隧道涌水綜合治理措施分析

屈佳興

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

隧道建設(shè)中，洞內(nèi)涌水是相當(dāng)普遍的一類地質(zhì)災(zāi)害。當(dāng)隧道產(chǎn)生涌水時，如果不能得到快速處理，不僅會給隧道施工造成很大的困難，而且可能出現(xiàn)水淹沒隧道內(nèi)設(shè)施、拖延工期的情況，最嚴(yán)重的可能導(dǎo)致重大傷亡。作為深長隧道，在同一隧道中有可能會穿越各種復(fù)雜特殊的地質(zhì)、地貌和構(gòu)造，因此遇到隧道涌水的風(fēng)險概率顯著提升。然而，由于自身的特殊性，與一般隧道相比，深長反坡隧道的涌水治理更棘手。因此，加強深長隧道涌水應(yīng)急治理并采取相應(yīng)措施，對保障隧道施工安全、避免可能造成隧道進一步損壞的安全事故都有極其重要的意義。

該文通過和邢線天河山隧道D2K36+184掌子面涌水災(zāi)害分析了相關(guān)工程地質(zhì)情況，闡述了相關(guān)隧道的涌水問題和治理措施，并對相關(guān)涌水事故處理應(yīng)急措施方案進行初步探討，希望為今后探討深長反坡隧道的涌水地質(zhì)災(zāi)害問題研究提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道概況

天河山隧道呈東西走向，位于山西省左權(quán)縣和河北省邢臺市交界處，穿越太行山山脈，太行山脈總體為南北走向，地勢北高南低，中間高兩邊低。線路基本為東西走向，在D2K43+090前后穿越太行山山脊，山脊小里程側(cè)為山西省，大里程側(cè)為河北省。

隧道起迄里程D2K33+710～D2K45+405，全長11695m，為單線隧道。隧道一般埋深100m～300m，最大埋深615m。洞內(nèi)縱坡為-4‰/20m、-14‰/11220m、-5‰/455m的單面坡。

該隧道采用1座長1793m的雙車道斜井+1座長6682m的單車道平導(dǎo)輔助正洞施工。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

隧道洞身穿越巖性主要為震旦系下統(tǒng)串嶺溝組砂巖、常州溝組砂巖，受太行山區(qū)大斷裂的影響，隧道洞身穿越一系列次級交叉斷裂和節(jié)理密集帶，地質(zhì)勘測查明21條斷層及7條節(jié)理密集帶。

1.3 涌水情況

2019年6月25日，天河山隧道的進口工區(qū)施工到D2K36+184掌子面附近時，強富水，涌水量激增，裂隙水呈股狀，個別段呈噴射狀，涌水量為3.4萬m/d～4.3萬m/d。因洞內(nèi)為反坡，洞內(nèi)抽水泵無法滿足抽排水要求，涌水后洞內(nèi)水位逐漸升高，造成洞內(nèi)電路和設(shè)備淹沒等災(zāi)害。

2 涌水原因及治理難點分析

2.1 涌水原因分析

根據(jù)風(fēng)險點分析，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)、超前水平鉆探、井內(nèi)電視等成果初步推斷涌水原因：1）地層巖性原因，D2K36+184～+205段主要是由弱風(fēng)化砂巖組成，部分為碎塊狀，有多條節(jié)理密集帶，節(jié)理寬張，由泥夾砂巖碎塊充填，強富水；圍巖等級主要以Ⅳ級～Ⅴ級為主。2）水文地質(zhì)原因，根據(jù)施工揭示地下水類型主要特征為基巖裂隙水，受到該區(qū)域構(gòu)造強烈發(fā)育特點的影響，山體構(gòu)造中形成條件良好穩(wěn)定的儲水帶?；鶐r裂隙水的地下水補給來源主要形式有大氣降水、溝谷內(nèi)的地表水及第四系地下水，在f3灰調(diào)曲～小停溝斷裂帶形成的地下構(gòu)造帶中形成徑流，并向低水位方向排泄，隧道開挖形成新的排泄通道，向隧道內(nèi)大量排泄。

2.2 治理難點分析

治理難點主要包括以下 5 點：1）隧道埋深大，天河山隧道最大埋深615m，屬于深埋隧道。深埋隧道往往地下水位高，水壓力差很大，一旦出現(xiàn)涌流，容易產(chǎn)生更多安全事故。2）隧道較長，天河山隧道長11695m，屬于特長隧道，D2K36+184涌水處距隧道進口2474m。因此，會給隧道洞內(nèi)抽排水造成困難。3）隧道反坡，天河山隧道進口工區(qū)采用反坡向下施工，和隧道內(nèi)順坡排水相比，反坡排水不能借助重力勢能實現(xiàn)自排，而需要設(shè)置抽水泵將洞內(nèi)積水抽出隧道洞口，當(dāng)抽水泵揚程無法滿足抽水要求時，須在隧道已施工段設(shè)置多處泵站，進行多級抽排水，加劇了抽排水施工難度。4）涌水量較大，通過相似比擬法推測出進口工區(qū)D2K33+710～D2K37+040段涌水量如下，正常涌水量為9794.6m3/d，最大涌水量為19589.2m3/d，隧道內(nèi)水量較大，工程建設(shè)階段如抽水不及時，容易造成淹井。5）污水排放要求高，因為天河山隧道進口工區(qū)洞口是田地，下游是駱駝村，而環(huán)境保護環(huán)境保護是我國的一項基本國策，所以污水排放必須進行嚴(yán)格處理，排放要求高。

3 涌水治理措施

3.1 D2K33+710～D2K36+184段反坡抽排水方案

天河山隧道D2K33+710～D2K36+184段洞內(nèi)縱坡為-4‰/20m、-14‰/2454m，且涌水量較大，所以反坡抽排水采用了“固定泵站+臨時泵站+掌子面移動泵”的排水方式。具體設(shè)置如下：1）天河山隧道進口施工期間掌子面設(shè)置移動抽水泵，配備37kW水泵若干臺；1號固定泵站位于D2K35+710左側(cè)，1號泵站分別配備1臺132kW和200kW的水泵。由于2019年6月25日天河山隧道進口D2K36+184掌子面處突然涌水，涌水量較大，掌子面處移動水泵無法滿足直接抽至1號泵站，在D2K36+036附近設(shè)置臨時泵站，臨時泵站分別設(shè)置3臺110kW、2臺200kW的水泵，由臨時泵站向1號泵站抽水，再由1號泵站抽至洞外。洞內(nèi)抽排水布置如圖1所示。2）1號泵站內(nèi)集水坑尺寸為4m×3m×4m。1號泵站至隧道洞口排水管路為兩路?200mm鋼管和一路?150mm鋼管，掌子面和臨時泵站至1號泵站排水管路為一路?150mm鋼管。

圖1 天河山隧道進口工區(qū)抽排水平面布置圖

3.2 D2K36+184掌子面涌水處理

排水泄壓。在D2K36+184附近拱部設(shè)置5個?110mm排水降壓孔。超前周邊注漿加固，對隧道D2K36+182～+212段采取加固圈5m全斷面超前周邊注漿加固。D2K36+182～+184處設(shè)置2m厚C25砼止?jié){墻，止?jié){墻拱墻及基底設(shè)置兩排?42mm鋼管。注漿長度為30m，開挖25m，并保留5m止?jié){巖盤，注漿孔擴散半徑2m，孔底間距3m布置，每個循環(huán)共設(shè)4環(huán)64個注漿孔，鉆孔總長1443.73米。超前周邊注漿加固鉆孔布置如圖2所示。

圖2 注漿孔布置圖（單位：cm）

注漿材料。注漿首先采用0.8∶1普通水泥單液漿進行注漿試驗，由于地下水豐富且水壓大、流速快，試驗結(jié)果表明采用水泥單液漿效果較差，無法有效封堵地下水。施工過程中采用意大利進口（寶峨805-2）多功能地質(zhì)鉆機并進行注漿加固掌子面前方圍巖，采用前進式分段注漿結(jié)合集束多段水平袖閥管注漿工法，每個鉆孔采用三段袖閥管進行分段注漿，第一階段注漿完成后重新鉆孔頂進注漿。根據(jù)注漿試驗情況，采用1∶1普通水泥漿和水∶水泥∶水玻璃質(zhì)量比按0.6∶1∶1的水泥-水玻璃雙液漿進行注漿，注漿壓力按4.0MPa～5.0MPa進行控制。注漿效果顯著，可有效封堵地下水。

注漿效果檢查。注漿完成后，在開挖輪廓線范圍內(nèi)打設(shè)檢查孔，檢測注漿效果，設(shè)檢查孔5個，在1.0MPa壓力下，吸水量＜2L/min；巖體RQD指標(biāo)達(dá)到75～80。

3.3 超前支護

在D2K36+184～+190段、D2K36+207～+212段拱部設(shè)置?42mm超前小導(dǎo)管注漿支護。在D2K36+190～D2K36+207段拱部設(shè)置?89mm超前管棚注漿預(yù)支護。充分利用超前管棚及小導(dǎo)管對隧道開挖輪廓周邊松散體進行補充注漿加固。

3.4 襯砌加強支護

為了保障結(jié)構(gòu)安全，D2K36+184～+190采用Ⅴ級圍巖復(fù)合式襯砌，初支拱墻采用工16型鋼架，間距1.0m/榀，二次襯砌采用C30混凝土結(jié)構(gòu)。

D2K36+190～+212段采用Ⅴ級涌水段加強襯砌，初支采用30cm厚C25網(wǎng)噴混凝土，全環(huán)工22b型鋼鋼架，間距0.6m/榀；二次襯砌采用60cm厚C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.5 洞內(nèi)防排水

D2K36+184～+212段二次襯砌混凝土抗?jié)B等級不低于P10。D2K36+184～+212段二次襯砌環(huán)向施工縫拱墻及仰拱均要加設(shè)中埋式橡膠止水帶+外壁鋪貼式塑料止水帶。D2K36+184～+212段拱墻及隧底環(huán)向盲管加密至3m設(shè)置一環(huán)。隧道開挖后，圍巖表面及初期支護初噴混凝土表面有裂隙線狀出水及面狀淋滲水的情況發(fā)生，須進行注漿堵水及引排。

4 控制措施分析

4.1 涌水治理控制措施

為了充分保障建設(shè)項目施工環(huán)境安全，施工組織單位應(yīng)根據(jù)勘察設(shè)計文件方案并結(jié)合建筑現(xiàn)場周邊環(huán)境實際情況來制定詳細(xì)科學(xué)的安全施工組織規(guī)劃及安全技術(shù)保證措施，報當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)專業(yè)部門嚴(yán)格審批備案后，才能正式組織施工。

洞內(nèi)反坡抽排水方案：做好掌子面、臨時泵站、固定泵站和洞口的水量監(jiān)測，在洞口管道上加水表，觀測每日抽排水量，根據(jù)每日涌水情況進行水泵的開啟及停機控制。在每級泵站安裝電表來復(fù)核后期抽排水?dāng)?shù)量。

超前周邊注漿方案：注漿施工前，應(yīng)采取綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報手段探明掌子面前方的地質(zhì)情況，根據(jù)超前探水孔的出水情況進行超前注漿，并要求施工單位在該分析預(yù)報圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)壓水試驗設(shè)計參數(shù)要求，對超前鉆孔和注漿的各種參數(shù)指標(biāo)要求（如注漿濃度、擴散半徑等）進行適當(dāng)優(yōu)化和調(diào)整，并根據(jù)這些來調(diào)整超前鉆孔布置范圍及孔數(shù)。

污水排放管理，在隧道洞口設(shè)有3級沉淀池和污水處理設(shè)備，污水水質(zhì)須滿足環(huán)境保護條件后才能實施排污。

4.2 施工過程控制措施

超前周邊的注漿工作應(yīng)嚴(yán)格按照工程設(shè)計進行，確保有效加固圍巖。施工中，應(yīng)隨時核對工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、地下水狀態(tài)等情況，如發(fā)現(xiàn)與設(shè)計不符，應(yīng)及時提出，以便修正設(shè)計。在施工階段要確保掌子面排水通暢，并做好對掌子面排水量的監(jiān)控和綜合調(diào)查等工作，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停止施工，迅速撤出洞內(nèi)的工作人員，并報告有關(guān)部門來確保施工人員安全。在隧道注漿完成后，隧道向前開挖時須減少開挖進尺，采用兩臺階法施工，必要時設(shè)置臨時仰拱，每循環(huán)開挖掌子面應(yīng)采用10cm厚噴混凝土封閉來保證掌子面的穩(wěn)定性。盡快施作二襯，保障可能存在涌泥風(fēng)險的破碎帶段施工安全。初期支護完成后，加強初期支護、圍巖的監(jiān)控量測，主要監(jiān)控內(nèi)容有拱頂沉降和凈空標(biāo)高的收斂情況，按3m布置一處監(jiān)測斷面，量測頻率3次/天～5次/天，根據(jù)實測最大累計位移值、位移變化速度和位移時態(tài)曲線判斷管理級別，如果圍巖變形超出規(guī)范允許值，須及時啟動現(xiàn)場相關(guān)應(yīng)急預(yù)案，必要時撤離洞內(nèi)人員來保障人身安全。

4.3 安全問題控制措施

安全管理中應(yīng)當(dāng)遵循“人身安全首位，防范為先，全面管理”的原則，制定安全政策、計劃和措施。施工開始前，必須完善并提前落實隧道內(nèi)各種防災(zāi)和報警措施等施工應(yīng)急措施，如監(jiān)控視頻、有線通信、音響和報警、應(yīng)急道路照明等現(xiàn)場安全應(yīng)急設(shè)備。施工中應(yīng)設(shè)置專職安全員，盡量減少洞內(nèi)作業(yè)人員及作業(yè)時間，發(fā)現(xiàn)異常及時撤出洞內(nèi)人員來保障施工安全。

5 治理效果

5.1 洞內(nèi)反坡抽排水效果

天河山隧道進口發(fā)生涌水后，采取多級泵站反坡排水，掌子面無積水，為施工人員、檢查人員及設(shè)備進入掌子面提供了條件，為后續(xù)洞內(nèi)注漿提供了施工平臺。隧道洞口的水表數(shù)據(jù)為后期注漿效果檢測提供了依據(jù)。隧道洞口水表數(shù)據(jù)見表1。

5.2 超前周邊注漿效果

2019年6月25日至8月20日制定并實施超前周邊注漿方案。根據(jù)表1洞口水表的數(shù)據(jù)分析，自2019年6月25日隧道內(nèi)發(fā)生涌水以來，隧道洞口最大抽排水量43308m3/d，2019年8月20日注漿完成后，洞口最大抽排水量20255m3/d，涌水量明顯減少，滿足了隧道洞內(nèi)后續(xù)開挖的條件。

表1 天河山隧道進口工區(qū)抽排水?dāng)?shù)據(jù)表

初期支護施工完成后，通過對D2K36+185、D2K36+188、D2K36+194、D2K36+197等斷面的監(jiān)控量測分析數(shù)據(jù)采集可以得到拱頂下沉最大累計值在D2K36+194，約12mm，凈空收斂最大累計值在D2K36+194右拱腰，約7mm。拱頂下沉最大累計值和凈空收斂累計值二者都在允許值范圍內(nèi)。二襯完成施工后，無變形、開裂、施工縫滲水現(xiàn)象，最終順利完成D2K36+184涌水段治理。

6 結(jié)語

和邢線天河山隧道作為少有的深埋長反坡隧道，D2K36+184發(fā)生涌水后，制定并采用了反坡排水、排水泄壓、超前周邊注漿加固、超前支護、襯砌加強支護、洞內(nèi)防排水等綜合治理措施，解決了現(xiàn)場施工的問題，保障了隧道的施工安全，避免了隧道出現(xiàn)安全事故，順利通過了富水?dāng)鄬佣?，可為今后深長反坡隧道的涌水地質(zhì)災(zāi)害問題研究提供借鑒。