涌水隧道反坡施工技術(shù)與涌水處理措施研究

朱仁景 何孟黎 陳黎明

1. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 重慶 400023 2. 重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司 重慶 401120

隧道是現(xiàn)代交通的重要組成部分，作為地下工程的一種，是利用天然地形地貌特征修建的地下通道，在隧道建設(shè)過(guò)程中，最常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害就是涌水問(wèn)題。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和交通事業(yè)的快速發(fā)展，隧道建設(shè)工程中，特別是山區(qū)、丘陵、平原、草原等地區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)隧道涌水問(wèn)題，不僅嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和安全，而且還會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

目前在我國(guó)隧道工程施工過(guò)程中，主要采用明挖和洞身開(kāi)挖工藝施工，由于對(duì)涌水的控制措施不到位，極易造成隧道涌水災(zāi)害。尤其是在隧道中采用反坡法施工時(shí)，由于對(duì)涌水問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足或施工經(jīng)驗(yàn)不足而出現(xiàn)的涌水、塌方等事故時(shí)有發(fā)生，因此提高對(duì)隧道涌水機(jī)理的認(rèn)識(shí)，研究強(qiáng)涌水隧道反坡施工技術(shù)尤為重要[1]。針對(duì)巫溪隧道出口段左、右線掌子面施工超前水平鉆孔時(shí)出現(xiàn)大量泥水涌出，為保證施工和后期運(yùn)營(yíng)安全，工程采用反坡施工技術(shù)與涌水處理措施對(duì)隧道泥水進(jìn)行處理。

1 隧道工程概況

1.1 隧道基本情況

巫溪隧道為雙向行駛的雙洞四車道高速公路隧道，其左洞起訖里程為ZK2+960～ZK9+326，全長(zhǎng)6366m；右洞起訖里程YK2+930～YK9+330，全長(zhǎng)6400m，采用雙向掘進(jìn)施工，劃分為進(jìn)口段和出口段兩個(gè)工區(qū)。巫溪隧道出口段工區(qū)左洞計(jì)劃施工長(zhǎng)度2553m，右洞計(jì)劃施工長(zhǎng)度2553m。

巫溪隧道縱斷面為1.315%單向上坡，屬較富水巖溶隧道，隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，采用雙向掘進(jìn)施工，劃分為進(jìn)口段和出口段兩個(gè)工區(qū)，進(jìn)口工區(qū)為順排施工，出口工區(qū)為反坡施工，反坡施工段（出口朝進(jìn)口段）存在施工用水、圍巖滲水及涌水突水聚集于掌子面附近的不利現(xiàn)象，施工排水壓力大。

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 工程地質(zhì)條件

巫溪隧道出口右洞里程為ZK7+596，埋深約890m，襯砌類型為S3；右洞里程為YK7+628，襯砌類型為S3，埋深約900m。左右洞圍巖均為P2m燧石團(tuán)狀灰?guī)r，中-厚層狀構(gòu)造，較硬巖，巖體較完整，為裂隙塊狀結(jié)構(gòu)[2]。

隧址區(qū)位于渝陜交界強(qiáng)烈切割的山岳地帶，地形上中間高，兩側(cè)低，地貌上屬構(gòu)造侵蝕、溶蝕高中山地貌，以構(gòu)造作用為主，受長(zhǎng)期強(qiáng)烈剝蝕、溶蝕切割作用，隧道沿線山脊走向多呈東西向，隧道洞身沿線發(fā)育數(shù)條“Ⅴ”型沖溝，近東西向展布，部分為常年性流水溪溝，其余為季節(jié)性沖溝。巫溪隧道存在一條暗河，即剪刀峽暗河，位于F1斷層附近。區(qū)內(nèi)出露地層為嘉陵江組地層及二疊系頁(yè)巖，從受地質(zhì)構(gòu)造和巖溶發(fā)育影響，發(fā)育有一暗河管道系統(tǒng)。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

北段隧址區(qū)出露地層限于第四系至古生界志留系。其中，基巖出露古生界志留系～中生界三疊系碎屑巖、碳酸鹽巖，除個(gè)別碎屑巖地層外，基本為可溶巖地層覆蓋區(qū)，且碎屑巖與碳酸鹽巖的相間出露，決定了巖溶水與碎屑巖水相間分布的特點(diǎn)[3]。

據(jù)地下水賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征，隧址區(qū)地下水類型分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類基巖裂隙水和碳酸鹽巖類巖溶水三類。其中，對(duì)隧道影響最大的是廣泛分布的碳酸鹽巖巖溶水，可進(jìn)一步細(xì)分為兩個(gè)亞類：碳酸鹽巖裂隙溶洞水和碳酸鹽巖、碎屑巖互層裂隙水。碎屑巖類基巖裂隙水主要分布于前河背斜核部，多為風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水和構(gòu)造裂隙水，賦存在地層淺部，對(duì)深部隧道影響并不顯著，但可運(yùn)移補(bǔ)給下游巖溶地層，間接影響隧道。

巫溪隧道出口段地質(zhì)情況復(fù)雜，巖性主要為泥巖、砂巖及灰?guī)r，巖層結(jié)構(gòu)破碎，局部存在有斷層帶，局部發(fā)育有溶洞和裂隙。巫溪隧道出口段圍巖總體上屬于中等偏弱的圍巖，且開(kāi)挖后局部地段圍巖壓力較大，易造成突水突泥事故。巫溪隧道出口段左線大洞段掌子面施工超前水平鉆鉆孔時(shí)出現(xiàn)大量泥水涌出，且涌水量較大。在此情況下，為確保施工安全，工程決定采用反坡施工技術(shù)進(jìn)行處理。

2 涌水隧道反坡施工技術(shù)

2.1 反坡施工方案

由于隧道穿越巖層屬于軟弱圍巖，如果采用傳統(tǒng)開(kāi)挖方法，不僅無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且還會(huì)使隧道失穩(wěn)，增加圍巖失穩(wěn)的危險(xiǎn)性。因此，必須采用反坡施工方法。反坡法是利用山體天然的坡度，在施工過(guò)程中將山坡變成反坡，利用山體自然坡度、巖石裂隙等自然條件反坡，使隧道開(kāi)挖時(shí)圍巖自穩(wěn)能力得到充分發(fā)揮。反坡法施工時(shí)可根據(jù)需要改變山體坡度，從而使山體形成反坡或斜坡。對(duì)山坡反坡時(shí)可利用一定的天然坡度將松散的地層填筑密實(shí)[4]；對(duì)斜坡反坡時(shí)可利用人工填土將軟弱圍巖加固并形成斜坡。

反坡施工是先開(kāi)挖出一定的坡面形成反坡，再將邊坡加固或開(kāi)挖回填，反坡施工可以減少巖體風(fēng)化作用和破壞作用，此外采用反坡法施工可以實(shí)現(xiàn)快速施工，縮短工期，提高功效。該施工方案可以有效減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，避免因隧道開(kāi)挖后圍巖的失穩(wěn)而造成涌水，而且對(duì)圍巖的擾動(dòng)最小，避免了因圍巖失穩(wěn)而造成涌水；該施工方案可以有效地防止圍巖的風(fēng)化作用，從而防止因巖體風(fēng)化作用而造成隧道失穩(wěn)；在施工過(guò)程中，通過(guò)人工填土處理，可以有效地防止圍巖的風(fēng)化作用。

2.2 施工排水方式

巫溪隧道出口工區(qū)為反坡施工，洞內(nèi)反坡排水應(yīng)采用機(jī)械抽水，需配備足夠的排水機(jī)械和管路。洞內(nèi)反坡排水可根據(jù)距離、坡度、水量和設(shè)備情況等因素布置管路、水倉(cāng)和泵站，在掌子面設(shè)置臨時(shí)集水倉(cāng)，其容積根據(jù)涌水量和水泵排水能力確定，結(jié)合涌水量預(yù)測(cè)建議集水倉(cāng)不宜小于78m3，用潛水泵和輔助小水泵排至集水坑，再由主泵一次或分段接力將水經(jīng)排水管排出洞外。反坡施工段機(jī)械排水能力不小于估算地下水量的1.5倍，并應(yīng)有足夠數(shù)量的備用抽水設(shè)備，同時(shí)滿足施工要求。施工前，施工方應(yīng)結(jié)合具體施工組織，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際距離、水量和設(shè)備情況等因素編制反坡施工排水專項(xiàng)方案，并根據(jù)施工中的變化及時(shí)調(diào)整排水能力。地下涌突水的發(fā)生具有突然性，對(duì)其主要以預(yù)防為主，做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與超前探水工作，通過(guò)各種手段預(yù)先探明掌子面前方的地下水情況，以提前引排或進(jìn)行封堵[5]。

2.3 防排系統(tǒng)及支護(hù)形式

隧道開(kāi)挖時(shí)應(yīng)根據(jù)圍巖情況選擇支護(hù)形式，主要是初支和二襯，特別是初期支護(hù)。圍巖為微風(fēng)化花崗巖時(shí)，可采用錨噴支護(hù)；圍巖為斷層破碎帶時(shí)，可采用鋼筋混凝土襯砌；圍巖為極軟巖、全風(fēng)化巖時(shí)應(yīng)采用錨噴支護(hù)、鋼筋混凝土襯砌和噴射混凝土加固等措施。

初期支護(hù)包括超前管棚、錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土及型鋼支撐等。施工中應(yīng)根據(jù)隧道不同的地質(zhì)情況采取不同的初期支護(hù)方式。掌子面前方主要為硬巖和微風(fēng)化花崗巖，隧道開(kāi)挖時(shí)可采用錨噴或鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)初期支護(hù)；掌子面前方為軟巖層或全風(fēng)化巖層，可采用超前管棚和超前小導(dǎo)管注漿加固[6]。

洞頂仰拱一般用砼進(jìn)行回填，也可用鋼管代替鋼筋，或用鋼拱架代替鋼筋網(wǎng)，回填后應(yīng)將洞頂和仰拱留設(shè)為施工縫。洞口段的初期支護(hù)可采用型鋼鋼架、錨桿和噴射混凝土。洞口段應(yīng)根據(jù)圍巖情況及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)。

2.4 涌水處理措施

巫溪隧道縱斷面為1.315%單向上坡，隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，出口段為反坡施工段，存在涌水突水、施工用水及圍巖滲水聚集于掌子面附近的不利現(xiàn)象，施工排水壓力大，對(duì)人員及設(shè)備安全構(gòu)成威脅。隧道在施工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到地下水涌出的情況，一旦處理不當(dāng)，將會(huì)影響隧道的正常施工。在涌水嚴(yán)重的情況下，首先要考慮采用堵水的方法進(jìn)行處理。（1）堵水可以使用水泥漿液或摻入速凝劑的砂漿等進(jìn)行封堵。（2）設(shè)置導(dǎo)流洞可采用鋼筋混凝土拱墻，在拱墻上設(shè)置引流槽。如果有必要，可以將水引出，并設(shè)置水泵等設(shè)施，以防止水從拱墻表面溢出。（3）如果涌水嚴(yán)重，需要在隧道中開(kāi)挖一個(gè)集水井并將其與隧道相通。當(dāng)集水井達(dá)到一定高度時(shí)，將水引出隧道外。然后可以使用鋼管進(jìn)行排水或通過(guò)其他渠道進(jìn)行排水[7]。

為了確保安全和施工進(jìn)度，還需要采取以下措施：（1）當(dāng)涌水段出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)，可以采用“明挖法”施工，在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)情況及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖速度。（2）如果涌水較小，可采用“臺(tái)階法”進(jìn)行開(kāi)挖；如果涌水較大，可采用“暗挖法”進(jìn)行開(kāi)挖。（3）如果涌水段較長(zhǎng)且水量較大，應(yīng)采用“預(yù)加固后暗挖法”進(jìn)行施工。

3 施工技術(shù)優(yōu)化

3.1 注漿方案優(yōu)化

3.1.1 超前預(yù)注漿方案

注漿方式采用前進(jìn)式或全孔一次壓入（后退）式。鉆孔過(guò)程中未涌水的，就一鉆到底，全孔一次壓入式注漿；在鉆孔過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)有水，即停止鉆孔，采用注一段鉆一段的前進(jìn)式注漿，直到達(dá)到設(shè)計(jì)段長(zhǎng)位置。在水壓、水量較大的情況下，采用封層泄水減壓、分層注漿方式。即下層管注漿，中層管放水；中層管注漿，上層管放水，這樣逐層抬水，把水?dāng)D排到拱頂以上規(guī)定的止水固結(jié)圈外。

3.1.2 注漿技術(shù)要求

注漿孔采用單排梅花型布孔方式，梅花型布置每米不少于4個(gè)孔。注漿孔與注漿孔的距離宜為10～30cm。在施工過(guò)程中要加強(qiáng)對(duì)孔位、角度、深度、傾角等方面的檢查，以保證注漿效果。

注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿，水灰比為1:1。水灰比過(guò)大時(shí)，漿液會(huì)從注漿孔中流出，降低注漿效果；水灰比過(guò)小時(shí)，則難以達(dá)到預(yù)期的加固效果。注漿泵采用JW-60型混凝土泵。由于隧道反坡施工比較復(fù)雜，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)注漿泵的檢查和維修工作，以確保其正常工作。

注漿順序應(yīng)遵循先小后大、先地表后深部、先深后淺的原則。根據(jù)圍巖和設(shè)計(jì)要求確定注漿順序。注漿時(shí)要嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量，以防發(fā)生事故。注漿管應(yīng)沿隧道縱向進(jìn)行布設(shè)，并埋設(shè)于圍巖中或混凝土結(jié)構(gòu)中，保證注漿管的垂直度及與周圍土體的距離符合設(shè)計(jì)要求。在圍巖中埋設(shè)注漿管時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：一是在埋設(shè)注漿導(dǎo)管時(shí)應(yīng)注意開(kāi)挖輪廓線及其上下20m范圍內(nèi)的巖石裂隙；二是注漿管埋設(shè)應(yīng)垂直于隧道開(kāi)挖輪廓線；三是注漿管要有足夠的強(qiáng)度和剛度，并隨隧道開(kāi)挖輪廓線進(jìn)行移動(dòng)。

3.2 反坡排水優(yōu)化

根據(jù)涌水情況和現(xiàn)場(chǎng)地形條件，反坡施工采用排、截、堵相結(jié)合的方法進(jìn)行排水。排：在反坡施工過(guò)程中，應(yīng)首先對(duì)隧道掌子面前方進(jìn)行全面檢查，并在隧道上臺(tái)階開(kāi)挖之前，將隧道掌子面前方的積水排出洞外。截：在反坡施工中，應(yīng)及時(shí)對(duì)隧道掌子面前方的積水進(jìn)行截除。堵：在隧道掌子面前方，應(yīng)根據(jù)情況，及時(shí)采取注漿措施進(jìn)行封堵。

3.2.1 排水系統(tǒng)

反坡施工過(guò)程中，在隧道上臺(tái)階開(kāi)挖之前，應(yīng)對(duì)隧道掌子面前方進(jìn)行全面的檢查，并根據(jù)實(shí)際情況在隧道上臺(tái)階預(yù)留一定數(shù)量的排水孔。在反坡施工中，這些排水孔可以收集隧道掌子面前方涌水和滲水，并將其排出洞外。同時(shí)，還應(yīng)考慮到地下水的影響，并適當(dāng)?shù)亓粼O(shè)排水管。

反坡施工過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)在隧道上臺(tái)階預(yù)留一定數(shù)量的排水孔，并將這些排水孔與排水溝連接起來(lái)。排水溝的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)具體情況確定。排水管的長(zhǎng)度應(yīng)不小于2m，間距不大于10m。在反坡施工中，隧道上臺(tái)階開(kāi)挖前應(yīng)開(kāi)挖足夠數(shù)量的排水管來(lái)收集地表降水和地下水。

3.2.2 截水溝

截水溝設(shè)于隧道外輪廓線外5m處，用C25鋼筋混凝土進(jìn)行封閉。截水溝采用3m×3m的方形斷面，以減少路面積水和地下水對(duì)地表沉降的影響；截水溝上應(yīng)設(shè)5cm厚的C20鋼筋混凝土蓋板或50cm厚的混凝土蓋板，以防止雨水直接沖刷路面。在隧道上臺(tái)階開(kāi)挖前應(yīng)開(kāi)挖一定數(shù)量的截水溝；截水溝施工時(shí)應(yīng)注意排水溝與路面之間的連接和處理，以免截水溝滲水和破壞路面；截水溝兩側(cè)應(yīng)設(shè)5cm厚的混凝土防水板；截水溝中應(yīng)設(shè)置集水設(shè)施，并將排出洞外的地表水引至隧道兩側(cè)集水坑內(nèi)集中處理。當(dāng)?shù)叵滤^多時(shí)，截水溝中可設(shè)置反濾層，以減少地下水對(duì)地表沉降和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，巫溪隧道出口工區(qū)為反坡施工，洞內(nèi)反坡排水應(yīng)采用機(jī)械抽水，需配備足夠的排水機(jī)械和管路。地下涌突水的發(fā)生具有突然性，對(duì)其主要以預(yù)防為主，做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與超前探水工作，通過(guò)各種手段預(yù)先探明掌子面前方的地下水情況，以提前引排或進(jìn)行封堵[8]。洞內(nèi)反坡排水可根據(jù)距離、坡度、水量和設(shè)備情況等因素布置管路、水倉(cāng)和泵站，在掌子面設(shè)置臨時(shí)集水倉(cāng)，其容積根據(jù)涌水量和水泵排水能力確定，用潛水泵和輔助小水泵排至集水坑，再由主泵一次或分段接力將水經(jīng)排水管排出洞外。