不良地质隧道涌突水处理施工技术研究

张建国

摘要：本文通过对蚕豆田2号隧道右幅涌突水情况和发展过程分析，结合涌突水处岩性分析和水体分析，让我们对不良地质地段隧道施工有了新的体会和认识，隧道不良地质危害不是不可防、不可控，做好超前地质预报，采用合理的技术手段等，危害是可以控制在一定范围内，实践证明该方案制定较为妥当，施工方法是可行的，为类似隧道工程施工中遭遇不良地质地段，出现大量涌水，大塌腔等综合处理提供参考。

Abstract： Based on the analysis of the right water inrush and development process of Tiandoutian No.2 Tunnel， combined with the lithology analysis and water body analysis of the water inrush， we have a new experience and understanding of tunnel construction in unfavorable geological sections. Unfavorable geological hazards are not uncontrollable. To carry out advance geological predictions and take reasonable technical means， the hazards can be controlled within a certain range. Practice has proved that the plan is more appropriate and the construction method is feasible and it can provide reference for the comprehensive treatments of the similar tunnel engineering.

關键词：隧道;涌水;塌腔

Key words： tunnel;gushing water;collapse cavity

中图分类号：U455.49                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）09-0127-04

0  引言

在隧道施工过程中，经常会经过不良地质地段，遇到大量涌水，围岩坍塌形成塌腔，给隧道掘进带来了极大的困难和风险。本文通过对蚕豆田2号隧道右幅涌突水处理施工技术总结、分析，提出处理措施，为类似隧道工程施工提供借鉴经验。

1  工程概况

中铁六局集团承建的蚕豆田2号隧道右幅长997m，其中Ⅴ级围岩224m，Ⅳ级围岩773m，涌水处属于IV级围岩，设计围岩岩性为浅灰、灰白色白云岩，理裂隙发育，岩体破碎，设计支护类型为SF4a。

2  涌水情况与发展过程

2016年12月8日晚，蚕豆田2号隧道右幅进口K150+638上台阶准备开挖，掌子面A单元右侧拱脚及隧中出现了涌水，涌水处水头最大一处直径约有50cm，涌水压力较大，不时有岩体掉块、冲出大量泥石，短时间内上台阶积水深度就达到了0.8m左右。工区紧急疏散施工人员后，调用挖掘机和抽水泵进行排水，12月9日早晨排涌水基本趋于正常，经测定日涌水最大流量达到35000m3/d，对掌子面喷射C25混凝土进行封闭。

12月10日经四方现场察看，为保证隧道施工安全，决定暂停隧道开挖，继续对涌水情况进行观察，做好流水量记录，对隧道周围地表进行勘察，由第三方检测单位采用TSP地质超前预报对隧道前方情况进行探测。12月15日后涌水量基本稳定在10.85m3/min，水量暂无减小趋势，通过对地表勘察发现，隧道和山体擦冲沟平行而行，地表水和山体无明显变化，TSP地质超前预报确定掌子面前方100m范围内无溶腔水。

3  涌水原因及地质分析

3.1 隧道涌水处岩性分析

隧道涌水处岩性为泥质灰岩夹页岩或泥岩，薄层状，节理发育，层间结合差，岩层挤压扭曲严重，涌水冲刷出水点周围软弱围岩，导致隧道右侧边墙处形成一个高度13m，平均宽度8m，长度38m的巨大塌腔，根据超前地质预报及现场勘查，判定涌水段围岩类别为Ⅴ级，在排水的同时加强支护，采取有效措施稳定岩体。

3.2 隧道涌水断面与塌腔的位置关系

3.3 隧道涌水水体分析

隧道水文地质条件复杂，岩溶地下水发育，涌水主要为基岩裂隙水和管涌水，水量变化受季节影响较小，出水点存在随隧道掘进转移、改变流向的可能性，水的处理应以排泄为主。出水点“1”流向是从洞顶的左侧流出，出水点“2”流向是从洞拱腰的正上方向流出，不排除隧道右幅出水点“1”和“2”管路和左幅隧道连通的可能，防止左幅掘进面涌水。

4  涌水塌腔处理技术方案

①在隧道水文地质条件复杂的情况下，涌水采用“以排为主、堵排结合、稳固围岩、确保安全”的处理原则。

②隧道右幅上台阶涌水集中引流，详细测定隧道涌水量，为隧道永久排水方案设计提供依据。加强超前地质预报、监控量测频次和数据处理。

③掌子面向后30m已施工初支起拱线范围内，采用4m￠42mm注浆小导管进行加固。

④隧道右幅涌水冲刷形成的塌腔，先在涌水点埋设管道进行引流，再在涌水塌腔口子处设置止浆墙，然后對塌腔采用泵送C20混凝土进行填充，加固部分软弱围岩。塌腔填充高度高于设计开挖拱顶2m，填充完成后在填充顶面吹沙2m。

⑤隧道右幅改为三台阶施工，掌子面向前20范围内围岩支护，由原设计SF4a调整为SF5b型支护。

⑥隧道左幅掌子面打超前探水孔，探明前方地质情况的同时进行泄水。隧道围岩支护调整为SF5a型支护形式。

⑦隧道左右幅仰拱二衬加快施工进度，减小施工步距确保安全。

5  施工方法

5.1 洞内清理及准备

隧道右幅涌水点冲刷周边软弱围岩形成塌腔，上台阶被垮塌泥石堆积，开挖平台部分被掩埋，涌水散流。先在上台阶B单元右拱脚外1.5m处挖一条排水沟，对涌水进行引流，仰拱预留排水沟和上台阶之间用适合长度的￠800mm钢管斜搭形成排水通道，上台阶进水口用防水材料和沙袋进行堆码，让水全部从引水管道通过直接流向洞外，便于掌子面和后续仰拱施工。

引流工作结束后挖机清理弃运堆积泥石，开挖平台底部显露出后用装载机拖移平台，使平台离开掌子面，再次清理上台阶堆积泥石和掌子面危石，清理完毕后采用C25喷射混凝土对掌子面进行封闭，喷射厚度不小于5cm，部分薄弱处用钢支撑挂钢筋网片加固。

施工要点：①排水沟在不影响下步施工的情况下，要尽可能离拱脚远些，防止水浸泡拱脚。②引水和清理工作要彻底，不能影响后续施工。③拖开挖平台时要慢，随时观察掌子面变化，防止掌子面二次垮塌。

5.2 加固初支

利用开挖平台对掌子面向后30m已施工初支起拱线范围内，采用4m￠42mm注浆小导管进行径向加固，注浆小导管间距按每榀拱架环向间距1m梅花型布置。注浆小导管加工成前端锥形，管体有梅花型溢浆孔的钢花管，打入岩体后必须设置止浆阀。

注浆采用双液浆，注浆压力控制在0.3～1.0MPa，顺序由下而上，注浆单管进行，注浆完毕后立即关闭止浆阀，防止浆液外流。

施工要点：①注浆孔打设尽可能让钻杆垂直于岩面，保证注浆管的有效长度。②注浆孔要进行编号，注浆时相邻孔眼需间隔开，不能连续注浆。③根据注浆量或注浆终压双控注浆质量，注浆结束标准为达到设计注浆量或设计终压。

5.3 塌腔口处理

隧道右幅掌子面涌水处塌腔口子外沿尺寸狭小，松散堆积体较多，不便于引水管道和止浆墙施工，先采用挖掘机扩挖塌腔口子外沿，对塌腔口和腔内松散堆积体及危险岩石进行清理，塌腔口到出水点最窄处宽度能顶进￠800mm的引水管道和便于施工止浆墙为宜。

塌腔口扩挖后，在挖掘机斗子上加焊工作臂固定喷射头，喷射厚度不小于3cm的C25混凝土对腔体内和腔口岩体进行封闭。

施工要点：①塌腔扩挖宽度及深度要满足引水管道和止浆墙施工。②挖掘机斗加焊工作臂长度要满足施工需求。③塌腔口及腔内的松散堆积体、危岩必须处理干净并加固，过程中严禁施工人员进入塌腔内。

5.4 施工引水管道

经过对涌水流量计算，塌腔内涌水引水管采用￠100mm软式透水管辅助￠800mm的钢管进行引水。引水管道施工以机械设备为主人工为辅，钢管采用两台挖掘机配合吊装、顶进塌腔内出水点，最大限度让引水管道进水端头紧靠出水点最为宜，出水端靠近上台阶排水沟。

钢管靠出水点一端采用土工布包裹多根软式透水管堵塞端头，防止岩石塌落或塌腔填充混凝土时堵塞主引水管道，软式透水管要长一点，分散到主涌水点四周的散水点，收集较大的散水入主管道。

￠800mm引水管道吊装就位后，工人从钢管中爬入安装软式透水管，确保施工人员安全。

施工要点：①塌腔内引水管道安装是处理涌水的最主要环节，必须保证引水畅通。②安装引水管道需要人工配合，有危险性，需做好安全保护措施。

5.5 第一次施工止浆墙及塌腔填充

隧道右幅塌腔口K150+638处设置止浆墙，用于填充塌腔，堵塞涌水，加固软弱围岩。通过现场查勘计算，止浆墙宽度为上台阶隧中的右半幅，厚度不小于1m，采用C25喷射混凝土或C20混凝土模筑，止浆墙靠近边墙一侧嵌入基岩不小于0.5m，基础置于基岩上或经过夯实的地基上。

止浆墙分两次施工，第一次施工高度高于塌腔出水点引水管进水口0.3m，在止浆墙底部预留一个能满足引水管外散流水量的孔洞，以便于施工止浆墙时排水。止浆墙强度达到80%时，采用混凝土输送泵对塌腔进行C20混凝土填充，混凝土填充高度达到止浆墙高度。

第一次塌腔混凝土填充完成后，检查涌水是否全部从引水管道流出，如果引水不彻底，当填充混凝土强度达到70%的时候，机械辅助打通引水管道内堵塞物。

施工要点：①止浆墙基础必须稳固，强度达到80%时方可进行塌腔混凝土填充。②填充混凝土施工完毕后及时检查引水情况，并疏通管路堵塞物。（图2）

5.6 第二次施工止浆墙及塌腔填充

第二次施工止浆墙封闭塌腔之前，要在止浆墙墙体中预埋设混凝土输送管道、吹沙管道、检查孔管道和排气孔管道。混凝土输送管道采用￠125mm钢管，吹沙管道、检查孔和排气孔管道采用￠80mm钢管。

混凝土输送管道出口位置高于开挖拱顶2m，吹沙管道出口位置高于混凝土输送管道出口2m，检查孔管道埋设高度跟混凝土输送管道平齐，并离混凝土输送管道2m左右，排气孔管道基本和吹沙管道平齐，预埋管道必须稳固不易倒塌。

预埋管道安装完毕后止浆墙完全封闭塌腔，止浆墙混凝土强度达到80%时，使用混凝土输送泵进行C20混凝土填充，当混凝土填充到设计高度，检查孔有混凝土流出时停止填充。

混凝土填充完成后为形成缓冲层，确保结构安全，用喷射混凝土机械，在填充顶面吹高度为2m的沙层，达到设计高度排气孔有沙流出后封闭管口。

施工要点：①止漿墙中各种管道的埋设要合理、适用，安装稳固牢靠。②沙层材料要选用颗粒细、干燥的沙子。③泵送砼时不能太快，防止混凝土压力过大导致止水墙爆裂。

5.7 涌水段洞身开挖

涌水及塌腔处理完毕后，掌子面运渣进行回填，洞身开挖采用三台阶预留核心土工法进行开挖作业，掌子面向前20m范围内围岩支护由原设计SF4a调整为SF5a型支护。施工中本着“弱爆破、短掘进”的宗旨，严格控制开挖进尺，并根据围岩地质情况的变化适时调整施工方案，减少对围岩的影响。

施工中先开挖上台阶，以一榀为开挖长度并完成该部初期支护，施工完成的初期支护每榀（A单元）钢架拱脚向上50cm，施工￠108mm锁脚锚管进行锁脚加强，锚管采用长度9m的钢花管，梅花形布置，注浆压力按0.5～2MPa控制。

上台阶开挖达到8m以后，开挖中台阶，中台阶开挖同样以一榀为开挖长度并及时完成该部初期支护，施工￠108mm锁脚锚管并注浆，在涌水引水管道与该部拱脚交叉部位，先将B单元拱脚落于引水管道上，拱脚支垫混凝土块和工字钢，加固牢固。

中台阶开挖达到8m后，进行下台阶开挖，并及时完成该部初期支护。在引水管道与该部B单元拱脚连接交叉部位，使用气割配合切割机对钢管进行切割，用多根软式透水管包裹土工布，将引水管道内的涌水引至仰拱，仰拱内挖设集水坑，坑内安装临时抽水泵抽排水至洞内两侧排水沟，保证仰拱内无积水浸泡。在完成该部支护后，支护闭合成环，及时跟进仰拱。

洞身开挖中加强监控量测，用量测数据来指导涌水段开挖施工。监控量测点由原来的10m布置一环测点改为2m设置一环监测点，测量频率由原来的一天一次改为一天两次，量测数据做到准确、及时，根据预警情况随时调整施工方法，确保初支稳定。

施工要点：①运渣回填掌子面的台阶高度、长度要满足三台阶施工要求。②涌水段围岩软弱，开挖进尺和爆破用药量要严格控制。③按设计要求施工A、B单元拱架连接板处的￠108mm锁脚锚管。④仰拱临时抽排水泵要略大于涌水量，排水管切割注意不能扰动初支。⑤各个部位暗埋引排水管连接必须顺畅、牢固。

5.8 涌水引排至清水沟

隧道处理涌水时，同时加快仰拱与二衬的施工，当仰拱及二衬施工到出水点平行的位置时，在仰拱内埋设管道，将水通过管道接引到仰拱填充面上排水沟位置，形成永久出水点，让涌水自行排出隧道。

施工要点：①在施工仰拱时，注意引水管道的连接，防止管路堵塞。②仰拱暗埋引水管道大小要满足涌水需要。

6  隧道涌水综合处理施工方案

6.1 隧道左幅施工方案

隧道左洞掌子面按孔径￠108mm，水平距离距开挖轮廓线1.5～3m，外插角3～5度，每孔探水段长30m，开挖25m，探水孔搭接5m打设超前探水孔，直至无水为止。超前探孔不仅可以探测前方围岩状况，同时也可起到排水作用。

目前隧道左幅掌子面有小股渗水，通过￠800mm的钢管引排到二衬范围内。超前支护调整为双层超前小导管（具体参数依据设计通用图），支护类型由SF4a型衬砌支护变更为SF5b型衬砌支护，洞身开挖工法采用预留核心土三台阶法开挖，同时加快仰拱及二衬施工，减小施工步距，确保施工安全。

6.2 隧道洞口排水系统

隧道洞口外为一段长180m的高边坡填方路基，洞内涌水流入路基影响填方施工，隧道左右幅大量涌水通过洞内处理方案引至洞口，在洞口外施工一条1.0×1.5m贯通隧道左右幅的临时排水沟，施工车行部位埋置直径？准1000mm的钢筋混凝土排水管，将涌水引出路基外的弃土场。

6.3 洞内涌水数量监测

监测隧道左右幅涌水量的变化，为隧道内永久性排水系统设置提供数据支持，使隧道排水方案更加经济合理，在洞口主排水沟内安装一台智能电磁流量计，对洞内涌水量分左右幅，分时段、分雨旱季、较长时间的进行监测统计，做好数据记录，供设计单位参考。

7  结束语

综上所述，针对隧道出现涌水、塌腔的情况，建议在日常工作中提前采用超前地质预报系统，地质水平钻等多种方法进行地质预报工作，监控量测数据一定要快速、准确，及时预警。根据预报及监测数据分析结果，提前科学的制定施工方案，及时改变工艺工法，方案制定要快速、要有效，现场可操作性要强，从而确保隧道安全通过。

参考文献：

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