宝石岭隧道水环境效应与注浆治理研究.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.S2丁蔚,陈子扬,刁浩宇,等.宝石岭隧道水环境效应与注浆治理研究J.水利水电技术(中英文),2023,54(S2):215-219.DING Wei,CHEN Ziyang,DIAO Haoyu,et al.Study on water environment effect and grouting treatment of Baoshiling TunnelJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(S2):215-219.宝石岭隧道水环境效应与注浆治理研究丁 蔚1,陈子扬2,刁浩宇2,乐 玲2,陆从山2(1.安徽省交控建设管理有限公司,安徽 合肥 230041;2.同济大学 地下建筑与工程系,上海 200092)收稿日期:2023-06-29基金项目:安徽省交通控股集团科技项目(JKKJ-2020-10)作者简介:丁 蔚(1989),男,高级工程师,硕士,从事桥梁隧道工程绿色建造与地下水保护方面工作。E-mail:dingweimail 摘 要:经济社会的高质量发展对隧道工程的环境效益提出了更高要求。以宝石岭隧道 K60+160K60+180 段涌水为工程背景,首先归纳整理了隧道涌水引起的地下水位下降、地表塌陷、房屋开裂等水环境负效应;其次进行注浆参数设计和注浆施工,注浆圈厚度 4 m,浆液为 1 1 水泥浆添加 3%水玻璃;最后通过涌水量、地下水水位、隧道衬砌承载力检验了注浆效果。结果表明,涌水量由注浆前的 12.53 m3/(dm)下降到 2.41 m3/(dm),降幅达到 80.8%;地下水水位由注浆前的大于 20 m 逐渐上升至约 15 m;初衬外水压力降幅达 68.6%,安全系数大于 2.0;可见注浆后涌水量和衬砌外水压力大幅降低,地下水位得到了恢复,注浆堵水限排的效果明显。研究成果为隧道开挖引发的水环境效应的治理提供了一定的借鉴。关键词:隧道;地下水;水环境效应;注浆DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.S2.035中图分类号:U455.49文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)S2-0215-05Study on water environment effect and grouting treatment of baoshiling tunnelDING Wei1,CHEN Ziyang2,DIAO Haoyu2,LE Ling2,LU Congshan2(1.Anhui Transportation Holding Construction management Co.,Ltd.,Hefei 230041,Anhui,China;2.Department of Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:The high quality development of economy and society puts forward higher requirements for the environmental benefits of tunnel engineering.Taking the water inflow of section K60+160K60+180 of Baoshiling Tunnel as the project background,the negative effects of water environment such as groundwater level drop,surface collapse and house cracking caused by water in-rush are summarized.Secondly,the grouting parameter design and grouting construction are carried out.The grouting ring thick-ness is 4 m,and the slurry is 1 1 cement slurry with 3%water glass.Finally,the grouting effect is tested by the water inflow,groundwater level and bearing capacity of tunnel lining.The results show that the water inflow decreases from 12.53 m3/(dm)before grouting to 2.41 m3/(dm),a decrease of 80.8%.The groundwater level gradually rises from more than 20 m before grouting to about 15 m.The water pressure drop outside the initial lining is 68.6%,and the safety factor is greater than 2.0;It can be seen that the water inflow and the external water pressure of the lining are greatly reduced after grouting,the groundwater level is restored,and the effect of grouting is obvious.The research result provide some reference for the treatment of water envi-ronmental effects caused by tunnel excavation.Keywords:tunnel;groundwater;water environmental effects;grouting512丁 蔚,等/宝石岭隧道水环境效应与注浆治理研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期0 引 言0 引 言 截至 2022 年底,我国公路隧道共 24850 座,总里程达 26784 km1。经济社会的高质量发展对隧道工程的环境效益提出了更高要求,2021 年 10 月国务院颁布了地下水管理条例2,对地下水进行专门的立法保护。随着高速公路网向山区的不断拓展,隧道施工及运营环境变得越发敏感复杂,其对周边地下水环境影响问题也在增多3-7,促使隧道建造引起的地下水环境问题越来越受到广泛关注。一方面地下水是诱发隧道灾害的重要原因8-11,会造成隧道渗漏、衬砌失效等灾害,另一方面隧道建造常常会造成隧道周边水资源流失、水位下降、生态环境恶化等不良影响12-15。例如,京广铁路衡阳至韶关段隧道,在施工期间多次引发周边地下水位下降和隧道涌水,对当地地下水环境和人居环境都造成了较大不良影响;武广客运线隧道建设期大量排放地下水造成金沙洲区域地下水环境破坏和经济损失;内昆线新寨隧道进口段发生突涌水导致施工机械掩埋和地表泉眼枯竭;京通铁路桃山隧道施工大量排水,导致隧址区所有泉水干枯,直接影响附近的发电用水和灌溉用水。若为了减少地下水排放,降低对周边地下水环境影响往往会采用“以堵为主”的设计方案,施工成本通常较高且对于高水压山岭隧道难以适用。因此,隧道防排水设计理念由原来的“以堵为主”逐步转变为“以堵为主,限量排放”来处理隧道工程与地下水环境的关系,以保证既不破坏地下水生态环境的同时又满足隧道结构安全性,实现经济又环保的目标。1 宝石岭隧道涌水及水环境效应1 宝石岭隧道涌水及水环境效应1.1 工程概况 宝石岭隧道是德州至上饶高速公路(G3W)的控制性工程,位于安徽省黄山市祁门县境内,为分离式特长隧道,隧道左幅长3 933 m,最大埋深364 m,右幅长3 931 m,最大埋深366 m。隧道岩性主要为灰岩和花岗岩,如图 1 所示,第四系覆盖层较厚,下伏基岩风化强烈,岩体破碎-较破碎,节理裂隙发育,灰岩地层溶沟、溶槽较发育。图 1 宝石岭隧道纵断面隧址区植被发育,有民房分布,下穿宝溪村,如图 2 所示。隧址区地貌为皖南中低山区,地形以低山丘陵为主体,山体陡峻,山脊线多沿西北东南南北向展布,山顶呈尖或尖圆形,锯齿状山脊,山坡坡度一般 3045。隧址区属于中亚热带湿润季风气候区,气候温暖湿润,日照充足,季风明显,四季分明,雨量充沛,多年平均降水量 1 494.91 701.6 mm。图 2 宝石岭隧道穿越宝溪村平面1.2 隧道涌水 2020 年 12 月,宝石岭隧道 K60+160K60+180 段发生突涌水灾害,掌子面的导坑右侧的拱脚处出现涌水,出水量约 45 m3/h,水质混浊夹带泥沙,涌水段掌子面属于 IVb 级围岩,现场立即停止施工,进行超前地质勘探后表明该位置裂隙水较丰富。2020 年 12 月19 日涌水从浑浊转为清水,水量增大,约为 70 m3/h,2022 日水量减少并伴有黄泥,20 日出水量约60m3/h,21 日出水量约30 m3/h。截至22 日18 时出水量比前日有所减少,但仍保持 30 m3/h,即每延米涌水量为36 m3/(md),水质混浊,无异味,如图 3 所示。图 3 K60+160 位置掌子面涌水1.3 隧道水环境效应 隧道涌水导致宝溪村地表的农田和山丘上陆续出现塌陷坑,如图 4 所示和表 1 所列。同时隧道涌水段上方的村民房屋出现开裂(见图 5)、井水水位下降(见图 6)等水环境负效应。612丁 蔚,等/宝石岭隧道水环境效应与注浆治理研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期图 4 地面塌陷情况表 1 地表塌陷情况统计时 间地表陷坑情况2021 年 3 月 1 日距离左洞左侧 42 m 处出现新陷坑2021 年 3 月 13 日宝石岭隧道左洞 K60+483.6 处左侧 21.5 m 处出现陷坑,陷坑口径 1.0 m 左右,深度 1.5 m2021 年 3 月 14 日宝石岭隧道右洞 K60+215.8 右侧 35.0 m 处发现陷坑,陷坑直径 1.6 m 左右,深度 9.3 m2021 年 3 月 23 日宝石岭隧道右洞 K60+465.5 偏右 63.4 m 位置。坑洞直径 2.0 m,深度 0.5 m图 5 隧道 K60+315 上方地表房屋开裂图 6 隧道 K60+315 位置上方水井干枯2 涌水段注浆治理2 涌水段注浆治理2.1 注浆参数设计 针对宝石岭隧道 K60+160K60+180 段出现的涌水情况,现场采用衬砌加强并环向注浆的方法进行处治。宝石岭隧道初衬为强度等级为 C30 的普通混凝土材料并采用喷射混凝土施工,其渗透系数约为 1.010-8m/s。根据学者的研究16-17,类比宝石岭隧道的水文地质条件,其次考虑到注浆费用的经济性以及注浆现有条件,选择注浆厚度为 4 m。因此,根据以上注浆厚度和初衬渗透系数,确定对应的防排水系统优化参数如表 2 所列。表 2 注浆圈优化参数隧道参数数 值隧道参数数 值注浆圈渗透系数 kg/ms-14.7110-8初衬外径 r2/m5.7注浆圈厚度 Tg/m4.0初衬厚度 T1/m0.20初衬渗透系数 k1/ms-1110-8二衬厚度 T2/m0.40环向排水管间距 L1/m5.0土工布渗透系数 kz/ms-19 10-4结合选定的注浆参数,对宝石岭隧道进行注浆防渗和二衬加强。其一,对宝石岭隧道涌水段采用424 mm 注浆小导管进行环向注浆加固,注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆;其二,隧道涌水段二衬采用钢筋混凝土进行适当加强。现场采取的洞内注浆限排的措施对隧道周边径向注浆(水泥浆+水玻璃),注浆施工方案如图 7 所示。图 7 注浆圈示意2.2 注浆实施 根据注浆圈参数,现场采取的洞内注浆限排的措施对隧道周边径向注浆(水泥浆+水玻璃),注浆长度712丁 蔚,等/宝石岭隧道水环境效应与注浆治理研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期为 20 m。注浆材料为强度等级为 42.5 MPa 普通硅酸盐水泥浆和水玻璃,如图 8 所示。图 8 注浆材料注浆过程中,注浆小导管采用中 424 mm 钢管,长 4.0 m,环向间距 1.5 m,纵向间距 1.5 m,预注浆浆液全部为1 1 水泥浆,添加3%水玻璃,注浆模数为 2.43.4,浓度为 2-35,并加 2%磷酸氢二。施工时加设止浆设施,防止浆液外泛注,并注意注浆孔不得加水,注浆压力终压不得小于2.0MPa。该段现场注浆持续时间约为两周,累积注浆量约为 410 m3。3 涌水段注浆效果检验3 涌水段注浆效果检验 实施注浆后,对隧道现场的涌水堵水效果、二衬承载力、地下水水位恢复的效果进行量测分析。3.1 堵水效果分析 隧道突涌水区段根据防排水系统的优化参数进行注浆并浇筑衬砌后,隧道涌水量和衬砌外水压力都有大幅下降,涌水量由注浆前初始的 12.53 m3/d/m 下降到现在的约 2.41 m3/d/m,降幅达到 80.8%,排水率下降了约 80.8%;初衬外水压力折减系数降幅达68.6%,二衬外水压力折减系数的降幅达 96.5%,具体如表 3 所列。表 3 的结果表明,优化后的防排水系统与注浆圈能大幅降低涌水量和衬砌外水压力,堵水限排的效果明显,同时也表明了本研究提出的“堵水限排”的防排水系统优化方法的合理性。此外,隧道在防排水系统布置后地下水通过排水管排出,现场观测隧道二衬表面干燥无渗漏水迹,如图 9 所示。涌水数据和现场观测均表明注浆圈对地下水的堵水降压措施起到了明显效果。图 9 注浆圈与防排水系统完工后现场观测3.2 地下水水位 地下水的限量排放使得地下水水位逐步升高,地表水位明显上升使得隧址区居民水井(水井深超过20 m)由干涸到开始逐步恢复水位,如图 10 所示。隧道右洞正上方的村民水井在 2020 年 12 月下旬的已经干涸状态,在注浆后水井水位逐渐回升,已恢复至约15 m。该现象表明注浆圈结合防排水系统优化布置的堵水作用显著,当前的地下水处治方法效果明显。图 10 居民水井水位恢复3.3 二衬结构承载力验算 采用数值软件 ANSYS 软件验算结构的承载力。经验算,结果如表 4 所列。表 3 注浆前后堵水效果对比控制参数每延米涌水量/m3d-1区段总涌水量/m3d-1分段的排水率初衬外水压力折减系数二衬外水压力折减系数允许值3.0060.000.080.270.11注浆前12.53250.600.350.790.09注浆后2.4148.200.070.250.00降低百分比/%80.880.880.868.696.5812丁 蔚,等/宝石岭隧道水环境效应与注浆治理研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期表 4 宝石岭隧道二衬安全系数项 目单 元25155位 置拱 脚仰拱中心拱 脚偏心距/m0.250.170.23偏压情况大偏压大偏压大偏压受压区高度/m0.080.080.08抗弯安全系数2.373.432.43衬砌结构承载水头高度为 10 m 区间;对于外水压力荷载考虑注浆圈折减效果,按照 10 m 水头径向考虑,围岩压力荷载采用深埋、分离式隧道法,鉴于围岩较破碎,按照荷载-结构法利用 ANSYS 梁单元二维数值方法对结构进行安全性校核。经安全系数法核算,拱脚处抗弯安全系数为 2.37,仰拱中心处抗弯安全系数为 3.43,均大于安全系数 2.0,满足安全储备要求。4 结 论4 结 论 本文以德州至上饶高速公路安徽境内的宝石岭隧道为背景,首先梳理了隧道 K60+160K60+180 段涌水对环境造成的影响,包括地下水位下降、地表塌陷、房屋开裂三方面水环境负效应;其次进行注浆参数设计和注浆施工,注浆圈厚度 4 m、渗透系数为4.7110-8m/s,浆液为 1 1 水泥浆添加 3%水玻璃,环向排水管间距为 5 m;最后通过涌水量、地下水水位、隧道衬砌承载力检验了注浆效果。结果表明,涌水量由注浆前的 12.53 m3/d/m 下降到 2.41 m3/d/m,降幅达到 80.8%;地下水水位由注浆前的大于 20 m逐渐上升至约 15 m;初衬外水压力降幅达 68.6%,安全系数大于 2.0。注浆后涌水量和衬砌外水压力大幅降低,地下水位得到了恢复,注浆堵水限排实现了对地下水的合理有效控制,取得了良好的工程效益和环境效益。研究成果可为生态敏感区的隧道水环境效应治理提供一定的借鉴。参考文献1 交通运输部.2022 年交通运输行业发展统计公报R.北京:交通运输部,2023.2 中华人民共和国国务院.地下水管理条例Z.北京:中华人民共和国国务院,2021.3 王纯祥,蒋宇静,江崎哲郎,等.复杂条件下长大隧道涌水预测及其对环境影响评价J.岩石力学与工程学报,2008,27(12):2411-2417.4 卓越,王梦恕,周东勇.连拱隧道施工对地下水渗流场的影响研究J.土木工程学报.2010,43(5):104-110.5 程盼.基于生态平衡的隧道地下水渗控方法及限排水标准研究D.长沙:中南大学,2014,.6 王文忠,富水软岩隧道施工与地下水环境相互影响规律研究D.石家庄:石家庄铁道大学,2013.7 FONT-CAPO J,PUJADES E,VZQUEZ-SU E,et al.Assessment of the barrier effect caused by underground constructions on porous aq-uifers with low hydraulic gradient:a case study of the metro construc-tion in barcelona,spain.Engineering Geology,2015,196:238-250.8 张祉道.山岭隧道地下水处理及结构设计探讨J.铁道工程学报,1995,12(1):103-111.9 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