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、狹義兩個方面剖析隧道涌水病害類型，并采用5項評價指標進行涌突水危險性評價體系的研究。在此基礎上，結合實際工程案例重點研究隧道工程涌水問題的原因及相應的解決對策，提出隧道涌水問題施工技術要點，進一步提高隧道工程施工與運營期間的安全性與防水效果，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞 隧道工程；涌水；解決對策

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

0 引言

隧道工程建設期間由于受到復雜地質條件等因素的影響，導致涌突水等地質災害頻繁發生，威脅到施工人員的生命與財產安全，造成生態環境破壞，影響正常施工進度。為此，當前應加強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性評價體系研究

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。我國頒布實施的《工程巖體分級標準》（GB/T50218—2014）對于涌水強度作出了量化，其指標參數如表1所示。參考表1中的數據可知，如果一個隧道項目每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，不同學者采用了不同的分類方法。根據突涌水方式的不同可細分為三種類型：穩定涌水、瞬時突水以及季節性突涌水。根據突涌水災害源的不同可細分為三種類型，最為常見的是裂隙與斷層突水；溶洞溶腔突水在巖溶地區分布廣泛；地下暗河與管道突水也是重要的災害源。

1.2 危險性評價體系分析

通過開展危險性評價工作，可以為隧道涌水問題的防治提供幫助和依據[2]。為更好地開展涌水危險性評價工作，采用5個不同的評估指標：其一，地下水化學特征指標；其二，巖石的可溶性指標；其三，隧道埋深以及地下水水位指標；其四，地表巖溶地貌；其五，地質構造。危險性評價采用定性與定量相結合的方法，通過對上述5項指標進行加權計算，將突涌水危險狀況分為5個不同的層級，第一層級為低風險區，使用Ⅰ進行表示；第二層級為較危險區，使用Ⅱ進行表示；第三層級為中風險區，使用Ⅲ進行表示；第四層級為高風險區，使用Ⅳ進行表示；第五層級為極危險區，使用Ⅴ進行表示。危險性評價的總分設計為100分，隨著危險等級的提升，對應的分值越高；如果危險等級越低，所對應的分值越低。比如，第一層級的分數不超過23分，第二層級的分數介于23～38分之間，第三層級的分數介于38～62分之間，第四層級的分數介于62～77分之間，第五層級的分數大于77分。具體計算過程中，通過將上述5個不同的評估指標分數進行相加處理，就可得出涌突水危險性（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的突發性、復雜性特點，涌水災害一旦出現，所導致的危害極大，比如人員傷亡、設備損毀等。當前，超前地質預報應用廣泛，該技術既能探明斷層以及巖溶管道等不良地質環境的具體位置、方向以及尺寸等參數，還能對地下水壓力、水流量等參數進行推算，以便施工人員采取針對性措施予以應對，尤其是針對重點部位涌水問題的防治。針對重點區域，應適當提升超前地質預報力度，并結合現場實際情況，合理使用管棚支護技術、預先注漿等措施，有效降低涌水災害的發生概率，確保隧道工程施工工作的有序開展。施工期間應遵循“支護緊跟”原則，涌水災害主要發生在隧道工程的掘進施工階段和初期支護階段，如果存在支護滯后或者是支護強度不足等問題，容易出現涌水問題。為此，隧道施工過程中應切實做好支護工作，嚴格遵循“支護緊跟”的重要原則，將支護技術嚴格落實到位[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。根據實施方式的不同，可將注漿堵水技術分為兩種類型：超前預注漿和后注漿。前者需要在隧道掘進面采用超前鉆孔的方式，利用鉆孔開展漿液灌注工作，進而可以形成隔水帷幕，起到堵水的作用，同時還能提高圍巖結構的穩定性與強度。當掘進施工與初期支護結束之后，對不能滿足設計要求的隧道區段灌注漿液。為滿足隧道工程安全掘進的施工要求，應選用合理的注漿堵水技術。同時，還要考慮施工難度、工程造價等因素。如果掌子面前方的地質情況能夠確保掘進施工的安全性，應當先開展掌子面的掘進施工，當掘進施工結束之后再進行注漿處理。比如，針對低危險區、較危險區，通常采用后注漿的方式；對于中危險區，通常采用局部預注漿的解決方式；對于高危險區，需要采用超前預注漿技術，并配合鉆孔排水施工，如果水量較大，需要設置泄水洞進行排水；對于極危險區，應當采用徑向超前預注漿技術，并開展大管棚超前支護工作，同時還要做好相關的排水工作。

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害頻繁發生，嚴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。隨著施工過程的進行，涌水量不斷增大，且圍巖的松動范圍越來越大，最終出現突泥涌水問題，方量大約為100 m3。施工現場首先采取腔口堆壘沙袋的方式，并利用混凝土噴射技術進行封閉，后方初支斜向腔內鉆孔，開展混凝土泵送管的預埋。在上方1.5～2 m的位置，設置泄水通氣孔，并且向腔內泵送等級為C20的混凝土，進而可以形成穩固的“承載體”結構。等到涌水速率穩定在40 m3/h左右，且水質變得清澈，通過監測發現后方初支沒有發生明顯的變化。當腔內的混凝土材料凝結之后，現場組織人員重新打設超前小導管，并對腔口沙袋墻進行開挖，發現少量泥渣涌出，拱頂位置出現異響。在此之后的1 h 20 min，現場出現了大規模的突泥涌水問題，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，原有的含水充填結構發生破壞，巖土體原有的平衡狀態被打破，就容易引發涌水突泥問題，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條件的影響，同時施工作業擾動，加速了涌水災害的發生。

3.2.1 地質條件

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，傾角為70 °。該位置的巖石處于強風化、中風化狀態，局部小構造發育，從出露的地層來看，主要成分是綠泥石云母片巖，并且裂隙極發育。通過對該區域的地層分析發現，巖石強度低、風化程度高并且自穩性差，再加之地下水發育，最終導致了涌水災害的發生。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，巖體內部的一些小顆粒物質被源源不斷沖刷出來，使得涌水通道逐步變大。

3.2.2 施工作業擾動

造成涌水災害的另一個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行，掌子面周圍具有了臨空面條件，裂隙內部的充填物具備了移動空間，導致充填物不斷涌出。當泥水混合物儲存的勢能超過了圍巖與支護結構的承載極限之后，就會以較高的壓力在腔口位置瞬間釋放，最終引發大規模的突泥涌水災害，涌水災害形成過程如圖1所示。

綜上所述，由于該處地層存在軟弱夾層，且圍巖的穩定性較差，受到高壓富水環境的影響，圍巖與支護結構的防突水能力不足。受到隧道開挖的影響，為能量釋放提供了有效路徑，進而導致涌水災害的發生。

3.3 解決對策

為有效解決涌水災害，首先要將積蓄的能量進行合理釋放，其次要不斷增強圍巖與支護結構的防突水能力。

3.3.1 能量積蓄控制與能量釋放

當發現隧道工程出現大規模涌水災害且發展迅速，現場應當果斷采取針對性處治措施，加強對能量積蓄過程的控制，及時釋放能量，防止蓄能空間的無限擴大。通過采取反壓回填等有效對策，穩定掌子面；通過修筑沙袋墻以及噴射混凝土等方式，對腔口進行封堵，提升防突水能力。預留相應的排水通道，防止由于能量積蓄過大而導致大規模的涌水災害。防突水能力形成之前，應當采取有效的措施將能量釋放掉。

3.3.2 提高防突水能力

施工期間需要根據現場情況，通過后方圍巖補強或者初期支護加固等措施，提高防突水能力，還可采用泵送混凝土、預支護等方式。

其一，該工程中在掌子面后方15 m位置處，利用長5 m、Φ50 mm的鋼花管進行注漿，以起到圍巖補強的作用。鋼花管的間距為1 m×1 m，呈梅花形布設。鋼管在孔口1 m范圍內不開孔。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，以起到穩固拱腳的作用，防止支護結構發生較大的變形。

其二，該工程中還采用泵送混凝土以及注漿的措施，目的是改良腔內松散體。施工期間利用潛孔鉆鉆孔，并通過預埋混凝土管路等措施，向腔內泵送強度為C20的混凝土，提高腔內松散體的擠密效果?；炷帘盟椭?，涌水的速率降低為12 m3/h。之后，利用小導管半封閉注漿技術，對現場地下水發育的位置進行注漿處理，如圖2所示為小導管注漿技術施工現場，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場試驗（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，主要遵循的依據是“先疏后密”“先重點后一般”，注漿壓力為“先低后高”，注漿濃度逐漸增大。當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，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，采用打設檢查孔的方式，對注漿加固效果作出檢驗，如果有水順著探孔位置流出，需要進行補充注漿。

其三，超前預支護技術措施。施工期間，將長12 m、Φ108 mm超前大管棚技術以及長4.5 m、Φ50 mm超前注漿小導管技術搭配使用，如果成孔下管難度較大，現場使用大直徑自進式錨桿進行處理，管棚的環向間距設置為50 cm，當注漿工作結束之后通過灌注砂漿來提升結構的剛度。

其四，為降低施工期間的擾動作用，采用分步開挖技術，掘進過程采用人工與機械相互配合的方法，降低擾動強度與范圍。通過增大襯砌結構的厚度，并對拱腳、仰拱位置進行加固處理，提高該段的承載能力。對于出水位置采取集中引排的措施，通過增加環向排水管的密度、設置橫向排水管等方式，確?，F場的排水條件滿足要求。

3.3.3 施工注意事項

當有涌水災害發生時，要采取有效合理的措施進行解決，降低涌水問題對施工質量、施工進度的影響。災害發生之后切不可盲目地進行清淤工作，會造成腔內松散體的大量涌出，使得蓄能空間不斷擴大，導致規模涌水災害的發生。小顆粒的松散土體會順著超前大管棚間隙漏出。為此，應當從注漿設計、注漿質量控制等方面進行研究，提高加固改良環節的效果[5]?；炷帘盟铜h節要嚴格控制水灰比等參數，嚴把材料質量關，以免影響加固效果。針對重點區域的超前地質預報工作極為重要，現場要制定相應的應急預案，進行相關應急物資的儲備，以降低涌水等地質災害的危害程度。當施工到涌水段附近時，要提高監測工作強度，通過加密監測點、提高監測頻率等方式，做好監測信息的及時反饋與分析。

4 結束語

該文首先對隧道涌水類型、涌水災害的防治原則作出了分析。之后，結合實際隧道工程案例，對涌水災害的成因、解決對策開展了研究。隧道工程施工期間發生涌水災害時，要進行積蓄能量的合理釋放，并通過圍巖補強、初支加固、混凝土泵送以及超前預支護等相關技術，降低涌水問題的危害程度，提高施工的安全性。

參考文獻

[1]張偉杰. 隧道工程富水斷層破碎帶注漿加固機理及應用研究[D]. 濟南：山東大學， 2014.

[2]王子洪， 付會彬， 馬偉斌， 等. 巖溶地區隧道突水機理及防治措施[J]. 鐵道建筑， 2019（6）： 81-84.

[3]張會剛， 劉興， 孫彭城， 等. 筠連隧道水文地質分區及涌突水危險性評價[J]. 路基工程， 2019（4）： 222-227.

[4]肖廣志. 不良、特殊地質條件隧道施工技術及實例[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2015.

[5]徐鐘. 復雜巖溶隧道涌突水演化機理及災害綜合防治研究——以新建敘大鐵路為例[D]. 成都：成都理工大學， 2020.

收稿日期：2023-11-02

作者簡介：蘇舫（1990—），男，本科，工程師，從事工程建設方面工作。