隧道施工承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)安全預(yù)控與搶險(xiǎn)措施研究

陸成武

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州貴陽(yáng) 550000）

0 引言

無(wú)論是地下軌道交通建設(shè)還是地上的山地隧道建設(shè)，施工中均需要進(jìn)行承壓水隔離承壓，以防隧道垮塌和施工受阻。當(dāng)然，在不同的地質(zhì)條件下，不同地質(zhì)體的承壓水含水率不同，含水率高的承壓水隧道可能會(huì)面臨承壓水飽和或施工條件突變，以致承壓水發(fā)生突涌，出現(xiàn)重大事故。所以，在隧道施工中，我們需要根據(jù)隧道實(shí)際承壓水含水量，采用合適的施工技術(shù)手段，應(yīng)對(duì)承壓水突涌問(wèn)題，提前制定承壓水突涌搶險(xiǎn)措施，保證隧道施工安全[1]。

1 承壓水對(duì)隧道的破壞形式及條件

承壓水是一種位于地表之下，存在于兩個(gè)穩(wěn)定的隔水層之間，且獨(dú)立承受于靜水壓力的重力水，它的形成關(guān)系到所在地區(qū)地質(zhì)條件與地質(zhì)發(fā)展歷史，不同的地質(zhì)發(fā)展條件存在不同含水量和含水性質(zhì)的承壓水，同時(shí)，它也是產(chǎn)生地下工程事故的主要因素之一，當(dāng)隧道之中存在承壓水，若對(duì)隧道某部位展開(kāi)前進(jìn)式挖掘，開(kāi)挖的部位則減小了含水層之上的不透水層的厚度，隨著開(kāi)挖進(jìn)度持續(xù)進(jìn)行，隧道中的承壓水所附帶的水頭壓力會(huì)大于隧道側(cè)面或底部的不透水層的重力或側(cè)應(yīng)力，造成隧道內(nèi)承壓水突涌。

經(jīng)過(guò)調(diào)查研究及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，筆者總結(jié)出承壓水造成隧道發(fā)生突涌的3 種表現(xiàn)形式。

（1）隧道內(nèi)部巖壁被承壓水頂裂，出現(xiàn)網(wǎng)狀或樹(shù)枝分叉狀裂縫，地下承壓水從裂縫中涌出，并夾帶部分黏土和粉砂顆粒，呈渾濁性狀流至地表。

（2）隧道內(nèi)部側(cè)面或底部發(fā)生流砂現(xiàn)象，造成隧道內(nèi)部側(cè)面或底部的整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞，整個(gè)隧道的整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)受到震動(dòng)[2]。

（3）隧道底部發(fā)生不間斷且持續(xù)性的局部“噴水”現(xiàn)象，使隧道底部積水，破壞隧道底部地基的穩(wěn)定性，影響后續(xù)施工。所以，綜合來(lái)看，隧道內(nèi)部承壓水對(duì)隧道本體的危害性較隧道內(nèi)部的潛水更大。

若隧道中的承壓水產(chǎn)生局部或整體突涌，必然是在開(kāi)挖隧道過(guò)程中，隧道巖壁整體減薄，上覆或側(cè)面巖層的局部壓力小于承壓水的水頭所施加的壓力所致。

2 隧道承壓水影響因素及突涌原因

2.1 影響隧道突涌的因素

（1）承壓水的水壓力。承壓水的水壓力是隧道突涌的主要影響因素，一方面它作為一種直接面力作用于隧道的底部或側(cè)面，對(duì)隧道底部或側(cè)部的巖壁施加了一部分壓力，另一方面，若承壓水所在的底板或側(cè)部因地質(zhì)或施工原因產(chǎn)生裂隙后，隧道內(nèi)的承壓水與粉砂性黏土混合，共同涌出地表，影響施工進(jìn)度[3]。在其他條件相同時(shí)，隧道內(nèi)的承壓水水頭壓力越大，隧道內(nèi)發(fā)生突涌的可能性越大。

（2）隧道底板或側(cè)部的隔水層的厚度及容水量。隧道底部或側(cè)部的隔水層的厚度是隧道突涌的最重要的主導(dǎo)因素，隧道底部或側(cè)部隔水層的厚度越大，隔水層的自重應(yīng)力越大，同時(shí)，其所受的凈荷載越??；另一方面，隧道內(nèi)隔水層厚度越大，剛度也大，其抗變形和抗突涌能力也越強(qiáng)。在現(xiàn)行的隧道工程規(guī)范、教科書(shū)和工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)里均采用經(jīng)典的壓力平衡理論，只考慮了承壓含水層頂隔水層土體自重力引起的抗力。

（3）隧道底板或側(cè)部的隔水層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)反映了隧道內(nèi)巖體應(yīng)對(duì)自然或施工剪力的抵抗能力，它也是隧道突涌的重要的主導(dǎo)因素之一，隧道內(nèi)巖體的抗剪強(qiáng)度越大，隧道內(nèi)突涌發(fā)生的可能性越小。

（4）隧道的平面尺寸。隧道的平面尺寸越大，周?chē)牟涣紬l件對(duì)隧道底板的集中性危害作用則越小，在其他條件一定時(shí)，這種情況下隧道內(nèi)突涌形成的可能性增加。

（5）隧道內(nèi)部縱深。隧道內(nèi)部縱深影響隧道內(nèi)上覆巖體的實(shí)際載荷，上覆巖體對(duì)隔水層周邊存在約束作用，所以，隧道開(kāi)挖深度越大，隧道深處的卸荷作用越顯著。

（6）隧道底部或側(cè)部隔水層的變形指標(biāo)。隧道內(nèi)部巖體變形指標(biāo)的大小反映了隧道內(nèi)部巖體變形的難易程度，變形指標(biāo)越小，在相同力的作用下的撓曲強(qiáng)度越大。由于隧道內(nèi)巖體的抗拉強(qiáng)度小，在撓曲強(qiáng)度不大時(shí)即可出現(xiàn)拉張裂縫，因此變形指標(biāo)越小，越易形成突涌。

2.2 隧道突涌的原因分析

2.2.1 隧道內(nèi)承壓水的地質(zhì)勘查不具體或存在錯(cuò)誤

目前，深隧道工程在承壓水勘察工作中的常見(jiàn)缺陷主要包括：勘探孔打入深度較淺，場(chǎng)地范圍內(nèi)承壓水的分布和實(shí)際含量?jī)H憑經(jīng)驗(yàn)確定；在隧道挖掘之前，技術(shù)人員未探明隧道內(nèi)部承壓含水層和隧道隔水層之外的相鄰含水層之間的水力大小關(guān)聯(lián)與水層分布的關(guān)系，在當(dāng)前技術(shù)條件下，技術(shù)人員提供的隧道內(nèi)部承壓水層水力參數(shù)（隧道巖壁滲透系數(shù)、隧道底板和側(cè)部承壓水頭壓力、隧道內(nèi)儲(chǔ)水系數(shù)）與實(shí)際情況存在差異，存在理論與實(shí)際不相符的情況[4]；另外，在隧道內(nèi)部，承壓水層的頂板埋深和“尖滅點(diǎn)”位置不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致承壓水層位置評(píng)估錯(cuò)誤，嚴(yán)重則導(dǎo)致承壓水層突涌入隧道。上述原因如果在施工過(guò)程中得不到重視，不采取措施予以解決，易致使工作人員在隧道設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中對(duì)承壓水未考慮或考慮不周，從而引發(fā)隧道內(nèi)突涌，破壞隧道內(nèi)部整體巖體穩(wěn)定性。

2.2.2 隧道施工過(guò)程中存在超挖現(xiàn)象

考慮到開(kāi)挖卸荷引起的隧道內(nèi)部局部巖體回彈及隧道內(nèi)部側(cè)面巖壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向擠壓引起的隆起變形，加之隧道內(nèi)部大型器械機(jī)械施工難以精確控制開(kāi)挖標(biāo)高，以致隧道開(kāi)挖過(guò)程中常會(huì)存在一定的超挖量，另外隧道內(nèi)底板還會(huì)存在局部深開(kāi)挖段，該部分的抗突涌穩(wěn)定可能達(dá)不到實(shí)際抗突涌的要求，存在承壓水突涌的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 隧道施工過(guò)程中減壓井未能起作用

在隧道施工過(guò)程中，部分隧道需要采取一定的降壓措施才能防止隧道內(nèi)部地板和側(cè)部突涌，但是，實(shí)際施工過(guò)程也不是一帆風(fēng)順，常出現(xiàn)停電或降壓井堵塞等現(xiàn)場(chǎng)不利情況而使減承壓水施工不能正常進(jìn)行，或者使減承壓水效果明顯變差，使承壓水水頭壓力仍然處于高位，未達(dá)施工設(shè)計(jì)的規(guī)定要求，若長(zhǎng)時(shí)間未解決這類(lèi)問(wèn)題，嚴(yán)重則承壓水水頭壓力回升，進(jìn)一步導(dǎo)致承壓水突涌。

2.2.4 隧道內(nèi)部底板封固質(zhì)量不佳

在隧道施工過(guò)程中，如果未提前采取隧道底部封固，則存在較大的承壓水突涌隱患[5]。例如，在施工過(guò)程中，施工人員無(wú)法保證加水粉砂質(zhì)黏土攪拌定位樁或高承壓水承壓旋噴樁的質(zhì)量，可能存在未加固的部分區(qū)域，這一部分區(qū)域較其他區(qū)域受力薄弱，進(jìn)一步可能成為隧道突涌的高發(fā)區(qū)域，所以需要提前采取相關(guān)措施，謹(jǐn)防事故發(fā)生。

3 隧道承壓水安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控

3.1 勘察風(fēng)險(xiǎn)控制要點(diǎn)

在隧道挖掘過(guò)程中，施工小組需嚴(yán)格按規(guī)范布置勘探工作量，對(duì)于寬度大于20m 的隧道內(nèi)部應(yīng)沿隧道內(nèi)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布孔。詳細(xì)勘查期間如現(xiàn)場(chǎng)條件受到限制，造成勘探孔距離大，或勘探孔距離隧道側(cè)部較遠(yuǎn)的區(qū)域，在施工前應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)勘，確保消除局部分布的承壓含水層的風(fēng)險(xiǎn)源。承壓含水層的巖層定名應(yīng)根據(jù)野外記錄、靜探曲線(xiàn)以及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果綜合確定，避免因土層定名與實(shí)際情況不符導(dǎo)致的承壓含水層（尤其是微承壓含水層）漏劃的風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生。

此外，針對(duì)靜探探管傾斜，易導(dǎo)致承壓含水層頂、底板埋深與實(shí)際情況不符的問(wèn)題，進(jìn)入暗綠色硬土層或貫入深度大于30m 時(shí)，應(yīng)分次貫入下護(hù)套管；或采用測(cè)斜裝置等措施，確保承壓含水層分層深度的準(zhǔn)確性。

3.2 水文資料不完整或不準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)控制要點(diǎn)

勘察人員應(yīng)根據(jù)承壓含水層分布特征及工程性質(zhì)，分析判斷承壓水對(duì)工程的影響程度，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞時(shí)可能引發(fā)水土突涌，此時(shí)施工人員需要提前研判，應(yīng)布置實(shí)測(cè)承壓水水頭的工作。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行承壓水水頭觀測(cè)時(shí)，施工人員應(yīng)加強(qiáng)野外作業(yè)管理，嚴(yán)格按正確的操作規(guī)程施工，做好被觀測(cè)承壓含水層與其他含水層的隔水措施、孔內(nèi)泥漿應(yīng)清除干凈。施工人員應(yīng)連續(xù)觀測(cè)至承壓水水位穩(wěn)定為止（根據(jù)含水層土性不同，一般觀測(cè)時(shí)間需5~10d）。勘察報(bào)告除提供勘察期間的承壓水水位外，還應(yīng)收集區(qū)域承壓水水位資料，以滿(mǎn)足隧道內(nèi)突涌評(píng)價(jià)應(yīng)按不利組合考慮的要求（即按施工周期內(nèi)可能出現(xiàn)的高水位進(jìn)行評(píng)價(jià)）。此外，施工人員應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)，綜合室內(nèi)滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)綜合確定土層滲透系數(shù)。對(duì)于不均勻土層，其滲透系數(shù)建議值應(yīng)慎重。此外，施工管理人員需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)應(yīng)按正確的操作規(guī)程施工，清除孔內(nèi)泥漿，以確保獲得的含水層滲透系數(shù)的準(zhǔn)確性。水文地質(zhì)勘察中的抽水試驗(yàn)孔和觀測(cè)孔均應(yīng)按規(guī)范嚴(yán)格施工，如填砂礫應(yīng)按試驗(yàn)?zāi)康膶舆M(jìn)行顆粒級(jí)分配設(shè)計(jì)。

3.3 承壓水減壓降水風(fēng)險(xiǎn)控制要點(diǎn)

設(shè)計(jì)人員應(yīng)全面了解、掌握降水區(qū)域的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能地進(jìn)行三維地下水滲流關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)在全面分析降水區(qū)域水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，選取能客觀反映降水區(qū)域水文地質(zhì)條件的地下水滲流模型，進(jìn)行降水設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)于復(fù)雜隧道掘進(jìn)工程，降水設(shè)計(jì)方案應(yīng)通過(guò)具豐富降水工程經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家組論證或鑒定。設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各工況條件，在此基礎(chǔ)上確定降水方案并進(jìn)行降水設(shè)計(jì)。承壓水降水主要以滿(mǎn)足盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞要求和盡可能減少降水對(duì)周?chē)h(huán)境影響為目的，因此，應(yīng)提供不同工況條件下，滿(mǎn)足盾構(gòu)進(jìn)出洞安全要求的不同降水方案。對(duì)不同的降水方案進(jìn)行比較后，選取最佳方案。降水設(shè)計(jì)計(jì)算要留有一定的安全系數(shù)，此安全系數(shù)來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面的考慮：①計(jì)算參數(shù)選取的精度及準(zhǔn)確性。②隧道內(nèi)降水區(qū)域的施工質(zhì)量及成井后的運(yùn)行質(zhì)量、保護(hù)程度等。對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞承壓水降水而言，其安全系數(shù)應(yīng)大于1。

4 隧道承壓水突涌搶險(xiǎn)措施

（1）為了減少降水區(qū)域?qū)χ車(chē)h(huán)境的影響，施工過(guò)程中施工人員必須堅(jiān)持三個(gè)降水原則：分層分步降水、按實(shí)際需求降水以及設(shè)計(jì)計(jì)劃合理降水。降水深度要與隧道內(nèi)的開(kāi)挖深度保持一致，開(kāi)挖深度越深，降低的水位則越低，以合理控制承壓水對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)施加的影響。

（2）為了提高隧道內(nèi)突涌后的應(yīng)急處置效率，搶險(xiǎn)人員應(yīng)盡量減短位于高層建筑物或重要場(chǎng)所附近的隧道內(nèi)的承壓水抽水時(shí)間。借助“互聯(lián)網(wǎng)+”信息化設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)抽水區(qū)域的水位，若發(fā)現(xiàn)抽汲水泵與實(shí)際水位情況不相符，應(yīng)及時(shí)調(diào)整抽水泵數(shù)量及抽水流量，按實(shí)際情況合理高效降水。

（3）在隧道內(nèi)減壓施工完成后應(yīng)進(jìn)行承壓水區(qū)域抽水模擬實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)際搶險(xiǎn)過(guò)程中減壓降水的運(yùn)行參數(shù)。在降水搶險(xiǎn)施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員隨開(kāi)挖深度逐步降低承壓水水頭，確定抽水模擬結(jié)果。在控制承壓水頭足以滿(mǎn)足隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求的前提下，最大化減小承壓水水位。

（4）在隧道施工過(guò)程中，為了避免承壓水飽和充注隧道，應(yīng)在臨近敏感建筑物及重要管線(xiàn)周邊開(kāi)鉆注水井，使隧道內(nèi)的承壓水改變流向，流入注水井中。此外，降水期間，施工技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)地表受承壓水的影響監(jiān)測(cè)，依據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)情況，合理選擇降水措施，一般地，現(xiàn)場(chǎng)降水措施常采用抽灌一體化的方案。對(duì)于隧道內(nèi)突涌通常采取的措施為內(nèi)外注漿加壓載加支撐的方法，現(xiàn)場(chǎng)施工人員應(yīng)根據(jù)緊急情況采取“地面打孔與隧道內(nèi)部注漿雙管齊下，對(duì)漏水點(diǎn)加壓加載水泥包”的方式，內(nèi)外結(jié)合注漿，提高處置效率。

（5）關(guān)于注漿措施，本文提幾點(diǎn)建議。在隧道內(nèi)部注漿具有“方便、直接、見(jiàn)效快”等優(yōu)點(diǎn)，可快速搶得寶貴時(shí)間，至少縮短3~5h 黃金時(shí)間。搶險(xiǎn)時(shí)間每增加1h，風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增大很多。隧道相關(guān)的地面注漿可能涉及眾多不明的地下管線(xiàn)和地面交通，甚至地面建筑和地下構(gòu)筑物等。由于注漿施工確認(rèn)確定時(shí)間長(zhǎng)、成孔時(shí)間長(zhǎng)、成孔困難（塌孔），從而喪失寶貴的搶險(xiǎn)時(shí)間。所以，在實(shí)際注漿施工過(guò)程中，工作人員應(yīng)優(yōu)先采用“大流量”的注漿泵壓注聚氨酯，可在較短時(shí)間內(nèi)開(kāi)始發(fā)泡，但在冬季應(yīng)注意提高漿液溫度，以達(dá)到速凝的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

隧道內(nèi)承壓水控制不及時(shí)會(huì)對(duì)隧道施工產(chǎn)生不利影響，在實(shí)際施工過(guò)程中，施工技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格把控承壓水的區(qū)域分布及屬性，采取合理措施及時(shí)控制。本文介紹了隧道內(nèi)承壓水的破壞形式及條件，進(jìn)一步介紹了承壓水的影響因素及突涌原因，并對(duì)實(shí)際隧道施工過(guò)程提出安全風(fēng)險(xiǎn)管控措施及應(yīng)急治理措施，以指導(dǎo)后續(xù)隧道施工。