隧道地下水环境保护技术

李泽龙

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

对于隧道建设排泄地下水而影响地表自然环境的问题，一直是隧道设计、施工的先驱者想解决而一直未能很好解决的事情。渝怀铁路重庆枢纽引入工程歌乐山隧道，由于其所处的特殊地理位置，地表水源和环境的敏感性，地表众多的人口、企业和学校，以及该隧道地表植被在重庆市生态平衡维持、局域气候调节等方面的作用等原因，解决该隧道施工对地表水环境的影响和破坏问题是刻不容缓和毋庸置疑的。

1 工程概况

1.1 隧道地理位置、地表人文环境、社会环境及用水条件

歌乐山隧道全长4 050 m，是渝怀线西端第一座隧道，为全线控制工程。隧址地表为重庆市沙坪坝区下属的歌乐山镇和中梁山镇，并聚集了许多工矿企业、学校、部队等单位，共6.4万人在此生产、生活。

地表居民的生产、生活用水基本上取自山上的泉、井、暗河及附近的凌云水库、普照寺水库等，在历史上基本属于雨季尚能满足供水，旱季则要缺水的状况。但随着近年经济的发展，工矿企业、学校、部队等的迁入，以及山顶原居民人口的不断膨胀，隧道地表已成为重庆市严重缺水的区域之一。

隧道地表植被发育，为重庆市自然生态环境保护区，被誉为“重庆市自然绿色屏障”，在维持重庆市生态平衡、保持水土、调节本地气候等方面发挥着不可估量的作用。平坦、开阔的洼地中广布良田，为重庆市比较重要的蔬菜基地之一。由于山顶空气清新，气候宜人，除拥有诸多企业、学校、部队外，也是重庆市旅游度假的重要场所。

如果由于本隧道施工造成地表水泄漏，将影响到地表居民的生产、生活，造成地表植被的干枯，破坏生态平衡。由于地表本来就是重庆市的严重缺水地区，一旦发生泄漏水事件，将影响到社会安定团结，造成社会不稳定因素。

1.2 主要地质条件

隧道近垂直穿越歌乐山山脉，隧道的地貌、地层特征受观音峡背斜控制。该背斜为区域性地质构造，轴线近南北走向，与山脉的走向基本一致。背斜两翼为泥岩夹砂岩及须家河组煤系地层(隧道穿越1 600 m)，核部为雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组灰岩、白云岩、泥灰岩及泥岩等可溶岩地层(隧道穿越2 450 m)。隧道最大埋深280 m。

隧道地下水在背斜两翼的泥岩夹砂岩及须家河煤系地层以基岩裂隙水为主，核部可溶岩地层以岩溶水为主。

可溶岩地段于地表漏斗、洼地、溶洞、落水洞、溶沟、溶槽等溶蚀现象发育，地下岩溶水水位较高(最高220 m)。由于岩溶裂隙、通道的发育，地下岩溶水与地表水源连通性好，隧道预测最大涌水量为5.3×104m3/d。

2 地下水处理

要解决隧道建设、运营排水对地表环境的破坏，其核心理念就是要在隧道建设后形成新的渗流场条件下维持地下水环境的动态平衡。也就是隧道长期排水量与原自然泄水点泄水量之和不得大于隧址范围地下水的补给量，这样地下水环境才不会恶化并逐步恢复。因此在确定隧址后，有必要对隧址区域的地下水补给量、自然泄水点排水量进行调查，以此确定隧道允许的排水量。

隧道允许排水量确定后，要结合隧道地层分布、富水段落、分段涌水量预测等制定分区限排段落、限排措施等，以保证隧道建设实际排水量小于地下水补给量，从而维持地下水的动态平衡。

2.1 地下水处理原则

根据隧址区域地下水补给量、自然泄水量调查，结合隧道施工涌水量预测，如不采取措施，隧道建设后的长期泄水将造成地表水源点的疏干，影响地表企业、居民的生产、生活用水，破坏生态环境。基于维持地下水动态平衡、保护环境的理念，必须对隧道施工及运营期间的排水量进行限制。因此确定本隧道地下水处理的原则为:非可溶岩段对地表生态无影响的地下裂隙水以排为主，可溶岩段地下水以堵为主，限量排放。

2.2 隧道容许排水量

前文根据本隧道所处环境条件的调查资料拟定了可溶岩段地下水“以堵为主，限量排放”的处理原则。因此“限量排放”的“量”的确定就成为了措施方案制定、地下水治理措施成败检验的重要标准。根据隧址区域地下水补给量、自然泄水量调查资料，隧道涌水量预测，参考相邻、相似隧道容许涌水量的标准，并经专家论证，本隧道建成地下水的排放标准拟定为平均不大于1 m3/m·d。

2.3 分区限排段落的确定

地勘资料揭示，隧道穿越的三叠系雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组灰岩地层都不同程度存在岩溶发育现象，其岩溶发育的最大特点即顺层面发育与地表连通。如果出现较大涌水，造成大量的地下水泄漏，将袭夺地表水，造成地表泉、井、水库干涸。在历史上该区域曾发生过由于修建隧道、深孔钻井而导致地表水干涸的事件。

因此确定隧道穿越的雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组灰岩地层为本隧道地下水“限量排放”区域，总长2 450 m。

2.4 限排措施

对隧道地下水的限制排放，必须进行堵水。堵水是通过打孔注浆进行的，即在一定的安全岩柱的保护下，在工作面往富水带施作注浆孔，注浆孔施作完成后通过预埋的孔口管向孔内压注浆液(水泥浆或水泥～水玻璃浆)，在一定的高压作用下，浆液扩散到注浆孔周边的节理、裂隙中或挤出节理、裂隙中的水、粘土等，在裂隙中凝固，使裂隙被具有一定强度的浆液结晶体或结石体充填，并与岩体固结为一体。通过多循环、多孔(应保证有一定的重叠)的注浆，在隧道周边形成一定厚度的止水帷幕。

根据隧道地下水特点、水压力、水量及隧道周边的地质条件，按照工序隧道注浆分工前(开挖前)预处理和工后(开挖后)后处理两种方式。

2.4.1 工前处理

根据超前预测预报资料，预测掌子面前方存在高压富水区，且根据探孔资料验证，如掌子面总涌水量大于10 m3/h时，或掌子面总涌水量虽小于10 m3/h，但个别探水孔出水量大于2 m3/h时，则应进行工前预处理。

2.4.1.1 掌子面处理

由于本隧道最高水压达2.2 MPa，要进行工前预处理，必须有一定厚度的安全岩柱作为施工安全屏障，并为将来的注浆堵水起到止水、止浆的作用。安全岩柱的厚度根据水压、水量的差异而不同，但一般情况下其厚度不应小于5 m。因此在掌子面至富水区厚度不足安全厚度的前提下，进行注浆前须先施作止浆墙以达到要求的安全岩柱厚度。

当开挖掌子面至富水区岩柱厚度满足安全厚度时，如掌子面围岩较好，岩体完整，能够起到安全屏障作用且能较好地起到止水、止浆作用，则一般不施作专门的混凝土止浆墙，对掌子面喷混凝土封闭或对岩体中的较大裂隙进行注浆加固，即可作为止浆岩盘。

当开挖掌子面至富水区岩柱厚度满足安全厚度时，但掌子面节理发育，裂隙连通性较好，通过喷混凝土或注浆加固难以改善其整体性，使其起到止水、止浆效果时，则也要施作一定厚度的混凝土止浆墙。

2.4.1.2 全断面超前帷幕注浆

根据超前探孔资料，如掌子面前方大面积出水，且涌水总量大于10 m3/h时，则进行全断面超前帷幕注浆。注浆加固圈厚度按照第四强度理论计算，如式(1):

式中:E为注浆加固圈计算厚度(m);R为隧道毛洞半径(m);P为最大静水压力值(MPa);σ为注浆加固体综合强度抗压(MPa)。

根据本隧设计，R为4.6 m，P为2.2 MPa，σ取4.8 MPa，得E值为5.53 m，故采用注浆加固圈厚度为衬砌开挖轮廓线外6 m。

图1 注浆钻孔纵断面布置

对于每循环帷幕注浆，其注浆段落长度一般为25～27 m，如段落太长，则注浆孔长度加大，施作困难，施工速度较慢。

注浆孔单孔扩散半径按2.5 m考虑，钻孔终孔间距不大于3 m，以保证各孔注浆范围有足够的搭接。预设计每循环注浆共设6环，共107个注浆孔，其中前三环1#～72#孔主要是对隧道周边来水进行封堵，施工顺序为先外圈后内圈，由近渐远，采用前进式注浆;后三环73#～107#孔是对隧道正面来水进行封堵，施工顺序为先外圈后内圈，采用后退式注浆，在连续帷幕注浆段兼顾对下一循环注浆的止浆岩盘进行加固，注浆长度一般为5～7 m。

在实际的施工中，注浆钻孔应根据每循环的出水情况对每环钻孔的终孔位置、钻孔数量进行调整，以保证更有效地注浆堵水并节约投资。

2.4.1.3 超前局部注浆

当掌子面总涌水量虽小于10 m3/h，但个别探水孔出水量大于2 m3/h时，则需对这些孔眼进行超前局部预注浆。

超前局部注浆是以超前帷幕注浆设计为基础，根据出水点的位置，采用其局部注浆孔，并在其它位置设检查孔对整个隧道范围内掌子面前方的地下水情况进行检查。

2.4.2 工后处理

隧道开挖后，围岩较差、节理较发育、洞室周边漏水、渗水点较多，但水压力较小或无水压，采用系统的径向注浆措施对围岩予以加固并堵水。

隧道开挖后，若围岩较好、节理裂隙不发育、只有局部点以股状水流出，采用径向局部注浆予以封堵，采用注浆材料为水泥～水玻璃双液浆。注浆时以出水点为中心布孔，先外圈，后内圈，层层注浆，最后对出水点集中注浆封堵。

2.4.3 主要注浆参数

2.4.3.1 注浆压力

注浆压力是注浆过程中非常重要的参数，它对浆液扩散、裂隙充填效果等影响很大，是注浆效果的控制参数之一。注浆压力与通道、水压力及浆液材料有关，一般情况下注浆压力为实测水压力加1.0 MPa或略高于静水压力，注浆终压为2～3倍的实测静水压力。

2.4.3.2 注浆结束标准

(1)单孔注浆压力上升至设计终压，并持续注浆10 min以上;(2)单孔注浆结束时进浆量小于20 L/min;(3)全段注浆结束后，所有注浆孔均符合单孔注浆结束条件;(4)全段注浆结束后检查孔出水量小于0.2 L/min;(5)每一循环注浆结束后，至少施作5个检查孔对注浆效果进行检查，要求每个孔内的出水量均小于0.4 L/min·m。

2.4.4 注浆材料

本隧道地下水通道以岩溶裂隙为主，通道一般较大且通畅，注浆过程中浆液消耗量大。鉴于水泥单液浆所具有的特点，尤其是价格低、结石体后期强度高等优点，因此在隧道超前帷幕注浆堵水的过程中，注浆材料以单液水泥浆为主。水泥－水玻璃双液浆一般用于掌子面加固、埋设孔口管及注浆结束时的封孔。

3 效果评价

在本隧道可溶岩地段的施工中，须贯彻“先探水、预注浆、后开挖、补注浆、再衬砌”的施工方针，并在隧道建成后进行长期监测。有关本隧道采用的超前探测地下水的措施、方法另有撰文介绍，在本文中就不再赘述。

为了对堵水成果及地表水环境的保护效果进行评价、检验，隧道开工前于地表主要水源(如井、泉眼、暗河、水塘、水库等)布置了监测点，进行实时监控量测。根据监控资料分析:在隧道施工期间，由于地下水的流失，在短时间内造成了地表水位的下降。但在隧道堵水完成并经过一个雨季后，地表水源均恢复正常。目前隧道已竣工并运营多年，隧道内日排水量约4 000 m3左右，达到了隧道建成地下水排放量平均不大于1 m3/m·d的目标，保护了地表水环境。

[1]林平.洋碰隧道软岩浅埋段设计与施工浅析[J］．公路，2000(9)

[2]张高展.新型抗水分散和抗水溶蚀双液注浆材料的设计与应用[J］.新型建筑材料，2007(12)

[3]赵存明.隧道含水断层破碎带的探测与治理[J］．公路工程，2007(6)

[4]徐伟.劈裂帷幕注浆法在超浅埋隧道施工中的应用[J］.交通科技与经济，2007(6)

[5]庄金波.圆梁山隧道岩溶管道群涌水处理技术[J］．隧道建设，2004(3)

[6]张志强.圆梁山隧道在高水位条件下支护结构体系研究[J］.岩石力学与工程学报，2004(5)

[7]张民庆.圆梁山隧道深埋充填粉质粘性土溶洞注浆加固技术[J］.铁道工程学报，2004(1)

[8]杨秀文.回弄山隧道断层破碎带特大涌水和突泥施工[J］.山西建筑，2007(19)

[9]张顺忠.野三关隧道特大溶洞崩塌堆积体处治施工技术[J］.隧道建设，2007(3)

[10]陈铁林.厦门翔安海底隧道富水砂层注浆试验[J］.岩石力学与工程学报，2007(s2)