花岗岩溶蚀裂隙、管道地下水隧道分级预警及安全应急管理

沈家君

（中铁十局集团有限公司大临铁路项目部，云南 云县 675800）

近年来，随着国家大交通建设的发展，特别是西南地区交通欠发达地区，山高谷深，隧道占比多达90%以上，且地质复杂多变、活动断裂及深大断裂发育。涌水突泥事故频发，如2002 年渝怀铁路园梁山隧道9．10涌突水灾害，死亡9 人；2007 年8 月5 日，宜万铁路野山关隧道发生特大涌水，死亡10 人；2008 年7 月31 日，青藏铁路西格二线关角山隧道4 号斜井发生淹井，淹没长度为323m，淹井后洞口排水量最大达到30000m3/d左右，抽排水时间历时59 天，2009 年7 月5 日，4 号斜井再次突发涌水，2 小时水位上涨淹没斜井300m，最终淹井630m，抽排水时间长达4 个半月；大瑞铁路大柱山隧道强岩溶水及部分断层带较大规模的突水、突泥段3210m，2010 年1 月2 日最大涌水量达7500m3/h；大瑞铁路保山隧道2016 年9 月发生涌水，最大涌水量40000m3/d；玉磨铁路大金山隧道2018 年3 月21 日，隧道爆破后突发涌水，淹没长度600m，最大涌水量达48000m3/d；成昆复线小相岭隧道2 号斜井平导2018 年10 月7 日发生大规模涌水，涌水达4800m3/h，平导、正洞、斜井全部被淹；2019 年11 月26 日，云南省云（云县）凤（凤庆）高速公路安石隧道发生涌水突泥安全事故，突泥约1．5 万立方米，涌水量800m3/h， 12 人遇难。

大（大理）临（临沧）铁路地处滇西南山区、复杂多变地质条件下的大规模隧道群施工，地质条件复杂，施工难度极大，安全风险极高。红豆山隧道受澜沧江断裂和南订河断裂影响，有毒气体、涌水突泥、花岗岩蚀变、高地温、断层等不良地质并存，施工过程中，先后遇到了非煤系地层有害气体突出、花岗岩地层突发大规模涌水、花岗岩蚀变体坍塌、变形、片帮等地质灾害，给施工组织及安全、质量、进度管理带来了极大挑战。红豆山隧道为I 级高风险隧道，2018 年8 月17 日2 号斜井平导施工至PDK121+661 突发涌水突泥，最大瞬时涌水量达3500m3/h，淹井长度达1046m，淹井时间达1 个多月；采用迂回绕行导坑施工后11 月9 日再次发生涌水突石（泥），成分为泥夹碎石块砂；2019 年6月8 日，绕行平导掌子面施工炮孔内高压水喷出，喷射距离达10m 以上，现场作业人员瞬间被击倒，压力较大。自2018 年8 月17 日，红豆山隧道2 号斜井平导长期处于大规模强涌水段落施工，累计涌水量达到1700 多万方。与大柱山等其他富水隧道不同的是，2 号斜井反坡排水具有距离长（斜井长度1657m）、坡度大（10%）、扬程高（高差150m）的特点，这给排水系统、施工安全及施工组织带来了极大困难。

以大临铁路红豆山隧道为依托，研究花岗岩溶蚀裂隙、管道地下水隧道分级预警及安全应急管理体系，对隧道施工过程中的防治突水灾害发生有重要的指导意义。

1 工程概况

新建大（大理）临（临沧）铁路位于云南省西南部，北起大理站，穿越无量山后，南至新建临沧站，全长202 公里，隧道总长155．7 公里。其中，红豆山隧道位于临沧市凤庆县及云县境内，单线铁路隧道，起讫里程DK114+497 ～DK125+113, 全长10616m，最大埋深1020m，隧道断面净空6．98m×7．1m（宽×高）。全隧共设进口+2 座斜井+2 座洞身平导+出口组织施工，1 号斜井平长1799m，斜井纵坡10%；2 号斜井平长1657m，斜井纵坡10．3%；1 号斜井工区平导长1600m，2 号斜井工区平导长2210m，平导中线与线路中线距离30m。隧道穿越龚家断层、星源断层、关口平移断层、冬瓜村断层、学房断层、老茶房断层、小温崩断层等7 个断层，水文地质条件极其复杂，地下水类型主要有松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、断层裂隙水。设计预测正洞最大涌水量42994m/d，1 号斜井最大涌水量7234m3/d，2 号斜井最大涌水量7216m3/d。

2 斜井工区正洞大理端DK119+406 ～DK122+000段（2594m）为反坡排水，坡度21‰；正洞临沧端DK122+000 ～DK122+706 段（706m）为顺坡排水，坡度11%～21‰；平导段与正洞高差为＋9cm，反坡排水，坡度为21‰。

2018 年3 月14 日，2 号 斜 井 涌 水 量 调 整 为14000m3/d。2018 年8 月17 日，2 号斜井平导突发涌水，设计单位将红豆山隧道最大涌水量调整为59860m3/d。

图1 红豆山隧道强涌水和淹井情况

2 建立分级预警机制

针对花岗岩溶蚀地层区地下水突涌风险，需建立涌水分级预警和分级管理，以避免人员伤亡、设备损害、淹井事故发生，保证施工有序推进。

2.1 大规模涌水应对措施

红豆山隧道2 号斜井长1657m，从井底至洞口高差达150m，长距离、高扬程反坡排水难度极大，源源不断地将每天30000m3左右的涌水抽至洞外，给排水系统和供电系统的科学有效性、排水设备的适用性及排水组织的合理性提出了极大挑战，一旦电力供应中断、排水设备故障、抽排水管理或突发大规模涌水造成排水系统失效，短时间内恢复排水系统难度极大，2 号斜井“8．17”突发大规模涌水，造成淹井的直接原因就是实际涌水量远超过了设计涌水量，造成的抽排水能力、供电能力不足，最终导致2 号固定泵站失效，淹井长度达1046m，淹井时间达1 个多月。

2.1.1 排水系统设计的科学有效性

隧道排水系统设计，采用勘探预测的涌水量2 倍为最大涌水量，排水系统按照最大涌水量的1．2 倍设计。

分级排水系统：分级排水泵站位置的选择需综合考虑线路纵坡长度、排水量、高差、供电能力等因素；红豆山隧道2 号斜井全长1657m，洞口至井底高差150m，设计选用选用两级排水系统，一级固定泵站设置在斜井距离隧道洞口1km 处，距离洞口高差100m，二级固定泵站设置在井底处，与一级泵站高差50m；平导内反坡施工段每隔1km 左右设置固定泵站。

通过对比抽排水水泵用电功率、额定排水量，超过100m 的大扬程水泵排水能力损耗达60%，而用电功率是同等排水能力水泵的一倍，因此，分级排水固定泵站高差不宜超过50m，一是用电功率小，二是水泵易于采购选型，三是排水能力损失小。

水泵选择：选择与排水系统相适应的水泵，在流量、扬程满足的条件下，尽可能选择功率小、排水能力大的水泵，节约用电和易于更换。如按原设计泵站设置位置，2 号斜井一级泵站需设置256kW 离心泵，水泵扬程160m，抽排水能力360m3/h（100m 扬程损失达60%，仅220m3/h）；二级泵站设置132kW 离心泵，水泵扬程60m，抽排水能力360m3/h。平导设置功率75kW、扬程38m，抽排水能力390m3/h 和功率5．5kW、扬程8m，抽排水能力200m3/h 的水泵。

调整固定泵站高差不超过50m 位置后，斜井仅需选择132kW 的离心泵，扬程60m，额定排水量360m3/m。水泵的配置类型统一、重量轻，便于管理、维修和更换。

管道安装：距离掌子面施工一定距离，选用直径200mm 的焊管10 道；靠近掌子面附近，为便于水泵移动，选用消防软管；集水坑或集水井位置，采用不锈钢金属软管连接。

电力系统：配备满足施工及抽排水需要的双电源，以备一路电源故障时可短时间能切换；同时，每个固定泵站配备满足抽排水能力的备用发电机，以防止两路电源同时停电，造成排水系统失效。

排水系统维护：将抽排水纳入工序管理，安排专业班组负责排水系统的运行、维修、保养。

图2 排水系统设计和布设

2.1.2 突涌水的探测和限量排放

限于目前的勘察设计手段难于精准预测涌水量，单纯的采用设计预测最大涌水量设计排水系统存在很大风险，一旦出现突发涌水量超过设计涌水量，排水系统能力不能满足，必将造成淹井。因此，施工过程中，必须进行超前地质预报，根据超前钻孔内的涌水量、涌水压力，探明前方的涌突水淹井风险，采用限量排放措施，避免涌水量超过抽排水系统抽排能力。

（1）超前地质预报探水。

选用地震波反射法（TSP）+瞬变电磁+地质雷达+超前钻孔的综合预报探测的方法，物探宏观探测指导超前钻孔微观探测、长距离探测指导中短距离探测，微观探测验证宏观探测、短距离探测验证长距离探测的超前探测思路，开展超前探水工作。

地震波反射法（TSP）：TSP 的有效预报长度100m，重点通过波速变化和反射截面判断可能存在富水的段落和围岩裂隙发育程度。

瞬变电磁法：瞬变电磁有效预报长度100m，因瞬变电磁预报精度受周边环境影响较大，从红豆山隧道2号斜井瞬变电磁预报结果总结，瞬变电磁对前方及周边第一个低阻体的预报结果准确性较高，穿过第一个低阻体后的预报结果偏差较大，因此，瞬变电磁的预报长度要根据现场情况灵活调整。

地质雷达法：地质雷达有效预报长度30m，探测地质破碎程度，判别突泥风险。

超前钻探：超前钻探的数量、长度、角度要根据物探分析结果，有针对性地进行布孔，主要目的是对物探结果验证，一般孔深30 ～60m。钻孔过程中需安排专人全程跟踪记录，重点记录钻进速度、出水点的位置、水量变化点及变化量，是否有卡钻、顶钻等异常情况，便于及时调整施工方案。尽可能采用具有自动记录和分析的高性能钻机或孔内成像仪，予以辅助验证地质情况。

图3 超前水平钻孔和加深炮孔相结合精准探水

（2）涌水的限量排放。

隧道涌水限量排放是指隧道施工阶段，以控制隧道内涌水量的大小，防止大规模涌水超过既有排水系统抽排水能力，造成淹井事故的发生。通过超前水平钻孔的出水量、水压力，测算涌水量，允许涌水量不得超过排水能力的70%。当涌水量超过排水能力的70%时，必须采取封堵措施，限制涌水量。

动态监测单排水孔的流量，通过控制排水孔的数量，控制总体涌水量；排水孔设置自上而下施做，每施做一个钻孔进行一次水量估算，保证总体涌水量与排水能力匹配；动态监测单孔排水流量，估算总体涌水量；当涌水量明显增大或涌水量超过排水能力时，安装封孔限流装置，控制单孔流量，并测定涌水压力。

图4 强涌水的封堵限量排放

2.2 强涌水施工质量控制

受强涌水影响，喷射混凝土黏结力降低，“边喷边掉”问题突出，回弹率高达400%，喷浆作业时间较正常工序延长3 ～4h。施工中应采取相应措施：涌水量大的段落，钢架安装完成后，在钢架背后铺设防水板，一方面，遮挡涌水，方便喷浆，提高喷浆工效和质量；另一方面，利用防水板防水作用，将涌水集中引至拱脚集中排水。

受长期涌水冲刷，初支背后、拱脚形成大面积脱空，初支表面混凝土脱落，危及施工安全，一是强涌水段施作初支泄水降压孔，提供排水通道，降低水压；二是加强监控量测，掌握初支变形情况，确保施工安全。

3 长期水中作业人员管理

一是长期水中作业，加上洞内外环境差异大，作业人员感冒、发烧时有发生，对作业人员身心伤害极大；二是喷射混凝土中速凝剂随涌水滴落在作业人员皮肤上，皮肤灼伤问题突出，作业人员不稳定，作业班组更换频繁。

一是领导带班作业，与作业人员干活在一起、生活在一起，把工作做到掌子面、做到作业台架上去，通过领导的实际行动感化作业人员；二是加强人文关怀，每个季度给作业人员发工作服、防水服、医药品，设立特殊作业环境施工津贴，让作业人员体会到企业的关怀和温暖。

4 涌水分级预警

预警机制是指在隧道发生突水灾害前，分析超前探测结果，预报可能发生灾害的地段，构建能够监测和预防灾害的措施，在灾害发生前发布预警，预警机制包括预警组织体系、预警决策、预警发布、预警应对。

建立《隧道安全风险预警管理办法》，成立安全预警领导小组，结合风险评估情况进行发布预警。根据隧道突涌水量、突水可能和可能淹井深度，从高到底分为特别重大（Ⅰ级）、重大（Ⅱ级）、较大（Ⅲ级）、一般（Ⅳ级）四个级别，分别为Ⅰ级红色预警，Ⅱ级橙色预警，Ⅲ级黄色预警，Ⅳ级蓝色预警。

Ⅳ级蓝色预警。一般紧急预警，适用于隧道发生小的股状水，超前水平钻孔内半管水，涌水量≤100m3/h，水质清澈，岩质坚硬，自稳性强，不易塌方，一般不会发生安全事故，不影响隧道施工。

Ⅲ级黄色预警。比较紧急预警，适用于隧道内会发生小的突水，超前水平钻孔满管水，但无压力，100m3/h ≤涌水量≤400m3/h，水质呈澄清状，岩质相对较软，围岩能自稳，隧道内有可能发生涌水、涌泥，不会发生大的安全事故，但可能发生一般安全事故，影响隧道施工。

Ⅱ级橙色预警。紧急预警，适用于隧道内会发生较为严重的涌水、突泥，超前水平钻孔满管水，有水压，涌水喷射距离5 米以上，水质呈澄清状或由浑浊变澄清，400m3/h ≤涌水量≤800m3/h，花岗岩蚀变严重或呈碎块状，自稳性差；隧道拱部渗水较为严重，并呈阵雨状。隧道内有可能发生较为严重的强涌水、突泥灾害，可能导致重大安全事故，严重影响隧道施工。

Ⅰ级红色预警。特别紧急预警，适用于隧道内会发生严重涌水、突泥，超前水平钻孔满管水，有水压，涌水喷射距离10 米以上，涌水量≥800m3/h，水质浑浊或由澄清变浑浊，花岗岩蚀变严重成粉末状，自稳性差，随涌水呈泥浆状涌动；隧道拱部呈暴雨状。隧道内可能发生严重强涌水、突泥灾害，可能导致发生重大以上安全事故、淹井，严重影响隧道施工。

5 涌水安全应急管理

根据涌水分级预警建立相应的分级管理，从管理体系上保证突涌水风险的可控管理，有效避免重大安全事故的发生。

5.1 涌水预警的分级管理

Ⅰ级红色预警由项目部主控。由项目部主要领导组织研究方案，带班指导施工。围岩蚀变呈粉状，涌水喷射距离10 米以上，涌水量≥800m3/h，水质逐浑浊，有发生突涌突泥可能，立即撤离施工作业人员，排查排水系统状态并启用备用排水设备，同步观测掌子面稳定情况，汇同参建各方制定注浆加固、帷幕注浆等加固措施，并修订排水方案，带班组织实施，直至涌水减弱至抽排水限量内或消除。

Ⅱ级橙色预警由工区主控。由项目部分管副经理、工区主要领导领导组织研究方案，带班施工。围岩蚀变呈粉状或呈碎块状，有一定的自稳性但自稳性差，有水压，涌水喷射距离5 米以上，水质呈澄清状或由浑浊变澄清，400m3/h ≤涌水量≤800m3/h。更改施工工法为台阶法，并辅以超前加固措施，监控涌水量变化，如涌水量在排水系统70%能力内，可持续施工；当涌水量超过排水能力70% 时，安设限流装置限量排放后，汇通参建各方探明涌水量、地质状况，修订排水方案。

Ⅲ级黄色预警工区架子队主控。由工区分管副经理组织方案研究，带班施工。当100m3/h ≤涌水量≤400m3/h，但无压力，掌子面围岩裂隙较为发育、有软弱夹层，但自稳性较好，更改施工工法，可持续施工，由安全员做好跟班防护，同步观测掌子面稳定情况、水质状况、水流情况，工区副经理带班作业，直至风险段落通过。

Ⅳ级蓝色预警由工区架子队主控。由隧道工点架子队长带班作业。涌水量≤100m3/h，水质清澈，岩质坚硬，自稳性强，不易塌方，加强超前支护，同步观察围岩稳定性和水质状况，可持续施工。

5.2 安全监督管理

明确各级安质人员职责。针对红豆山隧道2#斜井反坡特点，制定反坡排水隧道安全监督制度，明确安质监督体系不同层级人员在现场“查什么、管什么、做什么”。

第一层级为架子队安全员，主要负责现场跟班作业，跟班查看掌子面超前探孔施作，测量掌子面涌水量，检查抽排水系统运转情况，负责发生突涌时的安全警报及协助人员逃生工作。

第二层级为工区级安质监督人员，主要负责日常巡查，检查掌子面超前探测施做，是否对应物探进行了超前钻孔探测隐伏囊腔；检查抽排水系统、电力系统运转情况；检查安全员跟班履职情况；负责工区级安全预警发布，并反向预警至项目部安质部。

第三层级为项目部级安质监督人员，主要负责日常监督检查，重点检查掌子面超前探孔施作情况；检查抽排水系统、电力系统运转情况，检查工区执行排水系统检查制度情况；检查安全员跟班、工区级安质人员履职情况；查找反坡排水不安全因素及隐患，监督工区落实整改；负责项目级安全预警发布，以及接到工区反向预警的紧急报告、发布预警工作；负责发生强突涌时向应急领导组报告，协助应急救援，协助调查等工作。

5.3 建立安全管理制度和预案

为确保反坡排水隧道安全生产，制定“四制度、一预案”，四项制度分别为《隧道进洞管理制度》《隧道超前地质预报管理制度》《隧道安全风险预警管理办法》《隧道排水系统检查实施细则》；一预案为《隧道防突涌应急救援预案》。在安全管理的过程中，以制度为核心，以预案为保障，严抓反坡排水隧道的安全管控。

5.3.1 安全管理制度

人员进洞实名制：在洞口设立专职进洞管理员，所有进洞人员必须在洞口实名登记个人作业方位、作业内容、进洞时间、出洞时间等信息，确保在突发灾害时实现快速核对、精准确认。

超前地质预报管理制度：施作超前探孔、TSP 及瞬变电磁探测技术，探测掌子面前方地质围岩状况、隐伏地下水情况。一是重点检查超前探孔施作情况，探孔的数量、长度达标情况；二是观测掌子面探孔孔口及裂隙带有无股状水流出，水呈现的状态及流量；三是检查是否对囊状水部位施作超前钻探释放；四是及时将超前钻探信息发布到风险评估小组，研判掌子面前方风险，并辅以安全预警予以发布。

隧道安全风险预警管理办法：根据隧道突涌水量、突水可能和可能淹井深度，分别为Ⅰ级红色预警，Ⅱ级橙色预警，Ⅲ级黄色预警，Ⅳ级蓝色预警；建立相应的预警分级管理。

图5给出了传感信号探测端探测到的信号功率和拉曼泵浦激光器的泵浦功率之间的关系。随着拉曼放大器泵浦功率增加,剩余泵浦功率增加,剩余泵浦功率同时又用做掺铒光纤激光器的泵浦源。当此功率值超过谐振腔内损耗阈值的时候,就有信号激发出来。激射信号的功率随着泵浦功率的增加而增加。

排水系统检查制度：一是检查水仓内抽水泵配置的数量、扬程、功率是否符合专项方案的要求；二是检查各泵站水泵的运转情况，对备用的水泵要进行试运转测试；三是检查抽排水管路是否设置流量表，水量是否超过设计抽排水能力70%。

电力系统检查：一是检查电力系统是否按双路电源储备，每路电力功率是否满足抽排水设备的使用要求；二是检查备用电力系统是否能实现及时切换；三是检查变压器有无特殊声响，有无放电痕迹，有无破损及渗漏；四是检查连接电路是否同配电盘有效连接，通过电力系统的安全检查确保电力系统24 小时不断电。

5.3.2 安全应急救援预案

隧道涌突水应急救援是隧道涌突水灾害预警防灾体系的重要组成部分，通过灾害前的计划和措施，在事故发生后，迅速控制事故发展，减小次生灾害的发生，将事故对人员、设备等财产和环境造成的损失降至最小程度。

（1）应急知识培训。

举办隧道防突涌安全知识培训班，从隧道涌水特点、涌水防范、典型案例分析等方面对作业人员进行系统培训。作业人员掌握涌水后的逃生路线、救生物资的存放位置及使用方法等，人员、设备有序、有效撤离，降低事故损失。

（2）应急逃生演练。

根据工程实际情况，制定符合现场实际的逃生路线，现场设置明显的逃生线路指示。定期组织应急逃生演练，模拟逃生预警，组织人员撤离，通过逃生演练，查找并改进逃生过程存在的问题，避免因逃生路线设置不合理或发生紧急情况人员撤离路线错误造成的伤害。

（3）应急救援物资储备。

施工现场作业面附件储备不少于当班施工人员数量的救生衣、救生圈、救生筏，并每隔50 米在隧道拱顶埋设应急救生绳，确保在突涌情况下的人员紧急自救；在洞口、平导同正洞交叉口配置移动信号小型基站，确保移动网络在洞内全覆盖；洞内各掌子面配备无线声光报警器，当发生突涌紧急事件时，启动声光报警装置发出警报；优化施工供电方案，分段供电，便于逃生照明；每隔200 米在边墙上设置自带蓄电池的应急照明灯；疏散线路适当位置和疏散通道口设置标志牌；掌子面附近存放必备的药品、食品；掌子面后方间隔30 ～50m，在隧道侧壁上焊置2 ～4 个钢爬梯；停放一辆9 座面包车，以备应急。

（4）应急响应。

突涌水事故发生后，立即采取的应急和救援行动，包括预警、人员撤离、急救、抢险、信息收集、应急决策等。救援领导小组根据不同的预警级别作出相应的响应，并根据事态的发展进行应急级别的调整。

5.3.3 应急救援结束

当隧道内所有人员救援全部结束，伤情基本得到救治，事故得到控制，次生灾害以消除，由应急救援领导组宣布结束。配合事故调查组进行调查处理，总结救援工作情况，总结灾害经验教训并备案。

6 结语

一是排水系统的布局应结合工程实际情况宏观考虑。红豆山隧道2 号斜井“8．17”涌水后，斜井内排水管道由原来的单侧5 根增加到双侧9 根，造成斜井净宽变化，造成错车困难问题突出，严重影响了隧道后续施工工效。

二是隧道涌水的控制必须采用动态预测和限量排放相结合的方法，避免淹井事故发生。从众多的案例可以看出，限于目前的勘察设计手段难于精准预测涌水量，单纯的采用设计预测最大涌水量设计排水系统存在很大风险，一旦出现突发涌水量超过设计涌水量，排水系统能力不能满足，必将造成淹井，因此，隧道施工过程中，必须采用超前地质预报精准探测用水风险、动态预测涌水量和涌水限量排放措施，控制涌水事故的发生。

三是排水设计应结合工程进展分阶段组织。在排水设计和设备的投入上，要结合设计预测涌水量和实际揭示的涌水量分阶段组织。红豆山隧道2 号斜井施工期间，仅按斜井本身涌水量投入排水设备，转入平导和正洞施工后，根据斜井实际涌水量调整全隧最大涌水量，进而调整抽排水方案，并按方案调整布设斜井排水系统的方法是可行的。

四是排水设备的选择上要结合工程实际情况。排水设备综合考虑扬程、流量、消耗功率因素，充分地进行市场调研，选择适合的排水设备。排水泵站高差不大于50m，抽排水设备根据排水设计选择匹配扬程、小功率、大流量的水泵。

五是供电设施要尽可能选择两路电源。以往隧道反坡排水备用电源大部分采用发电机组，但涌水量大、扬程高、距离长隧道的抽排水设备总用电量高达5000KW，普通发电机组难于做到，因此，洞口应配备双电源，并能够及时切换。

六是管理体系建设是隧道防突涌安全管理的关键。以体系建设为核心，以制度管理为保障，强化施工管控，是隧道防突涌管理的关键。