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控制隧道涌水的关键技术(一)

发布时间:2018-02-02 发布者:力程建设工程 点击量:

施工期困扰

水常常是影响公路桥梁隧道正常施工的关键因素。在实际的施工过程中,地下水会使一部分围岩趋于不稳定,也可能会造成洞体塌方,是隧道施工安全的重大隐患,增加了前期支护的困难,恶化了施工环境。


运营期困扰


在后期公路桥梁隧道运行过程中,地下水会从变形缝、施工缝、衬砌结构非正常裂缝等裂隙中渗漏出来,导致隧道内积水,侵蚀隧道内的照明灯具等设备,严重的甚至会影响行车安全,造成洞内湿滑或渗水挂冰侵入建筑限界,还容易引发车祸。同时,如果地下水属于侵蚀性或者容易结冰冻胀,会严重损害衬砌结构。

隧道涌水虽然恼人且复杂,但也十分正常,因为要使地下工程做到完全的无水条件施工,是一个较为理想化的条件,不管是山岭隧道,还是城市隧道,在存在地下水的条件下,要保持无水条件施工,是较为困难的,而且也是不经济的。

所以,与水斗的问题既要正视它,也要方法得当、适度,很多问题是可以解决的,就连新关角隧道这样高海拔、超强涌水的隧道也被人类征服了。但是,为什么要讲究方法呢?如果遇水就选择大量排水、将遇水就采取大范围注浆止水、二次衬砌等发生渗漏水了再补,这些较为随机的方法、事后补救的措施,并不是解决问题的最好办法。


1地质勘查要先行

隧道涌水,视其发生位置、涌水量、发生时期、涌水量的历时变化等,有多种表现形式。隧道开挖中的涌水,根据其发生位置和测定位置,可分为掌子面涌水、区间涌水和洞口涌水三类。


隧道涌水的分类


在工程实践中,隧道涌水现象总是与地质构造有关。日本根据已有的工程实践经验,总结了地质构造与涌水现象的关系,作为采取地下水对策的基本依据。



进行地质钻探和超前预报,掌握掌子面前方一定距离内的围岩和地下水的状态及其可能发生的变化非常重要,我们如果能做到心中有数,尽可能地事先排除发生大量涌水的可能性,尽可能事先地进行降水压处理,将优化我们的施工,保证施工质量,节约成本。


挪威海底隧道采用地质钻探先行,在掌握地质情况的基础上,可以放心大胆地进行大断面开挖。日本北海道地区要求在不良地质、软弱围岩中必须将地质超前预报作为施工组织的一部分,从进洞到出洞完全以水平钻孔作为引导,如若钻探1000m地质(日本超前钻孔机械钻进速度可达100m/d,也就意味着1000m钻孔10天就可完成,不影响施工进度),可以确保半年的施工的速度,在这半年中可以无担忧的进行水处理、排水、降水压。


超前钻孔按其长度大致分为4级,即,短钻孔:20~50m,中钻孔:数百米以下,长钻孔:数百米以上,超长钻孔:1000m 以上。


从机械能力和钻孔的要求两方面看,掌子面超前钻孔多采用短~中长的钻孔。 短超前钻孔的优点是可以用钻孔台车的凿岩机钻孔,长和超长钻孔要不影响掌子面掘进钻孔,因此,要设钻孔基地。


钻孔可按如下工作性质分类:

(1)地质调查钻孔:事前掌握掌子面前方围岩的状况;

(2)排水钻孔:事前排出掌子面前方的水或气体,减轻水压或气压;

(3)注浆用钻孔:补强或改良掌子面前方围岩;

(4)其他钻孔:设置锚杆,用于通风、投料等。


地质调查钻孔与排水钻孔,在许多场合都是兼用的。



2适度处理是根本

1考虑各开挖段涌水的特殊性

我们知道隧道涌水存在于复杂、多样、可变等特点,同一岩层中相距很近的钻孔,测得的地下水位差别很大,水质与动态也有明显不同,富水性可相差数十倍至数百倍,甚至一孔有水而相邻孔无水。


裂隙涌水使得相邻孔位水量悬殊

所以,我们并不能片面地以某处水量大小来表征同一岩层涌水情况,也不可以将某掌子面的地下水处理方法用在所有断面中。


2以围岩为本的治水措施,相得益彰


隧道施工时,我们在开挖过程中揭穿了含水层,给地下水一个涌出的通道,这些地下水有可能是孔隙水、裂隙水,或隧道处于岩溶区的岩溶水,它们都与地质息息相关,岩层有节理裂隙就有水的藏身之处,有通道就有水的涌动场所。


特别是岩溶隧道涌水施工。岩石的可溶性和裂隙性以及水的侵蚀性和流通性是岩溶发育的基本条件,这些岩溶水赋存于溶孔、溶隙、溶洞中,由于水的存在以及水的流通循环与岩溶相生相伴、发生发展、密不可分,不断促进含水空间演化,给岩溶地区的隧道施工带来了极大的困难 。尤其在高压富水 、深埋充填型溶洞施工中爆发的大型突水 、突泥 、涌砂现象对隧道施工的影响最为突出 。 由于复杂的地质构造和高水压岩溶水的存在 , 使岩溶隧道的施工成为当今一个罕见的极具挑战性的技术难题。 



岩溶区隧道涌水


岩溶区隧道突泥


地质先行并以围岩为本,探查清楚掌子面前方的地质构造、地质特征、岩层性质对采取适宜的涌水控制方案,非常重要。根据地质特点向斜构造可采用“以堵为主,适量排放”,而背斜构造可采用“以排为主,排堵结合”,软弱断层带涌水处治还应考虑围岩稳定性问题,岩溶区防排水宜分类进行等等,治水与围岩条件相结合,相得益彰。


2考虑涌水状态及水压,适度处理

多数隧道,特别是围岩条件良好的隧道,地下水对掌子面稳定性影响比较小时,完全可以在正常排水的条件下顺利施工,这已为许多工程实践所证实。在围岩条件较差的隧道,只要能够保持隧道的渗漏水在施工可接受的范围内,采用施工排水也是可以施工的。


因此,不同隧道的施工可接受的渗漏水条件是解决围岩较差隧道正常施工的关键因素之一


其实我们不能忽略的一点是,围岩本身往往是一个很好的抗渗屏障,岩石本身的渗透性很低,具有显著的气密性特点,也具有良好的隔水性能。但由于其是天然的、不匀质的,节理的发育和特性不同,其渗透性差异极大,它是决定涌水量的基本因素


褶皱岩层裂隙发育


进入隧道的涌水量取决于多种因素,如:

• 隧道的开挖断面积;

• 隧道的深度;

• 岩石的初始渗透系数;

• 水流的初始梯度;

降水量的补充值等。



在事前进行地质钻探和施工过程中,能够正确掌握围岩综合渗透系数,或对渗透到围岩中的涌水量进行分级,对决定控制涌水的对策是很重要的。

我国总结了地质构造与涌水现象的关系,作为采取地下水对策的基本依据。《工程岩体分级标准》(GB 50218—2014)与《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50287—2006)规定的地下水出水状态的分级,基本一致:


基本上我们把隧道涌水状态分为5级,即干燥潮湿、渗水滴水、线状流水、经常涌水、突发大量涌水


一般来说,在干燥潮湿、滴水渗水的状态下,基本上可以不采取排水对策进行施工。而在其他场合,均需采取不同的排堵水措施进行施工。


也就是说,在涌水量 q≤2.5L/(min.m)时,基本上可以认为是在无水条件下施工。在一般情况下,线状流水、经常涌水可以用自然排水方式排出,而大量、突发涌水,则需要采取特殊的地下水对策予以解决


我们可通过工程地质水文地质勘查,进行岩层构造、岩石节理裂隙的调绘和统计,观测钻孔水位量测钻孔附近泉水流量和取样试验通过对涌水量不断增加或衰减趋势的变化统计,预测最大涌水量,计划排水工作量和堵水需求。


抽水台班数量,一般是根据设计单位地质专业现场实际测量抽水量计算的,用电量是在考虑了涌水量配备的水泵台数扬程电机效率水泵效率抽水所需时间的基础上,采用理论计算公式计算所得。


3考虑环境影响,适度处理,优化设计


      不知道大家有没有注意,我们现在很多隧道建成之后,水的问题仍然存在,运营中的渗漏水对地表生态环境已经成为隧道防水的重要挑战,造成植被破坏、水土流失也比比皆是。运营中的全包方式,又导致静水压力大,隧道衬砌难以承受,所以隧道防排水是一个很有挑战性的难题。


我们应该意识到地下水是重要的地下资源,它在地层中本就处于“水平衡”状态,涌水也是因为我们的人类活动而引起的。


我们不得不考虑隧道开挖、涌水处理、防排水不当的同时可能破坏生态环境,导致地表植被大面积枯死,发生井水枯竭地表面下沉农作物的水源枯竭等对周边环境居民的影响,做得适度处理,优化设计。

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