閱讀 3599 次 隧道工程防治突水技術(shù)簡介

隧道工程防治突水技術(shù)簡介

李貴仁

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，河南洛陽471009)

    20世紀80年代以來，隨著我國國民經(jīng)濟飛速發(fā)展的需要，山區(qū)鐵路建設(shè)大量增加，而且鐵路選線大多以長大隧道的方式通過越嶺地段。由于隧道本身穿越不同的地質(zhì)單元體，從而不可避免地遇到涌水、巖爆、坍塌及地?zé)岬鹊刭|(zhì)災(zāi)害，其中尤以涌水最為普遍和嚴重。為此，本文對隧道、防治突水技術(shù)進行介紹。

1.突涌水的地質(zhì)特征

    分析隧道突涌水的地質(zhì)構(gòu)造和特征是進行防治水的第一步，通常主要根據(jù)勘察和設(shè)計文件的地質(zhì)資料并結(jié)合巖溶隧道施工實踐來判斷分析，根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)以及我國大量隧道施工中產(chǎn)生涌突水的部位分析。可能產(chǎn)生涌突水的地質(zhì)條件主要有：

    (1)向斜盆地形成的蓄水構(gòu)造。向斜盆地軸部往往富含地下水。

    (2)背斜軸部逆沖斷層的上升盤。隧道穿越背斜分水嶺時，往往產(chǎn)生逆沖擠壓斷層帶，斷層的下盤受壓，雖破碎但擠壓緊密，不易透水；而上升盤由于牽引作用，張裂隙發(fā)育，多成為導(dǎo)水通道，富水性強。

    (3)斷層破碎帶、不整合面和侵入巖接觸帶。特別是活動性斷層，其未膠結(jié)構(gòu)造巖和派生構(gòu)造常形成斷層含水構(gòu)造。

    (4)可溶巖與非可溶巖接觸面、膏溶面和碳酸鹽巖層間滑動帶。極易發(fā)生強烈溶蝕生成溶洞，很多巖層面走向發(fā)育的地下河都處在層問滑動帶上，在石灰?guī)r、白云巖與碎屑巖或煤系地層的接觸面上最易匯集地下水而形成溶洞。

    (5)其他含水構(gòu)造、含水體，如層狀隔水層形成的含水體、巖溶地層中的孤立含水體等。

2.預(yù)防突水的方法

    防治水的方針是“以防為主，防治結(jié)合”。具體操作上是“遠程控制，中程防治，近距加固”。

    2.1超前地質(zhì)預(yù)報

    超前地質(zhì)預(yù)報是確保施工安全以及隧道完成后安全運營的一項重要技術(shù)措施。超前地質(zhì)預(yù)報和隧道開挖之間的原則是“有疑必探、先探后挖、不探不挖”。根據(jù)長大隧道的特點，為提高超前地質(zhì)預(yù)報的準確性，主要采取四結(jié)合原則：長距離和短距離相結(jié)合原則，宏觀和微觀探測相結(jié)合原則，構(gòu)造探測和水探測相結(jié)合原則，物探與地質(zhì)、鉆探相結(jié)合原則。

    超前地質(zhì)預(yù)報方法主要有：

    (1)TSP 203超前地質(zhì)預(yù)報。隧道地質(zhì)預(yù)報中通常選用 TSP地震探測法作為遠程控制，其他長期預(yù)報手段通常作為進一步探測不良地質(zhì)體的輔助措施。TSP 203地震探測法主要根據(jù)地震波的回波原理，人工制造一系列規(guī)則排列的輕微震源，形成一個地震源斷面，同時，三維地震波接收器在計算機的監(jiān)控下，采集這些震源所發(fā)出地震波沿隧道前方及四周區(qū)域傳播而遭遇不良地質(zhì)體被反射返回的地震波數(shù)據(jù)，以預(yù)報掘進工作面前方l00～200m的構(gòu)造斷裂帶、軟弱夾層等的位置、寬度，巖溶洞穴的位置和充填情況等。

    (2)地質(zhì)雷達。地質(zhì)雷達是利用無線電波檢測地下介質(zhì)分布和對不可見目標或地下界面進行掃描，以確定其內(nèi)部形態(tài)和位置。通過測定與巖溶含水性有關(guān)的介電常數(shù)的變化來探測充水的地質(zhì)體，如含水的斷層、巖性界面和溶洞等。其對隧道底部、邊墻和隧道頂部外圍巖體的不良地質(zhì)探測效果最好，其探測距離一般小于30m。較準確預(yù)報的距離約10m。在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中地質(zhì)雷達主要用來判斷前方不良地質(zhì)體的范圍和大小。

    (3)紅外線探水。紅外探水法主要根據(jù)探測掘進工作面或洞壁四周地下水活動引起的巖體紅外輻射場強的變化，來推測是否有隱伏的含水體。當(dāng)隧道掘進工作面前方存在含水構(gòu)造時，含水構(gòu)造產(chǎn)生的異常紅外輻射場會疊加到圍巖的正常輻射場上，紅外探測儀顯示屏上的曲線會出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變。而當(dāng)掘進工作面前方?jīng)]有含水構(gòu)造時，所測定的紅外輻射場為正常值，數(shù)據(jù)近似為一條直線。由于其探測距離較小，常作為驗證巖體是否含水的輔助手段。

    (4)超前水平鉆探。超前水平鉆探是目前被廣泛采用的最有效的超前地質(zhì)預(yù)報方法，分為取芯鉆探和不取芯鉆探。鉆孔取芯雖然造價高、時間長，但能反映實際地質(zhì)情況，且取得的巖心可以進行各種室內(nèi)試驗，以確定最佳的施工方法、支護方式、防水處理、襯砌結(jié)構(gòu)等。通常在地質(zhì)特別復(fù)雜的情況下使用。特別是對富水帶超前探測、排放、控制突水和洞內(nèi)泥石流的發(fā)生有重要參考價值。可從巖心編錄，鉆速，鉆頭壓力，轉(zhuǎn)動力矩以及地球物理綜合測井，獲得精度很高的綜合柱狀圖。不取芯鉆探主要根據(jù)鉆速，鉆頭壓力，轉(zhuǎn)動力矩，回水顏色、濃度，漏水和涌水以及誦出物來判斷前方地質(zhì)情況，也可兼做超前泄水孔進行泄壓排水。超前水平鉆探主要用來驗證TSP探測或地質(zhì)雷達探測到的不良地質(zhì)體的確切范圍和規(guī)模。

    (5)地質(zhì)素描和鉆速測試。地質(zhì)素描是在開挖過程中，及時記錄掘進工作面巖體內(nèi)的節(jié)理、裂隙、斷層、巖脈、地下水狀況等地質(zhì)信息，并根據(jù)這些信息運用地質(zhì)學(xué)原理分析推斷隧道前方的地質(zhì)狀況，為隧道施工提供依據(jù)。在一般裂隙發(fā)育段可在鉆設(shè)炮眼的同時進行鉆速測試，通過對鉆速、推力、旋轉(zhuǎn)力矩、給水量、反水量、反水顏色、濃度變化等資料的判斷和把握推測前方不良地質(zhì)段和性狀，以判斷前方圍巖破碎程度、集地層的含水情況。探孔一般選5個，分別布設(shè)在拱頂、兩側(cè)邊墻、拱底和中間位置，均呈水平布置。

    2.2防突水安全管理

    (1)異常處理程序。建立異常處理程序是為了在特殊情況下能按照一定的程序有條不紊地快速應(yīng)對復(fù)雜的地質(zhì)情況。異常處理程序見圖l。

圖1異常情況處理程序

    (2)防突水預(yù)案。根據(jù)隧道的不同情況制定不同的防突水預(yù)案，其主要內(nèi)容有：超前地質(zhì)預(yù)報分析，涌突水征兆分析，洞內(nèi)涌水量實時監(jiān)測，鉆進防突措施，反坡隧道抽排水設(shè)施，設(shè)立警報裝置，危險情況下逃生訓(xùn)練，救護訓(xùn)練，注漿堵水預(yù)案，防災(zāi)機構(gòu)及物質(zhì)準備以及涌突水災(zāi)害防止教育訓(xùn)練等。

    (3)建立健全安全組織。安全是防治水工作的前提和目標，主要建立健全安全生產(chǎn)體系和完善安全保障措施，成立各級安全領(lǐng)導(dǎo)小組，制定防治水安全規(guī)章制度，定期進行安全講座和培訓(xùn)，加強對生產(chǎn)過程的安全控制。

3.治理突水的技術(shù)

    突涌水的治理原則是“以堵為主，堵排結(jié)合，綜合治理，保護環(huán)境”。

    3.1開挖前堵水

    (1)堵水方案選擇。針對隧道施工中遇到的斷層破碎帶、巖溶富水段等不良地質(zhì)體，為保證隧道施工安全、施工質(zhì)量以及隧道建成后的運營安全，防止地下水的大量流失，保護環(huán)境，根據(jù)現(xiàn)場條件，主要采取注漿堵水和加固來處理富水段，保證隧道的正常開挖和有效減少透水地層的滲透能力，增大透水途徑，降低滲水量。根據(jù)超前地質(zhì)鉆孔揭露的地層狀況和富水情況，確定治水方案。

    (2)注漿材料。主要采用普通水泥單液漿、普通水泥一水玻璃雙液漿、HSC漿液或TGRM漿液。注漿材料配比采用普通水泥單液漿，普通水泥一水玻璃雙液漿，HSC或TGRM漿液。現(xiàn)場注漿施工中根據(jù)情況進行漿液種類和配比的選擇調(diào)整。注漿材料使用時按以下原則選擇：對探孔注漿、徑向注漿、破碎帶注漿以及帷幕注漿以普通水泥漿為主，局部水大時兼用水泥一水玻璃雙液漿；對砂層地段宜采用HSC漿液或TGRM漿液等超細型注漿材料；對高壓富水段應(yīng)綜合采用各種注漿材料。漿液濃度的選擇和變換應(yīng)根據(jù)涌水類型(斷層涌水和巖溶涌水)和涌出物顆粒大小以及涌水量大小綜合考慮，一般原則是由粗到細，由單液到雙液，由高濃度到低濃度(大涌水)或由稀到濃(小裂隙)。

    (3)注漿順序與工藝。注漿順序按由下到上、由外到內(nèi)、由遠水源處到近水源處間隔調(diào)孔的原則進行。注漿工藝采用全孔一次性注漿和分段注漿相結(jié)合的混合注漿法。當(dāng)鉆孔中涌水較小時采用全孔一次性注漿；當(dāng)鉆孔涌水較大和圍巖破碎時采用分段注漿工藝。分段長度視涌水量大小和圍巖破碎程度而定，一般以5 m為一分段長度。

    (4)效果檢查及評定。注漿效果評定是判斷開挖施工方案的依據(jù)。注漿效果檢查評定通常采用分析法、鉆孔檢查法和力學(xué)指標法3種，要注意檢查注漿時的過程控制。若達不到注漿效果應(yīng)進行補孔注漿。檢查孔位置根據(jù)現(xiàn)場鉆孔注漿情況設(shè)計。

    3.2開挖后治水

    當(dāng)開挖通過富水地段時，對于隧道圍巖的局部滲漏水段，如不及時處理將會出現(xiàn)由滲向滴水一線狀滲水一集中涌水一高壓噴水的轉(zhuǎn)變。當(dāng)隧洞由滲、滴水段進入線狀滲水段時，應(yīng)對滲漏水嚴重的地段進行注漿治水，此時注漿堵水主要采用局部注漿和徑向注漿方式。開挖后注漿堵水是在巖層已經(jīng)揭露情況下進行的，由于巖層裂隙貫通和外露，注漿堵水作業(yè)較為困難，處理方法是找出滲漏水的主要裂隙，采用鉆孔引流，將面上的滲漏水變?yōu)辄c上的滲漏水，注漿時采用凝膠時間較短的cs雙液漿或超細水泥漿液。

4.結(jié)論及建議

    (1)對長大山嶺隧道防治突水應(yīng)采取“以防為主，防治結(jié)合”的方針，以降低隧道突水發(fā)生的危害為主要目標。

    (2)長大隧道必須確立防突水安全管理意識和突涌水應(yīng)急預(yù)案，以防不備。

    (3)根據(jù)探測到的不同地質(zhì)情況采取有針對性的處理措施，可以減少工程造價和縮短施工工期。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)