隧道工程涌水問題及解決措施

摘要 為解決隧道工程施工存在的涌水問題，文章從廣義、狹義兩個(gè)方面剖析隧道涌水病害類型，并采用5項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行涌突水危險(xiǎn)性評價(jià)體系的研究。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程案例重點(diǎn)研究隧道工程涌水問題的原因及相應(yīng)的解決對策，提出隧道涌水問題施工技術(shù)要點(diǎn)，進(jìn)一步提高隧道工程施工與運(yùn)營期間的安全性與防水效果，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞 隧道工程；涌水；解決對策

中圖分類號 U455.49文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0102-03

0 引言

隧道工程建設(shè)期間由于受到復(fù)雜地質(zhì)條件等因素的影響，導(dǎo)致涌突水等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，威脅到施工人員的生命與財(cái)產(chǎn)安全，造成生態(tài)環(huán)境破壞，影響正常施工進(jìn)度。為此，當(dāng)前應(yīng)加強(qiáng)對隧道工程涌水問題成因的研究，通過采取合理有效的解決對策，將涌水問題的危害降到最低。

1 隧道涌水類型與危險(xiǎn)性評價(jià)體系研究

1.1 涌水類型分析

從廣義上來看，隧道涌水指的是施工期地層出水。通過開展地質(zhì)勘察等工作，可以大致估算涌水量的大小。從狹義上來看，隧道涌水指的是地下硐室、巷道等施工期間，大量地下水與泥水混合物突然涌出的現(xiàn)象[1]。斷層、巖溶管道以及裂隙的存在，為隧道涌水提供了重要通道。我國頒布實(shí)施的《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50218—2014）對于涌水強(qiáng)度作出了量化，其指標(biāo)參數(shù)如表1所示。參考表1中的數(shù)據(jù)可知，如果一個(gè)隧道項(xiàng)目每10 m出水段，在1 min出水超過125 L，或者是出水壓力超過了0.5 MPa，那么就可將其定義為涌流狀出水。

針對隧道涌水問題，不同學(xué)者采用了不同的分類方法。根據(jù)突涌水方式的不同可細(xì)分為三種類型：穩(wěn)定涌水、瞬時(shí)突水以及季節(jié)性突涌水。根據(jù)突涌水災(zāi)害源的不同可細(xì)分為三種類型，最為常見的是裂隙與斷層突水；溶洞溶腔突水在巖溶地區(qū)分布廣泛；地下暗河與管道突水也是重要的災(zāi)害源。

1.2 危險(xiǎn)性評價(jià)體系分析

通過開展危險(xiǎn)性評價(jià)工作，可以為隧道涌水問題的防治提供幫助和依據(jù)[2]。為更好地開展涌水危險(xiǎn)性評價(jià)工作，采用5個(gè)不同的評估指標(biāo)：其一，地下水化學(xué)特征指標(biāo)；其二，巖石的可溶性指標(biāo)；其三，隧道埋深以及地下水水位指標(biāo)；其四，地表巖溶地貌；其五，地質(zhì)構(gòu)造。危險(xiǎn)性評價(jià)采用定性與定量相結(jié)合的方法，通過對上述5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，將突涌水危險(xiǎn)狀況分為5個(gè)不同的層級，第一層級為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，使用Ⅰ進(jìn)行表示；第二層級為較危險(xiǎn)區(qū)，使用Ⅱ進(jìn)行表示；第三層級為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，使用Ⅲ進(jìn)行表示；第四層級為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，使用Ⅳ進(jìn)行表示；第五層級為極危險(xiǎn)區(qū)，使用Ⅴ進(jìn)行表示。危險(xiǎn)性評價(jià)的總分設(shè)計(jì)為100分，隨著危險(xiǎn)等級的提升，對應(yīng)的分值越高；如果危險(xiǎn)等級越低，所對應(yīng)的分值越低。比如，第一層級的分?jǐn)?shù)不超過23分，第二層級的分?jǐn)?shù)介于23～38分之間，第三層級的分?jǐn)?shù)介于38～62分之間，第四層級的分?jǐn)?shù)介于62～77分之間，第五層級的分?jǐn)?shù)大于77分。具體計(jì)算過程中，通過將上述5個(gè)不同的評估指標(biāo)分?jǐn)?shù)進(jìn)行相加處理，就可得出涌突水危險(xiǎn)性（THK）分值。

2 涌水問題解決措施研究

2.1 防治原則

隧道工程涌水問題有著較強(qiáng)的突發(fā)性、復(fù)雜性特點(diǎn)，涌水災(zāi)害一旦出現(xiàn)，所導(dǎo)致的危害極大，比如人員傷亡、設(shè)備損毀等。當(dāng)前，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用廣泛，該技術(shù)既能探明斷層以及巖溶管道等不良地質(zhì)環(huán)境的具體位置、方向以及尺寸等參數(shù)，還能對地下水壓力、水流量等參數(shù)進(jìn)行推算，以便施工人員采取針對性措施予以應(yīng)對，尤其是針對重點(diǎn)部位涌水問題的防治。針對重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)提升超前地質(zhì)預(yù)報(bào)力度，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，合理使用管棚支護(hù)技術(shù)、預(yù)先注漿等措施，有效降低涌水災(zāi)害的發(fā)生概率，確保隧道工程施工工作的有序開展。施工期間應(yīng)遵循“支護(hù)緊跟”原則，涌水災(zāi)害主要發(fā)生在隧道工程的掘進(jìn)施工階段和初期支護(hù)階段，如果存在支護(hù)滯后或者是支護(hù)強(qiáng)度不足等問題，容易出現(xiàn)涌水問題。為此，隧道施工過程中應(yīng)切實(shí)做好支護(hù)工作，嚴(yán)格遵循“支護(hù)緊跟”的重要原則，將支護(hù)技術(shù)嚴(yán)格落實(shí)到位[3]。

2.2 解決措施

為有效解決隧道涌水問題，目前主要采用的是注漿堵水技術(shù)。根據(jù)實(shí)施方式的不同，可將注漿堵水技術(shù)分為兩種類型：超前預(yù)注漿和后注漿。前者需要在隧道掘進(jìn)面采用超前鉆孔的方式，利用鉆孔開展?jié){液灌注工作，進(jìn)而可以形成隔水帷幕，起到堵水的作用，同時(shí)還能提高圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與強(qiáng)度。當(dāng)掘進(jìn)施工與初期支護(hù)結(jié)束之后，對不能滿足設(shè)計(jì)要求的隧道區(qū)段灌注漿液。為滿足隧道工程安全掘進(jìn)的施工要求，應(yīng)選用合理的注漿堵水技術(shù)。同時(shí)，還要考慮施工難度、工程造價(jià)等因素。如果掌子面前方的地質(zhì)情況能夠確保掘進(jìn)施工的安全性，應(yīng)當(dāng)先開展掌子面的掘進(jìn)施工，當(dāng)掘進(jìn)施工結(jié)束之后再進(jìn)行注漿處理。比如，針對低危險(xiǎn)區(qū)、較危險(xiǎn)區(qū)，通常采用后注漿的方式；對于中危險(xiǎn)區(qū)，通常采用局部預(yù)注漿的解決方式；對于高危險(xiǎn)區(qū)，需要采用超前預(yù)注漿技術(shù)，并配合鉆孔排水施工，如果水量較大，需要設(shè)置泄水洞進(jìn)行排水；對于極危險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)當(dāng)采用徑向超前預(yù)注漿技術(shù)，并開展大管棚超前支護(hù)工作，同時(shí)還要做好相關(guān)的排水工作。

3 案例分析

3.1 工程概況

某隧道工程全長5 812 m，采用雙向六車道形式，在隧道的出口段位置涌水災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響施工的安全性，尤其是ZK196+290段為典型的富水軟弱帶，涌水問題最為復(fù)雜。該段圍巖等級為Ⅳ級，采用臺階法施工工藝，開挖之后在拱頂位置有軟弱夾層出露，寬度約為2～3 m。隨著施工過程的進(jìn)行，涌水量不斷增大，且圍巖的松動(dòng)范圍越來越大，最終出現(xiàn)突泥涌水問題，方量大約為100 m3。施工現(xiàn)場首先采取腔口堆壘沙袋的方式，并利用混凝土噴射技術(shù)進(jìn)行封閉，后方初支斜向腔內(nèi)鉆孔，開展混凝土泵送管的預(yù)埋。在上方1.5～2 m的位置，設(shè)置泄水通氣孔，并且向腔內(nèi)泵送等級為C20的混凝土，進(jìn)而可以形成穩(wěn)固的“承載體”結(jié)構(gòu)。等到涌水速率穩(wěn)定在40 m3/h左右，且水質(zhì)變得清澈，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)后方初支沒有發(fā)生明顯的變化。當(dāng)腔內(nèi)的混凝土材料凝結(jié)之后，現(xiàn)場組織人員重新打設(shè)超前小導(dǎo)管，并對腔口沙袋墻進(jìn)行開挖，發(fā)現(xiàn)少量泥渣涌出，拱頂位置出現(xiàn)異響。在此之后的1 h 20 min，現(xiàn)場出現(xiàn)了大規(guī)模的突泥涌水問題，主要成分為碎石、石屑以及黏土等，且混合物的固液兩相不離析，等到穩(wěn)定之后，涌水速率大約維持在50 m3/h。

3.2 涌水成因分析

隧道施工期間，原有的含水充填結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，巖土體原有的平衡狀態(tài)被打破，就容易引發(fā)涌水突泥問題，這一過程中伴隨著能量的瞬間高速釋放。在該工程中，涌水突泥問題的原因主要是受周圍地質(zhì)條件的影響，同時(shí)施工作業(yè)擾動(dòng)，加速了涌水災(zāi)害的發(fā)生。

3.2.1 地質(zhì)條件

在該工程中，涌水位置的埋深為540 m，巖層的走向和隧道的軸線有著小角度相交的特點(diǎn)，傾角為70 °。該位置的巖石處于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化狀態(tài)，局部小構(gòu)造發(fā)育，從出露的地層來看，主要成分是綠泥石云母片巖，并且裂隙極發(fā)育。通過對該區(qū)域的地層分析發(fā)現(xiàn)，巖石強(qiáng)度低、風(fēng)化程度高并且自穩(wěn)性差，再加之地下水發(fā)育，最終導(dǎo)致了涌水災(zāi)害的發(fā)生。隧道的埋深較大，隨著隧道工程的開挖，滲透壓力差不斷增大，巖體內(nèi)部的一些小顆粒物質(zhì)被源源不斷沖刷出來，使得涌水通道逐步變大。

3.2.2 施工作業(yè)擾動(dòng)

造成涌水災(zāi)害的另一個(gè)重要條件是蓄能空間，比如巖溶、斷層破碎帶以及寬大裂隙，自身就已形成了較大的蓄能空間[4]。隨著開挖工作的不斷進(jìn)行，掌子面周圍具有了臨空面條件，裂隙內(nèi)部的充填物具備了移動(dòng)空間，導(dǎo)致充填物不斷涌出。當(dāng)泥水混合物儲(chǔ)存的勢能超過了圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載極限之后，就會(huì)以較高的壓力在腔口位置瞬間釋放，最終引發(fā)大規(guī)模的突泥涌水災(zāi)害，涌水災(zāi)害形成過程如圖1所示。

綜上所述，由于該處地層存在軟弱夾層，且圍巖的穩(wěn)定性較差，受到高壓富水環(huán)境的影響，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的防突水能力不足。受到隧道開挖的影響，為能量釋放提供了有效路徑，進(jìn)而導(dǎo)致涌水災(zāi)害的發(fā)生。

3.3 解決對策

為有效解決涌水災(zāi)害，首先要將積蓄的能量進(jìn)行合理釋放，其次要不斷增強(qiáng)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的防突水能力。

3.3.1 能量積蓄控制與能量釋放

當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道工程出現(xiàn)大規(guī)模涌水災(zāi)害且發(fā)展迅速，現(xiàn)場應(yīng)當(dāng)果斷采取針對性處治措施，加強(qiáng)對能量積蓄過程的控制，及時(shí)釋放能量，防止蓄能空間的無限擴(kuò)大。通過采取反壓回填等有效對策，穩(wěn)定掌子面；通過修筑沙袋墻以及噴射混凝土等方式，對腔口進(jìn)行封堵，提升防突水能力。預(yù)留相應(yīng)的排水通道，防止由于能量積蓄過大而導(dǎo)致大規(guī)模的涌水災(zāi)害。防突水能力形成之前，應(yīng)當(dāng)采取有效的措施將能量釋放掉。

3.3.2 提高防突水能力

施工期間需要根據(jù)現(xiàn)場情況，通過后方圍巖補(bǔ)強(qiáng)或者初期支護(hù)加固等措施，提高防突水能力，還可采用泵送混凝土、預(yù)支護(hù)等方式。

其一，該工程中在掌子面后方15 m位置處，利用長5 m、Φ50 mm的鋼花管進(jìn)行注漿，以起到圍巖補(bǔ)強(qiáng)的作用。鋼花管的間距為1 m×1 m，呈梅花形布設(shè)。鋼管在孔口1 m范圍內(nèi)不開孔。施工過程所使用的漿液為普通水泥單液漿，水灰比為1∶1。在兩側(cè)拱腳位置，采用注漿加固措施，使用單液漿，水灰比為0.5∶1，以起到穩(wěn)固拱腳的作用，防止支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變形。

其二，該工程中還采用泵送混凝土以及注漿的措施，目的是改良腔內(nèi)松散體。施工期間利用潛孔鉆鉆孔，并通過預(yù)埋混凝土管路等措施，向腔內(nèi)泵送強(qiáng)度為C20的混凝土，提高腔內(nèi)松散體的擠密效果。混凝土泵送之后，涌水的速率降低為12 m3/h。之后，利用小導(dǎo)管半封閉注漿技術(shù)，對現(xiàn)場地下水發(fā)育的位置進(jìn)行注漿處理，如圖2所示為小導(dǎo)管注漿技術(shù)施工現(xiàn)場，使用的注漿材料為水泥—水玻璃雙液漿，水玻璃的濃度為40 °Bé，水泥漿液的水灰比為1∶1。通過對涌出的渣體材料開展現(xiàn)場試驗(yàn)（見表2）可以看出，不同的漿液配比在性能方面有著較大的差別。注漿的順序與原則，主要遵循的依據(jù)是“先疏后密”“先重點(diǎn)后一般”，注漿壓力為“先低后高”，注漿濃度逐漸增大。當(dāng)注漿工作采用水灰比為0.5∶1的單漿液，且注漿壓力滿足1.2 MPa的條件時(shí)，注漿效果較為良好，且注漿工作完成之后，涌水速率降低為2.5 m3/h。在該工程中，采用打設(shè)檢查孔的方式，對注漿加固效果作出檢驗(yàn)，如果有水順著探孔位置流出，需要進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

其三，超前預(yù)支護(hù)技術(shù)措施。施工期間，將長12 m、Φ108 mm超前大管棚技術(shù)以及長4.5 m、Φ50 mm超前注漿小導(dǎo)管技術(shù)搭配使用，如果成孔下管難度較大，現(xiàn)場使用大直徑自進(jìn)式錨桿進(jìn)行處理，管棚的環(huán)向間距設(shè)置為50 cm，當(dāng)注漿工作結(jié)束之后通過灌注砂漿來提升結(jié)構(gòu)的剛度。

其四，為降低施工期間的擾動(dòng)作用，采用分步開挖技術(shù)，掘進(jìn)過程采用人工與機(jī)械相互配合的方法，降低擾動(dòng)強(qiáng)度與范圍。通過增大襯砌結(jié)構(gòu)的厚度，并對拱腳、仰拱位置進(jìn)行加固處理，提高該段的承載能力。對于出水位置采取集中引排的措施，通過增加環(huán)向排水管的密度、設(shè)置橫向排水管等方式，確保現(xiàn)場的排水條件滿足要求。

3.3.3 施工注意事項(xiàng)

當(dāng)有涌水災(zāi)害發(fā)生時(shí)，要采取有效合理的措施進(jìn)行解決，降低涌水問題對施工質(zhì)量、施工進(jìn)度的影響。災(zāi)害發(fā)生之后切不可盲目地進(jìn)行清淤工作，會(huì)造成腔內(nèi)松散體的大量涌出，使得蓄能空間不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致規(guī)模涌水災(zāi)害的發(fā)生。小顆粒的松散土體會(huì)順著超前大管棚間隙漏出。為此，應(yīng)當(dāng)從注漿設(shè)計(jì)、注漿質(zhì)量控制等方面進(jìn)行研究，提高加固改良環(huán)節(jié)的效果[5]。混凝土泵送環(huán)節(jié)要嚴(yán)格控制水灰比等參數(shù)，嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，以免影響加固效果。針對重點(diǎn)區(qū)域的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作極為重要，現(xiàn)場要制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，進(jìn)行相關(guān)應(yīng)急物資的儲(chǔ)備，以降低涌水等地質(zhì)災(zāi)害的危害程度。當(dāng)施工到涌水段附近時(shí)，要提高監(jiān)測工作強(qiáng)度，通過加密監(jiān)測點(diǎn)、提高監(jiān)測頻率等方式，做好監(jiān)測信息的及時(shí)反饋與分析。

4 結(jié)束語

該文首先對隧道涌水類型、涌水災(zāi)害的防治原則作出了分析。之后，結(jié)合實(shí)際隧道工程案例，對涌水災(zāi)害的成因、解決對策開展了研究。隧道工程施工期間發(fā)生涌水災(zāi)害時(shí)，要進(jìn)行積蓄能量的合理釋放，并通過圍巖補(bǔ)強(qiáng)、初支加固、混凝土泵送以及超前預(yù)支護(hù)等相關(guān)技術(shù)，降低涌水問題的危害程度，提高施工的安全性。

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收稿日期：2023-11-02

作者簡介：蘇舫（1990—），男，本科，工程師，從事工程建設(shè)方面工作。