隧道工程涌水问题及解决措施

摘要 为解决隧道工程施工存在的涌水问题，文章从广义、狭义两个方面剖析隧道涌水病害类型，并采用5项评价指标进行涌突水危险性评价体系的研究。在此基础上，结合实际工程案例重点研究隧道工程涌水问题的原因及相应的解决对策，提出隧道涌水问题施工技术要点，进一步提高隧道工程施工与运营期间的安全性与防水效果，以期为相关人员提供参考。

关键词 隧道工程；涌水；解决对策

中图分类号 U455.49文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0102-03

0 引言

隧道工程建设期间由于受到复杂地质条件等因素的影响，导致涌突水等地质灾害频繁发生，威胁到施工人员的生命与财产安全，造成生态环境破坏，影响正常施工进度。为此，当前应加强对隧道工程涌水问题成因的研究，通过采取合理有效的解决对策，将涌水问题的危害降到最低。

1 隧道涌水类型与危险性评价体系研究

1.1 涌水类型分析

从广义上来看，隧道涌水指的是施工期地层出水。通过开展地质勘察等工作，可以大致估算涌水量的大小。从狭义上来看，隧道涌水指的是地下硐室、巷道等施工期间，大量地下水与泥水混合物突然涌出的现象[1]。断层、岩溶管道以及裂隙的存在，为隧道涌水提供了重要通道。我国颁布实施的《工程岩体分级标准》（GB/T50218—2014）对于涌水强度作出了量化，其指標参数如表1所示。参考表1中的数据可知，如果一个隧道项目每10 m出水段，在1 min出水超过125 L，或者是出水压力超过了0.5 MPa，那么就可将其定义为涌流状出水。

针对隧道涌水问题，不同学者采用了不同的分类方法。根据突涌水方式的不同可细分为三种类型：稳定涌水、瞬时突水以及季节性突涌水。根据突涌水灾害源的不同可细分为三种类型，最为常见的是裂隙与断层突水；溶洞溶腔突水在岩溶地区分布广泛；地下暗河与管道突水也是重要的灾害源。

1.2 危险性评价体系分析

通过开展危险性评价工作，可以为隧道涌水问题的防治提供帮助和依据[2]。为更好地开展涌水危险性评价工作，采用5个不同的评估指标：其一，地下水化学特征指标；其二，岩石的可溶性指标；其三，隧道埋深以及地下水水位指标；其四，地表岩溶地貌；其五，地质构造。危险性评价采用定性与定量相结合的方法，通过对上述5项指标进行加权计算，将突涌水危险状况分为5个不同的层级，第一层级为低风险区，使用Ⅰ进行表示；第二层级为较危险区，使用Ⅱ进行表示；第三层级为中风险区，使用Ⅲ进行表示；第四层级为高风险区，使用Ⅳ进行表示；第五层级为极危险区，使用Ⅴ进行表示。危险性评价的总分设计为100分，随着危险等级的提升，对应的分值越高；如果危险等级越低，所对应的分值越低。比如，第一层级的分数不超过23分，第二层级的分数介于23～38分之间，第三层级的分数介于38～62分之间，第四层级的分数介于62～77分之间，第五层级的分数大于77分。具体计算过程中，通过将上述5个不同的评估指标分数进行相加处理，就可得出涌突水危险性（THK）分值。

2 涌水问题解决措施研究

2.1 防治原则

隧道工程涌水问题有着较强的突发性、复杂性特点，涌水灾害一旦出现，所导致的危害极大，比如人员伤亡、设备损毁等。当前，超前地质预报应用广泛，该技术既能探明断层以及岩溶管道等不良地质环境的具体位置、方向以及尺寸等参数，还能对地下水压力、水流量等参数进行推算，以便施工人员采取针对性措施予以应对，尤其是针对重点部位涌水问题的防治。针对重点区域，应适当提升超前地质预报力度，并结合现场实际情况，合理使用管棚支护技术、预先注浆等措施，有效降低涌水灾害的发生概率，确保隧道工程施工工作的有序开展。施工期间应遵循“支护紧跟”原则，涌水灾害主要发生在隧道工程的掘进施工阶段和初期支护阶段，如果存在支护滞后或者是支护强度不足等问题，容易出现涌水问题。为此，隧道施工过程中应切实做好支护工作，严格遵循“支护紧跟”的重要原则，将支护技术严格落实到位[3]。

2.2 解决措施

为有效解决隧道涌水问题，目前主要采用的是注浆堵水技术。根据实施方式的不同，可将注浆堵水技术分为两种类型：超前预注浆和后注浆。前者需要在隧道掘进面采用超前钻孔的方式，利用钻孔开展浆液灌注工作，进而可以形成隔水帷幕，起到堵水的作用，同时还能提高围岩结构的稳定性与强度。当掘进施工与初期支护结束之后，对不能满足设计要求的隧道区段灌注浆液。为满足隧道工程安全掘进的施工要求，应选用合理的注浆堵水技术。同时，还要考虑施工难度、工程造价等因素。如果掌子面前方的地质情况能够确保掘进施工的安全性，应当先开展掌子面的掘进施工，当掘进施工结束之后再进行注浆处理。比如，针对低危险区、较危险区，通常采用后注浆的方式；对于中危险区，通常采用局部预注浆的解决方式；对于高危险区，需要采用超前预注浆技术，并配合钻孔排水施工，如果水量较大，需要设置泄水洞进行排水；对于极危险区，应当采用径向超前预注浆技术，并开展大管棚超前支护工作，同时还要做好相关的排水工作。

3 案例分析

3.1 工程概况

某隧道工程全长5 812 m，采用双向六车道形式，在隧道的出口段位置涌水灾害频繁发生，严重影响施工的安全性，尤其是ZK196+290段为典型的富水软弱带，涌水问题最为复杂。该段围岩等级为Ⅳ级，采用台阶法施工工艺，开挖之后在拱顶位置有软弱夹层出露，宽度约为2～3 m。随着施工过程的进行，涌水量不断增大，且围岩的松动范围越来越大，最终出现突泥涌水问题，方量大约为100 m3。施工现场首先采取腔口堆垒沙袋的方式，并利用混凝土喷射技术进行封闭，后方初支斜向腔内钻孔，开展混凝土泵送管的预埋。在上方1.5～2 m的位置，设置泄水通气孔，并且向腔内泵送等级为C20的混凝土，进而可以形成稳固的“承载体”结构。等到涌水速率稳定在40 m3/h左右，且水质变得清澈，通过监测发现后方初支没有发生明显的变化。当腔内的混凝土材料凝结之后，现场组织人员重新打设超前小导管，并对腔口沙袋墙进行开挖，发现少量泥渣涌出，拱顶位置出现异响。在此之后的1 h 20 min，现场出现了大规模的突泥涌水问题，主要成分为碎石、石屑以及黏土等，且混合物的固液两相不离析，等到稳定之后，涌水速率大约维持在50 m3/h。

3.2 涌水成因分析

隧道施工期间，原有的含水充填结构发生破坏，岩土体原有的平衡状态被打破，就容易引发涌水突泥问题，这一过程中伴随着能量的瞬间高速释放。在该工程中，涌水突泥问题的原因主要是受周围地质条件的影响，同时施工作业扰动，加速了涌水灾害的发生。

3.2.1 地质条件

在该工程中，涌水位置的埋深为540 m，岩层的走向和隧道的軸线有着小角度相交的特点，倾角为70 °。该位置的岩石处于强风化、中风化状态，局部小构造发育，从出露的地层来看，主要成分是绿泥石云母片岩，并且裂隙极发育。通过对该区域的地层分析发现，岩石强度低、风化程度高并且自稳性差，再加之地下水发育，最终导致了涌水灾害的发生。隧道的埋深较大，随着隧道工程的开挖，渗透压力差不断增大，岩体内部的一些小颗粒物质被源源不断冲刷出来，使得涌水通道逐步变大。

3.2.2 施工作业扰动

造成涌水灾害的另一个重要条件是蓄能空间，比如岩溶、断层破碎带以及宽大裂隙，自身就已形成了较大的蓄能空间[4]。随着开挖工作的不断进行，掌子面周围具有了临空面条件，裂隙内部的充填物具备了移动空间，导致充填物不断涌出。当泥水混合物储存的势能超过了围岩与支护结构的承载极限之后，就会以较高的压力在腔口位置瞬间释放，最终引发大规模的突泥涌水灾害，涌水灾害形成过程如图1所示。

综上所述，由于该处地层存在软弱夹层，且围岩的稳定性较差，受到高压富水环境的影响，围岩与支护结构的防突水能力不足。受到隧道开挖的影响，为能量释放提供了有效路径，进而导致涌水灾害的发生。

3.3 解决对策

为有效解决涌水灾害，首先要将积蓄的能量进行合理释放，其次要不断增强围岩与支护结构的防突水能力。

3.3.1 能量积蓄控制与能量释放

当发现隧道工程出现大规模涌水灾害且发展迅速，现场应当果断采取针对性处治措施，加强对能量积蓄过程的控制，及时释放能量，防止蓄能空间的无限扩大。通过采取反压回填等有效对策，稳定掌子面；通过修筑沙袋墙以及喷射混凝土等方式，对腔口进行封堵，提升防突水能力。预留相应的排水通道，防止由于能量积蓄过大而导致大规模的涌水灾害。防突水能力形成之前，应当采取有效的措施将能量释放掉。

3.3.2 提高防突水能力

施工期间需要根据现场情况，通过后方围岩补强或者初期支护加固等措施，提高防突水能力，还可采用泵送混凝土、预支护等方式。

其一，该工程中在掌子面后方15 m位置处，利用长5 m、Φ50 mm的钢花管进行注浆，以起到围岩补强的作用。钢花管的间距为1 m×1 m，呈梅花形布设。钢管在孔口1 m范围内不开孔。施工过程所使用的浆液为普通水泥单液浆，水灰比为1∶1。在两侧拱脚位置，采用注浆加固措施，使用单液浆，水灰比为0.5∶1，以起到稳固拱脚的作用，防止支护结构发生较大的变形。

其二，该工程中还采用泵送混凝土以及注浆的措施，目的是改良腔内松散体。施工期间利用潜孔钻钻孔，并通过预埋混凝土管路等措施，向腔内泵送强度为C20的混凝土，提高腔内松散体的挤密效果。混凝土泵送之后，涌水的速率降低为12 m3/h。之后，利用小导管半封闭注浆技术，对现场地下水发育的位置进行注浆处理，如图2所示为小导管注浆技术施工现场，使用的注浆材料为水泥—水玻璃双液浆，水玻璃的浓度为40 °Bé，水泥浆液的水灰比为1∶1。通过对涌出的渣体材料开展现场试验（见表2）可以看出，不同的浆液配比在性能方面有着较大的差别。注浆的顺序与原则，主要遵循的依据是“先疏后密”“先重点后一般”，注浆压力为“先低后高”，注浆浓度逐渐增大。当注浆工作采用水灰比为0.5∶1的单浆液，且注浆压力满足1.2 MPa的条件时，注浆效果较为良好，且注浆工作完成之后，涌水速率降低为2.5 m3/h。在该工程中，采用打设检查孔的方式，对注浆加固效果作出检验，如果有水顺着探孔位置流出，需要进行补充注浆。

其三，超前预支护技术措施。施工期间，将长12 m、Φ108 mm超前大管棚技术以及长4.5 m、Φ50 mm超前注浆小导管技术搭配使用，如果成孔下管难度较大，现场使用大直径自进式锚杆进行处理，管棚的环向间距设置为50 cm，当注浆工作结束之后通过灌注砂浆来提升结构的刚度。

其四，为降低施工期间的扰动作用，采用分步开挖技术，掘进过程采用人工与机械相互配合的方法，降低扰动强度与范围。通过增大衬砌结构的厚度，并对拱脚、仰拱位置进行加固处理，提高该段的承载能力。对于出水位置采取集中引排的措施，通过增加环向排水管的密度、设置横向排水管等方式，确保现场的排水条件满足要求。

3.3.3 施工注意事项

当有涌水灾害发生时，要采取有效合理的措施进行解决，降低涌水问题对施工质量、施工进度的影响。灾害发生之后切不可盲目地进行清淤工作，会造成腔内松散体的大量涌出，使得蓄能空间不断扩大，导致规模涌水灾害的发生。小颗粒的松散土体会顺着超前大管棚间隙漏出。为此，应当从注浆设计、注浆质量控制等方面进行研究，提高加固改良环节的效果[5]。混凝土泵送环节要严格控制水灰比等参数，严把材料质量关，以免影响加固效果。针对重点区域的超前地质预报工作极为重要，现场要制定相应的应急预案，进行相关应急物资的储备，以降低涌水等地质灾害的危害程度。当施工到涌水段附近时，要提高监测工作强度，通过加密监测点、提高监测频率等方式，做好监测信息的及时反馈与分析。

4 结束语

该文首先对隧道涌水类型、涌水灾害的防治原则作出了分析。之后，结合实际隧道工程案例，对涌水灾害的成因、解决对策开展了研究。隧道工程施工期间发生涌水灾害时，要进行积蓄能量的合理释放，并通过围岩补强、初支加固、混凝土泵送以及超前预支护等相关技术，降低涌水问题的危害程度，提高施工的安全性。

参考文献

[1]张伟杰. 隧道工程富水断层破碎带注浆加固机理及应用研究[D]. 济南：山东大学， 2014.

[2]王子洪， 付会彬， 马伟斌， 等. 岩溶地区隧道突水机理及防治措施[J]. 铁道建筑， 2019（6）： 81-84.

[3]张会刚， 刘兴， 孙彭城， 等. 筠连隧道水文地质分区及涌突水危险性评价[J]. 路基工程， 2019（4）： 222-227.

[4]肖广志. 不良、特殊地质条件隧道施工技术及实例[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2015.

[5]徐钟. 复杂岩溶隧道涌突水演化机理及灾害综合防治研究——以新建叙大铁路为例[D]. 成都：成都理工大学， 2020.

收稿日期：2023-11-02

作者简介：苏舫（1990—），男，本科，工程师，从事工程建设方面工作。