隧道地下水处理技术即隧道的防排水技术, 是一项综合性的工作, 它不仅与隧址区水文地质、地形及气候有关, 还与施工方法、材料性质和结构方案密不可分。我国相关规范^[1]和文献[2]都对隧道的防排水提出了相应的治理原则, 即“防、排、截、堵相结合, 因地制宜, 综合治理”, 而这4种防水途径, 只有在设计、施工、材料、验收等各个环节严格按规范要求去做才能达到设计的防水目标。

关于隧道地下水的处理技术研究已经取得了一定的成果。杨会军等^[3]以甘肃第七道梁隧道为例对隧道地下水处理技术进行了探讨, 得出当地下水渗流以静储量为主时, 采用以排为主, 当地下水渗流以动储量为主时, 采用以堵为主的结论;张祉道^[4]通过分析对比山岭隧道关于地下水处理的2种方法, 得出“以堵为主”更有利于保护洞顶生态的结论;邵宗平等^[5]通过分析隧道开挖过程中地下水处理可能引起的工程地质问题, 提出了解决该类问题的办法。

虽然目前对于隧道地下水处理技术的研究较多, 但是立足于生态保护的却很少, 特别是近水库隧道, 一方面隧址区植被比较茂盛, 受保护的价值较大, 另一方面, 由于临近水库, 涌水比较大, 地下水处理较复杂。本文通过对厦门海沧货运通道线上的海新2号隧道为例, 介绍了近水库隧道的地下水处理办法, 丰富了隧道地下水处理的相关研究, 对工程实践具有一定指导意义。

隧道的防排水工程是一个复杂的有机联系的系统工程, 实践证明, 隧道地下防排水工程是集材料、规划、设计、施工、维护为一体的综合性、系统性工程, 材料是基础, 规划与设计是前提, 施工是关键、维护是保证^[6]。目前常用的地下水处理方法有冻结法和压注法。

冻结法最早出现在俄国, 主要运用于金矿开采过程中, 后由德国的工程师将其应用到了煤矿的矿井建设中并获得相应专利, 现在已经广泛运用于地铁和隧道施工。冻结法主要是利用人工制冷技术, 使地层中的水发生冻结, 使天然土变成冻土, 这样不但能够增加土的强度和稳定性, 还能隔绝地下水与地下工程的联系。岩体工程的冻结制冷技术通常是利用物质由液态变为气态过程的吸热来实现的, 其制冷系统通常以氨作为制冷介质。冻结法处理地下水有以下优点: (1) 有效隔绝地下水; (2) 适应性强, 几乎不受地层条件限制; (3) 施工灵活; (4) 绿色施工无污染; (5) 复杂地层下施工经济合理。

冻结法施工工艺大致如下:隧道开挖前, 在隧道周围钻孔, 然后向每个钻孔中沉放冻结管 (无缝钢管制作, 下端封闭) , 在已经开挖的隧道段安装制冷设备, 其中制冷剂一般采用氨 (NH₃) , 将盐水冷却到-20~-30℃, 用循环泵和聚氯乙烯供液管 (插至冻结管深处) 将盐水送入冻结管。经低温盐水长时间连续地吸取管外热量, 使周围地层实现冻结。盐水在吸取地层的热量后温度会上升, 所以必须在循环泵的作用下, 经回路管回到冷冻设备和制冷剂接触而重新冷却。而原为液态的氨, 在减压的条件下蒸发时摄取盐水的热量后, 经压缩和冷凝又使其液化, 在管道内循环流动, 重复使用。在每一冻结管周围形成的冻土圆柱体, 其直径随时间而增大, 这些圆柱体互相交接成密实而闭合的冻土墙, 能承受水、土压力并阻隔地下水, 在它的保护下开挖地层和修筑衬砌。

压注法又称压力注浆法, 主要指利用气压或液压把能凝固的浆液注入到填料层中, 是借助注浆设备施加压力, 然后通过钻孔输送到受注层中的一种地下水处理施工技术^[7]。其实质是使浆液在受注层中扩散、渗透、充填和挤密等方式, 驱走松散颗粒间的水分和空气后填充其位置, 经过一定的时间 (一般为5~8min) 后, 浆液将原来松散的土粒胶结成一个整体, 从而达到加固受注层和抗渗防水的目的。

压注法中最重要的是注浆方法和材料的选择, 其次是考虑工程现场条件、工程本身性质等因素, 同时还应考虑注浆深度应该结合薄弱层的特点或构造物的活动荷载以及沉降要求等诸多因素综合确定。

压注法的材料通常分为粒状浆材和化学浆材两大类, 选择时主要考虑注浆的目的和受注体的条件。在压注之前, 注浆参数的确定也相当重要, 这些参数主要包括浆液扩散半径、容许注浆压力、注浆量、注浆孔布置方式等, 这些参数虽存在差别却又互相联系, 与地基土渗透性等因素有关。

注浆的第1道工序是注浆孔的施工, 整个过程尤为重要, 在施工中应注意以下几点: (1) 钻孔孔位和设计孔位的偏差不能超过其限值; (2) 不能用水作为冲洗剂, 而应该用压缩空气清孔排渣; (3) 钻孔设备必须准确到位, 必须严格按施工次序布钻施工, 钻机在施工过程中还应尽量减少注浆孔斜度; (4) 注浆孔应该采用与注浆钉相匹配的钻头开孔, 孔内放置注浆钉, 孔口安装橡胶止浆塞管, 掏孔清除浮灰, 注浆管在压力作用下将浆液注入楼板层间, 而且化学浆液在使用前应进行充分搅拌以保证其均匀, 防止再次沉淀, 影响浆液质量。

除此之外, 在采用注浆法施工时, 还必须要做好相应的安全措施, 超前预报和监控量测必须贯穿整个施工过程;配备少量聚氨酯材料, 以备突水应急堵漏时采用;作业人员必须戴眼镜和软手套, 以防止水泥粉尘和水玻璃溶液对人体造成伤害等。

厦门海沧货运通道是厦门“两环八射”新规划的分支, 包含3座隧道:海新1, 2, 3号隧道, 其中海新2号隧道是1座双向6车道的分离式隧道, 左线起止桩号ZK3+110—ZK3+585, 长475m, 右线起止桩号YK3+070—YK3+565, 长495m, 洞宽14.8m, 洞高7.6m, 等价圆直径为11.2m。

海新2号隧道进出口段为残积砂质黏性土, 属浅埋隧道, 其余为深埋岩质隧道, 围岩地层为块状中风化花岗岩。花岗岩在长期风化剥蚀作用下, 岩体沿裂隙面逐渐风化剥离, 并造成岩块崩解、失稳、滚落, 形成“石蛋”“石球”。而部分“石蛋”“石球”因处于临空状态, 且与坡面的接触面积小, 重心较高, 形成危石, 属Ⅳ级围岩。在海新2号隧道左线ZK3+580的西北向约347m为蜈蚣山水库, 水面标高为103.000m, 较隧道标高要高。

根据钻孔混合水位及隧道设计标高, 拟建隧道工程的底板均位于地下水位以下, 隧道开挖需考虑地下水对工程施工的影响。

隧道段均为岩质隧道, 岩质隧道岩体主要由中、微风化岩构成。洞内地下水主要来自于与隧道相交的断裂构造破碎带中和水库, 经勘查, 洞内的中风化岩段一般呈淋湿状态, 有渗水、滴水现象, 甚至有小股水流流出;但在断裂破碎带及碎裂状强风化岩中常有成股水流流出, 水量较大。除此之外, 在勘探中有遇强风化岩带分布, 在具有一定压力的地下水作用下对洞顶和洞身稳定的影响将较为严重, 可造成洞顶或洞身的坍塌。而且地下水处理不当容易导致大量地下水流失, 导致水库干枯、地表植被死亡等后果。

隧道进出口段为残积砂质黏性土, 粉粒含量较高, 具有泡水易软化、崩解并在较高水压力作用下易产生“流泥”、坍塌等问题;全风化岩、土状强风化岩开挖暴露后如遭受较长时间的泡水作用, 也会较快软化、崩解而降低强度。因此, 地下水如果处理不当, 地下水作用下隧道洞顶和洞身稳定性很难保证, 可造成洞顶或洞身的坍塌。

海新2号隧道洞身主要位于地下水位以下, 且蜈蚣山水库水面标高较隧道标高要高, 而隧道本身穿越破裂带, 地下水对隧道施工存在明显影响, 因此地下水的处理尤为重要。综上所述冻结法和压注法的特点, 海新2号隧道应选择压注法对地下水进行处理。

按道路等级设计要求和工程的重要性, 海新2号隧道应达到2级防水要求, 即不允许渗水及结构表面有少量、偶见的湿迹。除此之外, 隧道的防排水应该遵循“防、排、堵、截相结合, 因地制宜, 综合治理”的原则, 隧道建成后达到洞内基本干燥的要求, 保证结构和设备的正常使用和行车安全。隧道防排水设计应对地表水、地下水妥善处理, 形成一个完善通畅的防排水系统。

防水在地下水处理技术中占据相当重要的地位^[8]。海新2号隧道近水库段开挖阶段最大涌水量预测为q₀=27.1m³/ (d·m) 。在隧道开挖前, 应采用超前预注浆加固方式将围岩水径填充密实, 或直接采用深孔注浆和超前注浆止水帷幕进行处理。同时, 对于渗水量较大地段, 在施作初期支护时需预埋一定数量的回填注浆管, 待封闭成环后, 立即组织进行回填注浆堵水。此外, 隧道初期支护与二次衬砌间铺设1.5mm厚EVA防水卷材+无纺土工布 (>350g/m²) , 采用热风双焊缝施工工艺。

考虑海新2号隧道穿越破裂带、临近水库的工程特征及工程的重要性, 在进行防水设计和施工中, 还应注意以下几点: (1) 加强隧道结构的自防水功能, 封闭少量渗水在初期支护和二次衬砌之间流动。二次衬砌采用防水混凝土, 其抗渗等级≥0.8MPa; (2) 隧道洞身变形缝宜设置背贴式止水带+中埋式橡胶止水带, 环向施工缝设置中埋式橡胶止水带, 纵向施工缝设置膨胀橡胶止水条; (3) 为保证初期支护和二次衬砌之间的密贴, 解决初期支护和二次衬砌之间空隙的问题, 要求采用刚度较大的模板台车, 通过提高泵送混凝土压力以保证拱顶回填密实, 提高结构的抗渗能力。

现有的隧道排水方法包括环向排水、纵向排水、横向排水和中央排水等, 排水结构包括:凿槽、排水带引排、空腔排水带排水、盲沟排水、渗排水层排水、拱肋排水、泄洪式排水、埋管排水和洞顶排水等。在进行排水结构选择时, 可以根据隧道排水量的大小、地质结构条件等因素进行选择。综合以上因素, 海新2号隧道排水系统按如下方式布置: (1) 在初期支护与防水板之间设纵、环向ф50软式透水管盲沟;V级围岩段每10m设1环, Ⅳ级围岩段每15m设1环, Ⅲ级围岩段每20m设1环。 (2) 沿隧道边墙底部纵向每5m左右设1道100 HDPE横向排水管;V级围岩段每5m设1环, Ⅳ级围岩段每10m设1环, Ⅲ级围岩段每20m设1环。 (3) 在暗洞两侧边墙底部设置ф100 HDPE双壁打孔波纹管纵向排水管, 全隧道贯通。 (4) 环向盲沟及纵、横向排水管在两侧墙脚形成三通, 衬砌背后的地下水通过环向排水盲沟、无纺布汇集到纵向排水管后, 通过横向排水管, 将地下水引至隧道两侧ф400×20的U-PVC双壁打孔波纹管路基侧向盲沟排出洞外。 (5) 路面积水、洞内消防及清洗水排入隧道路侧矩形边沟内。 (6) 铺底段路面调平层内每20m设1道50软式透水管, 使路面下积水引排至两侧路基边沟内。

截堵水也是隧道防排水处理中重要的一环, 对于海新2号隧道, 隧道洞口边仰坡5m外设置截水沟, 截排地表水, 防止雨水对路面、洞口的危害;在建设过程中采取“以防为主”的原则进行治理, 并采用多重注浆方式, 将隧道开挖断面周围的涌水或渗水封堵于结构外;围岩较差地段采用超前小导管注浆, 在洞室周边形成了注浆堵水圈, 可封闭大部分基岩中输水裂隙和涌水空间;在采用地质超前预报探明、水平钻孔验证后存在的富水地段, 采用局部断面或全断面帷幕注浆加固掌子面前方土体, 确保施工安全;在施作防水板前对初期支护渗漏处进行补充注浆处理, 做到初期支护不渗不漏, 减少地下水的排放。

通过对现有地下水处理方法包括冻结法和注浆法的分析, 结合厦门海沧货运通道线上的海新2号隧道的具体工程情况, 选用合适的方法, 得出如下结论。

1) 结合海新2号隧道穿越断裂带、临近水库等影响地下水和围岩稳定性因素, 预测了海新2号隧道地下水可能引发的灾害, 包括岩质软化引起的“流泥”和坍塌等。

2) 从防水技术方面对海新2号隧道进行了防水处理。考虑到隧洞局部有渗、滴水甚至存在小股水流的现象, 在进行防水处理时, 采用深孔注浆和超前注浆止水帷幕等手段, 提高结构的自防水功能, 在变形缝处设置背贴式止水带和中埋式橡胶止水带。

3) 排水措施方面, 考虑围岩结构和隧道涌水量等特点, 在初期支护和防水板间每隔一定距离设置纵环向的软式透水管盲沟。

4) 采用多重注浆将断面周围涌、渗水封堵于结构外, 围岩较差地段采用超前小导管注浆使洞室周边形成注浆封堵圈, 以实现对海新2号隧道地下水的截堵处理。