堵塞的、通畅的排水系统。绝大多数国家都不容许地下水流入隧道内,而是通过衬砌背后的排水系统将地下水排出隧道。我国铁路隧道长期以来采用把地下水引入隧道,再从洞内两侧边墙附近设置的排水沟将地下水排出隧道的做法是值得商榷的。特别是在可能发生冻害的地区,采用深埋的排水沟更不可取。
大多数国家基本上是把排水管(沟)移设到仰拱的填充层中或仰拱的下面,也有把排水管(沟)设置在衬砌拱脚外侧的。例如日本铁路、公路隧道的排水管,基本上是把中央排水管设置在仰拱内或仰拱下方,而在隧道两侧只留有用于排出流入隧道内的雨水或隧道清洗水的排水沟。
(三)隧道涌水的处理措施
在进行隧道涌水处理时,首先要进行详细的涌水调查,掌握地下水的动态和水量的大小及动向,要考虑围岩条件、涌水量、埋深、周边环境条件等综合因素决定,达到缩减开挖成本和提高施工安全性的目的。涌水对策,大体上分积极进行排水的地下水位降低方法(排水工法)和降低地层渗透系数减少涌水的方法(止水工法)两大类。选择涌水对策时,除需要考虑维持掌子面自稳性外,还需要考虑对地表面的影响。
1.排水法
排水坑道是以主洞开挖前先行排出地下水为目的,在主洞外施工的。排水法适用以下条件。
(1)断层背后保持大量而且高压的地下水,预计形成突发涌水的场合或者主洞施工因围岩流失而施工困难的场合(迂回坑道)。
(2)在洪积砂层等风化层围岩中,全线需要降低地下水位的场合。前者的场合,通常与排水钻孔并用(从侧壁向掌子面前方施工),边施工边前进,也有利用其最前端作为排水钻孔基地的场合。
还可在隧道掌子面前方钻50~200 mm的先行钻孔,降低掌子面到达前的地下水位(重力排水)。这种方法从硬岩到土砂都可采用,适用范围极广。
2.止水法
止水工法比排水工法价格高,采用时要充分研究适当的安全性、经济性、进度等决定。止水工法中的注浆法是减少涌水量、改良地层效果促使掌子面稳定对策中有效性比较高的工法,可以在隧道开挖面及开挖轮廓线外一定范围内进行超前全断面注浆。
注浆法在山岭隧道中多与排水工法并用,可在只用排水不能处理的大量涌水和砂质围岩中采用,也有采用注浆法把涌水减少到一定程度后再用排水钻孔等,一边排水一边开挖的事例。为了发挥最佳的注浆效果,视地质条件选定注浆材料和注浆方式。
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