隧道仰拱涌突水原因分析及治理措施研究

南力辉，杨其新，蒋雅君，刘小俊

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

隧道仰拱涌突水原因分析及治理措施研究

南力辉，杨其新，蒋雅君，刘小俊

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

针对大量隧道出现仰拱涌突水的情况，结合工程实例，从隧址区岩性、水文条件和地质构造三方面对病害原因进行了分析。结果显示:出现仰拱涌突水的隧道大部分围岩为灰岩等可溶岩;水文条件为地表水源丰富，并存在温泉水;地质构造中以褶皱居多，褶皱区的构造节理裂隙和断层破碎带为岩溶水垂直循环提供了通道，且褶皱区存在较高的地应力，从而形成了高压富水的环境条件。针对不同的地质构造以及涌水与降水之间的联系程度，可分别采取注浆堵水、地表处理、泄水洞排水等相应的治理措施。

隧道仰拱 涌突水 原因分析 治理措施

近年来，西南山岭地区交通基础设施的建设带动了隧道工程的发展。同时，在西南地区存在着大片岩溶、断裂带等特殊地质环境，隧道施工过程中遇到了很多涌突水的地质灾害，其发生位置不同，采取的治理措施也不相同。

隧道涌突水位置大多集中在掌子面前方和洞顶上方，采用全断面帷幕注浆和超前管棚等措施进行加固，可以保证隧道施工的安全进行［1-2］。但是隧道仰拱出现的涌突水对隧道施工影响很大，并且一些施工中未出现仰拱涌水的隧道，在后期却由于降水导致底部水压增大出现了底板隆起和冒水的情况。针对这一问题，本文结合仰拱涌突水的工程实例进行分析，总结涌水原因，探讨治理措施。

1 仰拱涌突水案例及分析

对近年来发生仰拱隆起和涌突水的大量隧道进行了调研［3-9］(表1仅列出部分)。除了列出的隧道外，还有石林隧道、铜锣山隧道、大奎隧道等均出现隧底隆起开裂出水情况。在隧道施工阶段出现仰拱涌突水情况时，不仅会严重影响到仰拱的开挖及后续支护工作的进行，而且还会引起初期支护的下沉变形甚至塌方［10］。若运营阶段出现该情况，则会严重危险到交通安全。所以该类情况需要特别重视，下面从岩性、地质构造和水文条件三方面对原因进行分析。

1)岩性

出现仰拱涌突水或隆起的隧道大部分围岩为可溶岩，以灰岩为主。可溶岩经过溶蚀作用在地表形成了落水洞、洼地，在地下经过物理化学作用被水带走，非可溶岩则成为溶腔或者地下暗河管道的骨架，从而为水的富集提供了空间。

2)地质构造

①褶皱区的构造裂隙(见图1)。构造裂隙为岩溶水入渗和循环创造了有利条件，因而隧洞内岩溶相对发育，岩溶水活动也相对强烈。表1中属于节理裂隙构造的有中梁山隧道、上古隧道、华蓥山隧道、南石壁隧道和歌乐山隧道。

②褶皱区的断层破碎带(见图2)。当上盘为砂岩，下盘为灰岩等可溶岩时，褶皱运动过程中脆性岩层极易错动破碎，形成顺层断层破碎带，多为承压含水层［11］，并且水量较大。在该种地质条件下，水富集时压力较大，可以通过垂直的岩溶通道以上升泉的形式表现。当隧道线路穿越泉水的上升通道时，隧道仰拱就会承受较高的水压，如果底板承受的荷载过大，就可能造成仰拱隆起甚至破裂发生涌突水。表2中属于断层破碎带的有洋碰隧道、明月山隧道、彭水隧道和脑包上隧道。

③隧道底部存在暗河。隧道底部与暗河的岩石厚度较小时，就会导致隧道涌水量极大。表1中仰拱涌突水因暗河引起的是武隆隧道，见图3。

3)水文条件

隧道所处的灰岩地层岩溶发育强烈，地下水富集，表现为地表水库和以上升泉形式出露的泉水，证明该地区地层中地下水的静储量和动储量都较大。由于上升泉来自于地层深部岩溶水，水的温度一般较高，该水文系统属于岩溶水垂直循环带。降水会沿着泉水通道对地下水进行补给，水压可能会直接作用在隧道衬砌结构上，造成隧道涌突水量增大。通过上古隧道、脑包上隧道、南石壁隧道和武隆隧道的情况可以得出，隧道涌突水与降水的水力联系密切时，隧道涌水量可增大到5～10倍，所以必须对涌突水的来源调查清楚。

以上分析说明，高压、富水条件导致了隧道仰拱出现涌突水。岩性为灰岩等可溶岩，地质构造为褶皱区的构造裂隙、断层破碎带和暗河，水文条件为地表水源丰富，并存在温泉水，属于岩溶水垂直循环带。在以上这些特征同时具备的地区修建隧道工程时，要做好地质勘查工作，将勘测范围扩大，为隧道设计与施工提供详细的水文和地质资料，预防仰拱涌突水的发生。

图1 褶皱区构造裂隙带

图2 褶皱区断层破碎带

图3 武隆隧道暗河平面示意

2 处治方案

通过表1中的隧道案例分析，隧道仰拱涌突水量的大小与地质构造具有相关性。当地质构造为褶皱区的断层破碎带或暗河时，涌突水量较大;当地质构造为褶皱区的裂隙带时，其涌水量较小。因此，地质构造不同，仰拱涌突水的治理方案也不同。

2.1 构造裂隙带

隧道仰拱涌水区的地质构造为裂隙带时，围岩的完整度相对较好，治理措施以注浆堵水为主，地表处理和泄水洞排水为辅。

1)当涌突水与大气降水联系不密切时，仰拱涌水量Q≤10 000 m3/d，可只采用注浆加固围岩。例如中梁山隧道和歌乐山隧道。

根据注浆施工时间不同，隧道注浆分为预注浆和后注浆。在隧道施工之前，预先用浆液填充围岩裂隙来堵塞水流和加固围岩称为预注浆，包括全断面帷幕注浆、全断面周边预注浆和局部断面预注浆等方式。当预注浆完成继续开挖隧洞，围岩还存在渗漏水情况时，注浆加固支护和止水称为后注浆，包括径向注浆、局部注浆和补充注浆等方式［12］。可根据实际工程中涌水量大小、水压力高低和隧道施工特点，在超前预注浆堵水和揭示后注浆堵水两种方式中进行选择。

①超前探测确定掌子面前方涌水量相对较大(7 200 m3/d＜Q≤10 000 m3/d)，水压高(P＞0.5 MPa)，采取后处治方式施工难度大，注浆堵水效果差，因此，应采取预注浆中的全断面帷幕注浆堵水方案。对于仰拱涌突水的情况，高水压来自隧底，则要保证掌子面斜下方注浆效果。可以加密斜下方注浆孔，增大其注浆堵水范围，如图4所示。

图4 预注浆示意

②当超前探测确定掌子面前方涌水量不大(Q≤7 200 m3/d)，水压不高(P≤0.5 MPa)，且水量比较稳定时，可采取爆破揭示后局部注浆或径向注浆方案。采用后处治方式既能满足隧道快速施工要求，也能达到注浆堵水加固效果。如果预注浆效果未达到预期，或者超前地质勘探未探测到隧道线路经过上升泉通道时，隧道施工后底板隆起涌水应采用后注浆措施进行止水。后注浆应遵循“先排后堵、深排浅堵、远排近堵、择机收口”原则，先堵住次大流量的出水点、出水段，再深层加固围岩形成一定厚度的防渗固结圈，最后集中对大出水点进行封堵［4］。如果涌水量大和水压大，则先行钻设泄压孔进行分流降压，并通过钻孔来判定地下水通道的方向，然后再采用后注浆堵水。

如果仰拱开挖后出现涌突水，会对仰拱施工产生很大影响，进而影响二次衬砌的施工时间。处治这种情况首先回填一定厚度的浆片砌石或者碎石作为滤水层，同时采用排水管对仰拱内的涌水进行有组织的排放，再用型钢对仰拱部位初期支护进行加强并浇筑混凝土，然后施作仰拱，最后对该仰拱一定范围内进行注浆加固，见图5。注浆顺序应先上后下(即先拱顶后边墙仰拱)，防止仰拱注浆后导致高压水沿围岩裂隙上升造成拱顶和边墙压力过大而破坏［13］。

图5 仰拱开挖后涌水治理

2)当涌突水与降水联系密切，但仰拱涌突水量增加不大时，除预注浆堵水外，还可以通过地表处理和增大排水管过水断面来治理。地表处理即对地表存在的陷坑回填夯实，对溶洞、漏斗堵塞，并加强排水系统，使地表水尽快流走，减少地表水的补给来源。岩溶区隧道地下水活动频繁、搬运能力强、持续时间长，很容易引起泥沙、碎石等进入排水系统的地下暗沟引起堵塞，因此应加强岩溶区隧道洞内排水能力设计，建议采用大断面明沟排水，一则方便检修，二则降低排水管堵塞概率，避免衬砌承受过大水压。

3)当涌突水与降水联系密切并且降水对隧道影响很大时，除了地表处理和注浆堵水外，同时可以采用排水降压措施。在隧道仰拱易发生涌突水地段，安放若干泄水管，可将水直接排放排水沟中，泄水管的长度根据注浆半径和水头高度确定，见图6。并在隧道初支和二衬之间埋设压力盒，进行压力监测。雨季时当监测到压力达到衬砌承载能力设计值的一定比例后，打开泄水管，将压力释放，保证衬砌结构安全。

如果隧址区的强降雨导致涌水量巨大，例如上古隧道施工旱季未见涌水，雨季涌水量达331 312 m3/d，造成仰拱隆起长度达60 m。对于这种突发性、季节性的巨大涌水量，通过注浆堵水效果不是特别好，则采用泄水洞进行排水降压。该种情况下虽以泄水为主，同时也要进行注浆加固。因为根据岩溶发育的特点，若采取以排为主的措施，由于水力坡度增大，地下水循环加速，围岩溶蚀裂隙将越来越大，地下水排放量会越来越大，不但隧道防排水系统的有效运行难以保证，而且围岩的稳定性也会逐渐恶化，进而危及结构的安全，所以堵水是保证运营期间隧道结构长期稳定的必要措施。

2.2 断层破碎带

当地质构造为断层破碎带时，岩溶水沿层面发育，隧道仰拱涌突水量很大，且与地表连通性好，涌突水的季节性和突发性更强，若采用注浆堵水为主要方式，压注浆液极易沿层面随水流失，注浆封堵后，地下水势必寻找新的排泄通道，岩溶水极易发生纵向串水，从而危及隧道结构安全，所以采用泄水洞排水降压，同时注浆加固提高围岩强度来保证施工和运营结构安全。

泄水洞断面应根据流量和施工条件来确定，其中施工条件是关键因素。近年来一般采用的断面不小于2.2 m×2.0 m(高×宽)，断面大小可以根据已建隧道泄水洞来选用，见表2。华蓥山隧道泄水洞示意如图7。

当泄水洞的排水量达不到要求时，可通过增设横向排水通道和泄水孔提高其排水能力。由于岩溶水排放过程中会携带大量泥沙，所以需对泄水洞进行定期清淤作业，保证排水通畅。

2.3 暗河

当隧底存在暗河，仰拱出现涌突水，水量一般较大。若暗河与地表连通性好，则强降雨时涌水量会增大很多，比如武隆隧道强降雨时期的最大涌水量是平时的10倍以上，竟达434×104m3/d。并且在暗河的影响下隧底围岩强度低，隧道通过该区域时，为防止仰拱涌突水的发生，应采用隧底处理、框架结构跨越和泄水洞相结合的措施。为提高地基承载能力，隧底采用分段开挖分段浆砌片石回填，用钢管群桩注浆加固地基，并采用框架结构基础和全封闭隧道衬砌结构保证整体结构安全。

除了以上所介绍的处理措施外，在高压富水地段还可采用抗水压型衬砌。因为隧道揭穿岩溶管道后，其原有的岩溶水力平衡条件被打破，径流条件由此发生改变，虽然对岩溶水进行了引排，但在雨季发生特大暴雨时，仍可能因岩溶水引排系统排泄不畅，造成水位上升，对隧道衬砌结构形成一定的水压。同时，在仰拱的混凝土中掺入聚丙烯纤维，易可控制仰拱隆起。

图6 排水泄压示意

表2 部分已建隧道泄水洞

图7 华蓥山隧道泄水洞示意

3 结论

结合实例，对隧道仰拱涌突水病害原因进行了分析，并提出了针对性的处治措施。主要结论包括:

1)隧道仰拱涌突水发生的地质构造中，以褶皱居多，褶皱区的裂隙带和断层破碎带为岩溶水垂直循环提供了通道，褶皱区存在较高的地应力，从而形成了高压富水的环境条件。可根据隧址区的地质条件对隧道仰拱是否发生涌突水进行初步预测。

2)褶皱区的构造裂隙带以注浆堵水为主，根据涌水与降雨之间的联系程度，决定是否采用地表处理切断水源。如果降雨导致隧道涌水量巨大，影响结构安全，则采取泄水管或泄水洞排水降压的措施，同时也要注重注浆堵水的效果，以保证运营期间隧道结构长期稳定。

3)褶皱区构造破碎带涌水量大，具有很强的季节性，宜采取以泄水洞为主的治理措施。

4)暗河地段可采取隧底处理、框架结构跨越和泄水洞相结合的措施，以提高地基承载力和衬砌整体强度，降低水压。

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Cause analysis and study on treatment measures of gushing water out from tunnel invert

NAN Lihui，YANG Qixin，JIANG Yajun，LIU Xiaojun
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T he cause of gushing water out from many tunnel inverts was analyzed from such three aspects as lithology of tunnel site，hydrological condition and geological structure by combing with engineering examples.T he results indicated that the surrounding rock of tunnel inverts in which gushing water happens is mostly limestone karst，hydrological conditions has rich surface water source and the existence of hot spring water，most of the geological structures are folds，structural joint fissure and fault fracture zone of which provides a channel for the vertical circulation of karst water，and there is a high stress in the fold zone which forms the environment conditions of high pressure and rich water.According to different geological structures and the relation between gushing water and precipitation，the corresponding treatment measures including grouting and water plugging，surface treatment and drain hole drainage should be adopted.

T unnel invert;Gushing water;Cause analysis;T reatment measure

U457+.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.15

1003-1995(2015)12-0054-05

(责任审编葛全红)

2015-08-10;

2015-09-20

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJTU11ZT33)

南力辉(1988—)，男，助理工程师，硕士。