強涌水隧道長距離反坡施工及涌水處治關鍵技術研究

夏邵君，黨 亮

(中交四公局第五工程有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

當前，地下空間的利用已成基建發展的一種重要方式[1-3]，隧道施工過程中面臨著復雜環境和不良地質所帶來的施工安全問題的挑戰，其中在構造裂隙發育的區域施工隧道，在隧道長距離反坡掘進后遇到圍巖高承壓構造裂隙水涌出等對隧道施工安全和運營造成極大隱患[4]，提高對隧道涌水機理及特征的認識越來越重要。可見，研究高承壓水隧道長距離反坡掘進施工技術也尤為重要。

為保證隧道施工過程和后期運營的安全性，相關學者對隧道施工中高承壓水影響做了大量研究[5-14]。吳明玉等[4]認為斷層是地表水對結構裂隙涌水補給的主要條件，層間巖體破碎在地下水和地表水長期作用下形成的富水構造物下泄造成涌水。以上研究為強涌水隧道長距離反坡施工關鍵技術研究提供了思路和理論參考。

基于此，以跑馬山2號隧道通風橫洞長距離大反坡施工中發生的圍巖脈狀高承壓涌水為工程依托，對深埋隧道長距離大反坡施工中高承壓水產生的機理、處治措施、施工關鍵技術、組織方式進行研究。強涌水隧道長距離大反坡施工關鍵在于分析圍巖裂隙水的特征、變化規律，研究結合涌水機理采用合理的施工方法和支護參數對隧道長距離大反坡施工方法進行總結，對出現的涌水災害進行處治。本研究成功處治了構造裂隙產生的強涌水并通過強涌水治理有效地提高了后期強涌水段的施工進度，減小了圍巖裂隙水的帶壓涌出，表明結構裂隙發育的富水圍巖采用的處治技術和施工關鍵技術是成功的。本研究期望對類似強涌水隧道長距離反坡施工和涌水的處治提供工程參考。

1 工程概況

跑馬山2號隧道是四川省康定—新都橋高速公路項目康定過境試驗段的重要工程之一。隧道建設標準為雙向4車道高速公路，設計速度80km/h，抗震設防烈度≥9度。隧道主洞建筑限界凈寬10.25m，凈高5.0m。隧道左線長6 772.171m，右線長6 655.318m。

2 工程與水文地質條件

2.1 工程地質條件

地質勘察表明，跑馬山2號隧道斜井洞口高程為2 759.460m。在斜井處重新布置了物探，同時結合現場開挖情況和超前水平鉆情況，根據最新斜井地質勘察報告，斜井區域位于Y字形構造交匯部位，斷層較多，強烈的構造作用導致巖體極為破碎。結合現場施工開挖地層情況與區域地質資料，斜井目前開挖地層應為震旦系上統觀音崖組(Zbg)地層(沉積巖、變質巖)，巖性主要為灰～深灰色薄～中層狀泥質白云巖、千枚巖、灰色千枚巖，現場開挖巖體破碎，多呈碎塊狀、散體狀；地層與區域地質資料顯示，地層存在差異且巖體破碎，推測F1跑馬山斷裂從跑馬山2號隧道斜井洞身段經過，該斷裂為一逆斷層，上盤地層為震旦系上統觀音崖組(Zbg)的灰～深灰色泥質白云巖、千枚巖，下盤地層為澄江-晉寧期(δo2(3))淺灰～灰白色閃長巖。

2.2 水文地質條件

隧道斜井口上方存在3股地表徑流，寬度約為0.80，0.6，0.5m，水流量為3～5，1～3，0.5～2L/s。 施工洞口截水溝將此地表水從洞口上方沿急流槽引流，以避免對隧道施工造成影響。隧道斜井洞口雨季時地表徑流較大。

1)含水巖組 根據跑馬山2號隧道斜井地層結構以及巖體滲透性和富水性，將隧址區的含水巖組劃分為松散巖類孔隙水巖組、弱～中等富水的裂隙水含水巖組，以及導水裂隙密集發育帶含水巖組和相對隔水層。

2)裂隙水類型 斜井區按含水巖組不同，主要劃分為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水、斷裂破碎帶孔隙裂隙水及可溶巖溶隙-裂隙水三大類型。

3 強涌水的特征及原因分析

3.1 強涌水段特征分析

隧道涌水災害發生區域圍巖涌水量大、壓力高、涌出水位置沿裂隙分布。基于物探和現場監測統計，該段圍巖為Ⅳ級中風化石英閃長巖，屬較軟巖，巖體呈塊狀，完整性一般，節理、裂隙較發育，地下水類型為基巖裂隙水，呈淋雨狀或涌流狀出水，出水量為23 000m3/d，局部出水壓力達1MPa，出水量遠大于設計最大涌水量。在爆破后水量與水壓稍許減少，但鉆孔后水量、水壓呈增加趨勢，個別時段水壓增大至2MPa左右。

受山體斷層及節理發育影響，隧道圍巖出水部位具有顯著的水量大、涌水點不對稱現象，初期支護完成后，部分拱腰靠上表面存在淋雨狀出水，局部為股狀水，不同段落隧道圍巖體初期支護完成后滲水量具有顯著差異。鉆孔時水量呈明顯增加趨勢，爆破完成后出水位置改變，水量稍有減少。

隧道掘進中出現的高承壓水與圍巖構造裂隙發育密切相關。另外，受長距離7.49%的大反坡開挖影響，圍巖初期支護滲水、二次襯砌背后防水系統排水等所有水量通過中央排水溝匯集回灌至掌子面前方，進一步使得洞內排水量增大，甚至形成淹井風險。

3.2 強涌水原因分析

工程勘察分析結果表明，隧道發生強涌水災害與地下水補給、徑流與排泄特征和圍巖節理、裂隙發育作用密切相關。

3.2.1地下水補給、徑流與排泄特征

根據隧道區地層特性，該涌水段匯水面積約4.03km2，以花崗巖、閃長巖為主，坡較陡，且裂隙發育，巖體較破碎，受大氣降水及冰雪融化水補給，排泄條件一般，槽谷兩側斜坡上的地表水多順坡而下入滲補給本區，為弱富水巖組。

1)補給條件 斜井區地下水主要接受融雪水和大氣降雨的入滲補給，區域內最高地面高程約5 200.000m， 在山地海拔較高處常有降雪，每年5—9月冰雪融化。其他時間地表水呈冰凍狀態，地下水呈封閉狀態，故地下水的補給源中，冰雪融水也占有重要位置。隧址區構造發育，巖體破碎，地形切割強烈、谷嶺相間，為地表水入滲和貯存提供一定條件。

2)徑流、排泄特征 隧址區地下水的徑流嚴格受地勢控制，由山嶺高處到低洼谷地沿斜坡順裂隙、斷裂不均勻地向就近溝谷徑流，受場地地形控制，部分沿基巖裂隙向深部或坡下徑流，或就近滲出于陡崖腳部，部分地勢更低的河流排泄中以徑流形式排泄。

3)動態變化特征 大氣降水以面狀滲入或點狀灌注的方式進入地下，致使其地下水的動態變化與降雨量的變化呈明顯的線性關系。

施工現場監測發現，隧道強涌水段在受到地下水補給、徑流與排泄后發生掌子面高承壓涌水。

3.2.2圍巖節理、裂隙發育作用

受區域構造作用的影響，隧址區形成了大量的構造裂隙，根據現場查看掌子面，主要發育2組裂隙：①裂隙1 278°∠80°，走向與隧道軸向大致垂直，與區域地質構造主要構造方向(鮮水河NW向構造帶)近似平行，裂隙微張，無充填，間距0.2～0.8m；②裂隙2 192°∠65°，走向與隧道軸向小角度斜交，與區域地質構造主要構造方向(鮮水河NW向構造帶)近似垂直，裂隙閉合～微張，無充填，間距0.4～1.2m。這些裂隙為地下水的賦存提供了良好的存儲空間。

4 隧道強涌水段整治與施工

隧道強涌水段的施工及處治原則是“超前泄壓，排堵結合，以排為主”。掌子面超前鉆孔后，經一段時間的泄水泄壓后，水量和水壓得到一定釋放。根據水壓、水量監測分析，針對初期支護股狀水處采取徑向局部帷幕注漿方法進行處治。掌子面部分水排泄后采取三臺階先行導坑法施工，必要時輔助超前環向堵水，下臺階前方形成倒坡儲水載體及時跟進仰拱施工方法。

4.1 涌水災害整治

通過隧道施工過程實踐，隧道強涌水段洞壁及初期支護淋雨狀水和涌流股狀水采取徑向局部帷幕注漿方法處治，掌子面掘進遇到的承壓水在超前鉆孔減壓泄水后采取三臺階先行導坑法施工，水量較大難以施工時輔助超前周邊環向注漿堵水處治。

4.1.1洞壁及初期支護滲流水特征

對于洞壁及初期支護大面積滲水、淋水和股狀水頻發段，采取周邊局部注漿堵水處治，主要是周邊注漿有效范圍為隧道開挖輪廓線外5m，孔口間距1.5m×1.5m(環向×縱向)，梅花形布置，如圖1所示。注漿孔徑46mm，孔口設0.5m長φ54mm熱軋無縫鋼管作為孔口管，注漿孔與隧道軸線呈60°角，孔深4.5m。采取純壓式全孔一次注漿，從兩邊到中間，一個注漿段分兩序隔排施工，同一排孔按由上到下順序施工，采用CS漿液，C∶S=1∶(0.4～0.6)(體積比)，水泥漿水灰比為0.8∶1～1∶1，P·O42.5水泥，水玻璃模數2.8，水玻璃濃度35°Bé。

圖1 洞壁及初期支護滲流水整治方案

對于局部注漿堵水后仍有股狀水涌出的，根據出水口徑大小采取插入帶止水閥楔形同口徑鋼管引流，待水量明顯減少后關閉止水閥；對于水量無明顯減少的采取波紋管引流至中央排水溝。

4.1.2掌子面涌水特征

結合現場基巖裂隙觀察及水量監測情況，掌子面右側股狀承壓水噴出時，主要采取超前鉆孔排水泄壓處治，掌子面采取大功率潛孔鉆距拱頂約1.2m左右、距拱腰0.8m左右布設φ110mm超前鉆孔，水量及水壓較大時，在基巖裂隙部位增設φ110mm超前鉆孔泄水孔(見圖2)。

圖2 掌子面強涌水整治方案

4.2 強涌水段長距離反坡施工技術

對強涌水的處治分析認為，受地下水快速補給影響的節理發育隧道，尤其在長距離反坡施工時，應加強超前鉆孔排水泄壓，同時進行水量、水壓監測，在此基礎上采用三臺階先行導坑法施工。根據水量、水壓監測結果適時調整開挖工法，考慮靜水壓力對后期結構影響，局部調整支護參數。

4.2.1圍巖涌水監測

采用TRT進行超前100m和地質雷達超前20m預報前方圍巖富水情況，結合超前預報情況采用φ110mm潛孔鉆進行超前20～30m鉆孔，探明圍巖前方富水情況，并驗證TRT和地質雷達預報結果，同時做好涌水量監測，如圖3所示。在拱頂和拱腰圍巖收斂處共布設5個監測點，監測點布置于兩拱架之間縱向，間隔5m，并采用反光標識。監控量測頻率按照1次/d，根據地質預報數據適時調整開挖方法。

圖3 圍巖富水段超前預報及涌水量監測曲線

由圖3b可看出，隧道涌水量曲線總體呈“緩慢增加，趨于穩定”狀態，而由圖3c可知圍巖開挖前后涌水量呈“鉆孔時水量、水壓大，爆破后水量明顯減少” 2個階段，爆破前后涌水量呈兩段近似線性變化趨勢。11月6—13日，涌水量基本維持在23 000m3，拱頂沉降值增加6.50mm；11月15日以后涌水量基本維持在20 000m3。爆破后掌子面涌水量約在430m3/h,明顯減少。

4.2.2開挖方案選用

通過超前鉆孔進行排水泄壓，掌子面水壓有一定減小，掌子面采取三臺階先行導坑法施工，必要時輔助超前環向注漿，如圖4所示，下臺階前方形成倒坡儲水載體及時跟進仰拱施工方法。

圖4 涌水段超前環向注漿

將臺階自上而下分為上臺階先行導坑，高度約3.9m，右側中臺階預留臨時坑道排水，中臺階預留右側2m寬臨時排水坑道后全寬開挖，高度約3m，左側下臺階預留2.5m臨時坑道排水，最后剩余約2m高臺階進行清底爆破，清底后暫不清渣，利用反坡施工作為仰拱開挖時的儲水載體，方便仰拱區域少水開挖。

工序1開挖前，在上臺階掌子面左、右兩側各打設4個φ110mm集中排水孔，其余根據圍巖裂隙情況打設裂隙泄水孔，在圍巖裂隙泄水孔水量較大時采取0.5m長φ110mm楔形管道栓接6m專用排水管集中引排后開挖，如圖5所示。工序1開挖時在工序3頂部同時開挖處排水坑道排除工序1的涌水。工序2開挖時在工序4左側開挖集中排水坑道排出工序1～3的涌水。工序4清底持續跟進爆破暫不清渣，作為仰拱儲水載體預留一定長度施工仰拱，最終完成隧道圍巖開挖。

圖5 涌水段臺階法施工

4.2.3綜合排水方式

隧道已單向反坡掘進700m，洞內外高差約49m。針對大水量、長距離反坡、高揚程的特點，設計雙水箱式固定泵站、多條管路串并聯及局部截水并網等技術措施，確保能夠迅速高效地排出掌子面積水，如圖6所示。

圖6 長距離反坡施工綜合排水

掌子面處根據水量大小采用若干20kW水泵連接活動軟管，將涌水集中抽排至仰拱前端的臨時集水箱中，臨時水箱通過管道集中抽排在雙水箱固定泵站內，經臨時沉淀后通過接力泵站抽排于洞外，經沉淀和污水處理后排放。主排水管道采用φ300mm鋼管，并預留φ200mm鋼管，仰拱每200m設置1道2m全寬的仰拱截水井，集中引排隧道排水系統匯集在中央水溝的水，雙水箱泵站采取2臺200kW水泵集中抽排，接力泵站采用4臺50kW水泵進行抽排。

4.2.4防排系統及支護形式

強涌水段圍巖裂隙發育，靜水壓力較大，原排水系統管路排水能力有限，圍巖富水區水頭高度增加，隧道襯砌完成后可能會承受較大壓應力。隧道環向排水管沿縱向設2m/道，并直接與中央排水溝連接。防水層采取1.5mm厚單面自粘復合防水板。

涌水段采用加密小導管超前支護，宜每架設2榀鋼架施作1次，根據圍巖裂隙程度，采用長3～4.50m、間距40cm導管分大小外插角施作，小導管尾部與鋼拱架牢固焊接，注漿飽滿。采用I20b@100cm鋼拱架，φ8@200×200鋼筋網，26cm厚C20噴射混凝土，二次襯砌為50cm厚C30混凝土(配筋：φ22@250×250)，4根長4.5mφ42鎖腳錨桿。在涌水較大段落，加強二次襯砌中埋式和背貼式止水帶安裝，做好防水、止水措施。

4.3 涌水預防措施

隧道開挖施工時雖采取了一定的超前預報，但受施工地質復雜、人為經驗等影響，預報仍會出現預判位置不準、情況描述不清等，所以隧道施工中必須堅持有效的超前地質預報，檢查長短預報結合、超前鉆孔驗證的方式，尤其是地質復雜地段，必須要堅持超前鉆孔，一方面為了驗證超前地質預報的準確性，另一方面對于富水基巖可起到超前泄壓降水作用，避免因預報漏報、誤報等造成安全事故。

對于裂隙發育的圍巖，洞壁滲水、淋雨狀水較大時，以加固為主時采取純水泥漿注漿，以堵水為主時采取CS注漿，一般情況下采取全孔一次注漿，當成孔性差時應分2段采用前進式注漿。涌水段水量較大時掌子面采取小導管周邊環向注漿。同時采用分級泵站進行排水，泵站距離宜≤400m，水泵選型根據水量大小選擇，固定泵站宜采用大功率水泵。

5 結語

以跑馬山2號隧道通風橫洞為工程依托，對強涌水隧道長距離大反坡施工中高承壓水分布的特征、處治措施、施工關鍵技術、組織方式進行研究。強涌水隧道長距離反坡處治及施工的關鍵在于成套的排水系統、科學的施工組織、合理的開挖方法，主要結論如下。

1)受山體斷層及節理發育影響，隧道圍巖出水部位沿裂隙呈脈狀分布，涌水點普遍存在不對稱且無規律現象，初期支護完成后，部分拱腰靠上表面存在淋雨狀出水，局部有股狀水，不同段落隧道圍巖體初期支護完成后滲水量具有顯著差異。

2)隧道涌水量曲線總體呈“緩慢增加，趨于穩定”狀態，開挖前后涌水量呈“鉆孔時水量、水壓大，爆破后水量明顯減少”2個階段，爆破前后涌水量呈兩段近似線性變化趨勢。

3)掌子面采用三臺階先行導坑法施工，必要時輔助超前環向堵水，下臺階(仰拱)采用爆破形成倒坡儲水載體及時跟進仰拱施工方法。

4)針對大水量、距離長、反坡坡度大的涌水隧道，采用雙水箱式固定泵站、多條管路串并聯及局部截水并網等技術措施，泵站設備選型為大功率、高揚程。