傍湖隧道渗漏通道评价及防治措施

2012-02-23曾科，许模，张强

地下水 2012年2期

曾科，许模，张强

(成都理工大学地质灾害防治与环境保护国家重点实验室，四川成都610059)

我国天然湖泊众多，人工筑坝形成的湖泊更是不胜枚举。受线型、坡度、地质条件等因素的控制，一些大型线状工程如高速铁路、公路、引水工程，将不可避免地以隧道方式穿越湖体。水体为隧道涌水提供了大量涌水源与良好的水动力条件，一旦隧道揭露强导水性通道，则会对隧道安全造成极大威胁。根据导水性不同，将通道类型分为贯通型、裂隙型、弱渗透型三类(表1)。不同类型的通道渗漏造成涌突水的风险性、特征、以及作用机理都有明显的区别。本文着重讨论各类通道的渗漏影响因素及定性定量评价方法及防治措施，为傍湖隧道的设计施工提供理论上的指导意义。

表1 各类型介质涌突水特征及实例

1 贯通型通道

贯通型通道主要指断层、岩溶管道两类，据国内外大量统计资料表明，由于揭露或靠近断层而引起突水事故占70%～80%［1］;而由揭露岩溶管道引发的岩溶涌突水更是屡见不鲜。在水体作用下，贯通型通道发生涌突水的可能性及危险性都大大提高。

1.1 断层的透水性

断层是最具威胁的涌水通道之一，但并不是所有的断层都能成为涌水通道，断层能否导水，主要与断层形成时的力学性质、断层两盘岩性、充填胶结、断层规模等因素有关如(表2)所示。一般来说，两盘为脆性岩体、充填胶结程度差的张性大规模断层导水性最大。两盘为塑性围岩的压性断裂一般胶结性也较好，透水性很差。而对于半充填胶结的断裂，揭露时初期涌水量较小，如果放任其发展，在高水头水流的冲蚀作用下，充填物质被水流带走造成断层易突然联通威胁隧道安全。

1.2 岩溶管道

大型湖泊作为地下水的排泄区，水动力作用强烈，岩溶作用相应也较强，多发育利于地下水排泄的管道或溶隙。隧道揭露岩溶管道或大型溶隙时，水体沿贯通的岩溶通道直接倒贯形成隧道涌突水，突发性高，水量大且稳定。另一方面，岩溶区分布着数量众多的，由原岩溶洼地内部落水洞充填堵塞形成的岩溶湖。天然具备垂向导水通道，隧道开挖形成临空面，填充物在自重和虹吸作用下松动或跨塌，形成突发性的涌水突泥，造成不可估量的损失。目前准确预测岩溶管道、溶洞的手段相对较少，对于岩溶区的傍湖隧道只能加强超前地质预报，多种手段相结合探明掌子面前方岩体是否存在岩溶强烈发育区。

2 裂隙型通道

主要存在于脆性岩体，由原生结构面及构造裂隙组合形成网络导水空间。在水体高水头作用下持续不断地向隧道内涌水，给隧道排水造成困难，准确的预测隧道水量是预防此类型介质涌水的关键。

水体下隧道涌水量的预测常用解析法和数值模拟法，解析法基于简化的水文地质模型，适用于简单条件下隧道涌水量的计算。数值模拟法可以刻画复杂水文地质边界条件，适用性广泛，随着计算机运算能力的提升以及处理软件的不断提升，数值法已经成为计算隧道涌水量的主流方法。

图1 傍湖隧道地质剖面

Polubarinova－Kochina(1962)根据沿隧道轴线区域性渗流的特性，水平圆形隧道稳定渗流问题可以建立如图1所示数学模型。推导出了计算隧道渗流流量解析式［2］:

式中:Q为隧道预测涌水量(m3/d);H为湖水深度(m);h为上覆岩体厚度(隧道顶至水底的岩体厚度);K为岩层渗透系数(m/d);r为隧道有效开挖半径(m)。

3 弱渗透型通道

主要指泥岩、湖底覆盖物等塑性岩体，导水性及透水性都很差，在具备一定厚度的条件下即有良好的隔水意义，一般不易发生大的涌突水，多为滴水。但隧道上部地表水的静水压力和岩石裂隙静水压力以及施工对岩体造成的扰动形成的裂隙带可能会延伸至地表水体。因此必须留够隧道与水体之间的安全距离。可利用下列公式来计算隔水顶板的安全厚度［3］:

式中:B为隧道顶板宽度;γ为隧道顶板隔水层平均容重;H为作用于隧道顶板上的实际水头值，水库水头高与裂隙静水压力之和;σt为隧道顶板隔水层平均抗拉强度;

如洋坪山隧道水库段，B(11.25)、γ(2.7kg/cm3)、H(20m)、(3.3Mpa)，经上式计算安全顶板厚度为25.76 m。

4 防治措施

4.1 加强地质勘察

查明水体向隧道渗漏的通道类型、性质、水文地质参数、规模、位置等，为隧道设计施工提供可靠的地质依据。

4.2 降低地表水位

对于人工湖、水库等人为可控的地表水体，在保证水体服务功能的条件下，在施工期间尽可能降低库水位，以减轻作用在洞体围岩的水压力。

4.3 加强超前地质预报

目前超前地质预报的方法较多，按原理主要分为电法、电磁法、红外线法、地震波法、超前钻孔法等5类，各类方法都有其优缺点及适宜性，如地震波法预报溶洞等点状地质体时效果不佳，而地质雷达对点状地质体预报较为准确，但探测的距离太短，一次只能探测5～30 m。因此超前地质预报应多采用几种方法，综合各类方法的成果判定断层、岩溶空腔等贯通型导水通道，并后续施工提供处理措施依据。

4.4 超前帷幕注浆

在水库影响范围内采取全断面深孔预注浆，封闭、固结掌子面前方洞室及周壁4～5 m岩体及软弱透水层，对断层、裂隙密集带、小型溶腔进行填充形成帷幕，以达到减小隔断地下水径流途径的目的［4］。此法是目前通过高风险涌突水段的主要方法，如福鼎至宁德高速公路洋坪隧道过湖段采用全隧道帷幕注浆顺利通过涌突水高风险段，取得了良好的效果。