涌水隧道反坡施工技術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計院有限公司 重慶 400023 2. 重慶市軌道交通（集團）有限公司 重慶 401120

隧道是現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，在隧道建設過程中，最常見的地質災害就是涌水問題。隨著我國經濟和交通事業的快速發展，隧道建設工程中，特別是山區、丘陵、平原、草原等地區，經常出現隧道涌水問題，不僅嚴重影響施工進度和安全，而且還會造成重大經濟損失。

目前在我國隧道工程施工過程中，主要采用明挖和洞身開挖工藝施工，由于對涌水的控制措施不到位，極易造成隧道涌水災害。尤其是在隧道中采用反坡法施工時，由于對涌水問題認識不足或施工經驗不足而出現的涌水、塌方等事故時有發生，因此提高對隧道涌水機理的認識，研究強涌水隧道反坡施工技術尤為重要[1]。針對巫溪隧道出口段左、右線掌子面施工超前水平鉆孔時出現大量泥水涌出，為保證施工和后期運營安全，工程采用反坡施工技術與涌水處理措施對隧道泥水進行處理。

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6366m；右洞起訖里程YK2+930～YK9+330，全長6400m，采用雙向掘進施工，劃分為進口段和出口段兩個工區。巫溪隧道出口段工區左洞計劃施工長度2553m，右洞計劃施工長度2553m。

巫溪隧道縱斷面為1.315%單向上坡，屬較富水巖溶隧道，隧道長度較長，采用雙向掘進施工，劃分為進口段和出口段兩個工區，進口工區為順排施工，出口工區為反坡施工，反坡施工段（出口朝進口段）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象，施工排水壓力大。

1.2 地質條件

1.2.1 工程地質條件

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燧石團狀灰巖，中-厚層狀構造，較硬巖，巖體較完整，為裂隙塊狀結構[2]。

隧址區位于渝陜交界強烈切割的山岳地帶，地形上中間高，兩側低，地貌上屬構造侵蝕、溶蝕高中山地貌，以構造作用為主，受長期強烈剝蝕、溶蝕切割作用，隧道沿線山脊走向多呈東西向，隧道洞身沿線發育數條“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。區內出露地層為嘉陵江組地層及二疊系頁巖，從受地質構造和巖溶發育影響，發育有一暗河管道系統。

1.2.2 水文地質條件

北段隧址區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，除個別碎屑巖地層外，基本為可溶巖地層覆蓋區，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[3]。

據地下水賦存條件、水理性質及水力特征，隧址區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，對隧道影響最大的是廣泛分布的碳酸鹽巖巖溶水，可進一步細分為兩個亞類：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，多為風化帶網狀裂隙水和構造裂隙水，賦存在地層淺部，對深部隧道影響并不顯著，但可運移補給下游巖溶地層，間接影響隧道。

巫溪隧道出口段地質情況復雜，巖性主要為泥巖、砂巖及灰巖，巖層結構破碎，局部存在有斷層帶，局部發育有溶洞和裂隙。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出現大量泥水涌出，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進行處理。

2 涌水隧道反坡施工技術

2.1 反坡施工方案

由于隧道穿越巖層屬于軟弱圍巖，如果采用傳統開挖方法，不僅無法達到設計要求，而且還會使隧道失穩，增加圍巖失穩的危險性。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，使隧道開挖時圍巖自穩能力得到充分發揮。反坡法施工時可根據需要改變山體坡度，從而使山體形成反坡或斜坡。對山坡反坡時可利用一定的天然坡度將松散的地層填筑密實[4]；對斜坡反坡時可利用人工填土將軟弱圍巖加固并形成斜坡。

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

2.2 施工排水方式

巫溪隧道出口工區為反坡施工，洞內反坡排水應采用機械抽水，需配備足夠的排水機械和管路。洞內反坡排水可根據距離、坡度、水量和設備情況等因素布置管路、水倉和泵站，在掌子面設置臨時集水倉，其容積根據涌水量和水泵排水能力確定，結合涌水量預測建議集水倉不宜小于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排水管排出洞外。反坡施工段機械排水能力不小于估算地下水量的1.5倍，并應有足夠數量的備用抽水設備，同時滿足施工要求。施工前，施工方應結合具體施工組織，根據現場實際距離、水量和設備情況等因素編制反坡施工排水專項方案，并根據施工中的變化及時調整排水能力。地下涌突水的發生具有突然性，對其主要以預防為主，做好超前地質預報與超前探水工作，通過各種手段預先探明掌子面前方的地下水情況，以提前引排或進行封堵[5]。

2.3 防排系統及支護形式

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

初期支護包括超前管棚、錨桿、鋼筋網、噴射混凝土及型鋼支撐等。施工中應根據隧道不同的地質情況采取不同的初期支護方式。掌子面前方主要為硬巖和微風化花崗巖，隧道開挖時可采用錨噴或鋼筋網加強初期支護；掌子面前方為軟巖層或全風化巖層，可采用超前管棚和超前小導管注漿加固[6]。

洞頂仰拱一般用砼進行回填，也可用鋼管代替鋼筋，或用鋼拱架代替鋼筋網，回填后應將洞頂和仰拱留設為施工縫。洞口段的初期支護可采用型鋼鋼架、錨桿和噴射混凝土。洞口段應根據圍巖情況及時進行初期支護。

2.4 涌水處理措施

巫溪隧道縱斷面為1.315%單向上坡，隧道長度較長，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象，施工排水壓力大，對人員及設備安全構成威脅。隧道在施工過程中，經常會遇到地下水涌出的情況，一旦處理不當，將會影響隧道的正常施工。在涌水嚴重的情況下，首先要考慮采用堵水的方法進行處理。（1）堵水可以使用水泥漿液或摻入速凝劑的砂漿等進行封堵。（2）設置導流洞可采用鋼筋混凝土拱墻，在拱墻上設置引流槽。如果有必要，可以將水引出，并設置水泵等設施，以防止水從拱墻表面溢出。（3）如果涌水嚴重，需要在隧道中開挖一個集水井并將其與隧道相通。當集水井達到一定高度時，將水引出隧道外。然后可以使用鋼管進行排水或通過其他渠道進行排水[7]。

為了確保安全和施工進度，還需要采取以下措施：（1）當涌水段出現較長時，可以采用“明挖法”施工，在開挖過程中應加強監控量測，根據情況及時調整開挖速度。（2）如果涌水較小，可采用“臺階法”進行開挖；如果涌水較大，可采用“暗挖法”進行開挖。（3）如果涌水段較長且水量較大，應采用“預加固后暗挖法”進行施工。

3 施工技術優化

3.1 注漿方案優化

3.1.1 超前預注漿方案

注漿方式采用前進式或全孔一次壓入（后退）式。鉆孔過程中未涌水的，就一鉆到底，全孔一次壓入式注漿；在鉆孔過程中，如發現有水，即停止鉆孔，采用注一段鉆一段的前進式注漿，直到達到設計段長位置。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，把水擠排到拱頂以上規定的止水固結圈外。

3.1.2 注漿技術要求

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個孔。注漿孔與注漿孔的距離宜為10～30cm。在施工過程中要加強對孔位、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-水玻璃雙液漿進行注漿，水灰比為1:1。水灰比過大時，漿液會從注漿孔中流出，降低注漿效果；水灰比過小時，則難以達到預期的加固效果。注漿泵采用JW-60型混凝土泵。由于隧道反坡施工比較復雜，因此應加強對注漿泵的檢查和維修工作，以確保其正常工作。

注漿順序應遵循先小后大、先地表后深部、先深后淺的原則。根據圍巖和設計要求確定注漿順序。注漿時要嚴格控制注漿壓力和注漿量，以防發生事故。注漿管應沿隧道縱向進行布設，并埋設于圍巖中或混凝土結構中，保證注漿管的垂直度及與周圍土體的距離符合設計要求。在圍巖中埋設注漿管時應注意以下幾點：一是在埋設注漿導管時應注意開挖輪廓線及其上下20m范圍內的巖石裂隙；二是注漿管埋設應垂直于隧道開挖輪廓線；三是注漿管要有足夠的強度和剛度，并隨隧道開挖輪廓線進行移動。

3.2 反坡排水優化

根據涌水情況和現場地形條件，反坡施工采用排、截、堵相結合的方法進行排水。排：在反坡施工過程中，應首先對隧道掌子面前方進行全面檢查，并在隧道上臺階開挖之前，將隧道掌子面前方的積水排出洞外。截：在反坡施工中，應及時對隧道掌子面前方的積水進行截除。堵：在隧道掌子面前方，應根據情況，及時采取注漿措施進行封堵。

3.2.1 排水系統

反坡施工過程中，在隧道上臺階開挖之前，應對隧道掌子面前方進行全面的檢查，并根據實際情況在隧道上臺階預留一定數量的排水孔。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，還應考慮到地下水的影響，并適當地留設排水管。

反坡施工過程中，應及時在隧道上臺階預留一定數量的排水孔，并將這些排水孔與排水溝連接起來。排水溝的長度應根據具體情況確定。排水管的長度應不小于2m，間距不大于10m。在反坡施工中，隧道上臺階開挖前應開挖足夠數量的排水管來收集地表降水和地下水。

3.2.2 截水溝

截水溝設于隧道外輪廓線外5m處，用C25鋼筋混凝土進行封閉。截水溝采用3m×3m的方形斷面，以減少路面積水和地下水對地表沉降的影響；截水溝上應設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。在隧道上臺階開挖前應開挖一定數量的截水溝；截水溝施工時應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；截水溝兩側應設5cm厚的混凝土防水板；截水溝中應設置集水設施，并將排出洞外的地表水引至隧道兩側集水坑內集中處理。當地下水較多時，截水溝中可設置反濾層，以減少地下水對地表沉降和隧道支護結構的影響。

4 結束語

綜上所述，巫溪隧道出口工區為反坡施工，洞內反坡排水應采用機械抽水，需配備足夠的排水機械和管路。地下涌突水的發生具有突然性，對其主要以預防為主，做好超前地質預報與超前探水工作，通過各種手段預先探明掌子面前方的地下水情況，以提前引排或進行封堵[8]。洞內反坡排水可根據距離、坡度、水量和設備情況等因素布置管路、水倉和泵站，在掌子面設置臨時集水倉，其容積根據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排水管排出洞外。