甬舟铁路金塘海底隧道矿山法段地下水限排标准研究

2023-11-10毛优达罗士瑾唐铭蔚凌学鹏王文正刘大刚毛升

铁道标准设计 2023年11期

毛优达，罗士瑾，唐铭蔚，凌学鹏，王文正，刘大刚，毛升

(1.舟山市铁路建设中心,浙江舟山 316000; 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031;3.西南交通大学土木工程学院,成都 610031; 4.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

伴随我国经济建设的飞速发展,交通基础设施建设速度更是不断加快,隧道与地下工程的建设规模越来越庞大,其中海底隧道的需求及修建数量也逐年攀升[1-5]。

海底隧道“V”形反坡排水需要采用机械强制抽排,隧道排放标准合理选择对海底隧道后期运营费用有重大影响[6]。矿山法隧道防排水模式是根据隧道所处的地质条件对隧道水压力的处理方式进行分类。目前,对水压力处理各国的观点基本一致,均按照二次衬砌是否承受水压来进行划分,可分为3种,即完全封堵型隧道、局部排水型隧道和全排水型隧道,排水模式见表1。结合相关规范[7]总结出不同排水模式的适用条件。

表1 隧道防排水模式

从相关文献中调研了目前国内外已建成的7座海底隧道[8]的排放模式及限排量。调研结果显示,已建成的海底隧道以采用限排为主、局部海域段采用全包防水模式,允许排放量为0.072～0.43 m3/(m·d)。

海底矿山法隧道的限排依据多与围岩构造特性、渗透性以及水压力值等相关。以国内海底矿山法隧道为例,厦门翔安海底隧道[9]、胶州湾海底隧道[10]和珠江口铁路隧道[11]限排标准设置的依据来源于对涌水量较大的区域(如断层破碎带段、海域段的软弱围岩段等围岩渗透性极好的区段)注浆堵水处理的控制值。对于其余涌水量较小区段可继续采用该标准或者在保证结构安全的前提下适当降低其限排标准[12]。

目前对海底隧道限排标准设置的研究较少,而海底隧道限排标准是影响隧道运营成本的关键因素。为此,以甬舟铁路海底隧道陆域段为依托工程对海底隧道限排标准进行研究。

1 工程概况

金塘隧道为新建宁波至舟山铁路全线的控制性工程之一,位于浙江省东北沿海地区,如图1所示。

图1 甬舟铁路平面示意

隧道进口位于宁波市北仑区小港街道,于青峙河西侧下穿金塘水道,在大浦口北侧登陆舟山金塘岛,出口位于舟山市定海区金塘镇永昌村境内[13]。

该项目起讫里程DK14+623.00～DK30+713.00,全长16.09 km,单洞双线,其中矿山法施工段约5.13 km。矿山法段隧道主要位于丘陵区,岩性主要为侏罗系上统流纹质英安岩,强～弱风化,表层覆盖有残坡积含砾粉质黏土;隧道洞身主要穿越弱风化流纹质英安岩地层。宁波侧矿山法段主要发育有 F1、F2、F3三条断层,局部区域发育有节理密集带,节理密集带及断层破碎带影响范围内岩体裂隙发育,岩体较破碎。矿山法段围岩级别以Ⅲ级为主,仅隧道和辅助坑道进出口、断层带、节理密集带等软弱部位为Ⅳ～Ⅴ级,如图2所示。

图2 矿山法区域段围岩级别长度比重

地下水的径流方向基本与地表水一致,山岭段斜坡洼地地带为地下水的补给、径流区,河谷地带为其排泄区,主要受大气降水补给,通过风化裂隙或构造裂隙网络径流,在低洼处以下降泉的形式出露,水量一般较少,季节性明显;在断层破碎带及裂隙密集带等储水构造中,构造裂隙水发育,分布不均,水量丰富。富水程度较高地区强富水围岩最大涌水量达7.2 m3/(m·d),地下水位最大196 m。局部区段涌水量较大,涌水量区间1.5～7.2 m3/(m·d)区段长度所占比重较小,为19.19%,如图3所示。

图3 矿山法区域段预测涌水量统计

2 甬舟铁路海底隧道矿山法结构防排水模式研究

2.1 海底矿山法隧道防排水模式研究

矿山法隧道防排水模式根据隧道所处的地质条件对隧道水压力的处理方式进行分类。目前对水压力的处理各国的观点基本一致,均按照二次衬砌是否承受水压来进行划分,可分为三种:完全封堵型隧道(全包型)、局部排水型隧道和全排水型隧道。

金塘海底隧道矿山法段位于陆域,地下水的排放可能会对隧道造成一系列不利影响(如结构上浮问题、渗漏问题、高水压问题和地面沉降问题等),同时在运营期内将产生一系列的次生环境及工程问题,因此,地下水的排放选择主要和运营期费用关系较大。

根据国内海底矿山法隧道(厦门翔安海底隧道、胶州湾海底隧道)的防排水设计经验,对于海底隧道海域段全、强风化地段、断层破碎带地段等区域,海底补给量大、围岩透水性好,通常采用全包型衬砌;海底隧道陆域地下水发育段、海域微风化地段通常采用排导型衬砌[14-18]。

2.2 海底矿山法隧道限排标准研究

目前针对已建成的7座海底矿山法隧道陆域段限排标准进行调研,其中海底隧道陆域段允许排放量在0.072～0.43 m3/(m·d)。将上述隧道允许排放量绘制成散点图,海底隧道陆域段最大限排量为0.43 m3/(m·d),限排量在0.25～0.43 m3/(m·d)区间的频率(区间点数/总数)为57.14%,如图4所示。

图4 已建成的海底隧道限排标准

围岩注浆加固效果差异较大,为降低围岩注浆体渗透系数,注浆材料及注浆方案的选定尤为重要。

注浆材料应根据堵水、加固要求,以及是否作为永久性支护结构等方面,并从无毒性、无污染角度综合考虑进行选择。注浆方案的选择主要参考依据有地质勘探数据、超前地质预报成果、涌水量大小和以往类似工程经验等。一般来说,在节理裂隙较发育且水量或水压较大地段也应采用超前预注浆方案;在围岩完整、节理、裂隙不太发育地层中,局部出水或渗漏水地段可采用开挖后径向注浆及局部注浆方案。

限排标准的设定与区域地段围岩渗透特性相关。根据《厦门东通道施工设计说明(翔安海底隧道)》陆域段岩层的完整性较好,围岩的渗透系数为0.012 m/d。根据《铁路工程水文地质勘察规范》[19],其正常涌水量为0.324 m3/(m·d),考虑注浆加固封闭裂隙和初期支护的封堵作用,隧道建成后稳定涌水量的1/10考虑,即0.032 4 m3/(m·d)。而胶州湾隧道以对断层破碎带采用全断面注浆堵水后的涌水量0.4 m3/(m·d)作为限排标准。故丹麦斯多贝尔特大海峡隧道、挪威马斯特扩海底隧道以及厦门翔安海底隧道陆域段等限排量设置标准较低。

3 甬舟铁路海底隧道矿山法隧道段防排水模式研究

海底隧道矿山法段的限排标准主要集中在0.25～0.43 m3/(m·d),如图5所示,围岩完整性差、渗透性好,限排标准相对越高[20-21]。局部地区为特殊地质构造段(断层破碎带)与胶州湾海底隧道的情况较为接近,故参考胶州湾海底隧道的限排标准,初步确定0.43 m3/(m·d)作为全线的最大限排量,见表2。