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漫谈矿山法隧道技术第十四讲——隧道涌水及其控制方法

2017-06-29  GXF360   |  转藏
   
漫谈矿山法隧道技术第十四讲——隧道涌水及其控制方法

漫谈矿山法隧道技术第十四讲
——隧道涌水及其控制方法

关宝树

(西南交通大学, 四川 成都 610031)

摘要:分析制定隧道控制地下水对策的基本观点: 既要考虑隧道施工对地下水的影响,也要考虑地下水对隧道施工的影响。指出控制地下水的对策必须符合3个条件: 1)确保施工作业安全、顺利地开展; 2)不对周边环境产生有害的影响; 3)以合理的工费和工期来实现。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是各种各样的,应对隧道涌水进行合理分类,以便有的放矢地采取相应的对策。介绍了日本统计的地质构造和涌水现象的分类。涌水处理应达到3个基本目标: 1)确保隧道施工在无水的条件下进行,或者是在可以接受的渗漏水条件下进行,或者是在对周边环境“可接受干扰”的条件下进行; 2)二次衬砌原则上不承受水压作用,不得已时把水压控制在二次衬砌容许的范围内; 3)运营中的隧道洞内不能成为地下水流经的通道,隧道衬砌背后必须形成一个纵横交错的、不易堵塞的、通畅的排水系统。达到上述目标的基本方法是: 充分利用和提高围岩的隔水性能,合理地处理好“排”与“堵”的关系。针对涌水处理的3个基本目标,分别介绍了国内外相应的经验和措施。1)一些国家的指南、标准对隧道的涌水量进行了分级,认为涌水量≤2.5 L/(min·m)时基本上可以认为是在无水条件下施工; 一般的线状流水、经常涌水可以用自然排水法排水; 而针对突发大量涌水,则需要采取特殊的地下水对策予以解决。2)按照二次衬砌是否承受水压,隧道可分为3种情况: ①衬砌不承受水压,即所谓的完全排水型隧道; ②衬砌承受全部水压,即所谓的非排水型(防水型)隧道; ③衬砌背后设置注浆域,分担衬砌承受的水压,衬砌只承受部分容许的水压。从目前的隧道设计实际来看,在山岭隧道中多数采用方案①,在城市隧道中多数采用方案②,在高水压和突发大量涌水的极端情况下采用方案③。介绍了日本、美国的设计经验。3)我国铁路隧道采用把地下水引入隧道,再从洞内两侧边墙附近设置的排水沟排出地下水的做法是值得商榷的; 特别是在可能发生冻害的地区,更不可取。在国外,日本、德国、法国等国家的铁路、公路隧道基本上是把中央排水管设置在仰拱内或仰拱下方,而在隧道两侧只留有用于排出流入隧道内的雨水或隧道清洗水的排水沟; 因此,建议立项研究取消洞内排水沟,设置中央或两侧脚部排水管的问题。最后指出,实现涌水处理的3个基本目标我们尚需努力,特别是“目标”的定位问题,尚需进行基础性的研究才能解决。在隧道施工中,涌水是不可避免的、客观存在的现象,我们积累的经验非常丰富,但缺乏系统的、认真的总结和归纳。

关键词:隧道; 矿山法; 涌水; 地下水; 水压; 排水管

0 引言

不管哪个国家,在修建隧道及地下工程时,地下水问题都被认为是困扰隧道设计、施工的关键问题之一。在这方面,虽然各国的地质条件、技术条件以及对环境影响的考虑有所不同,但认识基本上是一致的。例如,都希望隧道施工环境基本上处于无水状态,或处于施工可以接受的渗漏水(涌水)状态,以确保施工的质量和安全。隧道建成后,隧道内的渗漏水应在容许范围内,以确保结构物的长期使用性能。因此,各国在地下水控制技术上也是大同小异,差异在各自的技术条件、对策方法以及地下水泄漏控制基准上。

1 控制地下水技术的基本观点

1.1 制定控制地下水的对策的基本观点和条件

在修建处于地下水位以下的隧道(城市隧道或大多数的深埋山岭隧道多处于此种条件下)时,可能会发生涌水现象,为了工程安全而顺利地开展,必须采取相应的控制涌水的对策,也就是地下水控制对策。但要采取什么样的对策,应从多方面考虑。表1列出了研究控制地下水的对策时应该考虑的基本观点。

表1 研究控制地下水的对策时应考虑的基本观点

Table 1 Basic viewpoints of control technologies for groundwater

施工状态“受”地下水的影响“对”地下水的影响施工中 1)作业效率降低;2)结构物质量降低;3)底鼓等开挖底面不稳定;4)支护等出水,土砂流入;5)工费增加,延误工期 1)现场周边水位下降;2)地下水质变化;3)因地下水位下降促使地层下沉施工后 1)因地下水压,使地下结构物上浮;2)地下水流入地下结构物内 截断地下水流而对地层产生不同的环境影响

依上所述,控制地下水的对策必须符合以下3个条件(见图1): 1)确保施工作业安全、顺利地开展; 2)不对周边环境产生有害的影响; 3)以合理的工费和工期来实现。

图1 控制地下水的对策应符合的条件

Fig. 1 Standards for groundwater control technology

具体地说,首先要认识到地下水是重要的地下资源,作为地下资源既要保护也要利用,这是处理地下资源的基本方针,只要遇到与地下水有关的问题,都要考虑这一点。

其次,隧道及地下工程的施工发生涌水时,必然影响到地下水位的变动(如地下水位下降或上升,或水的异常涌出等),扰乱地下水原始的“水平衡”状态,甚至对周边环境产生不利影响(如地层下沉、水质劣化、水从隧道中大量涌出等)。

地下水以隧道涌水的形态出现时,对隧道施工也有重大的、不可忽视的影响,如大幅度降低作业效率和作业质量等。

因此,在决定地下水控制对策时,既要考虑隧道施工对地下水的影响,也要考虑地下水对隧道施工的影响。它决定了控制地下水技术的内涵和发展趋势。

1.2 涌水对地下水、地层、结构物及环境的影响

从工程实践看,涌水对地下水、地层、结构物及生态环境的影响可归纳为表2。

表2 涌水对地下水、地层、结构物及生态环境的影响

Table 2 Influence of groundwater

对地下水的影响地下水位上升地下水位下降 对地下水利用的影响水量变化增加 1)井点枯竭;2)水田失水水质变化 1)滞留;2)污染物质扩散 1)盐化;2)氧化 对地层、结构物的影响地层 1)液化危险性增大;2)围岩软化;3)冻结和溶解时下沉;4)水浸下沉 1)压密下沉;2)地表干燥化结构物 1)结构物上浮;2)结构物漏水量增大 1)桩基腐蚀;2)对地中埋设物产生影响 对自然环境、动植物生态系统的影响自然环境 1)湖沼泛滥;2)地表气象变化 1)涌水枯竭;2)河川、湖沼水量减少;3)地表气象变化 动植物生态系统根腐 1)植物枯死;2)对水生生物、水生植物产生影响

由表2可知,地下水位的变动(地下水位的上升或下降)都会对环境产生不同的影响。特别是在城市地区,由于地下水位下降会产生地层的压密下沉,地下水位上升会使地下结构物漏水的风险增加等。在山岭隧道中,由于地下水位下降有时会产生井点枯竭,改变地下水的初始状态。而不管水位是下降或是上升,对动植物的生态环境都会产生不良影响。因此,从环境保护的角度出发,“保持环境自然构成的要素(地下水)处于良好状态”和“确保生态系统多样性的同时,保护自然环境(如地下水环境)适应地域的自然社会条件”是非常重要的。

隧道开挖发生的涌水多成为困扰隧道开挖的主要因素。特别是突发涌水和高压大量涌水,使隧道开挖变得极为困难,伴随大量涌水、土砂流出等成为对隧道开挖影响极大的主要因素。此外,由于隧道开挖也会同时发生井水枯竭、地表面下沉等,会对周边环境产生影响,农作物的水源枯竭等对周边居民的生产生活产生影响,而在隧道施工后也会发生补偿等问题。但目前在隧道事前的勘察、设计中,精确预测开挖可能发生的涌水和枯水现象是很困难的。

2 隧道涌水及其分类

多数地下水起源于大气降水。地表的降水一部分渗透到地层中,另一部分蒸发到大气中。渗透到地层中的降水成为地下水。由于开挖,周边围岩中的地下水涌入隧道,称为隧道涌水。

2.1 隧道涌水按发生位置和测定位置分类

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是各种各样的。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3类(见图2)。

图2 隧道涌水的分类

Fig. 2 Classification of tunnel water inrush

2.2 日本统计的地质构造和涌水现象的分类

在工程实践中,不管涌水现象如何变化,总是与地质构造有关。日本根据到目前为止的工程实践,把地质构造发生的涌水现象归纳为如表3所示,作为采取控制地下水对策的基本依据。

从涌水现象的分类看,可能出现的涌水现象大体上分为局部的集中涌水、局部的突发涌水、正常涌水、伴随涌水的崩塌及土砂流出等。其中,伴随开挖的集中涌水、异常涌水和随掌子面崩塌的突发涌水、开挖初期阶段的大量涌水、伴随涌水的土砂流出等对施工安全、环境影响极大,应是关注的重点。

在裂隙围岩中,隧道周边的地下水分布和涌水发生状况的模式见图3。

可见,隧道涌水的形态与地质情况和地下水的存在形态关系密切; 特别是突发的异常涌水,分布极不均匀,可能是突然的、不可预计的,也会形成水荷载状态异常。因此,在规划时准确掌握隧道周边的地下水存在形态、水文地质构造等,对于应对隧道开挖中可能出现的问题是非常重要的。

因此,尽管对地下水有这样或那样的分类,但重要的是如何对隧道涌水进行分类,以便有的放矢地采取相应的对策。

3 涌水(地下水)处理的基本目标

从施工角度出发,涌水处理应达到以下2个目标。目标1: 确保隧道施工在无水的条件下进行,或者是在可以接受的渗漏水条件下进行,或者是在对周边环境“可接受干扰”的条件下进行。目标2: 二次衬砌原则上不承受水压作用,不得已时把水压控制在二次衬砌容许的范围内。从结构角度出发,涌水处理应达到目标3: 运营中的隧道洞内不能成为地下水流经的通道,隧道衬砌背后必须形成一个纵横交错的、不易堵塞的、通畅的排水系统。

达到上述目标的基本方法是: 充分利用和提高围岩的隔水性能,合理地处理“排”与“堵”的关系。

表3 地质构造与涌水现象的分类

Table 3 Classification of geological structure and water inrush

地质条件地质模式隧道涌水现象地层水 未固 结含 水层水平层—缓倾斜层 1)水量小,掌子面崩塌;2)掌子面崩塌后,发生地表面下沉、塌陷不透水层互层 1)不透水层的裂隙水;2)与突发涌水同时发生掌子面崩塌含水层不整合分布 1)随大量涌水发生泥土状崩塌;2)与涌水同时有山鸣现象固结含水层崩塌现象少,从掌子面、洞壁发生正常涌水洞窟水地下溶洞的贮水 1)掌子面裂隙的集中涌水;2)爆破后集中涌水,掌子面崩塌裂隙水侵入岩的裂隙围岩1)侵入岩前后的突发涌水;2)有时出现掌子面崩塌裂隙发育的围岩1)有时掌子面出现集中涌水;2)泥土充填崩落破碎带水黏土质破碎带 1)直接突破破碎带时的突发涌水;2)有时掌子面崩塌有含水层的破碎带 1)从掌子面裂隙的大量涌水;2)破碎带的土砂流出有变质黏土带和含水带的破碎带 1)混有砾石的土挤出崩塌;2)与涌水同时出现山鸣 现象

3.1 目标1: 确保隧道施工在无水的条件下进行,或者是在可以接受的渗漏水条件下进行,或者是在对周边环境“可接受干扰”的条件下进行

隧道施工原则上应在无水的条件下进行,也就是说应该在掌子面稳定的条件下施工。实际上,所谓的无水条件是理想化的条件,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施工,是较为困难的,而且也是不经济的。因此,多数隧道,特别是围岩条件较好的隧道,地下水对掌子面稳定性影响比较小的情况下,完全可以在排水的条件下顺利施工,这已被许多工程实践所证实; 在围岩条件比较差的隧道,只要能够保持隧道的渗漏水在施工可接受的范围内,采取排水措施也是可以施工的。所以,提出了一个问题: 施工可接受的渗漏水条件,或者说周边环境“可接受干扰”的条件如何确定?这才是问题的关键。

3.1.1 形成涌水的条件

隧道的涌水量状态,特别是涌水量的大小及其形态,基本上取决于围岩的构造及其渗透性能。因此,研究和掌握围岩的渗透性及其与涌水量的关系是十分必要的。

围岩的渗透性可以用渗透系数(k)或吕容值(Lu)来表示(1 Lu相当于渗透系数1.3×10-5 cm/s)。一般来说,吕容值大于10~20时,即渗透系数大于(13~26)×10-5 cm/s时,达西定律是不适用的。也就是说,在集中涌水和高压大量涌水的条件下,达西定律是不适用的。具体地说,在这种情况下,一些渗流场解析方法也是不适用的。也可以说,基本上无理论解。

应该认识到: 围岩是一个不连续的介质,从能够抗渗的坚硬岩石到高渗透性的围岩,其水力特性有很大的不同。这说明围岩本身往往是一个很好的抗渗屏障,具有显著的气密性,也具有良好的隔水性,但由于其是天然的、非匀质的,性质相差很大。理论上,解决此问题难度很大。

图3 隧道周边围岩的力学状况和裂隙及地下水的分布和涌水

Fig. 3 Mechanical conditions of surrounding rock and distributions of fissures, groundwater and water inrush points

在挪威的工程实践中,认为围岩是一个典型的节理含水层,水活动在透水的不连续面或沿其通道流动。这样的围岩的渗透性主要取决于主导的岩石和节理状态。其中岩石的渗透性很低; 而节理的渗透性差异极大,是决定涌水量的基本因素,也是形成适当涌水的基本因素。

隧道的涌水量取决于很多因素,如隧道的开挖断面面积、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。

工程实践证实: 隧道的涌水量与地下水赋存状态和围岩的渗透系数有直接关系。即: 隧道的涌水量q与围岩综合渗透系数k、水头h均成比例关系。渗透系数越大或水头越大,涌水量也越大。因此,了解围岩的综合渗透系数是必要的。

我国水利水电工程对岩体(围岩)渗透性的分级见表4。

从表4的渗透系数分级来看,如果围岩的渗透系数k小于1×10-6 cm/s,可以认为围岩是不透水的; 即使在k小于1×10-5 cm/s的条件下,基本上也能够在不采取排水对策的条件下进行施工。因此,在事前的调查和施工中,能够正确地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,对制定控制涌水的对策是很重要的。

表4 岩体(围岩)渗透性分级(水利水电工程)

Table 4 Grades of permeability coefficient (water resources and hydropower projects)

围岩渗透性分级标准渗透系数k/(cm/s)透水率q/Lu岩体特征极微透水 k<10-6><0.1><><1><10-4><10><><100><10极强透水 k="">10 q≥100 含等价开度为0.50~2.5mm裂隙的岩体 含连通孔洞或等价开度大于2.5mm裂隙的岩体

注: 1 Lu=1.3×10-5 cm/s=1.3×10-7 m/s。

3.1.2 一些指南、标准对涌水量的部分分级结果

为了便于制定控制地下水的对策,一些国家的指南和标准对隧道的涌水量进行了分级。下面是部分分级结果。

TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》中对渗水量分级的规定见表5。

表5 渗水量分级[1]

Table 5 Grades of water leakage[1]

围岩级别状态渗水量/(L/(min·m))Ⅰ干燥或湿润 <1ⅱ偶有渗水 1.0~2.5ⅲ经常渗水="" 2.5~12.5ⅳ严重涌水="">12.5

GB 50218—94《工程岩体分级标准》中对地下水出水状态分级的规定见表6。

表6 地下水出水状态分级[2]

Table 6 Classification of water inrush forms[2]

地下水出水状态潮湿或点滴状出水淋雨状或涌流状出水或单位出水量≤10L/(min·m)淋雨状或涌流状出水或单位出水量≥10L/(min·m)

GB 50287—99《水利水电工程地质勘察规范》规定的地下水活动状态的分级见表7,规定的渗水量和压力水头的分级见表8。

表7 地下水活动状态的分级[3]

Table 7 Classification of ground water activity[3]

围岩级别地下水活动状态地下水对围岩稳定的影响Ⅰ洞壁干燥或潮湿无影响Ⅱ 沿结构面渗水或滴水 软化结构面的充填物质,降低结构面抗剪强度;软化软弱岩体Ⅲ 严重滴水,沿软弱结构面有大量滴水、线状流水或喷水 泥化软弱结构面中的充填物质,降低抗剪强度;对中硬岩体发生软化作用Ⅳ 严重滴水,沿软弱结构面有小量涌水 地下水冲刷结构面中的充填物质,加速岩体风化;对断层等软弱带软化泥化,并使其膨胀崩解及产生机械管涌;有渗透压力,能鼓开较薄的软弱层Ⅴ 严重股状流水,断层等沿软弱带有大量涌水 地下水冲刷携带出结构面中的充填物质,分离岩体;有渗透压力,能鼓开一定厚度的断层等软弱带,并导致围岩塌方

表8 渗水量和压力水头的分级[3]

Table 8 Classification of water leakage volume and water head[3]

活动状态渗水量q/(L/(min·m))或压力水头H/m干燥—渗水滴水 q≤2.5 或H≤10线状流水 2.512.5 或H>100

Rock Structure Rating(RSR)中对渗水量分级的规定见表9。

表9 RSR渗水量分级

Table 9 Classification of RSR water leakage volume

渗水量/(L/(min·m))级别<0无3轻度渗水3~15中度渗水>15严重渗水

Rockmass Rating(RMR)中对水压和渗水量分级的规定见表10。

表10 水压和渗水量的分级

Table 10 Classification of water pressure and water leakage volume

水压力/MPa渗水量/(L/(min·m))出水状态00干燥<><1潮湿0.1~0.21~2.5滴水0.2~0.52.5~12.5线状流水>0.5>12.5涌水

N Barton提出的涌水量和水压建议值见表11。

表10和表11都把水的状态与概略的水压值联系在一起。在涌水的状态下,水压值有可能超过1 MPa。

这些规定基本上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对策进行施工。也就是说,在涌水量q≤2.5 L/(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、经常涌水可以采用通常的自然排水方式排水; 而突发大量涌水则需要采取特殊的地下水对策予以解决。对地下水控制技术来说,突发大量涌水是大家最为关注的问题,也是当前地下水控制技术发展的主流。

表11 水压概略分级

Table 11 Classification of water pressure

节理间水的状态水压概略值/MPa A:干燥状态,开挖后局部有少量涌水,水量小于5L/min <0.1 b:中等程度涌水,或者中等程度的水压,有时出现节理充填物流出0.10~0.25="" c:没有充填物的节理,坚硬岩质围岩中的大量涌水或承压水d:大量涌水或承压水,充填物流出量较大0.25~1.0="" e:爆破时会意外地出现大量涌水或承压水,随时间衰减f:意外地出现大量涌水或承压水,但不衰减="">1.0

注: C项和D项的数值是大致推断的,如果进行排水,节理水折减系数JW值可以增大。

与上述基准、规定相比较,我们的基准相对来说对渗水量的规定还是比较严格的。

3.2 目标2: 二次衬砌原则上不承受水压作用,不得已时,把水压控制在二次衬砌容许的范围内

对水压(水荷载)的处理各国的观点基本上是一致的,都是按照二次衬砌是否承受水压来划分的。可分为3种情况,即: 1)衬砌不承受水压,即所谓的完全排水型隧道; 2)衬砌承受全部水压,即所谓的非排水型隧道; 3)衬砌背后设置注浆域,分担衬砌承受的水压,衬砌只承受部分容许的水压。

从目前的隧道设计实际来看,在山岭隧道中多采用方案1),在城市隧道中多采用方案2),在高水压和突发大量涌水的极端情况下采用方案3)。

理论上,各种情况下作用在衬砌或注浆域的水压(水荷载)分布示于图4。

图4的荷载分布是理论的简化,实际上,水荷载的分布与围岩构造密切相关,是很难概括的。

3.2.1 排水型隧道

在以自然排水为前提的山岭隧道,衬砌周围处于流水状态,此时隧道衬砌只承受动水压力的作用(见图4(a)),水荷载量值都不大,设计时可以忽略。也就是说,排水型隧道也会有可以接受的水荷载。

3.2.2 非排水型(防水型)隧道

隧道衬砌理论上承受全水头作用的水压,即如图4(b)所示的水荷载,这种情况多发生在城市隧道中或埋深较小的山岭隧道中。

(a) 排水型隧道

(b) 非排水型隧道

(c) 注浆域情况的荷载分配

图4 隧道衬砌作用的水压概念图

Fig. 4 Concept diagrams of lining bears water pressure

日本在《铁道结构物等设计标准》(城市矿山法隧道篇)(2002年)中,对此种情况做了如下的规定。

1)在地下水位以下的防水型隧道的二次衬砌及仰拱设计中应考虑水压。

2)设计考虑的水压特性值原则上取孔隙水压。考虑到准确地掌握孔隙水压有困难,可按实测中的地下水位计算水压。

3)一般来说,在考虑水压时,水位最好采用高水位(丰水期的水位)或者低水位(枯水期的水位)。但在以下地形、地下水条件下,使用期间水位可能出现显著变化的场合,应考虑异常水位,研究衬砌的承载状态。

①谷形地,地表水和地下水易于集中的场合;

②扇形地存在丰富的地下水脉,隧道两侧水压产生显著不均衡的场合;

③在水位经常变动的场合,要考虑水压变动进行设计。

4)在设定水压时要注意以下几点。

①地下水位不仅随季节的降雨量而变,近接施工也会引起地下水位的变化;

②由于地下水的抽水限制,地下水位年年上升的情况也会发生;

③因近接施工产生垂直荷载作用在衬砌上时,设定高水位不一定是安全的,要分别按高水位和低水位进行研究;

④谷形地和扇形地等截断地下水脉的场合,有时会产生偏水压,此时即使水位低,也会使衬砌出现很大的弯矩,要按偏水压设计。

日本在城市防水型隧道衬砌设计中不考虑土压,水压按水位在拱顶±0 m、拱顶上5 m、拱顶上10 m、拱顶上50 m 4种情况考虑,并进行设计。

例如日本大万木公路隧道,长4 878 m,其中位于广岛侧处于小埋深,并通过断层破碎带和河流,如采用排水型隧道有可能造成河水流量降低,从而影响当地的农业用水。为此,该隧道以恢复河流流量为目的,采用了钢筋混凝土衬砌的防水型隧道构造。

该地区年降水量变化很大,预计地下水位的波动也大。为此,作用在衬砌上的水压研究了通常发生的和异常发生的5种组合(见表12)。

水压按随深度变化的静水压考虑。

表12 地下水位的组合

Table 12 Combination of groundwater level

水位条件概况荷载条件地下水位①雨时 降雨多,水位处于地表的场合 短期的最大荷载 隧道拱顶+30.0m②常时 根据钻孔结果的地下水面 常时的最大荷载 隧道拱顶+28.0m ③水时(水位在隧道拱顶) 枯水期地下水降低到拱顶的场合偏水压荷载 隧道拱顶+0.0m ④水时(水位在隧道拱肩) 地下水位降低到拱肩的场合偏水压荷载 隧道拱顶-1.91m ⑤水位降低时(水位在隧道脚部) 地下水位降低到隧道脚部的场合偏水压荷载 隧道拱顶-8.85m

上述事例说明,城市隧道或埋深浅的山岭隧道,在考虑水压值时,不能不考虑地下水位变化的影响,而应按最不利的地下水位进行设计。此外,从水压的处理上看,多数国家都认为二次衬砌承受水压的限值,应在考虑经济性、技术可行性的基础上予以限定。日本城市隧道大致限定在0.3 MPa,山岭隧道大致限定在0.6 MPa,超过此值应采用注浆方法降低水压值,这也是各国普遍采用的方法。

目前,各国在处理水荷载上大都是根据经验判定的。例如,表8和表10的建议就是一例。美国的《公路隧道设计施工技术手册》(2010版)根据使用条件和经验数据,将建议的经验水荷载示于图5,在隧道拱顶附近静水压力值最大(水头H),在仰拱处水压力降低到静水压力的10%左右(0.1HW)。

图5 结构上的经验水荷载

Fig. 5 Water pressure on structure according to experience

图5所示的经验荷载是建立在排水系统的基础上的。该排水系统由边墙排水层(滤布)、设置在墙后面和仰拱下面的集水管和排水垫层以及覆盖整个仰拱的砾石层等构成。 仰拱上的水荷载降低到静水压力的10%,该位置设计了良好的砾石层和排水管(S)。在其他情况下,建议仰拱水平的荷载为静水压力的25%。经验荷载一般是保守的,因为经过一段时间地下水渗漏可能会堵塞衬砌背后的排水设施,使地下水压力超过假设的荷载,造成仰拱垫层和集水管不能继续发挥作用。

3.2.3 衬砌背后设置注浆域,分担衬砌承受的水压,衬砌只承受部分容许的水压

日本根据城市隧道的施工实际,将土砂—软岩隧道中涌水量(整个隧道的排水量)和地下水头的关系统计于图6。几乎所有涌水量在100 L/min以上、地下水头在5~10 m以上的隧道,都采取了控制涌水的对策进行施工。

图6把涌水量与地下水头联系起来,说明涌水量与地下水头有一定关系。一般来说,涌水量大,地下水头也高。因此,根据涌水量的大小,大致可以确定水头的大小。

日本的水压和围岩固结度及涌水对策的事例见图7。

图6 隧道内涌水量和地下水头的关系

Fig. 6 Relationship between water inrush volume and groundwater head

图7 最大水压及对策的关系

Fig. 7 Relationship between maximum water pressures and countermeasures

图7进一步说明日本在地下水头压力大于0.6 MPa时,都采取了围岩注浆补强的措施。

在大量涌水或承压水的条件下,即水压值比较大的场合,让衬砌来承担水压,从经济上、安全上都是不现实的。例如,在类似青函海底隧道那样埋深很大的隧道中,让衬砌抵抗水压几乎是不可能的。因此,用注浆方法提高围岩的抗渗性,让围岩也承担一部分水压是唯一可能的选择(见图4(c))。青函隧道就是这样处理的,挪威海底隧道也是这样处理的,包括一些城市隧道都是这样处理的。实际上我国在很多隧道中为了减轻水压的作用,也是这样处理的。

3.3 目标3: 运营中的隧道洞内不能成为地下水流经的通道,隧道衬砌背后必须形成一个纵横交错的、不易堵塞的、通畅的排水系统

隧道的防排水构造各国基本上是大同小异,大家的认识也比较一致。不管是排水型隧道还是非排水型隧道,都需要在衬砌背后形成一个纵横交错的、不易堵塞的、通畅的排水系统。绝大多数国家都不容许地下水流入隧道内,而是通过衬砌背后的排水系统将地下水排出隧道。我国铁路隧道长期以来采用把地下水引入隧道,再从洞内两侧边墙附近设置的排水沟将地下水排出隧道的做法是值得商榷的; 特别是在可能发生冻害的地区,采用深埋的排水沟更不可取。

大多数国家基本上是把排水管(沟)移设到仰拱的填充层中或仰拱的下面,也有把排水管(沟)设置在衬砌拱脚外侧的。例如日本铁路、公路隧道的排水管,基本上是把中央排水管设置在仰拱内或仰拱下方(见图8和图9),而在隧道两侧只留有用于排出流入隧道内的雨水或隧道清洗水的排水沟。

日本新干线隧道的排水管(沟)设置见图9。

(a) 新干线隧道中央集水管设置在仰拱下面的场合

(b) 高速公路隧道集水管设置在仰拱上面的情况

图8 日本隧道的排水管设置

Fig. 8 Setting of drainage pipe of tunnel in Japan

(a) 上越新干线

(b) 北陆新干线(高崎—长野)

图9 日本新干线隧道的排水管(沟)设置(单位: m)

Fig. 9 Setting of drainage ditch of Shinkansen. in Japan (m)

日本隧道中央排水沟(管)的设置原则如下: 通常设在围岩下部; 土砂围岩、仰拱半径大的场合设在上部; 作为防止土砂吸出的对策,小断面的中央排水沟设在仰拱上部,中央排水管(无孔管)设在仰拱下部。

其他国家,如德国、法国等欧洲国家的高速铁路隧道的排水管,也基本上设置在隧道的中央或两侧边墙底部的外侧(见图10和图11)。

图10 德国高速铁路隧道的排水管设置(单位: m)

Fig. 10 Setting of drainage pipe of high-speed railway tunnel in German (m)

图11 法国高速铁路隧道的排水管设置(单位: m)

Fig. 11 Setting of drainage pipe of high-speed railway tunnel in France (m)

美国双车道公路隧道的排水构造见图12。

图12 美国公路隧道排水构造

Fig. 12 Setting of drainage pipe of highway tunnel in America

我国的公路隧道基本上也将排水沟设置在隧道中央或两侧边墙底部的外侧,见图13。

图13 我国公路隧道的排水沟设置

Fig. 13 Setting of drainage pipe of highway tunnel in China

因此,建议立项研究取消洞内排水沟,设置中央或两侧脚部排水管的问题。

4 结语

本讲重点谈的是涌水处理的3个基本目标,如何实现这3个目标尚需努力,特别是“目标”的定位问题,尚需进行基础性的研究才能解决。在隧道施工中,涌水是不可避免的、客观存在的现象,我们积累的经验非常丰富,但缺乏系统的、认真的总结和归纳。

参考文献(References):

[1] 铁路隧道设计规范: TB 10003—2005[S].北京: 中国铁道出版社,2005. (Code for design on tunnel of railway: TB 10003—2005[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2005. (in Chinese))

[2] 工程岩体分级标准: GB 50218—94[S]. 北京: 中国计划出版社,1994.(Standard for engineering classification of rock masses: GB 50218—94[S]. Beijing: China Planning Press, 1994. (in Chinese))

[3] 水利水电工程地质勘察规范: GB 50287—99[S].北京: 中国计划出版社,1999.(Code for water resources and hydropower engineering geological investigation: GB 50287—99[S]. Beijing: China Planning Press, 1999. (in Chinese))

Tunneling by Mining Method: Lecture ⅩⅣ:Tunnel Water Inrush and Its Countermeasures

GUAN Baoshu

(Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China)

Abstract:The basic viewpoint of determination of control technology for tunnel groundwater, interaction between groundwater and tunnel construction, is analyzed. The control technologies for tunnel groundwater should conform to safe construction, no harm to surrounding environment and rational cost and construction schedule. The place, volume, time and time-dependent variation of tunnel water inrush are various; as a result, tunnel water inrush should be classified so as to decide proper control technologies. The classification of geological structure and water inrush summarized by Japanese professionals is introduced. The water inrush treating effect should achieve 3 basic standards, i.e. tunnel construction under water-free conditions, acceptable water leakage conditions or acceptable surrounding environment disturbance conditions, secondary lining without water pressure or acceptable water pressure and rational drainage system behind tunnel lining. In order to achieve above-mentioned standards, we should use and improve the waterproof capacity of surrounding rock and pay attention to relationship between water stop and drainage. The control technologies used in China and abroad are introduced. 1) In some criterions, the water inrush volume grade is divided into 3 kinds, i.e. water-free condition of water inrush volume less than 2.5 L/(min·m), natural drainage when numerous water inrush occurs often and large volume of water burst. 2) Considering water pressure bearing of secondary lining, the tunnel can be divided into 3 cases, i.e. total drainage type tunnel with secondary lining bears no water pressure, non-drainage (waterproof) type tunnel with secondary lining bears total water pressure and tunnel lining bears acceptable water pressure when setting grouting area behind lining. The mountain-crossing tunnels are mainly total drainage type tunnels, tunnels in urban areas are mainly non-drainage tunnels and the tunnels in high groundwater pressure should set grouting areas behind secondary lining. 3) The drainage scheme of water diversion into tunnel and drainage from drainage ditches in China still needs to be discussed, especially in cold regions. The central drainage pipes are set in/under inverted arch and the rain inflow and cleaning water are drainage from tunnel sides in Japan, Germany and France, etc. It is worth studying the drainage scheme. In the end, the author points out that we still have to learn a lot.

Keywords:tunnel; mining method; water inrush; groundwater; water pressure; drainage pipe

收稿日期:2015-08-10

作者简介:关宝树(1932—),男,辽宁人,西南交通大学教授,博士生导师,从事隧道及地下工程教学和科研50余年,隧道与地下工程资深专家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.001

中图分类号:U 455

文献标志码:A

文章编号:1672-741X(2017)01-0001-10

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