山区特长富水隧道防水治水施工技术

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

山岭特长富水隧道在建筑施工领域是公认的施工难题。富水隧道在进行隧道开挖支护过程中，经常会出现大涌水现象，隧道甚至出现水帘洞，如果不能很好处理涌水，极易导致隧道发生石块掉落甚至塌方，严重影响项目工程整体安全和质量。

1 工程概况

瓦日铁路太行山隧道横跨河南、山西两省，左右线全长36.233km，太行山隧道出口地处河南林县姚村，右线隧道的出口里程是DyK596+973.07，左线出口里程是DK597+001，隧道进口位于山西省平顺县石城镇，隧道右线出口里程是DyK578+864，隧道左线出口里程是:DK578+876。隧道最小埋深和最大埋深分别为12.10m和915.09m。隧道DyK590+704(DK590+739)～DyK590+309(DK590+334)里程段全长约184.9m，通过暗挖法施工从露水河浅埋地段下穿而过。该段地质条件较差，为Ⅴ级围岩，由于瓦日铁路太行山隧道上部和周边为含水量很大的溶洞和暗河，隧洞内断层和裂隙十分密集，与溶洞和暗河等含水层相连，易产生高压突(涌)水风险，给施工造成很大困难。

2 工程突发涌水情况

从隧道进洞伊始，一号、二号、三号斜井施工区域，下穿露水河段施工区域陆续出现不同程度的涌水。其中一号斜井2010年5月9日动工，6月7日斜井左拱脚突发大涌水，最大涌水量近375m3/h。2010年11月到2011年1月正洞相继出现五次极大涌水，涌水峰值达1500m3/h。自2010年6月发生涌水开始，一直到2013年11月，一号、二号、三号斜井施工区域，下穿露水河段施工区域等隧道区间累计抽排水量近10000万m3，涌水量非常巨大，远远超过原设计范围。

3 富水隧道施工难点

a.如果隧道排水不畅，会降低工作面的稳定性:通过钻爆法施工的隧道比较容易出现坍塌。隧道进行钻爆法施工时，是以确保工作面的稳定性为前提条件的。通常富水隧道大多为软弱围岩，围岩中存在裂缝，一旦发生大量涌水，就会严重影响工作面的稳固，导致工作面出现坍塌。

b.如果涌水范围比较大，会极大降低隧道支护安全性。涌水会影响支护混凝土和围岩之间的附着性；涌水也导致锚杆的锚固材料长时间受水浸泡而丧失锚固性能，极大降低支护效果。

c.如果隧道基础水量过大，会导致基底不牢固。隧道施工时，机械设备行驶时会对隧道基底反复碾压，导致基础产生大量泥泞，影响机械施工效率和质量安全。而基底不牢固也会严重影响支护效果和隧道安全性、稳定性。

d.如果泄水不当，导致地下水位严重下降，这不仅会造成隧道地层沉降，还会影响周边地层发生沉降。如果处理不当，会造成周边地表构筑物倾斜。

4 隧道施工方案设计

为了解决涌水对太行山隧道施工和营运安全的影响，按照“预报先行、治水紧跟、管棚超前、注浆配合、控制进尺、微弱爆破、强化支护、快速封闭、加强测量”和“以排优先、防引堵相结合”的方法和原则，对涌水段进行科学治理，根据涌水位置和涌水量大小采取不同防水治水方案[2]。

除准确进行超前地质预报外，还要做好防水排水，采取三台阶七步隧道开挖法，施工时必须遵循“先行预报、紧跟治水、超前管棚、微弱爆破、强化支护、控制进尺、配合注浆、快速封闭、加强测量”的准则，隧道每循环开挖进尺控制在100cm范围以内，避免在隧道开挖的时候发生隧道表面渗漏水、掉石块等现象。在进行掘进时，台阶设计长度控制在300～500cm范围，通过能破碎岩石的风镐进行开挖，或者通过弱爆破[3]开挖。台阶法施工工序见图1。

5 隧道防水治水施工技术

5.1 超前地质预报

太行山隧道施工时的不确定因素很多，针对地质结构十分复杂的富水地段，特别是露水河浅埋地段下穿段，通过采取TSP、红外探水和地质雷达等一系列超前地质预报举措，预判溶腔含水情况。

图1 台阶法施工示意图(单位: cm)

5.2 洞外处理措施

位于隧道下部的露水河与隧道上部的距离非常近，而且隧道周边围岩内部的水系十分发达。太行山隧道顶部和露水河底部间的岩层一般是岩石层，如果不能妥善地对地表渗透问题进行加固处理，将会严重影响项目工程整体质量。对河底和隧道顶部之间的岩体进行深孔注浆固结，加固深度大约2.5～6m。具体的深孔注浆次序为：布置钻孔→将花管在土层进行钻孔→实时沉降观测→开展深孔注浆→进行钻孔封堵[4]。

5.3 洞内处理措施

在确保安全施工的前提下，要依据涌水具体位置和涌水量大小研究隧道内防水治水排水的方式方法。如果涌水为股状水，借助排水管首先引流到隧道边墙脚，接着将涌水引到中间排水沟槽。针对隧道局部产生的裂隙涌水，引流到中间排水沟槽排出，同时做好支护。针对拱部线状的涌水，通过挡排水的方法，从隧道两侧首先引排至墙脚，然后引流到中间排水沟槽排出，避免洞内出现如大雨倾盆现象，切实优化隧道的施工环境。针对隧道里的积水，借鉴类似工程实践经验，采取帷幕注浆或深孔注浆进行固结；为避免施工中突发涌水安全事故，增设集水井和排水沟，通过归槽集水抽排的方式，能够很好地改善隧道施工环境[5]。

5.3.1 增设横通道

为提高施工效率，借助三臂凿岩台车辅助隧道开挖。因为二次衬砌台车净空比较低，影响体积较大的三臂台车的自由行走，为确保三臂台车能在掌子面进行施工作业和出渣车的自由运输，在隧道里每间隔125m增加一个宽度为7m的横通道，将横通道和隧道边线成40°交角进行设置，方便三臂台车在二次衬砌台车和掌子面之间的存放和施工。横通道设置见图2。

图2 隧道之间横通道设置示意图(单位：m)

通过加强隧道里机械设备的调度，避免隧道施工出现“肠梗阻”式堵塞。

5.3.2 仰拱设计和排水方案

a.仰拱设计。按照铁路施工规范，仰拱和掌子面的间距必须小于40m，为了“早闭合、防塌方”，借助仰拱栈桥施工[6](见图3)实现开挖和浇注混凝土同步作业，确保运输物资、运渣的装载车等施工车辆的顺利通行。

图3 仰拱栈桥立面示意图

b.富水段仰拱排水。为最大限度减少涌水对隧道施工的不良影响，具体实施方案如下：对横通道进行截流排放。当涌水量不大，而且属于顺坡排水方式时，为确保仰拱顺利施工，通过截流排放方式排水(见图4)。

集水坑阶梯式与横通道截流方式同时运用，进行双排水。对涌水进行妥善处置，确保仰拱施工时，周围环境没有积水现象(见图5)。如果水量变大，配备抽水泵，顺着坡道通过排水管把水引至下游排到隧道外部(见图6)。

图5 隧道拦水坝后方出现股状涌水点时采取的排水方式

图6 隧道出现较大涌水量时采取的排水方式

5.3.3 衬砌防排水施工方案设计

在二次衬砌拱墙背面布置厚度为1.5mm的防水板，为了将二衬混凝土的抗渗透能力和防水效果全面提升，将二衬混凝土厚度设定为50cm，浇筑C20混凝土，提高抗渗透能力。当混凝土达到设计强度要求以后，立即开始注浆充填。

5.3.4 富水段防排水与矮边墙施工

1号斜井完成开挖后，针对拱部线状水的治水举措：首先进行第一层防水板铺设，然后将拱部的线状水从隧道两边引流到墙脚位置，然后引流到洞外，避免洞内出现“大雨倾盆”现象；洞内通过归槽排水，极大地提高洞内通行能力；紧接着进行第二层防水板铺设，实现隧道治水目标。

在隧道涌水量大的区域，完成开挖以后，第一步将环向盲管及首道防水板铺设到隧道拱顶以下6m左右位置，再把水引流到位于边墙的排水沟槽中，再排到洞外，确保在无水的状态下开展矮边墙施作；当完成矮边墙施工任务以后，将拱部和矮边墙预埋的环向盲管连接好，紧接着进行土工布和防水板的铺设。

5.3.5 注浆堵水技术

注浆堵水技术应用在铁路富水隧道施工领域中可以加强围岩稳定性。为了有效降低隧道施作时排水压力，同时将涌水有效截堵到集水井并顺利排出洞外，针对涌水量大小和实际情况采取不同的注浆方式。在瓦日铁路太行山隧道富水区域治水过程中，通过对全断面帷幕注浆和周边注浆两种不同方式进行试验性比选，研究更好的注浆方式。

a.全断面帷幕注浆。由于隧道右线长约120m、左线长约138m的区间围岩存在较大裂隙，导致涌水严重。为确保施工安全，采取全断面帷幕注浆堵水方式进行隧道治水，相关参数和设计见表1、图7。

表1 全断面帷幕注浆设计参数

对浆液按照“跳孔隔注、从上到下注、从外面朝里注”的原则进行施作。钻孔注浆相关规定为:如果涌水量在0～10m3/h，注浆深度为10m；如果水量在10～30m3/h，注浆深度为5m,如果水量超过30m3/h，马上终止钻孔，立即开展注浆。注浆压力为6MPa。

完成全断面帷幕注浆后,对钻孔进行检查,发现钻孔不存在坍孔现象，成孔效果良好。全断面帷幕注浆堵水共完成左、右线一共13个循环，长度共计258m。完成注浆进行开挖时，发现隧道里比较大的裂隙通过浆液有效填充后,注浆堵水的效果颇佳，基本不存在渗漏现象,确保了富水带的安全施工，平均月掘进达到26m左右。通过对隧道开挖和全断面帷幕注浆工序进行有效分配，两者消耗时间比例为2 ∶3。

图7 全断面帷幕注浆设计(单位:cm)

b.周边注浆。为了保证隧道开挖、支护时的安全，在妥善进行治水的同时，必须降低排水压力，确保施工和运营时涌水汇集后能够顺利排出洞外。对左右线共计142m(DyK585+309～DyK585+230)段落通过周边注浆形式进行堵水施工。借助液压平台安装好中空注浆锚杆，然后采用高压注浆泵将浆液注进围岩中。每根注浆管之间按照1m的间距进行布置，并根据不同涌水形式采取不同的封堵方式：如果涌水点非常集中，径向注浆与顶水注浆同时进行；如果涌水是雨状或者散状，采取径向注浆形式。为达到较好的注浆效果，注浆范围可以适度扩大。出水段的围岩缝隙很多，为保证注浆堵水的效果，采用全断面径向注浆的形式，注浆参数和设计见表2、图8。

表2 周边注浆设计参数

图8 周边注浆设计(单位:cm)

如果有些区间涌水量不大，必须通过水泥—水玻璃双液浆形式先行封堵，接着反复压注单液浆，确保压浆的良好效果。

周边注浆堵水左右线共完成7个循环140m区间的施工。采取周边注浆方式，能够满足检查孔每分钟出水10L的规范要求。通过对周边进行局部加密注浆,确保良好的注浆堵水效果。

通过对周边注浆与全断面帷幕注浆进行对比，堵水效果前者较好，每月进度平均在40m左右。通过对隧道开挖和周边注浆进行有效分配，开挖和注浆消耗时间比例为3 ∶2。

c.注浆研究分析。通过对瓦日铁路太行山隧道富水带进行注浆研究，能够得出以下结论：无论全断面帷幕注浆还是周边注浆，都能够确保开挖安全，两种方式下，每月开挖进度分别为26m和40m。通过对全断面帷幕注浆和周边注浆进行对比，前者比后者注浆孔数增加59%,注浆时间增加56%,进度降低56%。通过综合比选，周边注浆优势更为明显。

5.3.6 整体道床排水设计

由于工程涌水量过大，如果仅仅采用边侧泄水沟形式，排水能力远远不足,所以在隧道中线增加一条泄水沟槽加快排水。但因为该隧道是供重载列车使用,而且埋深很大,为确保施工和运营安全，在泄水沟槽上部增加扣拱。排水沟槽及上部结构见图9。

图9 排水沟槽及上部结构(单位:cm)

5.3.7 排水沟槽与边侧泄水沟比较

通过实践检验，将下部排水沟槽和边侧泄水沟进行对比,下部排水沟槽具备以下优势：下部排水沟槽水压变化更为平均，不容易出现水压偏心现象，而边侧泄水沟容易产生水压偏心。下部排水沟槽施工方便灵活，尺寸深度可以自由调整，将基底进行加固后,极大增强基底承载力，下部排水沟槽断面面积较大，能够通过机械进行开挖，可有效节约施工时间，而且方便排查、清淤和修整；但是边侧泄水沟断面面积比较小,不方便排查、清淤和修整,如果出现拥堵,不方便疏解。

由于隧道所在地的林州市非常缺水,采用排水沟槽的设计，能够把太行山隧道的大量涌水通过集中收集后进行有效再利用，用于灌溉、降尘等，实现节水，利于环保；通过对下部排水沟槽进行科学设置,能够确保太行山隧道施工运营时的干燥。

下部排水沟槽能够实现与隧道开挖同步施工，施工更便捷、投入更小，不仅缩短工期，还便于维护；能很好处理排水问题，为无砟轨道施工创造良好的施工条件,能够极大削减后期病害，保证后期运营的安全。

6 结 语

针对太行山隧道面临的长大富水隧道施工难题，为最大程度消除突(涌)水风险，遵循“预报先行、治水紧跟、管棚超前、注浆配合、控制进尺、微弱爆破、强化支护、快速封闭、加强测量”的原则，采用“以排优先、防引堵相结合”的方法，对涌水段进行科学治理。通过配置横通道、截流排放与集水坑阶梯式排水并用、增加泄水孔，进行有效注浆、配置中部排水沟槽等一系列举措，取得了较好的治水排水效果。