隧道涌水综合治理措施分析

屈佳兴

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

隧道建设中，洞内涌水是相当普遍的一类地质灾害。当隧道产生涌水时，如果不能得到快速处理，不仅会给隧道施工造成很大的困难，而且可能出现水淹没隧道内设施、拖延工期的情况，最严重的可能导致重大伤亡。作为深长隧道，在同一隧道中有可能会穿越各种复杂特殊的地质、地貌和构造，因此遇到隧道涌水的风险概率显著提升。然而，由于自身的特殊性，与一般隧道相比，深长反坡隧道的涌水治理更棘手。因此，加强深长隧道涌水应急治理并采取相应措施，对保障隧道施工安全、避免可能造成隧道进一步损坏的安全事故都有极其重要的意义。

该文通过和邢线天河山隧道D2K36+184掌子面涌水灾害分析了相关工程地质情况，阐述了相关隧道的涌水问题和治理措施，并对相关涌水事故处理应急措施方案进行初步探讨，希望为今后探讨深长反坡隧道的涌水地质灾害问题研究提供借鉴。

1 工程概况

1.1 隧道概况

天河山隧道呈东西走向，位于山西省左权县和河北省邢台市交界处，穿越太行山山脉，太行山脉总体为南北走向，地势北高南低，中间高两边低。线路基本为东西走向，在D2K43+090前后穿越太行山山脊，山脊小里程侧为山西省，大里程侧为河北省。

隧道起迄里程D2K33+710～D2K45+405，全长11695m，为单线隧道。隧道一般埋深100m～300m，最大埋深615m。洞内纵坡为-4‰/20m、-14‰/11220m、-5‰/455m的单面坡。

该隧道采用1座长1793m的双车道斜井+1座长6682m的单车道平导辅助正洞施工。

1.2 工程地质及水文地质概况

隧道洞身穿越岩性主要为震旦系下统串岭沟组砂岩、常州沟组砂岩，受太行山区大断裂的影响，隧道洞身穿越一系列次级交叉断裂和节理密集带，地质勘测查明21条断层及7条节理密集带。

1.3 涌水情况

2019年6月25日，天河山隧道的进口工区施工到D2K36+184掌子面附近时，强富水，涌水量激增，裂隙水呈股状，个别段呈喷射状，涌水量为3.4万m/d～4.3万m/d。因洞内为反坡，洞内抽水泵无法满足抽排水要求，涌水后洞内水位逐渐升高，造成洞内电路和设备淹没等灾害。

2 涌水原因及治理难点分析

2.1 涌水原因分析

根据风险点分析，结合地质雷达、超前水平钻探、井内电视等成果初步推断涌水原因：1）地层岩性原因，D2K36+184～+205段主要是由弱风化砂岩组成，部分为碎块状，有多条节理密集带，节理宽张，由泥夹砂岩碎块充填，强富水；围岩等级主要以Ⅳ级～Ⅴ级为主。2）水文地质原因，根据施工揭示地下水类型主要特征为基岩裂隙水，受到该区域构造强烈发育特点的影响，山体构造中形成条件良好稳定的储水带。基岩裂隙水的地下水补给来源主要形式有大气降水、沟谷内的地表水及第四系地下水，在f3灰调曲～小停沟断裂带形成的地下构造带中形成径流，并向低水位方向排泄，隧道开挖形成新的排泄通道，向隧道内大量排泄。

2.2 治理难点分析

治理难点主要包括以下 5 点：1）隧道埋深大，天河山隧道最大埋深615m，属于深埋隧道。深埋隧道往往地下水位高，水压力差很大，一旦出现涌流，容易产生更多安全事故。2）隧道较长，天河山隧道长11695m，属于特长隧道，D2K36+184涌水处距隧道进口2474m。因此，会给隧道洞内抽排水造成困难。3）隧道反坡，天河山隧道进口工区采用反坡向下施工，和隧道内顺坡排水相比，反坡排水不能借助重力势能实现自排，而需要设置抽水泵将洞内积水抽出隧道洞口，当抽水泵扬程无法满足抽水要求时，须在隧道已施工段设置多处泵站，进行多级抽排水，加剧了抽排水施工难度。4）涌水量较大，通过相似比拟法推测出进口工区D2K33+710～D2K37+040段涌水量如下，正常涌水量为9794.6m³/d，最大涌水量为19589.2m³/d，隧道内水量较大，工程建设阶段如抽水不及时，容易造成淹井。5）污水排放要求高，因为天河山隧道进口工区洞口是田地，下游是骆驼村，而环境保护环境保护是我国的一项基本国策，所以污水排放必须进行严格处理，排放要求高。

3 涌水治理措施

3.1 D2K33+710～D2K36+184段反坡抽排水方案

天河山隧道D2K33+710～D2K36+184段洞内纵坡为-4‰/20m、-14‰/2454m，且涌水量较大，所以反坡抽排水采用了“固定泵站+临时泵站+掌子面移动泵”的排水方式。具体设置如下：1）天河山隧道进口施工期间掌子面设置移动抽水泵，配备37kW水泵若干台；1号固定泵站位于D2K35+710左侧，1号泵站分别配备1台132kW和200kW的水泵。由于2019年6月25日天河山隧道进口D2K36+184掌子面处突然涌水，涌水量较大，掌子面处移动水泵无法满足直接抽至1号泵站，在D2K36+036附近设置临时泵站，临时泵站分别设置3台110kW、2台200kW的水泵，由临时泵站向1号泵站抽水，再由1号泵站抽至洞外。洞内抽排水布置如图1所示。2）1号泵站内集水坑尺寸为4m×3m×4m。1号泵站至隧道洞口排水管路为两路Ø200mm钢管和一路Ø150mm钢管，掌子面和临时泵站至1号泵站排水管路为一路Ø150mm钢管。

图1 天河山隧道进口工区抽排水平面布置图

3.2 D2K36+184掌子面涌水处理

排水泄压。在D2K36+184附近拱部设置5个ø110mm排水降压孔。超前周边注浆加固，对隧道D2K36+182～+212段采取加固圈5m全断面超前周边注浆加固。D2K36+182～+184处设置2m厚C25砼止浆墙，止浆墙拱墙及基底设置两排Ø42mm钢管。注浆长度为30m，开挖25m，并保留5m止浆岩盘，注浆孔扩散半径2m，孔底间距3m布置，每个循环共设4环64个注浆孔，钻孔总长1443.73米。超前周边注浆加固钻孔布置如图2所示。

图2 注浆孔布置图（单位：cm）

注浆材料。注浆首先采用0.8∶1普通水泥单液浆进行注浆试验，由于地下水丰富且水压大、流速快，试验结果表明采用水泥单液浆效果较差，无法有效封堵地下水。施工过程中采用意大利进口（宝峨805-2）多功能地质钻机并进行注浆加固掌子面前方围岩，采用前进式分段注浆结合集束多段水平袖阀管注浆工法，每个钻孔采用三段袖阀管进行分段注浆，第一阶段注浆完成后重新钻孔顶进注浆。根据注浆试验情况，采用1∶1普通水泥浆和水∶水泥∶水玻璃质量比按0.6∶1∶1的水泥-水玻璃双液浆进行注浆，注浆压力按4.0MPa～5.0MPa进行控制。注浆效果显著，可有效封堵地下水。

注浆效果检查。注浆完成后，在开挖轮廓线范围内打设检查孔，检测注浆效果，设检查孔5个，在1.0MPa压力下，吸水量＜2L/min；岩体RQD指标达到75～80。

3.3 超前支护

在D2K36+184～+190段、D2K36+207～+212段拱部设置Ø42mm超前小导管注浆支护。在D2K36+190～D2K36+207段拱部设置Ø89mm超前管棚注浆预支护。充分利用超前管棚及小导管对隧道开挖轮廓周边松散体进行补充注浆加固。

3.4 衬砌加强支护

为了保障结构安全，D2K36+184～+190采用Ⅴ级围岩复合式衬砌，初支拱墙采用工16型钢架，间距1.0m/榀，二次衬砌采用C30混凝土结构。

D2K36+190～+212段采用Ⅴ级涌水段加强衬砌，初支采用30cm厚C25网喷混凝土，全环工22b型钢钢架，间距0.6m/榀；二次衬砌采用60cm厚C35钢筋混凝土结构。

3.5 洞内防排水

D2K36+184～+212段二次衬砌混凝土抗渗等级不低于P10。D2K36+184～+212段二次衬砌环向施工缝拱墙及仰拱均要加设中埋式橡胶止水带+外壁铺贴式塑料止水带。D2K36+184～+212段拱墙及隧底环向盲管加密至3m设置一环。隧道开挖后，围岩表面及初期支护初喷混凝土表面有裂隙线状出水及面状淋渗水的情况发生，须进行注浆堵水及引排。

4 控制措施分析

4.1 涌水治理控制措施

为了充分保障建设项目施工环境安全，施工组织单位应根据勘察设计文件方案并结合建筑现场周边环境实际情况来制定详细科学的安全施工组织规划及安全技术保证措施，报当地相关专业部门严格审批备案后，才能正式组织施工。

洞内反坡抽排水方案：做好掌子面、临时泵站、固定泵站和洞口的水量监测，在洞口管道上加水表，观测每日抽排水量，根据每日涌水情况进行水泵的开启及停机控制。在每级泵站安装电表来复核后期抽排水数量。

超前周边注浆方案：注浆施工前，应采取综合超前地质预测预报手段探明掌子面前方的地质情况，根据超前探水孔的出水情况进行超前注浆，并要求施工单位在该分析预报图的基础上，根据压水试验设计参数要求，对超前钻孔和注浆的各种参数指标要求（如注浆浓度、扩散半径等）进行适当优化和调整，并根据这些来调整超前钻孔布置范围及孔数。

污水排放管理，在隧道洞口设有3级沉淀池和污水处理设备，污水水质须满足环境保护条件后才能实施排污。

4.2 施工过程控制措施

超前周边的注浆工作应严格按照工程设计进行，确保有效加固围岩。施工中，应随时核对工程地质及水文地质条件、地下水状态等情况，如发现与设计不符，应及时提出，以便修正设计。在施工阶段要确保掌子面排水通畅，并做好对掌子面排水量的监控和综合调查等工作，如果发现异常应立即停止施工，迅速撤出洞内的工作人员，并报告有关部门来确保施工人员安全。在隧道注浆完成后，隧道向前开挖时须减少开挖进尺，采用两台阶法施工，必要时设置临时仰拱，每循环开挖掌子面应采用10cm厚喷混凝土封闭来保证掌子面的稳定性。尽快施作二衬，保障可能存在涌泥风险的破碎带段施工安全。初期支护完成后，加强初期支护、围岩的监控量测，主要监控内容有拱顶沉降和净空标高的收敛情况，按3m布置一处监测断面，量测频率3次/天～5次/天，根据实测最大累计位移值、位移变化速度和位移时态曲线判断管理级别，如果围岩变形超出规范允许值，须及时启动现场相关应急预案，必要时撤离洞内人员来保障人身安全。

4.3 安全问题控制措施

安全管理中应当遵循“人身安全首位，防范为先，全面管理”的原则，制定安全政策、计划和措施。施工开始前，必须完善并提前落实隧道内各种防灾和报警措施等施工应急措施，如监控视频、有线通信、音响和报警、应急道路照明等现场安全应急设备。施工中应设置专职安全员，尽量减少洞内作业人员及作业时间，发现异常及时撤出洞内人员来保障施工安全。

5 治理效果

5.1 洞内反坡抽排水效果

天河山隧道进口发生涌水后，采取多级泵站反坡排水，掌子面无积水，为施工人员、检查人员及设备进入掌子面提供了条件，为后续洞内注浆提供了施工平台。隧道洞口的水表数据为后期注浆效果检测提供了依据。隧道洞口水表数据见表1。

5.2 超前周边注浆效果

2019年6月25日至8月20日制定并实施超前周边注浆方案。根据表1洞口水表的数据分析，自2019年6月25日隧道内发生涌水以来，隧道洞口最大抽排水量43308m³/d，2019年8月20日注浆完成后，洞口最大抽排水量20255m³/d，涌水量明显减少，满足了隧道洞内后续开挖的条件。

表1 天河山隧道进口工区抽排水数据表

初期支护施工完成后，通过对D2K36+185、D2K36+188、D2K36+194、D2K36+197等断面的监控量测分析数据采集可以得到拱顶下沉最大累计值在D2K36+194，约12mm，净空收敛最大累计值在D2K36+194右拱腰，约7mm。拱顶下沉最大累计值和净空收敛累计值二者都在允许值范围内。二衬完成施工后，无变形、开裂、施工缝渗水现象，最终顺利完成D2K36+184涌水段治理。

6 结语

和邢线天河山隧道作为少有的深埋长反坡隧道，D2K36+184发生涌水后，制定并采用了反坡排水、排水泄压、超前周边注浆加固、超前支护、衬砌加强支护、洞内防排水等综合治理措施，解决了现场施工的问题，保障了隧道的施工安全，避免了隧道出现安全事故，顺利通过了富水断层段，可为今后深长反坡隧道的涌水地质灾害问题研究提供借鉴。