隧道涌水预测及整治技术

滕兴成 曹佳庆 胡玉贺

（1. 林同棪（ 重庆） 国际工程技术有限公司，重庆 402473；2. 中铁二十五局集团第一工程有限公司，广东 广州 510000）

隧道涌突水是隧道施工过程中主要的地质灾害之一，不但严重威胁施工安全，还可能引起地表水或者地下水资源枯竭、导致生态环境恶化等环境问题。因此，必须通过采用超前地质预报技术，分析隧道涌水的原因，选择合理有效的整治措施，进而减少涌水对施工及环境的影响。

1 隧道环境地质概况

1.1 工程概况

万开周家坝-浦里快速通道工程铁峰山隧道起点位于重庆市开州区长沙镇孟家院子，终点位于重庆市万州区天城镇万河村，该隧道左线 （K0+457～K9+685） 长9 228 m，右线（YK0+480～YK9+695） 长9 215 m，1#通风斜井左线长1 090 m、右线长1 140 m，1#斜井及风机房位于隧道主线K3+889段。

1.2 涌水情况

隧道从1#斜井小里程向大里程施工至ZK4+393段掌子面时，隧道出现高压涌水，涌水压力达1.6 MPa，最高时涌水量达891 m3/h，计21 384 m3/d。由于隧道主洞口与斜井之间隧道未贯通，涌水需通过斜井抽水设备提升140 m排除至隧道外，大量涌水导致施工现场停滞。

1.3 涌水段地质情况

铁峰山隧道左洞K4+182～K4+510段埋深513～570 m，根据详勘报告，该段地层为须家河组上统T3XJ地层，岩性为砂岩，夹少量页岩，岩石属于较坚硬岩，岩体呈层状结构，裂隙较发育，岩体较完整，属于III级围岩。K4+510后往大里程围岩为巴东组第三段（ T2b3） 为灰色薄～中厚层状微晶泥质灰岩夹页岩，含石膏结核，页岩主要集中在中上部及底部。

隧道上台阶施工至ZK4+393掌子面实际揭示围岩：拱顶围岩为砂岩夹炭质页岩，层理清晰，分层较明显，掌子面围岩为厚层砂岩，岩体较完整，属于较坚硬岩夹少量软岩。

2 施工地质预测

2.1 隧道水文及地质分析

由于掌子面处于三叠系须家河地层，含煤、瓦斯等，且即将进入巴东组第三段，隧道掘进过程中易出现大的不良水体，必须采用超前地质预报技术明确前方地质及水文情况。

超前地质预报流程：工程地质综合评估→长距离地质预报 （100～150 m） →短距离地质预报 （30 m） →超前钻探。

2.1.1 工程地质综合评估

通过地质素描及地勘资料综合评估隧道施工区发生各种地质灾害的可能性。

2.1.2 长距离地质预报 （100～150 m）

长距离超前地质预报国内外主要采用地震波勘探等仪器探测技术 （如HSP、TSP、TGP、TRT、TST等）。预测前方100～150 m范围内不良地质及水文情况；

2.1.3 短距离地质预报 （30 m）

主要采用红外线、地质雷达、瞬变电磁法和声波探测仪等手段，对前方30 m范围内地质情况进行探测，评定围岩级别。

2.1.4 超前钻探

通过钻探设备对前方掌子面围岩进行取样观测，直接判断围岩级别，能够直接发现前方是否存在断层破碎带、软弱围岩及富水情况，对富水段起到探水泄压目的，一般钻探深度在30 m左右。

2.2 超前地质预报的实施

2.2.1 TGP超前地质预报

发生涌水前已对K4+365～515段150 m 采用TGP206地震预报仪进行了预报，结果如下：

K4+365～K4+431段：围岩为中风化砂岩，夹少量页岩、煤层，节理、裂隙较发育，岩体完整性一般，自稳能力较好，岩体为较硬岩。基岩裂隙水较发育，呈渗流状产出。建议围岩级别为III级偏弱。

K4+431～K4+467段：推断为中～强风化砂岩及煤层，夹少量页岩，节理、裂隙较发育，岩体完整性较差，自稳能力较差，岩体为较硬岩～较软岩。基岩裂隙水较发育，呈渗流状产出。建议围岩级别为IV级。

K4+467～K4+515段：推断围岩为薄～中厚层状泥质灰岩、泥灰岩夹页岩，局部夹少量石膏、石膏脉，节理、裂隙较发育，岩体完整性较差，自稳能力较差，岩体为较硬岩。开挖后易掉块，基岩裂隙水较发育，呈渗流状产出。建议围岩级别为IV级。

2.2.2 红外探水

对K4+397掌子面采用进行红外探水，预测结论如下：掌子面红外辐射场强差值部分值大于允许的安全值10，且红外探测曲线前端波动较大，综合判断掌子面前方30 m范围内存在红外异常，可能存在大面积积水。

2.2.3 地质雷达

在红外探水的基础上再次对掌子面进行地质雷达探测，结果如下：岩性为砂岩，层状结果，岩体较完整，较坚硬岩，拱顶少量炭质岩，较破碎，易坍塌；掌子面前方7.5～13 m裂隙发育，0～22 m掌子面左半部大面积富水，22～27 m位置含水量较小。 地质雷达具体数据详见图1、图2。

图1 从右往左看

图2 从左往右看

2.2.4 超前探孔

对K4+397上台阶掌子面采用超前水平钻探测，先后均匀钻进6个Φ76 mm探孔，第一阶段钻进约6 m，其后钻至16.5 m，由于水压力较大无法继续钻进。从钻孔情况可见：

（1） 当各探孔钻至掌子面前方2.5～6 m时，先后遇到富水层，出现高压水，随着钻孔数量增加，后续钻孔水量增加，先行成孔水量有减小趋势；当掌子面中央孔深达到16.5 m时，水压力和水流量突然增大，水平水柱喷射距离稳定达8.4 m，并不见变化；

（2） 位于掌子面左半幅钻孔水量、水压明显高于右半幅，推测掌子面左半福节理裂隙更发育，渗水主要从掌子面左侧而来；

（3） 所有钻孔岩芯为砂岩，局部夹薄层页岩，岩层无空洞、溶蚀现象。

2.3 涌水分析与地质推测

（1） 通过以上探测结果验证，可以排除前方30 m内存在空腔或者溶腔的可能。

（2） 隧道涌水掌子面ZK4+393设计标高389 m。洞顶上原有废弃中宝煤矿采空区范围约为隧道ZK3+840-ZK4+890上方，采空区下界限标高为608 m，上界限标高为1 140 m。根据位于隧道洞顶中宝煤矿水位监测点数据可见隧道涌水对煤矿巷道出水量变化影响不大，隧道涌水与中宝煤矿如有联系，也是中宝煤矿坑道水通过岩层裂隙渗流至掌子面位置。

（3） 该涌水段已靠近须家河地层 （T3xj） 与巴东组第三段 （T2b3） 分界位置，由洞室开挖揭示情况看，岩层倾角较勘察成果缓，倾角仅15°。因此，可能提前进入巴东组第三段 （T2b3） 地层，其岩性泥质灰岩、泥灰岩为主，有揭示到岩溶水的可能，由于溶蚀轻微发育，不存在大规模突水突泥条件。

（4） 涌水推测为裂隙水，可能因为前方岩层为须家河组与巴东组接触带，受构造影响，造成掌子面前方范围存在富水裂隙带，水通过裂隙及钻孔渗入隧道内。

3 综合整治措施

为保证隧道安全施工，拟增加抽水设备，采用超前探水及地质预报、超前深孔帷幕注浆、调整开挖方法和支护参数，开挖后全环径向注浆，施作抗水压衬砌等措施进行处理。

3.1 超前深孔帷幕注浆

（1） 止浆墙设置。涌水段上台阶掌子面全面实施做C30砼止浆墙，止浆墙厚度2 m，增加掌子面锚杆锚固于止浆墙内，提高止浆墙稳定性，止浆墙面预留若干套管、排水管路并安装止水阀，控制泄水以减小涌水对止浆墙的压力。

（2） 钻孔布置。全断面注浆按照每30 m一循环，每循环分3段实施，第一环长10 m，第二环长20 m，第三环长30 m，注浆孔环向间距60 cm，每循环开挖25 m，保留5 m作为下一循环注浆止水岩盘（注浆孔布置图见图3） 。

图3 注浆孔布置

帷幕注浆采用76 mm地质钻机分段打孔，注浆范围为开挖轮廓线外5 m，浆液扩散半径约为2 m，孔底间距不大于3 m。

注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃玻镁度30～40 Be，双液体积比C/S=1.2，水灰比W/C=0.8，注浆压力1.3～1.5倍静水压力，注浆压力达设计终压后保持10 min或者每孔一分钟内注浆量低于10 L可以终止注浆。

注浆完成后，钻2个孔取芯观察浆液充填效果及孔内涌水情况以便确定是否继续加密注浆。

3.2 台阶分部开挖及抗水压衬砌

根据现掌子面情况，涌水均为掌子面左侧，右侧涌水量较小，且地质雷达显示前方围岩较破碎的特点，将原台阶开挖法变更为台阶分部法开挖，并视现场情况采用增设仰拱，遵循超前探水、短进尺、多炮孔、少装药原则进行开挖掘进。

考虑到双液浆堵水耐久性不高，后期衬砌可能承受较大水压，应采用抗水压衬砌结构进行加强。隧道涌水区加强段长度为涌水段及前后各15 m范围。

抗水压衬砌参数：隧道拱部120°范围内设置长5.0 m的Φ42超前小导管，小导管间距320 cm×40 cm （纵×环），28 cm厚C20喷砼，钢架采用I22a型钢钢架，系统锚杆采用4 m长的Φ25中空注浆锚杆，锚杆间距80 cm×100 cm （纵×环），隧道二衬采取80 cm厚的C35钢筋砼结构。

3.3 开挖后全断面径向注浆

帷幕注浆堵水主要解决开挖阶段水影响，并不能完全地将涌水封堵，二衬前，对该段围岩再次进行全环径向注浆，最大可能的封堵涌水，且能加固围岩。

径向注浆范围采用Φ42小导管，间距1.2 m×1.2 m，注浆管长度应根据岩石软硬程度、力学性质及水压力大小等条件，确保注浆加固圈围岩不因水压过大导致失稳破坏为原则，经受力计算后确定。

注浆浆液参数参照超前深孔帷幕注浆进行，注浆顺序由初支表面渗水较少的四周向涌水集中区进行注浆，注浆结束后，割除外露小导管，局部增加环向排水盲管，铺设土工布、防水板施做二次衬砌封闭。

4 结语

本文通过地质调查与超前地质预报技术，对隧道前方涌水段地质进行了综合分析预测，推断隧道涌水的形成原因，并采取了调整开挖工法，支护参数，设置抗水压衬砌及径向注浆等措施，保证了隧道的施工安全。按照以上施工方案，顺利度过了前方约100 m的隧道涌水区，开挖后围岩渗水量不大，通过岩层钻芯取样，注浆效果良好，浆液在岩石裂隙内充填良好，采用径向注浆堵水措施对局部初支表面渗水位置进行处理后，初支表面只有滴状渗水，二衬施工后经一年的观察，衬砌表面无开裂及渗水现象，施工经验可以为同类工程提供参考。