成兰铁路茂县隧道突涌水机理分析及治理措施

摘 要：针对成兰铁路茂县隧道突涌水状况，进行了灾害发生的机理分析，介绍了超前周边注浆技术、可溶岩初支局部堵水技术，采用了“分段截流”的理念，运用了新颖的“引流封堵”布置方式，同时配合新型RSS堵水材料与水泥浆进行双液堵水，取得了显著的堵水效果，解决掉了工程中突涌水问题。

关键词：隧道工程 突涌水 超前周边注浆 初支局部堵水 治理措施

中图分类号：U457 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（c）-0069-05

改革开放以来，随着我国经济的高速发展，交通行业也随之勃兴，公路、铁路大量兴建，因此，遇到的隧道工程也越来越多。迄今为止中国已是世界上隧道最多、发展速度最快的国家；中国的隧道建设技术已经在总体上处于全球较领先的水平，著名的隧道有：八达岭隧道、南岭隧道、昆仑山隧道、秦岭隧道等。隧道工程往往修建于外部条件比较复杂的地质环境中，再加上隧道施工中施工方法与周围的地质环境不够协调，经常导致地质灾害情况的发生。隧道突涌水就是隧道施工中显著的地质灾害之一。

1 工程概况

成兰铁路茂县隧道隧址位于龙塘车站与茂县之间，隧道全长9 913 m，最大埋深约为1 646 m，属于构造剥蚀深切割高中山地貌，地形沟谷纵横，起伏较大，自然横坡15°～65°，地表高程1 575～3 278 m，相对高差1 703 m，局部陡峭，突涌水灾害发生位置在隧道的出口段。隧道出口段长3 803 m，起讫里程D8K131+360～D8K135+163，隧道出口段为左、右分离式隧道，出口段位于半径为7 000的右偏曲线上，为单面上坡线路设计。隧址不良地质有活动断裂、高地应力、高地温、岩溶、有害气体、放射性、危岩落石、泥石流、顺层等，局部可能存在断层破碎带、突泥涌水等，地质灾害风险较大。

1.1 地质特征

成兰铁路茂县隧道隧址区域分布的岩体是极为软弱破碎的板岩、炭质板岩、千枚岩，受构造影响，多表现出强烈的揉皱变形和挤压破碎，软岩和破碎岩体岩性条件极差。受构造影响，区内节理裂隙发育，可溶性岩段易沿裂隙发育形成岩溶化裂隙、小型岩溶洞穴等。段内岩溶弱-中等发育。隧址内茂县群各组地层及寒武系地层均夹有灰岩、泥岩，因千枚岩透水性差，一般岩溶弱发育。隧址区域内地震平均场地峰值加速度为0.20 g，地震动反应波普特征周期为0.35 s。

1.2 水文特征

地表水主要为岷江汇水、沟水，属岷江水系，茂县隧道出口地表水汇入核桃沟后，同其他各沟水最终汇入岷江，区域内斜坡陡峻，大气降水主要为地表的径流排泄为主，有一小部分的大气降水向下渗透沿着基岩的节理裂隙向下成为地下水的一部分。地下水主要以基岩裂隙水、岩溶水、构造裂隙水、土层孔隙水为主。区内裂隙发育，基岩裂隙水较丰富。地下水主要接受大气降水及河水补给，同时也向河流排泄。初步对隧道涌水量预测：茂县隧道预计正常涌水量为2.8×104 m3/d，雨季最大涌水量4.2×104 m3/d隧道段以滴水、渗流为主，遇裂隙密集带可能发生淋水及小股状涌水。

2 隧道内突涌水情况及应急措施

2.1 隧道平导正洞右线突涌水情况及应急措施

2016年7月15日晚18：30分左右茂县隧道平导正洞右线小里程掌子面发生突水，突水里程为YD8K132+312，突水部位为隧道中线隧底部位，经现场测算流量为310 m?/h。

突水发生后，第一时间暂停洞内施工，组织现场工班和机械撤场，启动突水应急预案，一是安排专人全天候观测水量变化；二是切断掌子面台架和仰拱附近电源；三是增加抽水设备，备足抽水设备和管路，抽水设备为2台18.5 kW潜污泵和2台15 kW潜污泵。

7月19日有管部门召开专题会，要求加强水量监控，加大超前地质预报工作，抽排水储备能力要达到2万m?/d。

7月22日上午，茂县隧道平导正洞右线小里程积水已抽至掌子面附近，无大面积积水。当日，采用物探“WT-2”方式即“地震波反射法+地质雷达探测法+红外探测法”进行探测。

7月23日，根据关于茂县隧道右线YD8K132+312超前地质预报技术报告结果，准备施作超前水平钻验证掌子面前方是否存在富水情况，减小突水风险。

7月24日，组织地质钻机进洞施作超前水平钻，开展钻探工作，钻探采用“ZT-5”方式即“超前钻孔（3孔）+加深炮眼（10孔），其中1孔检测水压、水量，1孔取芯”。16：45分开始钻进1#孔，20：20分钻孔深度达5 m时，钻机突然出现卡钻随即发生了突水，为验证夹层深度及前方富水情况，钻机继续工作，由于突水压力和水量较大不得暂停施工转移地质钻机，钻进深度为8 m，验证突水夹层厚度为0.4 m，两孔出水经现场测算流量为420 m?/h，现场掌子面已有水泵暂不能满足抽排水，导致掌子面再次受淹。

7月27日上午，茂县隧道平导正洞右线小里程积水已再次抽至掌子面附近，无大面积积水。之后组织地质钻机对掌子面左侧2#探孔进行钻进，截至到7月28日上午11点，钻进深度已达到30 m，掌子面前方主要岩性为大理岩，未发现有突水情况。

7月30日早上6：30分开始对3#探孔继续钻进，17：55分钻进深度已达到30 m，掌子面前方主要岩性为大理岩，未发现有突水情况。19：25分开始对1#探孔继续钻进，截止到7月31日凌晨3点，钻进深度已达到30 m，岩性主要为大理岩，未发现5.4～30 m有突水情况。

8月5日，茂县隧道平导正洞右线小里程恢复施工。

2.2 隧道平导正洞左线突涌水情况

8月18日，茂县隧道平导正洞左线小里程掌子面已施工至D8K132+320，掌子面岩主要为大理岩及灰黑色砂岩，在掌子面右侧拱腰下1米处发现直径为40 cm左右空洞，呈纵向斜向上发育，空洞内伴有流水。之后组织地质钻机进洞施作超前水平钻，开展钻探工作，钻探采用“ZT-5”方式即“超前钻孔（3孔）+加深炮眼（10孔），其中1孔检测水压、水量，1孔取芯”。现场钻探揭示6 m、8 m、16 m处均有出水，水压力较小，三孔出水经现场测算流量为100 m?/h，揭示前方0～30 m范围内为大理岩夹灰黑色砂岩。

8月20日，茂县隧道平导正洞左线小里程掌子面已施工至D8K132+314，掌子面发现的直径为40 cm的空洞已延伸至右侧拱腰部位并伴随有股状水（压力较小）流出，拱顶大面积淋水。对比右线未发现有突水现象发生（见图1）。

茂县隧道平导正洞左线小里程掌子面施工过程中，其中D8K132+314、D8K134+312、D8K132+304，拱部大面积淋水。

3 隧道突涌水原因

通过现场地质调查，综合分析岩层、水文等地质条件和现场施工情况，并对隧道出水部位进行以物探为主的地质勘察，认为茂县隧道产生突涌水的主要原因如下：（1）在施工过程中由于围岩表面的出水量很小甚至不出水，未能引起重视，导致出水量估计不足；在开挖的后发现围岩比较破碎，发育较差，但仍按原来的设计方案进行施工。（2）由于大量的地下水赋存在掌子面前方的构造带中，具有较大水压，又由于岩层蓄水构造形成的时间长，在施工的过程中破坏了隔水层的完整性，当构造带中的水压大于隔水层的阻挡力时而形成较大的水压力差失去原有的平衡而导致破坏，导致大量的地下水在水压力差的作用下大量涌出或溢出形成灾害。

4 隧道突涌水治理措施

根据设计要求，针对成兰铁路茂县突涌水状况，遵循分流集中出水量、填充裂隙、堵塞围岩径流通道、减少渗水、满足设计封堵限排的治理思想；按照以堵为主，限量排放、合理引流，避免出现“水帘洞”、排水沟排水管、排水井、排水站要求形成网络，系统排水的治水原则，从堵、引、排3个方面着手，采取不同的方案进行治理。

4.1 超前周边预注浆技术

4.1.1 加固原理

在隧道岩溶区进行超前钻孔，灌注水泥浆，浆液在注浆压力的作用下填满围岩中的裂隙，并将裂隙中的水分、气体排出，水泥浆液与周围的松散岩层固结，增强周边岩层的强度，形成了高强度和抗渗阻水能力加强的固结体，从而提高周围岩层的抗渗性能、整体稳定性能；在固结体的保护下进行开挖支护施工。其加固机理主要有以下几个方面。

（1）填满加固岩溶区作用，在超前探孔的配合下，确定围岩裂隙位置，施工注浆孔，其主要作用是浆液填满岩裂隙排出裂隙中的水、气体。

（2）加固周边松散围岩，岩溶区周边为松散的围岩，围岩裂隙填满后，浆液还能扩散加固周边的围岩，使其具有自稳性，到达施工的条件。

4.1.2 施工工艺

（1）注浆参数的选择：注浆孔布置，注浆钻孔布置图见图2、图3所示。

（2）注浆顺序：先注外圈，后注内圈，先稀后密，由下而上间隔施作，采用后进式注方式。

（3）注浆加固范围：注浆范围为开挖轮廓线外3～5 m；每一循环注浆长度为30 m，开挖25 m，预留4 m止浆岩盘；注浆孔浆液扩散半径为2 m，孔底间距3 m布设，每一循环共设4环注浆孔。注浆孔开孔直径不小于108 mm，终孔直径不小于90 mm。

（4）浆液材料及制浆：浆液采用纯水泥浆或水泥-水玻璃浆液；水泥浆的水灰比（重量比）为0.8∶1～1∶1，水玻璃浓度采用波美度Be'=40，模数为2.4～3.0；水泥浆：水玻璃浆液=1∶0.8；为了确定浆液配比，预估材料用量及浆液消耗量，进行压水试验，压水试验可以了解注浆孔各注浆段岩层的透水性，富水性。

（5）注浆：当注浆孔涌水量小于30 L/min，选用纯水泥浆或水泥-水玻璃浆液；当注浆孔涌水量在30～200 L/min范围内，选用凝胶时间为4～6 min的浆液；当注浆孔涌水量大于200 L/min，选用凝胶时间为3～4 min的浆液。

（6）注浆时注浆压力逐步升高到设计终压大约为1.5～2MPa，当达到终压后继续注浆10 min以上；当注浆结束时的进浆量不应小于设计注浆量的80%，进浆速度为开始进浆速度的1/4。

4.2 可溶岩初支局部堵水技术

（1）截水墙技术。

①截水墙种类和设置，根据现场的出水点水量及围岩裂隙水发育情况可设置两种形式的截水墙：单截面形式的截水墙和双截面形式的截水墙。其选择注浆半径的参数均为2 m、3 m、5 m这3种情况（见图4，图5）。

②截水墙区间划分及形式组合，截水墙的分区长度一般最大不应超过30 m，可选择的范围大约是25～30 m，区间长度不应该太长，越长注浆效果越后期越不明显；截水墙的设置采用混个方式包括：单截面+双界面、长半径+小半径，截水墙的施工选择应按照灵活多变的原则，可依据施工现场初支实际情况而定，总体要依据施工现场具体富水情况而定（见图6）。

出水点在拱部：根据出水量的大小采取纵向挑顶注浆和短间距径向注浆两种注浆堵漏方式。短间距径向注浆布孔参数为0.8×0.8 m。

（2）注浆孔布置方式及要求，注浆止水注浆孔布置方式及要求总体按照注浆止水的作用分为3种类型，分别为：截水墙注浆孔、局部出水注浆、整段富水区域注浆。

①注浆止水单孔扩散半径孔位的确定，是通过考虑截水墙截水效果以及可溶岩中的围岩节理裂隙发育情况而定的，双截面截水墙环向纵向间距为2.0 m×2.0 m，单截面截水墙环向间距为1.5 m。

可溶岩的岩性不同以及节理裂隙发育情况不同，可以根据实验得出单孔扩散率，从而进一步调整截水墙的注浆孔布置。

②局部出水注浆孔布置方式是根隧道突涌水的位置确定，一般为拱部、拱肩、边墙区域，堵水注浆方式也应该根据不同位置采取不同的堵漏方式。

出水点在拱肩：应按照“先分流后关门”的注浆顺序，引流方式亦可分为下行引流和上行引流两种方式；目的在于将出水区域进行分流化小，逐个封堵。

上行引流眼布孔参数：环向间距0.8 m，纵向间距0.8 m。

注浆孔施工参数：环向间距0.8 m、纵向间距0.8 m。

下行引流眼布孔参数：环向间距1.2 m、纵向间距0.8 m。

注浆孔施工参数：环向间距1.2 m、纵向间距0.8 m。（见图9）

在下行引流眼钻孔时，钻进的角度应呈整体斜向上，目的在于把围岩裂隙中出水部位进行截止分流，p小出水量。（见图10）

Ⅲ：出水点在边墙：为了合理分配注浆范围，达到预期注浆效果按照出水量大小可采用以下两种注浆堵漏方式：短间距径向注浆和单孔封堵注浆。

短间距径向注浆布孔参数：环向间距1.0 m、纵向间距0.8 m。（见图11，图12）

③整体区域或较大区域富水段注浆堵水布孔参数：排间距、孔间距均为2 m；裂隙带单循环4～5个，1序孔、2序孔相互交叉布。注浆堵水可分为：第一阶段1序孔采用水泥单、双液浆；第二阶段2序孔采用RSS化学堵水材料注入岩层裂隙中形成注浆隔水帷幕；第三阶段为局部区域加密孔注浆及检查孔补注。第一阶段的目的在于充填壁后空洞及渗水较大裂缝及减小RSS用量，来降低工程成本。

（3）注浆材料及设备。

①为了达到治理目的，降低注浆治理成本费用，选用水泥和RSS-系列化学堵水材料交叉注浆。②注浆材料是根据突涌水的原因选取的，较大裂隙、空隙时选用水泥浆液，在孔隙较小的情况下选用RSS-系列堵水材料，水泥浆液采用P.O42.5#硅酸盐水泥，水∶灰=1∶0.5～1∶2，RSS双组份化学堵水材料的配比为1∶1。

4.3 隧道洞内外引、排水技术

（1）对隧道洞内地面流水，实施“分级、分段设仓，移动泵站抽排”的原则，最后抽排至辅助坑道配水沟或排水系统，排出洞外。（2）拌合站、隧道辅助坑道洞口均设置四级沉淀池，施工产生的污水经沉淀池沉淀后循环利用，隧道洞内钻孔、施工道路洒水均使用沉淀池内水源、隧道内安装两条专用排水管道，实现清污分流，清水排入河道，污水排入沉淀池后循环利用。

5 结语

该文对茂县隧道进行了突涌水机理分析，并给出了高效合理的治理措施。针对可溶岩中围岩裂隙水采用了“分段截流”的理念，且在注浆堵水钻孔布置方面采取了新颖的“引流封堵”布置方式，同时配合新型RSS堵水材料与水泥浆进行双液堵水；针对整体出水段科学性地采用分段截水墙技术，将整化零，逐段进行封堵注浆堵水，效果显著。在成兰公司正确领导和持续推动下，通过一系列堵、引、排技术措施的实施，使得隧道内作业环境整洁，开挖掌子面排水畅通无积水，仰拱基坑无浸泡混凝土强度有保障，初支成洞段干燥无滴水，抽排水泵站系统运转有序、清水排放、污水沉淀处理有序进行，确保了建成后的隧道衬砌干燥无渗水、无湿渍。

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