變質軟巖隧道施工中地下水滲漏處治措施

李皓暉，左昌群，唐霞，丁少林，劉代國

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074)

變質軟巖隧道施工中地下水滲漏處治措施

李皓暉，左昌群，唐霞，丁少林，劉代國

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074)

由于變質軟巖具有遇水軟化、崩解的特征，在隧道施工過程中易出現地下水滲漏、涌水等，給隧道施工安全帶來巨大隱患。以十堰至房縣高速公路武當群片巖隧道中典型地下水滲漏區段為主要研究對象，從災害段地下水滲漏特征、圍巖的水理性、地下水的物理力學作用等方面闡述了變質軟巖隧道施工中地下水滲漏的影響，并提出了有針對性的地下水控制措施。實踐證明，該措施對軟巖隧道地下水滲漏具有較好的控制作用，可為類似軟巖隧道富水段安全施工提供參考。

高速公路隧道 變質軟巖 地下水作用 控制措施

隧道滲漏水可能造成開挖時突水、突泥、翻漿冒泥、塌方等。地下水滲漏是隧道施工中常見的地質災害，同時也是其它地質災害的最主要的觸發和誘發因素之一［1］。對隧道地下水的處治一直是困擾工程界的難題，前人也做了大量研究，如李蒼松等［2］明確提出高水壓的概念，建立了隧道襯砌水壓力計算的概念模型，研究成果為高壓富水隧道設計提供了理論依據。王國棟［3］從技術和環保的角度，提出了在施工中對地下水處理的定性與定量標準、預測預報方法、高承壓水的注漿設計和程序。楊會軍等［4］針對滲流水以靜儲存或者動儲存為主的兩種情況，分別采用以排為主和以堵為主的兩種處治方式。

地下水能降低圍巖的強度和自穩能力，給隧道施工帶來不利影響，在元古界武當群(Pt2wd)片巖隧道中表現尤為顯著。該片巖極易受地下水影響，具有吸水膨脹、崩解及泥化等特點。在穿越武當群片巖地區的通省隧道中，地下水與圍巖的相互作用，促使圍巖劣化，施工中出現的多次大變形和塌方，與地下水的作用密不可分。因此，地下水對變質軟巖隧道施工的影響不容忽視，對其進行研究意義重大。

1 隧道地質概況

通省隧道長約6 890 m，屬分離式特長隧道，最大埋深約515 m，是十房高速公路上的控制性工程。隧址區屬構造剝蝕中低山地貌區，大地構造上處于揚子克拉通北緣和秦嶺—大別造山帶的交接部位，屬上揚子板塊。在長期的地質發展演化進程中，經歷了多期次、多階段的變形變質作用和巖漿活動，地質構造復雜。隧道主要穿越地層為元古界武當群片巖，該片巖具鱗片變晶結構，片狀構造，云母、綠泥石、滑石等成分含量較高，強度較低，屬于變質軟巖，易受地下水影響。隧址區元古界武當群片巖包含絹云母片巖、絹云母石英片巖、綠泥石石英片巖、絹云鈉長石英片巖四種，其中以絹云母片巖和絹云母石英片巖為主，其他兩種只在局部發育。絹云母片巖多為薄層狀，云母含量較高，片理發育，強度較低，局部具揉皺現象。絹云母石英片巖常見為中厚～厚層狀，石英含量相對較高，強度大，節理裂隙發育。這兩種圍巖時常交替出現(圖1)。隧道區基巖接受大氣降水入滲補給，隧道淺埋段風化裂隙較發育，裂隙水受地表水補給條件較好。

圖1 隧道圍巖分布

2 通省隧道地下水滲漏特征分析

2.1 隧道地下水滲漏情況

通省隧道自2013年11月9日爆破開挖后，在里程ZK114+610段線路右側邊墻錨桿鉆孔中有水流噴出(圖2)，其后掌子面局部出現股狀涌水和較大范圍淋雨狀滴水，地下水沿圍巖裂隙流出，初期支護上出現明顯滴水、濕斑。隧道為兩臺階鉆爆法施工，上、下臺階底部都出現20～40 cm深的積水(圖3)，影響現場施工。地下水的存在促進圍巖劣化，使圍巖強度降低，變形量增大，開挖過程中出現小型塌方。地下水的出滲還導致噴射混凝土難度增大，質量下降，引起初期支護強度不足。同時，受圍巖較大變形影響，初支混凝土局部出現開裂、掉塊現象。

圖2 邊墻錨桿鉆孔管狀涌水

圖3 上臺階底部積水及初支混凝土濕斑

2.2 滲漏特點

通省隧道施工過程中多處出現滲漏。滲漏現象具有以下特點:

1)滲漏范圍廣，形式多樣。隧道滲漏段有的長達幾百米，滲漏部位遍布洞身和掌子面各個部位。滲漏形式多變，有管狀涌水、股狀涌水、面狀滲水、淋雨狀滴水、線狀滴水等多種形式。

2)滲漏水量與形式受地質構造控制。滲漏水量的大小與地質構造關系密切，未經歷多次構造地段，節理裂隙不發育，圍巖閉合，地下水沒有良好的儲存空間，施工中少見滲漏現象，或只出現輕微滴水，滲漏水量小。在經歷多次張拉與擠壓地段，節理裂隙發育且張開，地下水擁有良好儲存空間，因而易出現涌水或淋雨狀滴水現象，滲漏水量大，危害較嚴重。

3)滲漏現象受巖性控制。滲漏多出現在絹云母石英片巖分布段，而絹云母片巖分布段地下水含量低，少見滲漏現象，或僅在兩種圍巖交界處有潮濕或者輕微滲水現象。因為絹云母片巖分布段，節理裂隙不發育，沒有良好的地下水儲存環境，且絹云母片巖中黏土礦物含量豐富，易吸水泥化，起到隔水作用，使地下水不能進一步向巖體滲透。

4)滲漏現象間歇性出現。滲漏現象間歇性出現受圍巖空間分布控制。如圖1所示，兩種圍巖的交替分布導致了涌水、滲水現象間歇性出現。

3 隧道地下水的作用

隧道開挖前后，地下水對圍巖存在著各種作用。隧道的開挖，給地下水提供了良好的排泄通道，促進地下水的運移，加重地下水對結構面的影響。地下水還以靜水壓力和動水壓力的形式作用于圍巖和支護結構，使其承受的荷載增大。地下水中部分化學物質能腐蝕支護結構，使其性能降低，使用壽命縮短。

通省隧道圍巖經過多期次地質構造的擠壓、張拉，絹云母石英片巖中各種結構面發育，為地下水提供了較好的儲存環境和運移通道，是地下水滲漏的主要地段;而絹云母片巖片理發育，云母含量高，一旦與地下水接觸，巖性易受地下水影響，發生軟化、崩解、泥化現象，導致圍巖物理、力學性能惡化，喪失自承能力，出現失穩現象。

4 軟巖隧道地下水處治措施及效果

4.1 地下水處治措施

地下水的控制原則主要有“以排為主”和“以堵為主”兩種，實踐證明按“以排為主”施工會導致眾多問題［5-8］。隨著人們對地下水與隧址周邊生態環境密切相關的認識不斷深入，“以堵為主，適量排放”等新的隧道防排水原則逐漸得到廣泛應用［9-10］。通省隧道ZK114+610段出現大量涌水、滲漏后，鑒于變質片巖易受地下水影響發生變形，需立即采取治理措施。滲水隧道地下水主要為基巖裂隙水。針對裂隙水的特點，現場施工遵循“以堵為主，適量排放”的原則采取了相應的處治措施。

1)以堵為主

①加強超前防、堵水支護。通省隧道滲漏段采取加強超前支護的措施，將原設計的單排超前小導管改為雙排，進行預注漿支護。更改前后設計中超前小導管都采用外徑42 mm壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，鋼管環向間距皆為40 cm。原設計中單排小導管與隧道縱軸線以10°外傾角打入拱部圍巖，導管縱向間距1.6 m(圖4);修改后設計中導管分為奇偶兩排，奇數排小導管與隧道縱軸線以10°外傾角打入拱部圍巖(根據巖體節理面產狀確定最佳方向)，偶數排小導管與隧道縱軸線以35°外傾角打入拱部圍巖。奇偶排導管成梅花狀錯開布設，同一外傾角打入的導管縱向間距為1.2 m，相鄰兩導管縱向間距0.6 m(圖5)，通過注漿形成小管棚。小導管尾部焊接于鋼拱架上，連成整體。小導管注漿后，在注漿影響范圍內形成具有隔水功能的殼體，一方面增強了圍巖的自穩能力，另一方面起到隔水、堵水的作用，減少地下水對初期支護和施工的影響。相對于單排小導管，雙排小導管注漿效果更好，且能減少因導管以單一外傾角打入而形成的三角體掉塊。

圖4 原設計超前小導管布置

②調整支護參數，提高支護強度。在隧道富水地段，為增強整個區段的防、堵水能力，將原設計300 cm長20MnSiφ22徑向砂漿錨桿調整為外徑42 mm壁厚3.5 mm的熱軋無縫注漿小導管，導管縱向間距60 cm，環向間距120 cm，梅花狀布置，注漿加固。地下水雖然經過了適量排放，但由于采取了“以堵為主”的相關措施，相對干燥段，隧道支護仍需承受額外的水壓力，且水量越豐富，水壓力越大。因此，施工中采用調整ZK114+610段附近的支護參數，將鋼筋網由φ6 mm (雙層)@25 cm×25 cm調整為φ6 mm(雙層)@20 cm ×20 cm，洞身和仰拱鋼拱架均采用HW175型鋼拱架，間距由80 cm調整為60 cm，初支采用25 cm厚的C25噴射混凝土，洞身和仰拱二襯均采用C25防水鋼筋混凝土，厚度由40 cm調整為50 cm，仰拱噴射的混凝土采用25 cm厚素混凝土。

2)適量排放

以堵為主會增大作用于初支、二襯的水壓力，支護所受荷載增大。為減少地下水對襯砌的作用，在地下水含量較豐富的施工區段，開挖后通過圍巖自有裂隙或者鉆孔，將地下水適量引出，并增加布設排水管和排水盲溝等設施。

圖5 改進后超前小導管布置

4.2 地下水處治效果

除采取了適量排水的措施外，還采用了預注漿加固技術與新奧法(超前支護+錨噴支護)結合的防、堵水工程措施。該措施就是在圍巖受擾動前(開挖前)進行超前注漿，把地下水堵在灌漿范圍以外，減少了地下水對圍巖整體結構及隧洞襯砌的破壞。同時，漿液在地層中充填膠結擠壓，提高了圍巖的整體結構強度，調控了應力的重分布，阻止了松動變形向縱深發展。在管棚—鋼拱架—錨噴支護的聯合作用下，形成一個強大的整體支護體系。采取處治措施后，滲漏現象明顯好轉，后期施工中未出現大變形與塌方現象，施工穩步安全。

5 結論

1)地下水的物理化學作用，能促使變質片巖軟化、泥化、崩解、膨脹，使片巖強度和完整性降低，甚至失去自承能力;地下水產生的水壓力亦能破壞圍巖，增大圍巖與支護所受荷載，給施工安全帶來隱患。因此，在變質片巖隧道施工過程中，地下水的作用不可忽視。

2)地下水滲漏受地質構造、地層巖性等因素控制。通省隧道武當群片巖的特殊性質造成其地下水滲漏與眾不同，絹云母石英片巖和絹云母片巖在空間上的交錯分布使滲漏現象間歇性出現。

3)隧道地下水的處治應遵循“以堵為主，適量排放”的原則。地下水的處治應考慮對周邊生態環境的影響，并結合地下水作用的特點，有針對性地采取措施，以達到最佳處治效果。通省隧道滲漏段在采用適量排放地下水的同時，將預注漿技術與新奧法有效結合處治地下水，取得良好效果，可為類似條件下的地下水滲漏處治提供參考。

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Treatment measures for underground water leakage during construction of tunnel in metamorphic soft rock

LI Haohui，ZUO Changqun，TANG Xia，DING Shaolin，LIU Daiguo
(Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan Hubei 430074，China)

Due to the metamorphic soft rock characteristics of water softening and disintegration，there is the phenomenon such as groundwater seepage and water inflow in tunnel construction，which could bring huge hidden danger to the tunnel construction safety．T aking the typical groundwater seepage zone of W udang group schist tunnel in Shiyan-fangxian expressway as research object，in this paper，the groundwater seepage effect in metamorphic soft rock tunnel construction was analyzed from the aspects including groundwater seepage characteristics of disaster section，water rationality of surrounding rock，physical mechanics function of groundwater，and put forward the specific control measures of groundwater．T he practice showed that the measures presented in this paper has good control effect on groundwater leakage of soft rock tunnel，which could provide a reference for watery section safe construction of similar soft rock tunnel．

Expressway tunnel;M etamorphic soft rock;Groundwater effect;Control measures

U457+．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．22

1003-1995(2015)03-0076-04

(責任審編葛全紅)

2014-03-10;

2014-09-20

國家自然科學基金(41202201)

李皓暉(1987—)，男，湖南永州人，碩士研究生。