甬舟鐵路金塘海底隧道礦山法段地下水限排標準研究

毛優達，羅士瑾，唐銘蔚，凌學鵬，王文正，劉大剛，毛升

(1.舟山市鐵路建設中心,浙江舟山 316000; 2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031;3.西南交通大學土木工程學院,成都 610031; 4.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

伴隨我國經濟建設的飛速發展,交通基礎設施建設速度更是不斷加快,隧道與地下工程的建設規模越來越龐大,其中海底隧道的需求及修建數量也逐年攀升[1-5]。

海底隧道“V”形反坡排水需要采用機械強制抽排,隧道排放標準合理選擇對海底隧道后期運營費用有重大影響[6]。礦山法隧道防排水模式是根據隧道所處的地質條件對隧道水壓力的處理方式進行分類。目前,對水壓力處理各國的觀點基本一致,均按照二次襯砌是否承受水壓來進行劃分,可分為3種,即完全封堵型隧道、局部排水型隧道和全排水型隧道,排水模式見表1。結合相關規范[7]總結出不同排水模式的適用條件。

表1 隧道防排水模式

從相關文獻中調研了目前國內外已建成的7座海底隧道[8]的排放模式及限排量。調研結果顯示,已建成的海底隧道以采用限排為主、局部海域段采用全包防水模式,允許排放量為0.072～0.43 m3/(m·d)。

海底礦山法隧道的限排依據多與圍巖構造特性、滲透性以及水壓力值等相關。以國內海底礦山法隧道為例,廈門翔安海底隧道[9]、膠州灣海底隧道[10]和珠江口鐵路隧道[11]限排標準設置的依據來源于對涌水量較大的區域(如斷層破碎帶段、海域段的軟弱圍巖段等圍巖滲透性極好的區段)注漿堵水處理的控制值。對于其余涌水量較小區段可繼續采用該標準或者在保證結構安全的前提下適當降低其限排標準[12]。

目前對海底隧道限排標準設置的研究較少,而海底隧道限排標準是影響隧道運營成本的關鍵因素。為此,以甬舟鐵路海底隧道陸域段為依托工程對海底隧道限排標準進行研究。

1 工程概況

金塘隧道為新建寧波至舟山鐵路全線的控制性工程之一,位于浙江省東北沿海地區,如圖1所示。

圖1 甬舟鐵路平面示意

隧道進口位于寧波市北侖區小港街道,于青峙河西側下穿金塘水道,在大浦口北側登陸舟山金塘島,出口位于舟山市定海區金塘鎮永昌村境內[13]。

該項目起訖里程DK14+623.00～DK30+713.00,全長16.09 km,單洞雙線,其中礦山法施工段約5.13 km。礦山法段隧道主要位于丘陵區,巖性主要為侏羅系上統流紋質英安巖,強～弱風化,表層覆蓋有殘坡積含礫粉質黏土;隧道洞身主要穿越弱風化流紋質英安巖地層。寧波側礦山法段主要發育有 F1、F2、F3三條斷層,局部區域發育有節理密集帶,節理密集帶及斷層破碎帶影響范圍內巖體裂隙發育,巖體較破碎。礦山法段圍巖級別以Ⅲ級為主,僅隧道和輔助坑道進出口、斷層帶、節理密集帶等軟弱部位為Ⅳ～Ⅴ級,如圖2所示。

圖2 礦山法區域段圍巖級別長度比重

地下水的徑流方向基本與地表水一致,山嶺段斜坡洼地地帶為地下水的補給、徑流區,河谷地帶為其排泄區,主要受大氣降水補給,通過風化裂隙或構造裂隙網絡徑流,在低洼處以下降泉的形式出露,水量一般較少,季節性明顯;在斷層破碎帶及裂隙密集帶等儲水構造中,構造裂隙水發育,分布不均,水量豐富。富水程度較高地區強富水圍巖最大涌水量達7.2 m3/(m·d),地下水位最大196 m。局部區段涌水量較大,涌水量區間1.5～7.2 m3/(m·d)區段長度所占比重較小,為19.19%,如圖3所示。

圖3 礦山法區域段預測涌水量統計

2 甬舟鐵路海底隧道礦山法結構防排水模式研究

2.1 海底礦山法隧道防排水模式研究

礦山法隧道防排水模式根據隧道所處的地質條件對隧道水壓力的處理方式進行分類。目前對水壓力的處理各國的觀點基本一致,均按照二次襯砌是否承受水壓來進行劃分,可分為三種:完全封堵型隧道(全包型)、局部排水型隧道和全排水型隧道。

金塘海底隧道礦山法段位于陸域,地下水的排放可能會對隧道造成一系列不利影響(如結構上浮問題、滲漏問題、高水壓問題和地面沉降問題等),同時在運營期內將產生一系列的次生環境及工程問題,因此,地下水的排放選擇主要和運營期費用關系較大。

根據國內海底礦山法隧道(廈門翔安海底隧道、膠州灣海底隧道)的防排水設計經驗,對于海底隧道海域段全、強風化地段、斷層破碎帶地段等區域,海底補給量大、圍巖透水性好,通常采用全包型襯砌;海底隧道陸域地下水發育段、海域微風化地段通常采用排導型襯砌[14-18]。

2.2 海底礦山法隧道限排標準研究

目前針對已建成的7座海底礦山法隧道陸域段限排標準進行調研,其中海底隧道陸域段允許排放量在0.072～0.43 m3/(m·d)。將上述隧道允許排放量繪制成散點圖,海底隧道陸域段最大限排量為0.43 m3/(m·d),限排量在0.25～0.43 m3/(m·d)區間的頻率(區間點數/總數)為57.14%,如圖4所示。

圖4 已建成的海底隧道限排標準

圍巖注漿加固效果差異較大,為降低圍巖注漿體滲透系數,注漿材料及注漿方案的選定尤為重要。

注漿材料應根據堵水、加固要求,以及是否作為永久性支護結構等方面,并從無毒性、無污染角度綜合考慮進行選擇。注漿方案的選擇主要參考依據有地質勘探數據、超前地質預報成果、涌水量大小和以往類似工程經驗等。一般來說,在節理裂隙較發育且水量或水壓較大地段也應采用超前預注漿方案;在圍巖完整、節理、裂隙不太發育地層中,局部出水或滲漏水地段可采用開挖后徑向注漿及局部注漿方案。

限排標準的設定與區域地段圍巖滲透特性相關。根據《廈門東通道施工設計說明(翔安海底隧道)》陸域段巖層的完整性較好,圍巖的滲透系數為0.012 m/d。根據《鐵路工程水文地質勘察規范》[19],其正常涌水量為0.324 m3/(m·d),考慮注漿加固封閉裂隙和初期支護的封堵作用,隧道建成后穩定涌水量的1/10考慮,即0.032 4 m3/(m·d)。而膠州灣隧道以對斷層破碎帶采用全斷面注漿堵水后的涌水量0.4 m3/(m·d)作為限排標準。故丹麥斯多貝爾特大海峽隧道、挪威馬斯特擴海底隧道以及廈門翔安海底隧道陸域段等限排量設置標準較低。

3 甬舟鐵路海底隧道礦山法隧道段防排水模式研究

海底隧道礦山法段的限排標準主要集中在0.25～0.43 m3/(m·d),如圖5所示,圍巖完整性差、滲透性好,限排標準相對越高[20-21]。局部地區為特殊地質構造段(斷層破碎帶)與膠州灣海底隧道的情況較為接近,故參考膠州灣海底隧道的限排標準,初步確定0.43 m3/(m·d)作為全線的最大限排量,見表2。

表2 甬舟鐵路海底隧道陸域段各區域限排標準

故以0.43 m3/(m·d)作為全線的最大限排量(<0.43段按全排考慮),計算甬舟鐵路海底隧道礦山法段的總排水量為1 856 m3/d。計算其他海底隧道陸域段單洞的限排量。甬舟鐵路海底隧道礦山法段的總體水平與挪威埃林索伊一隧道的總排放量接近。

此外,對于圍巖滲透性較好的特殊構造段(斷層破碎帶和節理密集帶)初始水位高度較大,區段總長932 m。故需要對特殊構造區(斷層破碎帶、節理密集帶)排放量經過結構安全性驗證后確定,針對性設置甬舟鐵路海底隧道礦山法段各區域的防排模式。

4 結語

通過對已建成的海底礦山法隧道防排水模式進行調研分析,結合依托工程礦山法隧道段的水文地質特點,提出了甬舟鐵路海底鐵路礦山法隧道段的防排水模式及最大排放量。

(1)根據二次襯砌是否承受水壓進行劃分,海底隧道可分為完全封堵型隧道、局部排水型隧道和全排水型隧道3種,并考慮國內海底礦山法隧道(廈門翔安海底隧道、膠州灣海底隧道)的防排水設計相關經驗,建議甬舟鐵路海底隧道礦山法段采用排導(限排或全排)模式。

(2)分析甬舟鐵路海底隧道陸域段各區域限排標準數據,計算出保證甬舟鐵路海底隧道礦山法段的總體水平與挪威埃林索伊一隧道的總排放量接近的最大排放量,基于統計分析與工程類比,建議甬舟鐵路海底礦山法隧道段最大排放量為0.43 m3/(m·d)。