隧道突水对环境的影响及控制对策

2011-06-07肖霞林刘成禹

铁道勘察 2011年1期

肖霞林刘成禹

(1.成绵乐铁路客运专线有限责任公司, 四川成都 610051； 2.福州大学岩土工程与工程地质研究所, 福建福州 350108)

我国是多山的国家,铁路、公路修建中隧道工程不可避免,随着我国基础设施的大规模兴建,隧道将大量出现。隧道建设期间的地下水一直是广大工程建设人员关注的问题,它不仅影响隧道施工安全、建成后的结构安全和正常使用,还可能诱发一系列环境问题[1～3]。

隧道施工穿越富水的断层破碎带、地层不整合接触带或岩溶发育区,若不采取适宜的措施,将在较短的时间发生大量的涌水。中梁山、大瑶山、华蓥山等隧道在施工过程中都出现过岩溶或断层破碎带突水的情况[4～5]。隧道突水因其具有突发性和涌水量巨大的特点，不仅对施工安全造成了严重威胁,还会在较短的时间内诱发地表变形、塌陷、泉水枯竭、地表建筑开裂、倒塌等一系列环境问题,从而对隧道周边居民的生产、生活产生非常不利的影响。

隧道突水及其诱发的环境问题与该区域的地形、地貌、地质构造、工程地质条件及隧道埋深等有着十分密切的联系。本文以某特长隧道突水为例,结合突水区的工程地质、水文地质条件，对隧道突水及其诱发地表变形的机理、地表变形特点及其对建筑的影响进行了系统分析,并在此基础上对防止隧道突水的措施进行了分析。

1 隧道突水及其诱发的地表变形

某特长隧道YDK24+000～YDK24+600段从村庄下穿过,隧道埋深150～160 m。隧顶建筑密集,多为3～5层的民用建筑和少量土坯房,结构形式多为砖混结构,基础类型以条形基础为主,房屋整体性差,地表变形很容易引起建筑开裂和破坏。根据设计图提供的地质资料,本段隧道围岩主要为硅灰岩、薄层粉砂岩、泥质砂岩,局部有溶蚀现象,基岩以上地层为第四系洪积层、坡积层。

1.1 隧道突水

工作面共发生两次大的突水。第一次突水发生于2008年4月12日。在隧道右线YDK24+098进行灰岩段超前地质钻探时,探孔内突然出现大量涌水,涌水量在几分钟内便增至850 m3/h,涌水初期地下水夹带黄泥,随后逐渐变清,水压达1.5～2.0 MPa,所幸施工人员、设备及时撤出,并未发生人身安全事故。

第二次突水发生于2008年6月3日,注浆孔钻进至25 m时,钻孔内突然出现大量突水,起始为黄色泥浆状,水质浑浊,含泥沙及小碎石,后逐渐变清,初始水量约1 000 m3/h,稳定后仍达450～500 m3/h。

1.2 地表变形

2008年4月12日隧道第一次突水发生后,2008年4月14日隧顶上方村民发现部分地表、房屋地坪、散水、村道、国道路面出现裂缝,裂缝随后迅速发展,至2008年4月21日,村内2/3的地表出现不同程度的下沉、房屋开裂现象,裂纹最宽处达3 cm；村内水井干涸,水泥路面多处开裂。严重影响了村民的生产、生活。第一次突水封堵后,地表变形得以少量恢复,水井水位随后逐渐上升。

2 隧道突水及其诱发地表变形的机理

2008年4月16日,隧道突水后,施工单位一方面加大抽水能力,力争早日将隧道突水抽至工作面,以便及时对工作面出水进行封堵,另一方面随即在地表布设了多个沉降监测点对地表沉降实施定人定时连续观测。部分测点地表沉降随时间的变化如图1～图4所示。

图1 D9测点地表沉降随时间变化曲线

图2 D10测点地表沉降随时间变化曲线

图3 D12测点地表沉降随时间变化曲线

图4 D19测点地表沉降随时间变化曲线

2.1 地表变形与隧道突水的联系

由图1～图4可看出：

(1)各测点均经历了11～12 d的下沉期,随后经历了15～16 d的沉降稳定期,最后地表下沉慢慢恢复,各测点总沉降逐渐减小。

(2)各测点在开始监测44～48 d(2008年6月4日至6月8日)后地表沉降又出现较明显的增大和波动(图中虚线框所示)。本文未列出的其余测点也具有上述规律。

2008年5月2日是对工作面出水进行封堵的时间,封堵后整体水量减小至150 m3/h以下,工作面突水、突水封堵与地表急剧下沉及稳定在时间上有较好的对应关系；2008年6月3日则是施做帷幕注浆钻孔时发生突水的时间,工作面再次突水与地表再次沉降在时间上也有很好的一致性。这说明隧道突水是引起地表下沉的重要原因。

2.2 隧道突水形成机理

本隧道YDK24+098大量突水的发生与该区域的地形、地貌、水系及地质条件等有十分密切的联系。

(1)隧顶上方村庄四面环山有利于地表水汇聚,区域内沟谷纵横有大量地表水来源,为大量地表水下渗提供了丰富的物质基础。

(2)YDK24+098附近处于花岗岩与沉积岩接触带附近,隧址区的花岗岩在燕山期因先期形成的沉积岩发生大规模断陷,岩浆沿断裂构造侵入而形成。从隧道纵断面图可看出,该岩浆侵入带宽约3.4 km(DK20+600～DK24+000),由此可看出该断裂构造的规模相当大,在该断裂构造的影响下,花岗岩附近的沉积岩内断裂及节理非常发育,岩性较脆的硅灰岩内尤甚。但距花岗岩较近的沉积岩中的节理、裂隙因岩浆侵入发生接触变质,所以距花岗岩较近的沉积岩中并未发现较宽的裂隙而表现为沉积岩发生变质,沉积岩间夹有花岗岩的现象。然而,距花岗岩稍远处的沉积岩因岩浆侵入作用微弱或未侵入,断裂作用形成的构造节理、裂隙仍然存在,成为良好的地下水渗流通道。这也正是隧道突水不发生在花岗岩与沉积岩接触带附近,而发生在距岩性接触带和F7断层有一定距离的YDK24+098处的原因之一。

(3)基岩上覆地层为坡积、洪积层,物质成分以砂、砾、黏粒等碎屑物质为主,结构松散,为典型的二元结构,具有良好的透水性。

(4)基岩受强烈的断裂构造影响,大的构造节理较发育,基岩上覆地层结构松散、具有良好的透水性,地表与隧道有较好的水力连通条件。右洞YDK24+098工作面涌水期间,地下水位下降、水井干涸,工作面涌水堵住后,水井水位缓慢上升的事实也说明了地表与隧道有较好的水力连通条件。由于地表有大量的地表水来源,隧顶地层有良好的地下水渗流通道,为该区段隧道涌水提供了必要的条件。

2.3 隧道突水诱发地表变形的机理

隧道突水发生后,随着洞内大量涌水的排放,隧道周边地表发生变形，建筑发生开裂,主要是由下列原因造成的。

(1)洞内大量涌水引起地下水水位下降,地下水水位下降诱发地表沉降。

(2)水从隧道大量流失,围岩节理裂隙中的充填物随水流走,地下水渗流通道贯通性愈来愈好,基岩上覆地层中的细小颗粒随水流失使上覆地层的孔隙比变大、密实度降低,从而引起地表下沉和局部坍陷。

(3)地下水流失使覆盖型岩溶复活引起地表坍陷。由于该段地层中的硅灰岩具可溶性,岩层中构造节理发育,具有较好的地下水渗流条件,区域植被茂盛、地下水发育,因此该区域硅灰岩具备形成岩溶的基本条件,可能存在岩溶。钻探也表明在基岩面附近存在全充填的溶洞或溶腔。由于岩溶发育的地方往往也是地下水流通条件较好的地方,随着洞内大量涌水,溶洞、溶腔中的充填物被水带走,覆盖型岩溶顶部的土体逐渐坍陷并慢慢扩大至地表,从而危及地表建筑的安全。

3 地表变形特点及其对建筑的影响

在各测点地表沉降监测及现场调查的基础上确定地表下沉范围,地表沉降区面积约220 600 m2。在地表沉降长期监测的基础上作出地表最大沉降等值线/沉降倾斜矢量图,如图5所示。

图5 地表最大沉降(单位：mm)及随时间变化曲线

由图5可看出：

(1)地表沉降主要有A、B、C三个沉降中心。其中沉降中心A影响范围最广,B次之,沉降中心C的影响范围略小,但沉降中心C附近沉降倾斜最严重(图中该处附近沉降等值线最密集)。

(2)地表沉降倾斜的方向总体上指向三个沉降中心,在其影响下地表建筑的变形形式以下沉、沉降倾斜为主,但倾斜程度、倾斜方向有差异,在差异较大及房屋结构较差的地段建筑会开裂,地表出现开裂或隆起。

(3)在下列地点附近地表沉降倾斜方向出现相背的偏离：①YDK24+320(测点D17、D18附近)；②测点D11附近；③YDK24+500右侧附近；④测点D14、D15之间地表沉降倾斜方向出现相背的偏离,测点D13、D14之间沉降倾斜方向杂乱。上述区域由于地表沉降倾斜方向为相背的偏离,在其影响下地面建筑一方面出现下沉、倾斜,另一方面还将出现因拉伸而致的开裂。

(4)在YDK24+500附近区域地表倾斜最严重且倾斜方向出现相向的偏离,该区域地表建筑除出现较明显的倾斜外,地面还可能出现隆起。

4 隧道突水控制对策

前述分析表明,隧顶地表变形、建筑开裂是由于隧道突水诱发的,而隧道突水又是由隧道所处的地表、地貌、地质构造,工程地质、水文地质条件决定的。因此,减弱隧道突水对环境负面影响的关键是控制隧道涌水量。隧道涌水量的控制关键则是在掌握施工前方地质条件的基础上采取切实可行的注浆堵水措施。

4.1 强化超前地质预报

超前地质预报是地质复杂地段确保施工安全的重要措施[6]。隧道突水大多发生在岩溶、断层、地层不整合接触带、岩浆岩与沉积岩侵入接触带的沉积岩侧。除周围为完整岩体的岩溶外,上述地段在工程地质上都有相应的前兆特征(如节理密集程度的渐进变化、渗水量的逐渐变化、沉积岩与岩浆岩的熔融胶结等)；断层破碎带、地层不整合接触带岩体的物性及物理力学性质都有较明显的差异,周围为完整岩体的充水岩溶、大的构造裂隙其电阻率、介电常数会发生突变。针对上述富水区域介质的物性差异特征采用针对性的物探探测方法(如针对岩溶的地质雷达、高密度电法探测；针对断层破碎带的TSP、地质雷达探测等),并结合工程地质前兆分析,可大大提高超前地质预报的准确性,及时预测突水风险,为隧道突水的超前防治提供可靠的地质信息。

4.2 注浆堵水

注浆堵水、加固软弱围岩是隧道通过高水压、富水溶洞、断层等区段的重要施工措施,是减少隧道涌水量,提高围岩强度,保护地表环境的有效措施。隧道涌水区段宜采用渐进式综合注浆技术,即采用全断面注浆堵住大水,再采用径向注浆、局部注浆、补充注浆及回填注浆堵住小水,达到设计要求的防排水标准。

4.3 钻孔及孔口管防突

地质钻机在钻进过程中,如果揭穿高压含水层,钻杆在高压水作用下可能被推出从而出现大的突水或钻杆与孔壁周围突水,这除对施工安全的造成较大的威胁外,如果封堵不及时还会产生大量的涌水。因此在高压、富水区施做水平钻或其他探孔作业时，应设置钻孔防突装置,防止类似事件的发生。

4.4 加强监控量测及信息反馈工作

施工过程中应对工作面地质探孔、主要出水炮眼涌水量变化、水压大小、泥砂含量等进行监测,对围岩及支护结构的应力、变形进行监测。在地表建筑密集、施工涌水可能诱发地表变形的区域还应加强地表沉降监测。利用上述监测资料可对施工前方涌水情况，注浆堵水过程中围岩及支护结构的受力状态、稳定情况，隧道涌水对地表建筑的影响程度、发展情况等进行综合分析和判断。