隧道施工承壓水突涌風險安全預控與搶險措施研究

陸成武

（貴州省公路工程集團有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

無論是地下軌道交通建設還是地上的山地隧道建設，施工中均需要進行承壓水隔離承壓，以防隧道垮塌和施工受阻。當然，在不同的地質條件下，不同地質體的承壓水含水率不同，含水率高的承壓水隧道可能會面臨承壓水飽和或施工條件突變，以致承壓水發生突涌，出現重大事故。所以，在隧道施工中，我們需要根據隧道實際承壓水含水量，采用合適的施工技術手段，應對承壓水突涌問題，提前制定承壓水突涌搶險措施，保證隧道施工安全[1]。

1 承壓水對隧道的破壞形式及條件

承壓水是一種位于地表之下，存在于兩個穩定的隔水層之間，且獨立承受于靜水壓力的重力水，它的形成關系到所在地區地質條件與地質發展歷史，不同的地質發展條件存在不同含水量和含水性質的承壓水，同時，它也是產生地下工程事故的主要因素之一，當隧道之中存在承壓水，若對隧道某部位展開前進式挖掘，開挖的部位則減小了含水層之上的不透水層的厚度，隨著開挖進度持續進行，隧道中的承壓水所附帶的水頭壓力會大于隧道側面或底部的不透水層的重力或側應力，造成隧道內承壓水突涌。

經過調查研究及查閱相關文獻，筆者總結出承壓水造成隧道發生突涌的3 種表現形式。

（1）隧道內部巖壁被承壓水頂裂，出現網狀或樹枝分叉狀裂縫，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）隧道內部側面或底部發生流砂現象，造成隧道內部側面或底部的整體穩定結構被破壞，整個隧道的整體穩定結構受到震動[2]。

（3）隧道底部發生不間斷且持續性的局部“噴水”現象，使隧道底部積水，破壞隧道底部地基的穩定性，影響后續施工。所以，綜合來看，隧道內部承壓水對隧道本體的危害性較隧道內部的潛水更大。

若隧道中的承壓水產生局部或整體突涌，必然是在開挖隧道過程中，隧道巖壁整體減薄，上覆或側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面，對隧道底部或側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部因地質或施工原因產生裂隙后，隧道內的承壓水與粉砂性黏土混合，共同涌出地表，影響施工進度[3]。在其他條件相同時，隧道內的承壓水水頭壓力越大，隧道內發生突涌的可能性越大。

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

（3）隧道底板或側部的隔水層的抗剪強度指標。抗剪強度指標反映了隧道內巖體應對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因素之一，隧道內巖體的抗剪強度越大，隧道內突涌發生的可能性越小。

（4）隧道的平面尺寸。隧道的平面尺寸越大，周圍的不良條件對隧道底板的集中性危害作用則越小，在其他條件一定時，這種情況下隧道內突涌形成的可能性增加。

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

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

2.2 隧道突涌的原因分析

2.2.1 隧道內承壓水的地質勘查不具體或存在錯誤

目前，深隧道工程在承壓水勘察工作中的常見缺陷主要包括：勘探孔打入深度較淺，場地范圍內承壓水的分布和實際含量僅憑經驗確定；在隧道挖掘之前，技術人員未探明隧道內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聯與水層分布的關系，在當前技術條件下，技術人員提供的隧道內部承壓水層水力參數（隧道巖壁滲透系數、隧道底板和側部承壓水頭壓力、隧道內儲水系數）與實際情況存在差異，存在理論與實際不相符的情況[4]；另外，在隧道內部，承壓水層的頂板埋深和“尖滅點”位置不準確會導致承壓水層位置評估錯誤，嚴重則導致承壓水層突涌入隧道。上述原因如果在施工過程中得不到重視，不采取措施予以解決，易致使工作人員在隧道設計和施工過程中對承壓水未考慮或考慮不周，從而引發隧道內突涌，破壞隧道內部整體巖體穩定性。

2.2.2 隧道施工過程中存在超挖現象

考慮到開挖卸荷引起的隧道內部局部巖體回彈及隧道內部側面巖壁圍護結構側向擠壓引起的隆起變形，加之隧道內部大型器械機械施工難以精確控制開挖標高，以致隧道開挖過程中常會存在一定的超挖量，另外隧道內底板還會存在局部深開挖段，該部分的抗突涌穩定可能達不到實際抗突涌的要求，存在承壓水突涌的風險。

2.2.3 隧道施工過程中減壓井未能起作用

在隧道施工過程中，部分隧道需要采取一定的降壓措施才能防止隧道內部地板和側部突涌，但是，實際施工過程也不是一帆風順，常出現停電或降壓井堵塞等現場不利情況而使減承壓水施工不能正常進行，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，未達施工設計的規定要求，若長時間未解決這類問題，嚴重則承壓水水頭壓力回升，進一步導致承壓水突涌。

2.2.4 隧道內部底板封固質量不佳

在隧道施工過程中，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，在施工過程中，施工人員無法保證加水粉砂質黏土攪拌定位樁或高承壓水承壓旋噴樁的質量，可能存在未加固的部分區域，這一部分區域較其他區域受力薄弱，進一步可能成為隧道突涌的高發區域，所以需要提前采取相關措施，謹防事故發生。

3 隧道承壓水安全風險預控

3.1 勘察風險控制要點

在隧道挖掘過程中，施工小組需嚴格按規范布置勘探工作量，對于寬度大于20m 的隧道內部應沿隧道內兩側對稱布孔。詳細勘查期間如現場條件受到限制，造成勘探孔距離大，或勘探孔距離隧道側部較遠的區域，在施工前應進行補勘，確保消除局部分布的承壓含水層的風險源。承壓含水層的巖層定名應根據野外記錄、靜探曲線以及室內試驗結果綜合確定，避免因土層定名與實際情況不符導致的承壓含水層（尤其是微承壓含水層）漏劃的風險事件發生。

此外，針對靜探探管傾斜，易導致承壓含水層頂、底板埋深與實際情況不符的問題，進入暗綠色硬土層或貫入深度大于30m 時，應分次貫入下護套管；或采用測斜裝置等措施，確保承壓含水層分層深度的準確性。

3.2 水文資料不完整或不準確的風險控制要點

勘察人員應根據承壓含水層分布特征及工程性質，分析判斷承壓水對工程的影響程度，盾構機進出洞時可能引發水土突涌，此時施工人員需要提前研判，應布置實測承壓水水頭的工作。在現場進行承壓水水頭觀測時，施工人員應加強野外作業管理，嚴格按正確的操作規程施工，做好被觀測承壓含水層與其他含水層的隔水措施、孔內泥漿應清除干凈。施工人員應連續觀測至承壓水水位穩定為止（根據含水層土性不同，一般觀測時間需5~10d）。勘察報告除提供勘察期間的承壓水水位外，還應收集區域承壓水水位資料，以滿足隧道內突涌評價應按不利組合考慮的要求（即按施工周期內可能出現的高水位進行評價）。此外，施工人員應進行現場滲透試驗，綜合室內滲透試驗和現場注水試驗綜合確定土層滲透系數。對于不均勻土層，其滲透系數建議值應慎重。此外，施工管理人員需加強現場管理，現場作業應按正確的操作規程施工，清除孔內泥漿，以確保獲得的含水層滲透系數的準確性。水文地質勘察中的抽水試驗孔和觀測孔均應按規范嚴格施工，如填砂礫應按試驗目的層進行顆粒級分配設計。

3.3 承壓水減壓降水風險控制要點

設計人員應全面了解、掌握降水區域的地質及水文地質條件。在此基礎上，應盡可能地進行三維地下水滲流關聯設計。設計人員應在全面分析降水區域水文地質條件的基礎上，選取能客觀反映降水區域水文地質條件的地下水滲流模型，進行降水設計計算。對于復雜隧道掘進工程，降水設計方案應通過具豐富降水工程經驗的專家組論證或鑒定。設計人員應充分了解圍護結構特點及各工況條件，在此基礎上確定降水方案并進行降水設計。承壓水降水主要以滿足盾構機進出洞要求和盡可能減少降水對周圍環境影響為目的，因此，應提供不同工況條件下，滿足盾構進出洞安全要求的不同降水方案。對不同的降水方案進行比較后，選取最佳方案。降水設計計算要留有一定的安全系數，此安全系數來自兩個方面的考慮：①計算參數選取的精度及準確性。②隧道內降水區域的施工質量及成井后的運行質量、保護程度等。對盾構機進出洞承壓水降水而言，其安全系數應大于1。

4 隧道承壓水突涌搶險措施

（1）為了減少降水區域對周圍環境的影響，施工過程中施工人員必須堅持三個降水原則：分層分步降水、按實際需求降水以及設計計劃合理降水。降水深度要與隧道內的開挖深度保持一致，開挖深度越深，降低的水位則越低，以合理控制承壓水對隧道整體結構施加的影響。

（2）為了提高隧道內突涌后的應急處置效率，搶險人員應盡量減短位于高層建筑物或重要場所附近的隧道內的承壓水抽水時間。借助“互聯網+”信息化設備，現場施工技術人員實時跟蹤監測隧道內抽水區域的水位，若發現抽汲水泵與實際水位情況不相符，應及時調整抽水泵數量及抽水流量，按實際情況合理高效降水。

（3）在隧道內減壓施工完成后應進行承壓水區域抽水模擬實驗，確定實際搶險過程中減壓降水的運行參數。在降水搶險施工過程中，現場技術人員隨開挖深度逐步降低承壓水水頭，確定抽水模擬結果。在控制承壓水頭足以滿足隧道內結構穩定性要求的前提下，最大化減小承壓水水位。

（4）在隧道施工過程中，為了避免承壓水飽和充注隧道，應在臨近敏感建筑物及重要管線周邊開鉆注水井，使隧道內的承壓水改變流向，流入注水井中。此外，降水期間，施工技術人員應加強地表受承壓水的影響監測，依據實際監測情況，合理選擇降水措施，一般地，現場降水措施常采用抽灌一體化的方案。對于隧道內突涌通常采取的措施為內外注漿加壓載加支撐的方法，現場施工人員應根據緊急情況采取“地面打孔與隧道內部注漿雙管齊下，對漏水點加壓加載水泥包”的方式，內外結合注漿，提高處置效率。

（5）關于注漿措施，本文提幾點建議。在隧道內部注漿具有“方便、直接、見效快”等優點，可快速搶得寶貴時間，至少縮短3~5h 黃金時間。搶險時間每增加1h，風險就會增大很多。隧道相關的地面注漿可能涉及眾多不明的地下管線和地面交通，甚至地面建筑和地下構筑物等。由于注漿施工確認確定時間長、成孔時間長、成孔困難（塌孔），從而喪失寶貴的搶險時間。所以，在實際注漿施工過程中，工作人員應優先采用“大流量”的注漿泵壓注聚氨酯，可在較短時間內開始發泡，但在冬季應注意提高漿液溫度，以達到速凝的效果。

5 結語

隧道內承壓水控制不及時會對隧道施工產生不利影響，在實際施工過程中，施工技術人員應嚴格把控承壓水的區域分布及屬性，采取合理措施及時控制。本文介紹了隧道內承壓水的破壞形式及條件，進一步介紹了承壓水的影響因素及突涌原因，并對實際隧道施工過程提出安全風險管控措施及應急治理措施，以指導后續隧道施工。