隧道涌水預測及整治技術

滕興成 曹佳慶 胡玉賀

（1. 林同棪（ 重慶） 國際工程技術有限公司，重慶 402473；2. 中鐵二十五局集團第一工程有限公司，廣東 廣州 510000）

隧道涌突水是隧道施工過程中主要的地質災害之一，不但嚴重威脅施工安全，還可能引起地表水或者地下水資源枯竭、導致生態環境惡化等環境問題。因此，必須通過采用超前地質預報技術，分析隧道涌水的原因，選擇合理有效的整治措施，進而減少涌水對施工及環境的影響。

1 隧道環境地質概況

1.1 工程概況

萬開周家壩-浦里快速通道工程鐵峰山隧道起點位于重慶市開州區長沙鎮孟家院子，終點位于重慶市萬州區天城鎮萬河村，該隧道左線 （K0+457～K9+685） 長9 228 m，右線（YK0+480～YK9+695） 長9 215 m，1#通風斜井左線長1 090 m、右線長1 140 m，1#斜井及風機房位于隧道主線K3+889段。

1.2 涌水情況

隧道從1#斜井小里程向大里程施工至ZK4+393段掌子面時，隧道出現高壓涌水，涌水壓力達1.6 MPa，最高時涌水量達891 m3/h，計21 384 m3/d。由于隧道主洞口與斜井之間隧道未貫通，涌水需通過斜井抽水設備提升140 m排除至隧道外，大量涌水導致施工現場停滯。

1.3 涌水段地質情況

鐵峰山隧道左洞K4+182～K4+510段埋深513～570 m，根據詳勘報告，該段地層為須家河組上統T3XJ地層，巖性為砂巖，夾少量頁巖，巖石屬于較堅硬巖，巖體呈層狀結構，裂隙較發育，巖體較完整，屬于III級圍巖。K4+510后往大里程圍巖為巴東組第三段（ T2b3） 為灰色薄～中厚層狀微晶泥質灰巖夾頁巖，含石膏結核，頁巖主要集中在中上部及底部。

隧道上臺階施工至ZK4+393掌子面實際揭示圍巖：拱頂圍巖為砂巖夾炭質頁巖，層理清晰，分層較明顯，掌子面圍巖為厚層砂巖，巖體較完整，屬于較堅硬巖夾少量軟巖。

2 施工地質預測

2.1 隧道水文及地質分析

由于掌子面處于三疊系須家河地層，含煤、瓦斯等，且即將進入巴東組第三段，隧道掘進過程中易出現大的不良水體，必須采用超前地質預報技術明確前方地質及水文情況。

超前地質預報流程：工程地質綜合評估→長距離地質預報 （100～150 m） →短距離地質預報 （30 m） →超前鉆探。

2.1.1 工程地質綜合評估

通過地質素描及地勘資料綜合評估隧道施工區發生各種地質災害的可能性。

2.1.2 長距離地質預報 （100～150 m）

長距離超前地質預報國內外主要采用地震波勘探等儀器探測技術 （如HSP、TSP、TGP、TRT、TST等）。預測前方100～150 m范圍內不良地質及水文情況；

2.1.3 短距離地質預報 （30 m）

主要采用紅外線、地質雷達、瞬變電磁法和聲波探測儀等手段，對前方30 m范圍內地質情況進行探測，評定圍巖級別。

2.1.4 超前鉆探

通過鉆探設備對前方掌子面圍巖進行取樣觀測，直接判斷圍巖級別，能夠直接發現前方是否存在斷層破碎帶、軟弱圍巖及富水情況，對富水段起到探水泄壓目的，一般鉆探深度在30 m左右。

2.2 超前地質預報的實施

2.2.1 TGP超前地質預報

發生涌水前已對K4+365～515段150 m 采用TGP206地震預報儀進行了預報，結果如下：

K4+365～K4+431段：圍巖為中風化砂巖，夾少量頁巖、煤層，節理、裂隙較發育，巖體完整性一般，自穩能力較好，巖體為較硬巖?；鶐r裂隙水較發育，呈滲流狀產出。建議圍巖級別為III級偏弱。

K4+431～K4+467段：推斷為中～強風化砂巖及煤層，夾少量頁巖，節理、裂隙較發育，巖體完整性較差，自穩能力較差，巖體為較硬巖～較軟巖?；鶐r裂隙水較發育，呈滲流狀產出。建議圍巖級別為IV級。

K4+467～K4+515段：推斷圍巖為薄～中厚層狀泥質灰巖、泥灰巖夾頁巖，局部夾少量石膏、石膏脈，節理、裂隙較發育，巖體完整性較差，自穩能力較差，巖體為較硬巖。開挖后易掉塊，基巖裂隙水較發育，呈滲流狀產出。建議圍巖級別為IV級。

2.2.2 紅外探水

對K4+397掌子面采用進行紅外探水，預測結論如下：掌子面紅外輻射場強差值部分值大于允許的安全值10，且紅外探測曲線前端波動較大，綜合判斷掌子面前方30 m范圍內存在紅外異常，可能存在大面積積水。

2.2.3 地質雷達

在紅外探水的基礎上再次對掌子面進行地質雷達探測，結果如下：巖性為砂巖，層狀結果，巖體較完整，較堅硬巖，拱頂少量炭質巖，較破碎，易坍塌；掌子面前方7.5～13 m裂隙發育，0～22 m掌子面左半部大面積富水，22～27 m位置含水量較小。 地質雷達具體數據詳見圖1、圖2。

圖1 從右往左看

圖2 從左往右看

2.2.4 超前探孔

對K4+397上臺階掌子面采用超前水平鉆探測，先后均勻鉆進6個Φ76 mm探孔，第一階段鉆進約6 m，其后鉆至16.5 m，由于水壓力較大無法繼續鉆進。從鉆孔情況可見：

（1） 當各探孔鉆至掌子面前方2.5～6 m時，先后遇到富水層，出現高壓水，隨著鉆孔數量增加，后續鉆孔水量增加，先行成孔水量有減小趨勢；當掌子面中央孔深達到16.5 m時，水壓力和水流量突然增大，水平水柱噴射距離穩定達8.4 m，并不見變化；

（2） 位于掌子面左半幅鉆孔水量、水壓明顯高于右半幅，推測掌子面左半福節理裂隙更發育，滲水主要從掌子面左側而來；

（3） 所有鉆孔巖芯為砂巖，局部夾薄層頁巖，巖層無空洞、溶蝕現象。

2.3 涌水分析與地質推測

（1） 通過以上探測結果驗證，可以排除前方30 m內存在空腔或者溶腔的可能。

（2） 隧道涌水掌子面ZK4+393設計標高389 m。洞頂上原有廢棄中寶煤礦采空區范圍約為隧道ZK3+840-ZK4+890上方，采空區下界限標高為608 m，上界限標高為1 140 m。根據位于隧道洞頂中寶煤礦水位監測點數據可見隧道涌水對煤礦巷道出水量變化影響不大，隧道涌水與中寶煤礦如有聯系，也是中寶煤礦坑道水通過巖層裂隙滲流至掌子面位置。

（3） 該涌水段已靠近須家河地層 （T3xj） 與巴東組第三段 （T2b3） 分界位置，由洞室開挖揭示情況看，巖層傾角較勘察成果緩，傾角僅15°。因此，可能提前進入巴東組第三段 （T2b3） 地層，其巖性泥質灰巖、泥灰巖為主，有揭示到巖溶水的可能，由于溶蝕輕微發育，不存在大規模突水突泥條件。

（4） 涌水推測為裂隙水，可能因為前方巖層為須家河組與巴東組接觸帶，受構造影響，造成掌子面前方范圍存在富水裂隙帶，水通過裂隙及鉆孔滲入隧道內。

3 綜合整治措施

為保證隧道安全施工，擬增加抽水設備，采用超前探水及地質預報、超前深孔帷幕注漿、調整開挖方法和支護參數，開挖后全環徑向注漿，施作抗水壓襯砌等措施進行處理。

3.1 超前深孔帷幕注漿

（1） 止漿墻設置。涌水段上臺階掌子面全面實施做C30砼止漿墻，止漿墻厚度2 m，增加掌子面錨桿錨固于止漿墻內，提高止漿墻穩定性，止漿墻面預留若干套管、排水管路并安裝止水閥，控制泄水以減小涌水對止漿墻的壓力。

（2） 鉆孔布置。全斷面注漿按照每30 m一循環，每循環分3段實施，第一環長10 m，第二環長20 m，第三環長30 m，注漿孔環向間距60 cm，每循環開挖25 m，保留5 m作為下一循環注漿止水巖盤（注漿孔布置圖見圖3） 。

圖3 注漿孔布置

帷幕注漿采用76 mm地質鉆機分段打孔，注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，漿液擴散半徑約為2 m，孔底間距不大于3 m。

注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥為PO42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃玻鎂度30～40 Be，雙液體積比C/S=1.2，水灰比W/C=0.8，注漿壓力1.3～1.5倍靜水壓力，注漿壓力達設計終壓后保持10 min或者每孔一分鐘內注漿量低于10 L可以終止注漿。

注漿完成后，鉆2個孔取芯觀察漿液充填效果及孔內涌水情況以便確定是否繼續加密注漿。

3.2 臺階分部開挖及抗水壓襯砌

根據現掌子面情況，涌水均為掌子面左側，右側涌水量較小，且地質雷達顯示前方圍巖較破碎的特點，將原臺階開挖法變更為臺階分部法開挖，并視現場情況采用增設仰拱，遵循超前探水、短進尺、多炮孔、少裝藥原則進行開挖掘進。

考慮到雙液漿堵水耐久性不高，后期襯砌可能承受較大水壓，應采用抗水壓襯砌結構進行加強。隧道涌水區加強段長度為涌水段及前后各15 m范圍。

抗水壓襯砌參數：隧道拱部120°范圍內設置長5.0 m的Φ42超前小導管，小導管間距320 cm×40 cm （縱×環），28 cm厚C20噴砼，鋼架采用I22a型鋼鋼架，系統錨桿采用4 m長的Φ25中空注漿錨桿，錨桿間距80 cm×100 cm （縱×環），隧道二襯采取80 cm厚的C35鋼筋砼結構。

3.3 開挖后全斷面徑向注漿

帷幕注漿堵水主要解決開挖階段水影響，并不能完全地將涌水封堵，二襯前，對該段圍巖再次進行全環徑向注漿，最大可能的封堵涌水，且能加固圍巖。

徑向注漿范圍采用Φ42小導管，間距1.2 m×1.2 m，注漿管長度應根據巖石軟硬程度、力學性質及水壓力大小等條件，確保注漿加固圈圍巖不因水壓過大導致失穩破壞為原則，經受力計算后確定。

注漿漿液參數參照超前深孔帷幕注漿進行，注漿順序由初支表面滲水較少的四周向涌水集中區進行注漿，注漿結束后，割除外露小導管，局部增加環向排水盲管，鋪設土工布、防水板施做二次襯砌封閉。

4 結語

本文通過地質調查與超前地質預報技術，對隧道前方涌水段地質進行了綜合分析預測，推斷隧道涌水的形成原因，并采取了調整開挖工法，支護參數，設置抗水壓襯砌及徑向注漿等措施，保證了隧道的施工安全。按照以上施工方案，順利度過了前方約100 m的隧道涌水區，開挖后圍巖滲水量不大，通過巖層鉆芯取樣，注漿效果良好，漿液在巖石裂隙內充填良好，采用徑向注漿堵水措施對局部初支表面滲水位置進行處理后，初支表面只有滴狀滲水，二襯施工后經一年的觀察，襯砌表面無開裂及滲水現象，施工經驗可以為同類工程提供參考。