隧道施工中滲水及突涌水處理措施研究

李曉兵

(新疆額爾齊斯河流域開發建設管理局，烏魯木齊 830000)

0 引 言

地質環境的限制增加了隧道建設難度和受災風險，尤其是受地下水或河水影響，突涌水災害成為隧道建設中的重大災害。根據數據顯示，突涌水災害占隧道開挖爆破地質災害的45%，是隧道常見的工程地質災害之一[1]。突涌水災害具有突發性和不確定性，災害發生時往往伴隨地面坍塌、地表斷流等現象，嚴重時影響工程進度，造成人員傷亡。因此，對突涌水災害進行精確預報并提出相應的治理措施可以有效減少風險造成的損失，具有較大的科學研究意義和社會經濟價值。

目前，國內外學者對隧道突涌水災害防治進行了大量研究，主要提出了“防、排、截、堵”4個方面的治理措施。鮮國[2]總結了隧道突涌水超前預報中存在的問題，并以成蘭鐵路龍門隧道為工程依托，提出隧道下穿河段治理方案，并驗證了其有效性。徐穎[3]剖析了工程水文地質，得出巖性變化差異，提出了融合物探方法的突涌水規避方法。張民慶[4]針對隧道突涌水問題，從專業化管理、機械化配套、安全封堵與清淤、設計突水突泥治理方案等多角度，對突水突泥的快速安全治理技術進行了研究，并應用在工程實際中。以上治理方法均為工程隧道突涌水災害治理提供了建設性指導意見，但隧道工程條件各異，突涌水致災原因各不相同。因此，需要針對具體工程，提出具體針對性治理意見，以達到較好的突涌水災害治理效果，提升隧道施工的整體質量與安全性，進一步減小外界因素對隧道施工項目建設所造成不良影響。

1 工程概況

在某隧道工程項目建設中，需穿越某河，地表覆蓋層厚4.8～36.4 m，隧道平均埋深175 m，最大埋深200 m。在該區域中，主要為強透水的砂卵礫石，地下水(孔隙潛水)水位埋深1.5～6.6 m，受河水補給，水量較豐。下覆基巖主要為玄武巖和玻屑晶屑凝灰巖，洞身處于新鮮巖體內，新鮮巖體自身透水性微弱。受該河斷裂影響，隧道沿線穿越15條小斷層，圍巖內發育NE或NW向張性裂隙，透水性較強，連通性較好，賦存基巖裂隙水，主要受河水和孔隙潛水補給，補給源水量豐富。在隧道開挖中，地下水沿斷層和張性節理向洞內滲流，出現涌水。由于地下存在著大量的地下水，因此就會導致在建設中受到地下水方面的影響。為了避免出現大量滲水、突涌水情況，需要設計科學合理的施工方案，同時采用針對性的預防措施，提升隧道工程整體結構的穩定性。

2 工程地質與水文地質背景

該段隧洞范圍為79+153～83+500，根據已有地質資料和勘察資料分析如下：

73+153～80+994段(其中80+145～80+994段位于該河下方)：該段地形起伏小，平坦、開闊。巖性為石炭系安山巖，局部夾有粉砂巖，巖層產狀335°SW∠65°；粉砂巖遇水易軟化，安山巖呈厚層狀，巖體完整，為堅硬巖，石英含量5%～10%；發育一條次級斷層(f33-1)，產狀335°SW∠65°，斷層走向與洞線方向夾角近平行，破碎帶寬度12 m，斷層帶內充填摩棱巖及碎裂巖，巖體穩定性差，為Ⅳ～V類圍巖；該段隧洞施工中會有滲水、滴水現象，斷裂帶內受該河影響段會出現線狀流水，估算該隧洞段總涌水量Q=79～335 m3/h。

80+994～83+500段(其中80+994～82+000段位于該河下方)：該段地形起伏小，平坦、開闊。巖性為石炭系火山角礫巖，巖層產狀335°SW∠65°，厚層狀，巖體完整，為堅硬巖，石英含量5%～10%。該段發育1條區域性F11，斷層產狀305°SW∠80°，斷層走向與洞線夾角32°，斷層帶寬100 m，帶內發育糜棱巖及斷層泥，穩定條件差，為V類圍巖，施工中沿斷裂帶內會發生線狀流水現象。該段隧洞施工會有滲水、滴水現象，斷裂帶內及受該河影響段會出現線狀流水，估算該隧洞段總涌水量Q=165～810 m3/h。

本次研究范圍(82+184.7～82+177)內發育一條區域性斷裂(F11)，根據區域地表測繪和鉆孔反映，斷層產狀305°～325°SW∠80°，破碎帶寬度100 m，屬壓扭性斷裂和Q3活動性斷層，充填碎裂巖和糜棱巖與洞線夾角80°。還發育一條次級斷層，產狀335°SE∠70 °，斷層走向與洞線方向夾角44°，破碎帶寬度12 m。基于對當地氣候環境的調查后發現，全年的平均降水量為191 mm。

另外，在進行施工的區域地下水分析中，受該河影響處于中等富水段，同時地層為強透水的砂卵礫石。地下水有著充足的補給源，導致施工中很多洞身會出現滲、涌水現象。

3 隧道施工滲、涌水情況

新疆某工程項目從2016年開始施工，目前施工已完成1 953 m，在這個區間所處的巖性主要以玻屑晶屑凝灰巖為主。在施工段落的某處建設中，在其全長為90 m的區域中，有多處滲水及股狀涌水出現，整體段落出水量達到31 200 m3/d。

82+184.7～82+177段圍巖為IV類圍巖，拱架支護已緊貼掌子面(82+177)，現階段抽排水工作及隧洞清淤工作已基本完成。隨后，上游采用機械配合人工分臺階進行掌子面塌方體清理。當隧洞上導及右側下導清理至82+172.9處時，掌子面中部及右側起拱線范圍出現3股股狀流水，流水前期渾濁后期變清澈，流水期間伴隨掌子面圍巖塌落、掉塊現象，掌子面圍巖完整性差。

4 隧道施工采用的處理措施

在工程建設過程中，在掌子面及一些已經完成開挖的區域出現局部的滲水問題。為解決上述問題，需要對滲水量進行觀察。一般情況下，在滲水量出現較大的段落之后，就會出現小股狀水，對此施工堵水需要使用徑向注漿的堵水方式進行處理。當水文地質條件復雜，突涌水頻繁發生，尤其掌子面、底板破碎出水時，治理難度大，且工期長，急需采用止漿墻方法進行治理

在施工止漿墻時，首先預埋兩套無縫鋼管，先對股狀涌水進行集中封堵，降低股狀涌水的排放量。同時，需要在一部分的施工階段采用系統徑向注漿的處理方式，降低整體出水量。系統徑向注漿的處理方式主要以水泥漿為主，必要時采用水泥+水玻璃雙液漿，孔位布設環向間距控制在1 500 mm，縱向間距也控制在1 500 mm。在整體的孔深處理中，控制在4 500 mm。

4.1 點、面、線流滲水處理

針對超前鉆孔探明的點、面、線流滲水，可以根據圍巖裂隙走向等描述情況，分析出圍巖的實際滲漏情況，這樣可以利用針對性的處理手段，實現良好的處理效果。

針對點狀滴水的情況，采用堵漏劑，通過封堵的方式進行優化處理。在點狀線流的處理中，采用表面封堵的方式，埋設引水管進行排水處理，同時使用42.5級普通谷氨酸鹽水泥灌漿的方式，進行針對性的處理與輔助。

在對局部滲流或面流處理過程中，一般情況下采用YT-28的氣腿鉆鉆孔，形成注漿孔，將φ50鋼管放于孔內，外露鋼管長度要低于噴混凝土層；然后，使用棉紗對鋼管與孔口位置進行封緊處理；最后，使用鋼管或者PVC管進行充分的連接，將圍巖中的水集中排出。完成上述操作之后，既可使用混凝土噴射器進行噴漿處理，對其孔位周圍進行針對性的封堵，以保障其結構質量，也可對該孔進行堵水處理。

在出現大面積線流的情況下，要集中對漏水部位布設灌漿孔，保障灌漿孔排距在1.5 m的范圍，同時孔距保持為1.5 m的范圍，孔深控制在4.5 m，并采取梅花形布置。通過這種處理模式，可以避免受到外界因素的影響，實現良好的灌漿處理。

4.2 涌水突水的處理

在完成掌子面開挖之后，經常會出現不同程度的突水、涌水問題。這種情況主要出現在富水區斷層帶及前方涌水域，因這些巖層受到水流動的影響所導致。

一旦出現大量的涌水問題，需要采用超前預注漿的方式，對巖體進行注漿加固處理。在進行處理的過程中，還需要采用防滲帷幕的方式，并基于前方水量，采用質量過關的水泥和特殊灌漿材料。在處理過程中，如鉆孔過程中遇到問題時，需使用含水細砂型的漿體材料，以實現良好的處理效果。

在具體的實施過程中，為了滿足灌漿的壓力持續增大需求，達到良好的阻漿效果，需要設計止漿墻，控制寬度一般以3 m為標準，再進行超前帷幕鉆孔注漿處理。

在造孔與設計孔位的偏差設計中，需要控制在10 cm。這樣的設計中，需要嚴格控制偏差程度，孔位越接近設計孔位，灌漿質量越能得到保障。在孔口的處理中，則需要保障埋設孔口封閉期，以避免鉆孔過程出現嚴重的突發涌水而無法進行孔口封閉的情況。在孔口的管長度設計中，通常以5 m為標準，之后再插入鋼管。在等到初凝3 h之后，需要使用低壓灌漿進行合理的固定，控制壓力在0.5 MPa以下。在鉆孔過程中，可能還會出現不同程度的涌水、涌泥等問題，此時應基于實際情況采取針對性的處理措施。

5 止漿墻及超前堵水灌漿技術措施

5.1 止漿墻施工技術措施

止漿墻位置選定在樁號82+176.3處，墻體厚1 m，呈臺階式分布，下臺階高5 m(下臺階底部埋入開挖基礎面下0.5 m)，上臺階高3.4 m(上臺階底部埋入下臺階0.5 m)。設置止漿墻前，在掌子面上部打設錨桿(HRB400φ22，L=3.0 m,規格尺寸可根據現場實際情況進行調整)，掛HPB300φ8@200×200鋼筋網，并噴射C30W10F50混凝土厚20 cm進行掌子面上部巖面的封閉。同時，掌子面斜坡上鋪設土工膜用于匯水，埋設引水管將涌水引出，引水管用于后期灌漿堵水。

止漿墻墻體采用模筑C35W10F50混凝土。止漿墻設計為楔形，已支護部分采用手持式風鎬掏槽，確保掌子面端頂和幫掏槽深度均為50 mm，底部掏槽深度為500 mm，其目的是使混凝土止漿墻更好地嵌入斷面內部，提高混凝土止漿墻的穩定性。結構形式見圖1。

圖1 止漿墻結構示意圖(單位：mm)

5.2 超前堵水灌漿鉆孔技術措施

灌漿孔采用哈邁90A型氣動鉆機或潛孔鉆鉆孔，孔徑為Φ90 mm，每循環長度20.0 m，鉆孔布置超前全斷面灌漿孔。超前全斷面灌漿孔每循環設7環注漿孔，共64孔，孔長1 090 m，見圖2。

圖2 超前全斷面灌漿孔縱斷面布置圖(單位：mm)

5.3 堵水灌漿技術措施

掌子面注漿主要采用孔口封閉純壓式注漿施工工藝，若遇到難以成孔段，將采用前進式分段跟管鉆進注漿施工。注漿漿液采用水泥漿+水玻璃、無機礦物封堵劑或GT、HC及HCH堵水材料或其他環保化學灌漿材料等。在掌子面進行注漿時，一般單孔擴散半徑2 m左右，但隧洞圍巖注漿范圍為開挖輪廓向外延伸5 m，因此需全方位打孔注漿，以提高注漿效率。一般情況下，巖石地層注漿壓力應綜合圍巖地質情況和水文地質條件等因素綜合考慮，常規情況下，注漿壓力為靜水壓力的1.5～2倍。

5.4 堵水灌漿施工工藝

掌子面注漿主要采用孔口封閉純壓式注漿施工工藝。孔口封閉純壓式注漿是將注漿鉆孔一次鉆完，孔口采用孔口管、止漿塞或膜袋注漿進行封閉，最后通過鉆孔進行純壓式灌漿。以上注漿方式一般用于裂隙不甚發育的巖層，其主要優勢是無需對注漿鉆孔進行反復的鉆進，相較于傳統工藝工程量小。施工工藝主要流程為：施工前準備→進行止漿墻施工→掌子面測量、布孔→孔口管鋼管安裝、密封→鉆進至設計孔深→安裝膜袋注漿或止漿塞→進行純壓式灌漿。

5.5 灌漿材料及配比

注漿漿液采用水泥漿+水玻璃、無機礦物封堵劑或GT、HC及HCH堵水材料或其他環保化學灌漿材料等。純水泥漿的水灰比為5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1和0.5∶1，雙漿液以水玻璃和無機礦物封堵劑為主，特種灌漿材料選擇以GT、HC及HCH堵水材料為主，配合比詳見表1-表3。

表1 純水泥漿液配比表

表2 特種灌漿材料配比表

表3 雙液漿配比表

灌漿技術的關鍵技術問題是灌漿材料選擇和灌漿施工工藝，對于不同的圍巖地質情況和水文地質條件，應采用相適應的灌漿材料、實施與現場條件相符合的灌漿工藝。根據本工程水文和地質環境，除使用普通水泥漿及雙液漿灌漿材料外，還需使用GT、HC及HCH灌漿材料對于本工程的堵水處理，該方法對于本工程具有較強的針對性和可行性。

6 結 語

在隧道工程項目建設中，需要重視對滲水以及突涌水情況的有效控制以及處理。本文所提出的針對性處理措施，可以滿足工程建設需求，能夠全面提升隧道工程項目的整體質量，適宜推廣應用。