深埋特長反坡隧道涌水綜合治理方案及控制措施分析

■許偉敏

（1.福建省招標采購集團有限公司， 福州 350100； 2.福建省交通建設工程監理咨詢有限公司， 福州 350100）

隧道涌水治理是公路工程建設中的常見問題，也是其中的重難點問題。 當隧道發生涌水時，若不能得到妥善治理，不僅會堵塞隧道、淹沒設備、延誤施工進度，更嚴重的將造成人員傷亡，引起重大安全事故。例如，2018 年6 月，貴州省貴陽至南寧客運專線朝陽隧道發生涌水造成2 名施工人員當場死亡，1 名施工人員搶救無效死亡；2019 年11 月，云南省云鳳高速公路安石隧道發生突泥涌水，共造成12 人死亡、10 人受傷，直接經濟損失2 525.01 萬元；2021 年7 月15 日， 珠海市石景山施工隧道發生透水事故，致14 名被困人員全部遇難。 作為深埋特長隧道，在同一隧道中有可能會穿越各種復雜特殊的地質、地貌和構造，故遇到隧道涌水的風險性顯著提升。 然而，因其自身的特殊性，較之于一般隧道，深埋特長反坡隧道的涌水治理更為棘手[1-2]。 因此，加強深埋特長反坡隧道的涌水治理研究，對保障隧道安全施工，避免造成進一步的安全事故具有重要的意義。

本研究結合文筆山1 號隧道涌水工程實例，介紹了該隧道涌水治理的綜合技術方案，并對處理的各個工序進行了詳細的探討，以期為今后類似的深埋特長反坡隧道工程的涌水治理提供經驗借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

文筆山1 號隧道隸屬于莆炎高速公路三明段，隧道位于福建省三明市大田縣西園村，為雙線分離式隧道，右線起迄里程：K218+571～K223+250，長4 679 m，最大埋深648 m；左線起迄里程：ZK218+577～ZK223+246，長4 669 m，最大埋深643 m。隧道右線縱坡為0.5%/5110 的單面上坡，隧道左線縱坡為0.5%/ 5107.43 的單面上坡。

1.2 地形、地貌、構造

該隧址范圍內屬中低山地貌， 地面高程600～1 320 m，山坡基巖出露較差，地表覆蓋第四系坡洪積及殘積土層， 植被發育。 隧區范圍內發育一條F4-1 斷層構造（與線路相交于K222+680 處，交角約40°），次級構造特征主要表現為砂巖與混合花崗巖侵入蝕變帶、破碎巖體的節理密集帶。 隧區地質構造較為簡單。

1.3 水文、氣候條件

文筆山1 號隧道地處沿海腹地山區，屬中亞熱帶季風氣候，年平均降雨量1 460～1 580 mm。

隧道范圍內的地表水主要為溪溝水，地下水主要為基巖裂隙水和第四系孔隙水，以基巖裂隙水為主，賦存于混合花崗巖碎塊狀強風化及中、微風化層中。 其中，碎塊狀強風化巖體破碎，節理、裂隙十分發育，為相對較好的含水層；隧道洞身大部分處于中、微風化混合花崗巖層中，巖層強度高、致密，為相對隔水層，地下水弱發育。

1.4 涌水情況

2021 年4 月22 日下午， 文筆山1 號隧道出口左洞掌子面ZK222+286 處，掌子面出現涌水，初涌水時水質發黃夾泥且涌水壓力較小，4 h 后水質變清。 因隧道左右洞出口均為反坡，涌水后洞內水位逐漸升高， 至次日凌晨洞內涌水漫流出左洞洞口向洞外流排， 現場采用浮標流速法計算涌水量約1 600 m3/h。

2021 年5 月14 日下午， 文筆山1 號隧道出口右洞掌子面YK222+270 處，掌子面下部突發涌水，涌水呈黃褐色夾泥水、水質渾濁且涌水壓力和水量大，約50 min 掌子面涌水流至洞口漫流，估算水流量約22 000 m3/h，6 h 后水質變清。因左右洞在車行橫洞和人行橫洞處連通，右洞涌水涌向左洞，由左洞洞口流出，左洞洞口流出量大于右洞洞口流出量。

2 涌水原因及治理難點分析

結合地勘資料及現場涌水情況初步分析本次涌水的原因為： 基巖裂隙水在該段落富水條件好，隧道開挖使得基巖裂隙水通過圍巖裂隙匯集并涌入隧道。 當然，也不排除地表水對基巖裂隙水的補給作用。

本工程涌水治理難點問題歸納如下：（1）隧道埋深大。文筆山1 號隧道左線最大埋深643 m，右線最大埋深648 m，屬于深埋隧道。深埋隧道往往地下水位高，故水頭壓力大，發生涌水時，易造成更大的危害。（2）隧道長，涌水處距離隧道口遠。文筆山1 號隧道左洞長4 669 m，右洞長4 679 m，屬于特長隧道，涌水處距離隧道出口約960 m。因此會造成排水困難，排水過程中易發生淤積和堵塞；作業人員從隧道口進入到涌水處難度大。（3）隧道反坡。該隧道單向反坡向下掘進，縱坡坡度為5‰。相比于順坡隧道， 反坡隧道不能借助重力勢能實現水的自流，而需要采用機械（水泵）排水方式將涌水抽出洞口。當隧道長、超出水泵揚程時，還需設置多處集水坑，采用分段接力式排水，將加劇排水處理難度。 （4）圍巖破碎。 左右洞掌子面所處位置為節理裂隙密集帶，該段揭示為低阻帶，巖體較破碎，且該段為高應力區，由于節理密集，可能會引起巖爆。 涌水后，圍巖極易遇水軟化或強度降低，會弱化圍巖的自穩能力，從而造成圍巖掉塊或坍塌。 （5）污水排放要求高。 本隧道出口端位于東牙溪二級水源保護區內，在三明市沙溪河最上游， 污水排放須進行嚴格處理，排放要求高。

3 隧道涌水量預測

隧道涌水量包括最大涌水量和正常涌水量，最大涌水量是指隧道掘進過程中含水體涌水時的峰值涌水量，正常涌水量是指隧道掘進過程中遇到的含水體巖體涌水達到穩定或大致穩定時的涌水量[3]。 兩者預測的涌水量計算方法如下。

3.1 最大涌水量計算

最大涌水量計算可參考古德曼經驗公式[4]：

式中，q最大為隧道單位最大涌水量 （m3/h）； H為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離（m）；d 為隧道洞身橫斷面等價圓直徑 （m）；K 為含水體滲透系數；L 為隧道通過某含水體的長度（m）。

3.2 正常涌水量計算

正常涌水量的計算可參考佐藤邦明經驗公式[5]：

式中，q 為隧道單位正常涌水量（m3/h）；ε 為試驗系數，一般取12.8；r0為隧道洞身斷面的等價圓半徑（m）[5]。

采用式（1）、式（2），含水體參數參照文獻[4]取值，得到左洞最大涌水量為2 512 m3/h，正常涌水量為1 708 m3/h；右洞最大涌水量為23 784 m3/h，正常涌水量為1 924 m3/h。

隧道發生涌水后，采用浮標流速法測得左洞洞口涌水量和左右洞洞口合計涌水量變化情況（圖1、圖2）。 從圖中可知，左洞涌水量和左右洞合計涌水量均在5 月15 日達到最大，分別為23 155 m3/h、26 336 m3/h。可以估計左洞最大涌水量為2 300 m3/h，左洞正常涌水量為1 500 m3/h； 右洞最大涌水量為21 700 m3/h，正常涌水量為2 000 m3/h。 對比計算和實測涌水量，兩者結果相當。

圖1 左洞洞口涌水量監測曲線

圖2 左右洞洞口合計涌水量監測曲線

4 涌水治理方案設計

隧道涌水量大且涌水治理難度大，為此給出如下綜合治理方案。

4.1 涌水反坡排水方案

該方案用于左右洞掌子面積水的抽排。

本隧道出口進洞100 m 范圍為順坡，100 m 至目前掌子面位置860 m 為反坡排水，縱坡為5‰，坡度較緩，采用“固定式集水坑+小集水泵+大功率自動排水系統泵站”的排水方式（圖3）。 總體思路如下：第1 階段，左右洞掌子面暫停施工，采用工字鋼+砂袋將左右洞水系連通位置的車行橫洞及人行橫洞進行封堵。第2 階段，右洞出水量約16 000 方/h，初步確定先進行洞口直排， 在各工作面積水較少、具備工作條件時，對掌子面未施工初支段落及已施工初支段落進行安全性檢查，確定安全后進行掌子面本循環初支作業，完成初支段落根據現場情況采取5 m 徑向注漿；左洞根據出水量約1 600 方/h 配置水泵抽排洞內水。 第3 階段，過程中右洞出水量進行每日監測，出水量穩定后，確定水泵配置。

圖3 反坡排水布置圖

4.2 5 m 徑向注漿方案

該方案用于靠近掌子面涌水前未完成初支在涌水后完成初支的段落的加強支護。

按照隧道圍巖狀況及滲水情況確定隧道注漿參數。 注漿孔采用風槍鉆孔，鉆孔直徑52 mm，鉆孔深度5 m，擴散半徑1.5 m；孔口環向間距為：拱墻1.3 m，墻腳0.8 m，仰拱部1.6 m；孔底間距2 m×2 m（環向×縱向）呈梅花型布置。 孔口采用直徑50 mm、管長1.5 m 的熱軋無縫鋼管，管口采取止漿措施。注漿材料采用水灰比為1 ∶1 水泥凈漿， 水泥采用PO42.5 普通硅酸鹽水泥， 注漿壓力按大于環境水壓的0.5～0.8 MPa。

圖4 徑向注漿鉆孔平面圖（全斷面）

圖5 徑向注漿鉆孔平面圖（局部）

4.3 DCG 注漿方案

該方案用于掌子面前方未開挖段，且圍巖破碎程度較高、涌水量較大的情況下的超前支護。

DCG 注漿每個大循環分為3 個小循環進行施工。每個大循環長度9 m，第1 個大循環開始前對掌子面前方圍巖施做超前掛網噴漿封閉后，對掌子面2 m 范圍圍巖注漿加固作為初始止漿段， 注漿過程中保證下臺階2 m 范圍漿液填充密實，保證止漿段穩定。 3 個小循環中，第1 個小循環鉆設孔位為1#、3#、6#、8#、12#、14#、16#、19#、22#，共9 個 孔，注 漿完成后進行驗證孔鉆設，滿足注漿效果后掌子面掘進3 m，初支完成后進行徑向注漿（注漿孔漿液擴散半徑1.5 m，按梅花形布置，注漿間距按2.0 m×3.0 m（環向×縱向）布置，注漿開孔直徑52 mm，孔口設1.5 m 長Φ50 mm 熱軋無縫鋼管，壁厚3.5 mm），以補強開挖輪廓線外固結環完整性，保證其后期支撐能力； 第2 個小循環鉆設孔位為2#、5#、9#、11#、17#、21#、23#、24#，共8 個孔位，其余同第1 個小循環；第3 個 小 循 環 鉆 設 孔 位 為4#、7#、10#、13#、15#、18#、20#、25#，共8 個孔位，其余同第1 個小循環。鉆孔平面圖見圖6，循環流程見圖7。

圖6 DCG 注漿鉆孔平面圖（以第1 循環為例）

圖7 DCG 注漿循環流程

當后期開挖過程中揭示出的圍巖破碎程度較低、涌水量較小的情況下，可以調整為超前周邊注漿方案，至開挖過程中圍巖出水量水壓不影響正常施工后可取消掌子面預注漿。

4.4 超前周邊注漿方案

該方案用于掌子面前方未開挖段落，且圍巖破碎程度較低、涌水量較小的情況下的超前支護。

隧道開挖輪廓線外5 m 為注漿范圍，每循環注漿30 m，開挖25 m，預留5 m 止漿巖盤，第1 循環注漿設置混凝土止漿墻。 注漿孔的漿液擴散半徑2 m，孔底間距2.5 m，每循環設5 環，注漿開孔直徑不小于108 mm，終孔直徑不小于90 mm，梅花樁布置，孔口設5 m 長Ф127 注漿管，壁厚6 mm。由外向內的順序進行鉆孔和注漿，同一圈孔間隔施工。 每30 m 一個施工段并預留5 m 工作臺； 開挖到25 m處， 采用地質雷達、TSP 及紅外探水探測前方土質及地下水情況，并保留5 m 作為止漿墻。 再次注漿完成，土體達到一定強度后按常規暗挖進行后續施工。 鉆孔平面圖見圖8。

圖8 鉆孔平面圖

4.5 加強支護方案

該方案用于掌子面至仰拱初支已完成段落的加固處理，以補強涌水過渡段的支護能力。

4.5.1 左洞加強支護方案

（1）上臺階已支護段落（左側樁號：ZK222+419～+287，長度132 m；右側樁號：ZK222+424～+287，長度137 m；后期開挖的下臺階不在加固范圍之內）采用4 m 長直徑為22 mm 砂漿錨桿對初期支護拱架進行拱腳加固補強，每榀假設4 根錨桿于拱腳以上0.5 m 處，錨桿向下呈70°俯角設置，錨桿尾端采用L 型筋與拱架焊接牢固。 （2）掌子面往大里程方向50 m 段落（樁號：ZK222+337～+287）增設仰拱工字鋼加強支護，工字鋼型號為I16 工字鋼。 （3）掌子面往大里程方向上臺階已支護地段50 m 段落（樁號：ZK222+337～+287） 采用1.5 m 長直徑為50 mm 小導管徑向注漿加固， 注漿間距按1.5 m×2.0 m （環向×縱向）布置，孔深為5 m，小導管壁厚為3.5 mm，管身注漿孔直徑為6 mm、 間距按30 cm 梅花形布置，小導管尾端0.5 m 范圍內可不設注漿孔。 （4）掌子面往大里程方向50 m 范圍內 （樁號：ZK222+337～+287）二襯、仰拱鋼筋加強，由原設計Φ18 mm鋼筋改為Φ22 mm 鋼筋。

4.5.2 右洞加強支護方案

（1）仰拱端頭到拱架未變形段落（樁號：YK222+370～+346，長度24 m）采用4 m 長直徑為22 mm 砂漿錨桿加固拱腳，直徑為50 mm 小導管對初期支護進行徑向注漿加固，加固方式均與左洞上臺階已支護地段加固方式相同。 同時，該段增設仰拱初支加強支護，工字鋼型號采用I16 工字鋼，二襯、仰拱鋼筋加強， 由原設計Φ18 mm 鋼筋改為Φ22 mm 鋼筋。 （2）涌水后渣體堆積段落（YK222+346～+268，長度78 m），對洞內渣體堆積堵塞位置排險，采用5 m長直徑為50 mm 的雙層小導管超前支護加固拱頂后，對堆積渣體進行分臺階開挖，按照S5-1 支護參數進行初支，然后進行5 m 徑向注漿。 對變形侵限拱架進行拆換， 對侵限部位按S5-1 輪廓線進行擴挖后，每循環更換1 榀鋼拱架，更換一榀及時落底一榀。 頂部圍巖與初支鋼架空隙用剛楔楔緊使其支撐受力，防止塌方段漫延。 對塌落處空腔較深部位預留注漿孔后，噴射砼封閉坍塌部位及初支，對坍塌空腔較大部位進行注漿回填， 并按照S5-1 支護參數進行二襯支護（當不能保證施工安全時，需加強支護）。

5 控制措施分析

5.1 涌水治理控制措施

（1）嚴格落實涌水治理方案。 各項涌水治理方法應編制相應的治理方案，并做好施工技術交底并嚴格落實。 若發現現場涌水和隧道支護情況與方案不符的情況，應及時進行調整和變更，確保施工的質量和安全。（2）洞內外安全監控。洞內要做好各施工工作面涌水量監測、正洞涌水點監測、集中出水點監測，洞身涌水動態監測，重點關注水量、水壓、水質、泥沙含量等情況。 洞外要做好大氣降水監測、地表洼地監測， 重點關注地表水通過地表缺陷灌（滲）入正洞。 在此基礎上，建立施工期間的洞內外氣象、水力聯動機制。 （3）做好污水排放前凈化處理。 在洞口外側布置多級沉淀池、一整套污水處理及凈化處理設備， 需要排放的水經過處理后，對生產用水進行凈化處理，排放前必須進行檢測，達到排放標準后方可排放。

5.2 施工過程控制措施

（1）嚴格按照施工圖紙施工。 在施工過程中，嚴格按照設計圖紙的要求進行施工，嚴格控制開挖進尺。 在開挖過程中，開挖方法應根據現場圍巖實際情況確定，如發現現場圍巖情況與設計不符，應及時進行設計變更， 確保隧道的施工質量和安全，并做好支護。（2）監控量測與超前地質預報。一是制定掌子面觀察、TSP 和超前水平鉆孔相結合超前預測預報措施，進一步探明斷層破碎帶位置、傾角、破碎程度，以及地下水發育程度。 二是根據超前地質預報結果，施工采用加強超前支護和掌子面超前帷幕注漿等措施避免發生塌方、涌水、涌沙等工程災害，確保現場施工安全。 （3）當遇到涌水量陡增、圍巖變形過大等情況時，應暫停施工，并采取相應措施，確保安全后方可恢復施工。

5.3 工程質量控制措施

（1）全面控制施工過程。 具體措施有：工序交接有檢查；技術措施有交底；隱蔽工程有驗收；鋼筋代換有制度；質量預控有對策；圖紙會審有記錄；計量器具校正有復校；質量事故處理有復查；施工項目有方案；配制材料有試驗；設計變更有手續。 （2）原材料質量把控。 隧道施工中常用的防水卷材、土工布以及透水管，涌水治理中用到的注漿材料，都應檢驗合格后，報監理方同意，方可進場。 （3）做好浸水段二襯的質量檢測。 二襯浸水后，可能會導致二襯強度降低，應做好二襯強度的檢測。 若出現二襯強度降低（低于原二襯強度的90%）的情況，應采取相應措施對二襯進行補強。

5.4 安全問題控制措施

（1）堅持“安全第一，預防為主，綜合治理”的方針。 嚴格執行交通運輸部和當地有關文件規定。 落實“六不準”，杜絕重大安全事故發生。 （2）建立健全安全保證體系，建立安全責任制，開展安全教育，強化安全意識，加強安全監督檢查。 （3）做好安全防范措施。 不排除后期臨近雨季，還會發生大規模涌水現象。 因此要做好安全交底，進行定期或不定期檢查排水設備，提高防范意識。

6 治理效果及工程意義

文筆山1 號隧道自涌水發生后立即展開涌水治理工作， 于2021 年5 月至7 月期間依次制定并落實各項涌水治理方案。 自2021 年7 月中旬后，涌水量明顯減小， 達到了隧道繼續開挖的施工條件，隧道支護結構穩定，無明顯變形、開裂現象，最終順利完成本段涌水治理（圖9～10）。

圖9 注漿效果現場圖

圖10 隧道拱頂沉降變形（以ZK222+290 斷面為例）

作為少有的深埋特長反坡隧道涌水治理案例，本工程通過制定合理的涌水治理方案，采取嚴格的控制措施，解決了工程實際問題，避免了安全事故發生，未對社會造成重大影響，可為今后類似工程提供經驗借鑒。

7 結語

（1）深埋特長反坡隧道會存在地下水水頭壓力大、排水過程易發生淤積和堵塞、排水困難、作業人員從隧道口進入到涌水處難度大等諸多問題。 施工過程中應根據工程實際情況， 制定相應的治理方案。 （2）本研究介紹的幾種治理方案，施工現場依據不同的隧道段落、涌水量大小、圍巖破碎程度等情況進行選擇。 其他類似的深埋特長反坡隧道工程的涌水治理可參照著選擇適宜的治理方案。 （3）涌水量預測可采用地下徑流模數法、裘布依公式、 古德曼公式、經驗公式等。 不同的計算方法，理論基礎及計算參數各不相同，所得涌水量預測結果也各不一樣，應結合實際情況采用適宜的計算方法。 本研究涌水量預測結果僅用于案例中涌水治理方案制定做數據參考。 （4）當涌水量大、二襯發生浸水時，建議對浸水段二襯做強度檢測，如強度降低，應做補強措施。