隧道施工中地下水处理研究现状分析

2017-09-18刘效成

筑路机械与施工机械化 2017年8期

关键词：模袋富水岩溶

刘效成，张恒，王路，涂鹏

1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031 2. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031 3. 四川交通职业技术学院道路与桥梁工程系，四川成都 611130

隧道施工中地下水处理研究现状分析

Analysis on Present Situation of Groundwater Treatment in Tunnel Construction

刘效成1，2，张恒1，2，王路3，涂鹏3

0 引言

对于隧道工程施工而言，地下水问题不可忽视。在隧道掘进施工中采取必要的措施对地下水进行预报和处理，对隧道的安全、快速施工和正常使用具有十分重要的意义。如何经济、合理地处理好地下水问题，是隧道工程界一直研究且始终存在的一个难题。地下水处理的对策大体上分为两大类，即排水和堵水。实际上，排水和堵水通常相伴出现，因此“堵排结合”是治理隧道施工地下水问题的基本方法。众多学者做过大量对比研究工作，并取得了良好的效果。本文分别介绍目前主要的排水工法与止水工法在工程中的应用[1-2]。

1 排水技术研究

一般施工中的排水方法有利用重力的钻孔排水、坑道排水以及利用井点强制排水。排水工法在缩减开挖成本、提高施工安全方面比止水工法更有优势，并且在埋深大、涌水量大的隧道，在洞内采用钻孔排水、坑道排水及轻型井点等方法的可靠性也比较高。

1.1 钻孔、坑道排水

钻孔排水是通过在隧道掌子面前方施工超前钻孔，降低掌子面到达前的地下水位；坑道排水以主洞开挖前先行排出地下水为目的。其中钻孔排水适用范围极广，得到了大量的应用。

大支坪隧道[3]岩溶裂隙极发育，溶腔、暗河及裂隙水多，涌水量大，受地表水补给影响极为严重，易形成突水、突泥，设计最大涌水量为44×105m3·d－1。针对大支坪隧道岩溶发育、涌水特点及岩溶发育规律，选定在II线隧道外侧距中线30 m处修建一条平行于隧道的排水洞，并通过下穿横向过水通道、高位泄水支洞或大直径钻孔连接I、II线正洞各溶腔涌水点，排泄岩溶高压水及充填物，达到释能降压的目的。通过排水洞设置的高位排水支洞跨越正洞时，需选择较好的围岩且保留不小于5 m的洞顶厚，如图1所示。图2为II线向I线富水溶腔钻孔排泄岩溶水。

图1 溶腔通过排水洞设置的高位排水支洞

图2 II线向I线富水溶腔钻孔排泄岩溶水

宜万铁路马鹿菁隧道[4]全长7 879 m，最大埋深660 m，位于鄂西新华夏构造金子山复向斜中四方洞向斜南东翼单斜地层处。“978高压富水充填溶洞”穿越地层为灰色厚至中厚层状灰岩。经探测，溶洞沿隧道纵向发育长度约为10 m，溶洞内充填泥砂及块石。隧道出口平导施工到PDK255+978处遭遇高压富水充填溶洞，发生突水、突泥灾害，峰值最大涌水量约3×105m3·h－1，持续约10 min后，涌水量减弱至300 m3·h－1，估算突水总量约为1.8×105m3。马鹿菁隧道出口遭遇突水、突泥灾害后，为确保隧道施工和运营安全，在隧道进口平导左侧20 m处设置长4 689 m的泄水洞，泄出“978高压富水充填溶洞”的岩溶水。在泄水过程中，经历了钻孔、泄水支洞、泄水洞接通溶洞、泄水洞接通溶洞后自泄水4个泄水阶段。马鹿菁隧道I线、II线、泄水支洞、泄水洞位置如图3所示。

图3 马鹿菁隧道I线、II线、泄水支洞、泄水洞纵剖面

兰渝线化马隧道位于甘肃省陇南市宕昌县境内，隧道全长12 580 m，是一座双线隧道，根据施工工期要求采用2座辅助坑道辅助施工（化马斜井及石家院斜井）[5]。隧道洞身通过的灰岩地段发育弱岩溶现象，以溶孔、溶隙为主，且多为古溶蚀，隧道通过区灰岩多以薄、中厚层为主，层间结合较差，节理裂隙发育，多以张节理为主，利于地下水的储存和运动。化马隧道涌水为高压宽张岩溶裂隙水，具有水量大、压力高、涌水连续、贯通性好、补给水头稳定等特点。隧道预测正常涌水量为1.12×105m3·d－1，而隧道的侧沟与中心水沟的最大排水量为7×104m3·d－1，为保证施工及运营正常，需设置泄水洞进行排水。通过采用迂回导坑绕避结合泄水洞排水的处理方案（图4），顺利通过了隧道涌水段。

图4 化马隧道泄水洞方案平面布置

1.2 井点、管井排水

井点法是指在地表施工管井，用水中泵排出地下水的方法，它具有能够在隧道施工前施工、易于管理等优点，其中真空井点降水法的排水能力较高。

胡麻岭隧道位于甘肃省榆中县与定西市之间，是新建兰渝铁路LYS-1标段关键线路的控制性工程[6-7]。隧道全长13 611 m，其中3 800 m位于第三系粉细砂地层中。在长3 250 m的胡麻岭隧道中，第三系富水粉细砂地层中有1 750 m轨面标高低于石门水库水面标高；第三系富水粉细砂地层中有140 m下穿水库、99 m下穿河流；隧道穿越区域水位高，在砂岩段查出很多地表洞穴，地表水可不经渗透直接灌入。定西市处于地震连发带，受其影响，区域内裂隙较多，为空隙裂隙水提供了通道，水害的影响成为胡麻岭隧道的主要问题。进行试验研究后，确定采用洞内深井与轻型井点相结合施工降水方案。台阶轻型降水两侧布置，间距为50 cm，长度为4 m；重力式真空降水双侧布置，间距为5 m，梅花形布置，深度为15 m。台阶降水布置断面如图5所示，重力真空深井降水布置如图6所示。

莲花山1号隧道进口段485 m为富水全强风化花岗岩地层，采用双侧壁导坑法开挖。该区域内冲沟发育，汇水面积大，水位及流量受季节控制明显[8]。隧址区属于中低山地貌，地形起伏较大，地表水较为发育，且为位于狭窄沟谷内的溪流，多属季节性溪流。施工过程中，根据莲花山1号隧道施工现场情况，在隧道右洞布置了5处井点降水孔（图7）。降水井采用直径150 mm的钢管，钻孔深度结合地表标高与隧道仰拱底标高确定，钻孔孔底标高控制在隧道仰拱底下10 m处。降水管采用内径120 mm的高强度PVC管，管壁切割2 mm透水孔。降水管安装完成后，在井壁和水管间填充3~5 mm砂砾或米石反滤层。反滤层施工完成后，安装70 m高扬程自动水泵。降水井建成后进行了抽水试验，发现通过洞外井点降水后洞内渗水明显减少，开挖以及初期支护施做后仅局部出现渗水，且水量很少，有效提高了富水全强化花岗岩地段隧道施工的安全性，加快了施工进度。

桃树坪隧道位于兰州东站出站端，基岩主要为第三系砂岩，原设计将围岩等级评定为V级[9]。开挖后地层揭示为富水未成岩粉细砂，属于典型软弱围岩，被重新定义为VI级围岩。开挖后涌砂、突水、溜塌现象频繁，导致初期支护无法及时施做，已施做初期支护出现开裂、变形、坍塌现象。在桃树坪隧道试验段分别对真空井点降水、深管井降水、斜孔布管、边墙侧向深井降水、集水井降水等措施的降水效果进行对比。结果表明，正洞采用真空井点降水结合深井砂管降水效果最好。最终，正洞、斜井分别采用下断面双侧壁降水、全断面降水，解决了隧道下部涌水、渗水等问题，避免钙质胶结层流沙引起隧道初期支护发生过大的变形。施工进度是之前的2倍，取得了良好的经济效益和社会效益。富水未成岩粉细砂深管井降水如图8所示。

图5 台阶降水布置

图6 重力真空深井降水布置

图7 井点降水布置

图8 富水未成岩粉细砂深管井降水

2 止水技术研究

在“堵排结合”的基本方法中，“堵”是积极降低地层渗透系数减少涌水的方法，在隧道施工中，止水常常与围岩加固联系在一起。近来年，从环境和地下水资源保护出发，要求摒弃“以排为主”的设计原则。可以预见，止水技术的研究和应用将受到更多重视。目前止水方法仍以注浆为主，在特殊情况下也可采用冻结法、隔断壁法等进行止水。

2.1 注浆法

止水工法中的注浆法是减少围岩的渗透系数、改良围岩强度、促使掌子面稳定对策中有效性比较高的一种工法。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。

锦屏辅助洞纵横穿越数十公里的锦屏山脉，其洞线平均埋深1 500 m的洞段占隧道全长的73%，最大埋深2 375 m[10]。辅助洞西端地质条件复杂，地表地质调查表明：工程区轴线上强透水性的可溶大理岩和隔水的砂板岩、绿泥石片岩交替出露，且断层发育，为地下水储存和大理岩岩溶发育创造了良好的条件，洞线围岩具备赋存大量高压水（泥浆）的可能。面对高压、大流量地下水，若仍然按照规范或者采取经验性的参数不能满足要求。因此，通过重点研究高压、大流量地下水超前帷幕灌浆封堵技术，提炼出了一套适合高压、大流量地下水被揭露前进行超前帷幕灌浆的施工工艺，并得出结论：高压、大流量地下水发生在断层破碎带时，超前帷幕灌浆宜设计成全断面帷幕（图9）；若出水段以溶蚀裂隙、断层、管道为主，宜采用有针对性的局部超前帷幕灌浆，从而达到超前止水之目的（图10）。

圆梁山隧道是渝怀线上最长的隧道，长11 068 m，地勘揭示存在两层承压水[11]。毛坝向斜高压富水区长2 200 m，该隧道最大涌水量为8.3×104m3·d－1，正常涌水量为5.5×104m3·d－1，施工中最大涌水量为6.9×104m3·d－1。在毛坝向斜高压富水区施工中，揭露出5个溶洞体构造。在探测到溶洞存在后，经各方讨论分析，决定采取“超前长管棚支护，小导管注浆加强”方案，以“固砂堵水，稳定地层”为施工原则，采用“长短孔结合复式注浆”施工方案。在DK354+460~DK354+475段实施了“长短孔结合复式注浆”方案；全断面深孔超前预注浆采用“蝶式”设计（图11），全断面TSS管超前预注浆采用“环式”设计（图12）；超前预注浆完成之后，对注浆不足部位和注浆盲区进行小导管补充注浆。溶洞区经注浆加固后，在大管棚和超前小导管及浆液固结体的共同作用下，采取了全断面开挖。开挖后测试围岩变形情况，围岩极其稳定，其水平收敛和拱顶下沉仅为3~5 mm，取的了很好的注浆效果。

大瑶山隧道九号断层属于压性冲断层，主干断层以断层泥为主，根据九号断层的岩体结构特征，将其划分为三个相互独立的水文地质单元，即隔水体、裂隙含水体和强富水体[12]。在该段施工时，强富水体部位最大涌水量达5×104m3·d－1，占整个断层涌水的85%。开挖时突发性涌水以及管道含水体，存在于断层下盘岩溶化岩体中，属于岩溶深部循环带，与地表岩溶相通，静储量不大，但受大气降水影响十分明显，暴雨后可突发涌水，动水压力较大。由于隧道开挖，管道含水体运动条件改变，大量管道水向隧道排泄，在潜蚀和真空吸蚀作用下，引起该段地表地面塌陷。施工期间，为了降低地下水压力，减少因水害造成的危害，除利用超前平导进行排水降压外，还采用了在掌子面钻孔排水降压的方法。采用了超前管棚和洞周超前半封闭浅孔预注浆堵水加固围岩等超前支护技术，同时进行围岩稳定性监测，改全断面开挖为上下断面开挖。

图9 全断面布孔

图10 超前预注浆局部布孔

全长4 050 m的歌乐山隧道[13-14]，集瓦斯、煤层、采空区、溶沟、溶洞、溶蚀洼地、富水断层破碎带于一体，尤其是岩溶水与地表水系连通，使隧道涌水达到2.2 MPa以上的高压和每日5.3×104m3的流量。根据地质条件和环境保护要求，该隧道提出了“堵水限排”原则，在涌水压力2.2 MPa、累计长度2 439 m的岩溶富水段采用钻孔突发涌水注浆、周边浅孔预注浆、全断面深孔帷幕注浆堵水等施工方法；并在此基础上结合工程实际自行研制了轨行式钻孔注浆列车，月平均全断面帷幕注浆、开挖、支护达45 m以上，解决了长期存在的注浆设备不配套、进度不快的难题。隧道建成后，每延长1 m隧道出水量小于1 m3·d－1，有效地保护了水资源和生态环境。

2.2 冻结法

冻结法是利用人工制冷技术使地层中的水冻结，通过把天然岩土变成冻土达到增加其强度和稳定性的目的，同时隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行隧道、竖井和地下工程的开挖与衬砌施工。随着城市地铁建设的兴起，冻结法己开始逐步被应用于地铁隧道施工中，在北京、广州、上海和深圳等地的地下铁道建设过程中，己经采用了垂直孔冻结技术和水平孔冻结技术，并取得良好的效果。

深圳地铁4A标段暗挖隧道，位于深圳市闹市区和平路与解放路交叉路口，区间由东向西先后穿越广深铁路桥、人民桥和布吉河[15]。其开挖段曾是古河道回填，地面上又有广深铁路桥通过，水文地质条件极为复杂，地下水流速大，地层透水性强，地层结构松散，自承力极差。尽管在工程开工前对地层进行了旋喷桩施工，但是在竖井开挖时，因地下水极大，造成原旋喷桩封水不起作用，开挖时发生几次大的突水涌砂事故，直接威胁广深铁路桥的安全。为保证工程的顺利进行，决定在铁路桥下采用冻结法施工。冻结止水帷幕平面布置如图13所示。

图11 全断面深孔超前预注浆及泄压孔设计

图12 全断面TSS管超前预注浆设计

图13 冻结止水帷幕平面布置

冻结施工中，地下水水力坡度大、流速大，通过对测温数据的分析判断，提出了采用液氮或干冰实行强化冻结，同时以封、堵、泄等方法减小地下水流速，在最短的时间内顺利地完成了冻结施工任务，开创了用常规冻结法进行大流速地层开挖的先河。

北京地铁复兴门至八王坟的南隧道，在由东掘衬至大北窑车站东侧的隔断门时，隧道顶部遇到了粉细砂层，发生坍塌，并造成地表的沉陷，据勘测资料，此段的粉细砂层厚约1~2 m，鸡窝状赋存，呈流态，粉细砂的水饱和与隧道上面的地下排污水管线渗漏有关[16]。此段隧道正处在国贸立交桥下，是长安街和东三环的交叉要道。根据施工环境和困难的地质条件，认为采用人工地层冻结施工最可靠，可以保证地下管线和地面交通安全。采用冻结法施工后，拱顶冻土厚壳和下部黏土层形成封闭防水结构，有效地提高了暗挖隧道土体的稳定性，降低了管线渗透的影响。同时，隧道水平冻结为掘砌施工创造了良好的工作环境，掘衬施工效率明显提高。

图14 冻结孔布置

南楼站至土城站区间隧道是天津地铁1号线的重要组成部分，位于天津市河西区爱国道与解放南路之间，联络通道及泵站工程在区间隧道里程DK18+700处[17]。联络通道由与左右线隧道正交的水平通道及通道中部的集水井组成。联络通道位置地面标高为+3.31 m，地下水稳定水位为1.80 m。本段地层地下水较丰富，洞身易发生坍塌变形和不均匀沉降，壁易坍塌失稳，基底易产生涌泥砂、涌水、隆起等不利现象。特别是集水井位置土层含水丰富、水压大、渗透性好，地下水具微承压性，容易引起水、砂突出。因此，在施工联络通道时必须对施工影响范围内的土体进行稳妥、可靠的加固处理。根据施工条件，并结合上海地区软土中地铁联络通道的工程实践，决定采用“隧道内水平冻结加固土体，隧道内开挖构筑”的施工方法，即在隧道内采用冻结法加固地层，使联络通道外围土体冻结，形成强度高、封闭性好的冻土帷幕，然后在冻土帷幕中采用矿山法进行通道及集水井的开挖构筑施工，冻结孔布置如图14所示。采用冻结法施工后，防止了涌水、涌泥，保护了地下管线，保障了隧道的施工安全，同时在无水状态下施工，对隧道衬砌工程质量的提高起了很大的作用。

2.3 模袋、索囊法

岩溶及特殊岩溶地质的地下水具有高压、大流量的特征，以往传统的封堵方法不能取得理想的效果。为此，引入了模袋、索囊封堵技术。模袋与索囊是由特殊的纺织工艺织成，使用的基本材料为尼龙、聚酯或聚丙烯等（图15~16）。强度高的织物，灌注时具有一定的渗水性而不漏水泥。模袋材料由于具有强度高、整体性好和析水固结性能好、柔软可变形等特性，适合于大流量、高流速情况下的堵水。索囊的原理与模袋类似，是微缩版的模袋，主要适用于溶蚀裂隙、溶蚀宽缝及串珠状溶蚀孔洞等小型的漏水体系。

图15 模袋实物

图16 灌浆后模袋膨胀堵塞漏水

锦屏辅助洞长17.5 km，由A、B两条相间35 m的上下行隧道组成，隧道洞身埋深大（最大埋深2 375m），断层、褶皱、可溶岩发育，最突出的工程地质问题是高压、大流量涌突水及高地应力产生的强岩爆灾害，严重威胁隧道施工安全[18]。由于辅助洞西端可溶岩地层岩性、地质构造背景的差异，地下水除共同具有流量大、压力高的特点外，T2Z地层还具有衰减快的特征，而T2b地层则流量较稳定、衰减缓慢。针对特殊岩溶的涌突水，研究决定在辅助洞西端A、B线以下位置使用模袋、索囊封堵技术处理。对集中出水的溶蚀管道、溶洞和裂隙宽缝采用模袋技术予以封堵（图17）。施工工艺流程依次为：绑扎模袋、下模袋、对模袋注浆膨胀、屏浆。模袋与索囊封堵技术有效封堵了高压大流量地下水，为隧道安全施工创造了条件。

齐岳山隧道位于湖北省利川市境内，属上下行分离式双车道特长公路隧道，长3 300 m，最大埋深560 m[19]。隧道在川鄂湘黔隆褶皱带内穿行，岩质以灰岩为主，间夹有页岩及煤层，背斜核部附近发育齐岳山断裂和德胜场断层，系岩溶极发育地段，地下水主要为岩溶水。该工程涌水量大，严重影响施工。施工过程中最大一次岩溶涌水8 700 m3·d－1，淹井长度达810 m，中断施工117 天。为治理涌水，采用了模袋进行孔口封堵，将滤排水式模袋绑扎在注浆管的孔口段，并从模袋内引出孔外一根注浆管。模袋注浆后，其体积膨胀与孔壁紧密贴合形成良好的孔口封堵，模袋膨胀后直径约是钻孔孔径的2倍，长度约为50 cm。