隧道掌子面涌水处理技术探析

【摘要】在隧道施工中，围岩变形坍塌与涌水突泥灾害是最为常见的典型事故。塌方、涌水突泥一旦发生，不仅影响工程进度和施工期间及使用期间的安全，更直接影响到隧道的投资费用。

如何减少隧道塌方、涌水突泥灾害和遇到事故能及时采取相应的处理措施，避免造成重特大安全事故将损失控制到最小程度，是施工、设计和项目管理层共同关心的问题。本文对白岩子隧道出口平导正洞小里程D1K64+830.8 处掌子面涌水、突泥治理进行了总结归纳，以期对同类事件提供参考依据。

【关键词】隧道施工，围岩变形，涌水突泥，隧道塌方1. 工程概况

1.1 设计概况

白岩子隧道位于虎跳峡站 ～ 螺丝湾站区间， 进口里程D1K61+600，出口里程D1K65+683，全长4083m。隧道路线纵坡：进口D1K61+183 ～ D1K61+233 段50m 为28.5‰的上坡，其余依次为28.2 ‰（3150m 长）、21 ‰（350m 长）、6 ‰（533m长） 上坡。线路平面： 除洞身D1K61+691.07 ～ D1K62+350.24段659.17m 位于半径为R-5000 的右偏曲线上， 洞身D1K64+208.49 ～ D1K65+033.30 段824.81m 位于半径为R-2000 的左偏曲线上，其余地段为直线。

隧道进口紧邻海巴洛大桥香格里拉端桥台，出口紧邻螺丝湾三线中桥丽江端桥台，隧道洞身最大埋深约为680m。

1.2 地质概况

本线位于印度板块俯冲欧亚板块的缝合带、青藏高原南东缘之横断山脉中段，区域地质比较复杂，广泛发育滑坡、岩溶、岩堆、危岩落石、泥石流、高地应力、有害气体等不良地质；可溶岩分布广泛，岩溶对隧道影响最大。深大活动断裂极为发育，新构造运动、地震活动强烈，岩体破碎疏松，滑坡、崩塌、错落体等不良地质密集、范围大，具成群分布，泥石流、岩溶、高地应力等不良地质问题十分突出。

1.3 气象特征

线路位于滇西北地区的丽江市和迪庆藏族自治州香格里拉县境内，为中亚热带湿润区，属于冬干夏湿的高原季风气候。沿线降雨时间大部分集中在5 ～ 10 月，尤以7 ～ 8 月最为集中，每年10 月下旬至次年5 月为干风季节。丽江市降雨量随纬度递增而递减，在同一地区山顶雨量多，河谷雨量少，迎风面雨量多，背风面雨量少；迪庆州香格里拉县地形复杂，各种气候类型相嵌交错，同一气候垂直带内有森林气候、草原气候、湖盆气候等单个小地形气候，形成“隔里不同天”的气候特征。

1.4 隧道水量

隧区地表水为河水、山涧沟槽水，属金沙江水系，地势东高西低，地表水自东向西流入冲江河，并最终汇入金沙江。地下水主要为第四系孔隙水、基岩裂隙水及少量岩溶水，多以渗流形式往低洼地带排泄，主要受大气降水和地表水补给。隧道正常涌水量12400m?/d，最大涌水量15000 m?/d。

2. 现场施工情况

2.1 涌水段地层岩性

目前掌子面施工至里程D1K64+830.8， 仰拱施工至里程D1K64+846，二衬施工至里程D1K64+883，隧道埋深约530m。

掌子面实际揭示地层岩性为炭质板岩、千枚岩，薄层状，板状构造，发育条带状石英脉，受构造影响，岩层扭曲变形严重，产状平缓，倾向右侧，紊乱，破碎，节理裂隙发育，局部有偏压现象，开挖后岩体松驰破碎，围岩稳定性极差。

2.2 施工参数

目前掌子面里程D1K64+830.8，按照照“丽香隧变附-03-01”

图施作，采用台阶法施工。其支护参数为：

①超前小导管支护：拱部设φ42 超前小导管，每根长3.5m，环向间距0.4m，每环25 根，纵向间距1.8m，注水泥浆，注浆压力0.5 ～ 1.0MPa。

②全环I20b 钢架支护：钢架架纵向间距60cm/ 榀。钢架间纵向连接钢筋采用φ25 钢筋，”Z”形布置，设于钢架内侧（靠二衬侧），钢筋纵向接头应相互错开；同时，台阶底部钢架纵向垫设槽钢，确保钢架系统整体稳定性。锁脚锚管采用Φ42 钢管，钻孔直径不小于60mm，注水泥浆，注浆压力0.5 ～ 1.0MPa，拱脚和边墙脚两侧各2 根，单根长4m。

③钢筋网：拱墙采用φ8 钢筋网，网格间距20×20cm。

④边墙系统锚杆：Ф22 早强砂浆锚杆，间距纵向1.0m× 横向1.0m，每根长4m。

⑤喷射混凝土：采用C25 喷射混凝土，拱墙及仰拱厚度均为27cm。

3. 涌水情况

2018 年8 月6 日凌晨1 时10 分，现场正在进行掌子面排险工作，约1 时30 分从掌子面线路右侧起拱线位置发生涌水现象，涌水初期水质较为混浊并夹带大量的泥沙及碎石，初步测量涌水量约160m3/h。

涌水现象出现后，立即停止洞内施工，及时拆离施工人员，只留机械进行洞内涌水疏排引流，同时组织人员进行排水工作。

由于掌子面涌水较大，现场抽水设备不能满足抽排要求，而且虎跳峡无法立即购置到大功率水泵，洞内水位持续上升，五小时后已经严重积水，见图4-2。

经过多方购置资源，陆续增加水泵来提高抽排能力，截止8月7 日积水已经淹没至掌子面后方180m 位置。此时，在积水区域共配置12 台污水泵，具体参数如下：15kw/4 台（流量60m3/h，扬程40m）、22kw/4 台（流量60m3/h，扬程50m）。根据实际水泵配置最大抽排水量480 m3/h，配置功率148kw。由于掌子面距离洞口距离较长且处于反坡段，为提高排水效率除φ80 排水管一根外又将施工风、水管改作临时排水使用。在该种配置下，洞内水位已有下降趋势。

2018 年8 月10 日下午13 时30 分，洞内积水已抽排至二衬台车前，经量测出水量为80m3/h，掌子面受地下水影响出现溜塌，D1K64+830.8 ～ D1K64+840 初支未封闭成环段变形严重。

4. 涌水、突泥原因分析

从围岩地质情况分析，D1K64+830.8 掌子面处于Ⅴ级围岩断层破碎带，岩体破碎，节理发育，受构造影响，岩层扭曲变形严重。且该层为地下富水层，为构造裂隙水，再加上雨季连续降雨给予补给，造成裂隙水增大，呈涌流状出水。

②从隧道施工因素分析，该段采用上下台阶法开挖，开挖断面过大造成一次施工爆破扰动大，使围岩松动，局部薄弱围岩裂隙增大，且在富水层水压作用下，形成水流下泄通道，引起断面垮塌，水流涌出。

5. 紧急处理措施

本次事故发生时间点为现场正在进行掌子面排险工作，隧道线路右侧掌子面边墙突然坍塌，并出现大量突泥涌水现象。特征表现为具有一定突发性，因此在险情发生后，紧急处理措施原则为：首要确保人员安全，再尽可能地减小财产损失，在安全前提下，采取措施防止险情进一步扩大。在本次处理中，进行了如下几点：

①立即停止洞内施工，施工人员第一时间撤至安全地带，对涌水突泥情况进行观察，再尽可能地抢救机械设备；②上报项目部，同时根据现有资源抽排积水，并通知各参建单位，第一时间赶赴现场指挥抢险；

③鉴于涌水流量大，掌子面存在较大安全隐患，抽排水期间未做任何加固措施，靠涌出物形成的堆积体自稳；

④从8 月6 号险情发生，至8 月10 日，涌水量已基本稳定，  未有发生增大现象。

⑤加强洞内洞外安全警戒工作，洞内配置救生衣等安全设施，严防可能发生的再次突涌水或次生事故，确保安全。

6. 处理方案

待涌水突泥情况基本稳定后，参建各方进行了治理方案讨论会，确定了下步处理措施。

6.1 加固处理：

对D1K64+830.8 ～ D1K64+840 段可能存在受涌水影响夹带碎石等细颗粒流失导致围岩松弛，可能造成初支背后脱空，导致围岩坍塌，对该段实行加固措施如下：

（1）在D1K64+830.8 ～ D1K64+840 段拱脚加设I18 临时钢拱架，纵向间距60cm，临时钢拱架支撑于已施工的初期支护钢拱架位置，并与初期支护混凝土面密贴，空隙处喷射混凝土封闭，必要时在每侧拱脚增设2 根3m 长Ф42 锁脚小导管与钢架焊接牢固。

（2）对D1K64+830.8 ～ D1K64+840 段初支拱墙部分进行径向小导管注浆加固，间距1m×1m，梅花型布置，每根长4m，注水泥浆，水灰比0.5 ∶ 1，注浆压力0.5 ～ 1.0MPa，注浆量按加固体体积10% 考虑；根据监控量测数据，对已侵限部位初支从外向里进行换拱，每次换拱长度为1 榀钢架；。

6.2 涌水处堆积体处理：

1、从出水点处预埋φ100 透水盲管，根数根据现场出水量确定盲管根数，对涌出物堆积体四处漫流的涌水进行引流集中排水。

2、利用洞内涌出物堆积体对掌子面进行反压回填，必要时从洞外拉渣进行回填，并对回填体进行挂网喷射C25 混凝土防护，网片采用φ8 圆钢，网格间距20cm×20cm，保证变形段稳定，堆积体坡脚采用沙袋码砌以保证反压稳定。

6.3 施工步骤

1、2018 年8 月9 日 ～ 2018 年8 月10 日，准备所需材料，重新布设安装洞内风水管道。

2、2018 年8 月10 日 ～ 2018 年8 月11 日，准备掌子面反压回填，沙袋封堵，并喷砼封闭掌子面，上台阶假设横撑，。

3、2018 年8 月11 日 ～ 2018 年8 月13 日，对未施工仰拱初支段及初支变形段打小导管径向注浆。

4、2018 年8 月14 日 ～ 2018 年8 月21 日， 施作2 副仰拱，使初支处于稳定的基础上。

5、2018 年8 月22 日 ～ 2018 年9 月2 日， 掌子面前方管棚施工。

6、2018 年8 月26 日 ～ 2018 年9 月6 日，后方初支侵限段拱架拆换。

6.4 掌子面施工

1、掌子面施作φ76 中管棚进行超前支护，壁厚8mm，管棚钻孔方向角度为α=5°，环向间距0.4 米，纵向间距6 米，长度9 米/ 根，搭接长度不小于3 米，每环23 根，具体布置见7-1 图。

管棚注浆材料采用水泥净浆，困难时采用水泥- 水玻璃双液浆，水泥浆水灰比为1 ∶ 1，水泥浆与水玻璃体积比为1 ∶ 0.05，注浆压力：0.5 ～ 1.5MPa（根据现场实际情况调整）。在钻进过程中注意搜集和掌握掌子面前方围岩变化情况，对前方空洞及水情况进行判别，以便调整钻进速度和角度，及指导后续施工。

2、塌腔体处预埋不少于3 根φ150 泵管和多根φ42 小导管（作为排气管），待初支施工完毕后，进行泵送混凝土回填塌腔体。

7. 其他措施

7.1 超前地质预报措施

根据设计图纸， 白岩子隧道出口平导小里程掌子面D1K64+830 处超前地质预报按照Bz 类施作，即采用综合地质法、地震波地质探测仪法、红外探水、地质雷达、超前探孔（2 孔）及加深炮眼等方法。

对富水层的围岩断层破碎带施工，因其本身地质条件差，对前方施工围岩情况及水情况充满未知性，施工存在较大安全隐患。一方面，施工单位应加强现场管理及现场技术指导，另一方面，应提高科学技术手段，依靠超前地质预报准确预报工作面前方20 ～ 25m 范围的工程地质和水文地质情况。最直接有效的为超前地质钻孔预报法。施工中将几种预报手段综合运用，相互补充和印证。综合监测结果，及时提出对不良地质的处理措施，以降低施工风险。

7.2 监控量测措施

监控量测是信息化施工的重要内容。通过施工现场的监控量测，为判断围岩稳定性，支护、衬砌可靠性，二次衬砌合理施作时间，以及修改施工方法、调整围岩级别、变更支护设计参数提供依据，指导日常施工管理，确保施工安全和质量。

白岩子隧道出口平导小里程掌子面处设计为Ⅳ级围岩，变更为Ⅴ级围岩，监控量测点按照Ⅴ级围岩埋设，该段洞内监控量测点每5m 埋设一个断面，每个断面分拱顶、拱腰及边墙共埋设5个点。监测频率为每日监测一次，必要时每日监测二次，监测结果如下：

根据折线图显示：掌子面后方初期支护变形基本稳定，在涌水前拱顶下沉及水平收敛速率均在10mm 以内，2018 年8 月6 日后，由于断面出现涌水，掌子面围岩受水冲刷垮塌失稳，初支背后基岩遇水软化，导致变形加大，8 月10 日拱顶下沉速率达到最大10.6mm/d，8 月11 日水平收敛达到最大值18.9mm/d，之后随着后期横撑、注浆加固等措施的实施及水量逐渐减小，初支变形也趋向稳定。

D1K64+840 处拱顶下沉及水平收敛情况

8. 结论

发生涌水突泥时，根据涌出方量、流速判断，当涌出方量大且急时，考虑洞外运渣大方量回填反压；当为局部涌出口时，宜采用人工有组织地码堆沙袋封堵，同时预埋泄水管道，利于后期处理。

为防止拱顶沉降、洞身周边收敛变形过大，宜采用横向撑与竖向撑较为直接有效，若采用临时钢拱架，存在拱架加工线形难以与初支轮廓吻合，拱架与初支不密贴，受力欠佳。

若采用水玻璃双液注浆，应根据现场水量情况、水压、渗流路径等情况进行多组配合比，对浆液胶凝时间、注入能力、渗透性等性能参数进行现场测验，进行试验段试注，针对不同区域的涌水情况选择合适的浆液配合比。

洞内实施管棚，若管棚仰角过小存在侵占初支拱架问题；仰角过大，难以起到有效支护效果。且在洞内施工管棚，作业效率较低，工期拖得较长。因此，要合理控制仰角大小及管棚长度。

对初支侵限拱架拆拱、换拱问题，从施工安全考虑，尽量避免破坏、扰动围岩，建议尽量不拆，二衬进行相应加强。如侵限过大确实须拆除时，应按拆除一榀即刻置换一榀，初喷密实后，再进行下一榀作业。

参考文献：

[1]《客货共线铁路隧道工程施工技术规程》（Q/CR9213-2017）

[2]《铁路隧道监控量测技术规程》（Q/CR9218-2015）作者简介：

1、刘军成（1980-），男，山东鄄城人，高级工程师，本科，从事项目施工管理工作。

2、张文亮（1998-），男，江苏盐城人，大专，从事项目施工技术工作。

3、余志清（1994-），男，甘肃天水人，本科，从事项目施工技术工作。

4、贺志宇（1988-），男，湖南湘潭人，工程师，本科，从事项目施工技术工作。

5、刘瑜馨（1995-），女，陕西咸阳人，大专，从事项目施工技术工作。