深埋特长反坡隧道涌水综合治理方案及控制措施分析

■许伟敏

（1.福建省招标采购集团有限公司， 福州 350100； 2.福建省交通建设工程监理咨询有限公司， 福州 350100）

隧道涌水治理是公路工程建设中的常见问题，也是其中的重难点问题。 当隧道发生涌水时，若不能得到妥善治理，不仅会堵塞隧道、淹没设备、延误施工进度，更严重的将造成人员伤亡，引起重大安全事故。例如，2018 年6 月，贵州省贵阳至南宁客运专线朝阳隧道发生涌水造成2 名施工人员当场死亡，1 名施工人员抢救无效死亡；2019 年11 月，云南省云凤高速公路安石隧道发生突泥涌水，共造成12 人死亡、10 人受伤，直接经济损失2 525.01 万元；2021 年7 月15 日， 珠海市石景山施工隧道发生透水事故，致14 名被困人员全部遇难。 作为深埋特长隧道，在同一隧道中有可能会穿越各种复杂特殊的地质、地貌和构造，故遇到隧道涌水的风险性显著提升。 然而，因其自身的特殊性，较之于一般隧道，深埋特长反坡隧道的涌水治理更为棘手[1-2]。 因此，加强深埋特长反坡隧道的涌水治理研究，对保障隧道安全施工，避免造成进一步的安全事故具有重要的意义。

本研究结合文笔山1 号隧道涌水工程实例，介绍了该隧道涌水治理的综合技术方案，并对处理的各个工序进行了详细的探讨，以期为今后类似的深埋特长反坡隧道工程的涌水治理提供经验借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介

文笔山1 号隧道隶属于莆炎高速公路三明段，隧道位于福建省三明市大田县西园村，为双线分离式隧道，右线起迄里程：K218+571～K223+250，长4 679 m，最大埋深648 m；左线起迄里程：ZK218+577～ZK223+246，长4 669 m，最大埋深643 m。隧道右线纵坡为0.5%/5110 的单面上坡，隧道左线纵坡为0.5%/ 5107.43 的单面上坡。

1.2 地形、地貌、构造

该隧址范围内属中低山地貌， 地面高程600～1 320 m，山坡基岩出露较差，地表覆盖第四系坡洪积及残积土层， 植被发育。 隧区范围内发育一条F4-1 断层构造（与线路相交于K222+680 处，交角约40°），次级构造特征主要表现为砂岩与混合花岗岩侵入蚀变带、破碎岩体的节理密集带。 隧区地质构造较为简单。

1.3 水文、气候条件

文笔山1 号隧道地处沿海腹地山区，属中亚热带季风气候，年平均降雨量1 460～1 580 mm。

隧道范围内的地表水主要为溪沟水，地下水主要为基岩裂隙水和第四系孔隙水，以基岩裂隙水为主，赋存于混合花岗岩碎块状强风化及中、微风化层中。 其中，碎块状强风化岩体破碎，节理、裂隙十分发育，为相对较好的含水层；隧道洞身大部分处于中、微风化混合花岗岩层中，岩层强度高、致密，为相对隔水层，地下水弱发育。

1.4 涌水情况

2021 年4 月22 日下午， 文笔山1 号隧道出口左洞掌子面ZK222+286 处，掌子面出现涌水，初涌水时水质发黄夹泥且涌水压力较小，4 h 后水质变清。 因隧道左右洞出口均为反坡，涌水后洞内水位逐渐升高， 至次日凌晨洞内涌水漫流出左洞洞口向洞外流排， 现场采用浮标流速法计算涌水量约1 600 m3/h。

2021 年5 月14 日下午， 文笔山1 号隧道出口右洞掌子面YK222+270 处，掌子面下部突发涌水，涌水呈黄褐色夹泥水、水质浑浊且涌水压力和水量大，约50 min 掌子面涌水流至洞口漫流，估算水流量约22 000 m3/h，6 h 后水质变清。因左右洞在车行横洞和人行横洞处连通，右洞涌水涌向左洞，由左洞洞口流出，左洞洞口流出量大于右洞洞口流出量。

2 涌水原因及治理难点分析

结合地勘资料及现场涌水情况初步分析本次涌水的原因为： 基岩裂隙水在该段落富水条件好，隧道开挖使得基岩裂隙水通过围岩裂隙汇集并涌入隧道。 当然，也不排除地表水对基岩裂隙水的补给作用。

本工程涌水治理难点问题归纳如下：（1）隧道埋深大。文笔山1 号隧道左线最大埋深643 m，右线最大埋深648 m，属于深埋隧道。深埋隧道往往地下水位高，故水头压力大，发生涌水时，易造成更大的危害。（2）隧道长，涌水处距离隧道口远。文笔山1 号隧道左洞长4 669 m，右洞长4 679 m，属于特长隧道，涌水处距离隧道出口约960 m。因此会造成排水困难，排水过程中易发生淤积和堵塞；作业人员从隧道口进入到涌水处难度大。（3）隧道反坡。该隧道单向反坡向下掘进，纵坡坡度为5‰。相比于顺坡隧道， 反坡隧道不能借助重力势能实现水的自流，而需要采用机械（水泵）排水方式将涌水抽出洞口。当隧道长、超出水泵扬程时，还需设置多处集水坑，采用分段接力式排水，将加剧排水处理难度。 （4）围岩破碎。 左右洞掌子面所处位置为节理裂隙密集带，该段揭示为低阻带，岩体较破碎，且该段为高应力区，由于节理密集，可能会引起岩爆。 涌水后，围岩极易遇水软化或强度降低，会弱化围岩的自稳能力，从而造成围岩掉块或坍塌。 （5）污水排放要求高。 本隧道出口端位于东牙溪二级水源保护区内，在三明市沙溪河最上游， 污水排放须进行严格处理，排放要求高。

3 隧道涌水量预测

隧道涌水量包括最大涌水量和正常涌水量，最大涌水量是指隧道掘进过程中含水体涌水时的峰值涌水量，正常涌水量是指隧道掘进过程中遇到的含水体岩体涌水达到稳定或大致稳定时的涌水量[3]。 两者预测的涌水量计算方法如下。

3.1 最大涌水量计算

最大涌水量计算可参考古德曼经验公式[4]：

式中，q最大为隧道单位最大涌水量 （m3/h）； H为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离（m）；d 为隧道洞身横断面等价圆直径 （m）；K 为含水体渗透系数；L 为隧道通过某含水体的长度（m）。

3.2 正常涌水量计算

正常涌水量的计算可参考佐藤邦明经验公式[5]：

式中，q 为隧道单位正常涌水量（m3/h）；ε 为试验系数，一般取12.8；r0为隧道洞身断面的等价圆半径（m）[5]。

采用式（1）、式（2），含水体参数参照文献[4]取值，得到左洞最大涌水量为2 512 m3/h，正常涌水量为1 708 m3/h；右洞最大涌水量为23 784 m3/h，正常涌水量为1 924 m3/h。

隧道发生涌水后，采用浮标流速法测得左洞洞口涌水量和左右洞洞口合计涌水量变化情况（图1、图2）。 从图中可知，左洞涌水量和左右洞合计涌水量均在5 月15 日达到最大，分别为23 155 m3/h、26 336 m3/h。可以估计左洞最大涌水量为2 300 m3/h，左洞正常涌水量为1 500 m3/h； 右洞最大涌水量为21 700 m3/h，正常涌水量为2 000 m3/h。 对比计算和实测涌水量，两者结果相当。

图1 左洞洞口涌水量监测曲线

图2 左右洞洞口合计涌水量监测曲线

4 涌水治理方案设计

隧道涌水量大且涌水治理难度大，为此给出如下综合治理方案。

4.1 涌水反坡排水方案

该方案用于左右洞掌子面积水的抽排。

本隧道出口进洞100 m 范围为顺坡，100 m 至目前掌子面位置860 m 为反坡排水，纵坡为5‰，坡度较缓，采用“固定式集水坑+小集水泵+大功率自动排水系统泵站”的排水方式（图3）。 总体思路如下：第1 阶段，左右洞掌子面暂停施工，采用工字钢+砂袋将左右洞水系连通位置的车行横洞及人行横洞进行封堵。第2 阶段，右洞出水量约16 000 方/h，初步确定先进行洞口直排， 在各工作面积水较少、具备工作条件时，对掌子面未施工初支段落及已施工初支段落进行安全性检查，确定安全后进行掌子面本循环初支作业，完成初支段落根据现场情况采取5 m 径向注浆；左洞根据出水量约1 600 方/h 配置水泵抽排洞内水。 第3 阶段，过程中右洞出水量进行每日监测，出水量稳定后，确定水泵配置。

图3 反坡排水布置图

4.2 5 m 径向注浆方案

该方案用于靠近掌子面涌水前未完成初支在涌水后完成初支的段落的加强支护。

按照隧道围岩状况及渗水情况确定隧道注浆参数。 注浆孔采用风枪钻孔，钻孔直径52 mm，钻孔深度5 m，扩散半径1.5 m；孔口环向间距为：拱墙1.3 m，墙脚0.8 m，仰拱部1.6 m；孔底间距2 m×2 m（环向×纵向）呈梅花型布置。 孔口采用直径50 mm、管长1.5 m 的热轧无缝钢管，管口采取止浆措施。注浆材料采用水灰比为1 ∶1 水泥净浆， 水泥采用PO42.5 普通硅酸盐水泥， 注浆压力按大于环境水压的0.5～0.8 MPa。

图4 径向注浆钻孔平面图（全断面）

图5 径向注浆钻孔平面图（局部）

4.3 DCG 注浆方案

该方案用于掌子面前方未开挖段，且围岩破碎程度较高、涌水量较大的情况下的超前支护。

DCG 注浆每个大循环分为3 个小循环进行施工。每个大循环长度9 m，第1 个大循环开始前对掌子面前方围岩施做超前挂网喷浆封闭后，对掌子面2 m 范围围岩注浆加固作为初始止浆段， 注浆过程中保证下台阶2 m 范围浆液填充密实，保证止浆段稳定。 3 个小循环中，第1 个小循环钻设孔位为1#、3#、6#、8#、12#、14#、16#、19#、22#，共9 个 孔，注 浆完成后进行验证孔钻设，满足注浆效果后掌子面掘进3 m，初支完成后进行径向注浆（注浆孔浆液扩散半径1.5 m，按梅花形布置，注浆间距按2.0 m×3.0 m（环向×纵向）布置，注浆开孔直径52 mm，孔口设1.5 m 长Φ50 mm 热轧无缝钢管，壁厚3.5 mm），以补强开挖轮廓线外固结环完整性，保证其后期支撑能力； 第2 个小循环钻设孔位为2#、5#、9#、11#、17#、21#、23#、24#，共8 个孔位，其余同第1 个小循环；第3 个 小 循 环 钻 设 孔 位 为4#、7#、10#、13#、15#、18#、20#、25#，共8 个孔位，其余同第1 个小循环。钻孔平面图见图6，循环流程见图7。

图6 DCG 注浆钻孔平面图（以第1 循环为例）

图7 DCG 注浆循环流程

当后期开挖过程中揭示出的围岩破碎程度较低、涌水量较小的情况下，可以调整为超前周边注浆方案，至开挖过程中围岩出水量水压不影响正常施工后可取消掌子面预注浆。

4.4 超前周边注浆方案

该方案用于掌子面前方未开挖段落，且围岩破碎程度较低、涌水量较小的情况下的超前支护。

隧道开挖轮廓线外5 m 为注浆范围，每循环注浆30 m，开挖25 m，预留5 m 止浆岩盘，第1 循环注浆设置混凝土止浆墙。 注浆孔的浆液扩散半径2 m，孔底间距2.5 m，每循环设5 环，注浆开孔直径不小于108 mm，终孔直径不小于90 mm，梅花桩布置，孔口设5 m 长Ф127 注浆管，壁厚6 mm。由外向内的顺序进行钻孔和注浆，同一圈孔间隔施工。 每30 m 一个施工段并预留5 m 工作台； 开挖到25 m处， 采用地质雷达、TSP 及红外探水探测前方土质及地下水情况，并保留5 m 作为止浆墙。 再次注浆完成，土体达到一定强度后按常规暗挖进行后续施工。 钻孔平面图见图8。

图8 钻孔平面图

4.5 加强支护方案

该方案用于掌子面至仰拱初支已完成段落的加固处理，以补强涌水过渡段的支护能力。

4.5.1 左洞加强支护方案

（1）上台阶已支护段落（左侧桩号：ZK222+419～+287，长度132 m；右侧桩号：ZK222+424～+287，长度137 m；后期开挖的下台阶不在加固范围之内）采用4 m 长直径为22 mm 砂浆锚杆对初期支护拱架进行拱脚加固补强，每榀假设4 根锚杆于拱脚以上0.5 m 处，锚杆向下呈70°俯角设置，锚杆尾端采用L 型筋与拱架焊接牢固。 （2）掌子面往大里程方向50 m 段落（桩号：ZK222+337～+287）增设仰拱工字钢加强支护，工字钢型号为I16 工字钢。 （3）掌子面往大里程方向上台阶已支护地段50 m 段落（桩号：ZK222+337～+287） 采用1.5 m 长直径为50 mm 小导管径向注浆加固， 注浆间距按1.5 m×2.0 m （环向×纵向）布置，孔深为5 m，小导管壁厚为3.5 mm，管身注浆孔直径为6 mm、 间距按30 cm 梅花形布置，小导管尾端0.5 m 范围内可不设注浆孔。 （4）掌子面往大里程方向50 m 范围内 （桩号：ZK222+337～+287）二衬、仰拱钢筋加强，由原设计Φ18 mm钢筋改为Φ22 mm 钢筋。

4.5.2 右洞加强支护方案

（1）仰拱端头到拱架未变形段落（桩号：YK222+370～+346，长度24 m）采用4 m 长直径为22 mm 砂浆锚杆加固拱脚，直径为50 mm 小导管对初期支护进行径向注浆加固，加固方式均与左洞上台阶已支护地段加固方式相同。 同时，该段增设仰拱初支加强支护，工字钢型号采用I16 工字钢，二衬、仰拱钢筋加强， 由原设计Φ18 mm 钢筋改为Φ22 mm 钢筋。 （2）涌水后渣体堆积段落（YK222+346～+268，长度78 m），对洞内渣体堆积堵塞位置排险，采用5 m长直径为50 mm 的双层小导管超前支护加固拱顶后，对堆积渣体进行分台阶开挖，按照S5-1 支护参数进行初支，然后进行5 m 径向注浆。 对变形侵限拱架进行拆换， 对侵限部位按S5-1 轮廓线进行扩挖后，每循环更换1 榀钢拱架，更换一榀及时落底一榀。 顶部围岩与初支钢架空隙用刚楔楔紧使其支撑受力，防止塌方段漫延。 对塌落处空腔较深部位预留注浆孔后，喷射砼封闭坍塌部位及初支，对坍塌空腔较大部位进行注浆回填， 并按照S5-1 支护参数进行二衬支护（当不能保证施工安全时，需加强支护）。

5 控制措施分析

5.1 涌水治理控制措施

（1）严格落实涌水治理方案。 各项涌水治理方法应编制相应的治理方案，并做好施工技术交底并严格落实。 若发现现场涌水和隧道支护情况与方案不符的情况，应及时进行调整和变更，确保施工的质量和安全。（2）洞内外安全监控。洞内要做好各施工工作面涌水量监测、正洞涌水点监测、集中出水点监测，洞身涌水动态监测，重点关注水量、水压、水质、泥沙含量等情况。 洞外要做好大气降水监测、地表洼地监测， 重点关注地表水通过地表缺陷灌（渗）入正洞。 在此基础上，建立施工期间的洞内外气象、水力联动机制。 （3）做好污水排放前净化处理。 在洞口外侧布置多级沉淀池、一整套污水处理及净化处理设备， 需要排放的水经过处理后，对生产用水进行净化处理，排放前必须进行检测，达到排放标准后方可排放。

5.2 施工过程控制措施

（1）严格按照施工图纸施工。 在施工过程中，严格按照设计图纸的要求进行施工，严格控制开挖进尺。 在开挖过程中，开挖方法应根据现场围岩实际情况确定，如发现现场围岩情况与设计不符，应及时进行设计变更， 确保隧道的施工质量和安全，并做好支护。（2）监控量测与超前地质预报。一是制定掌子面观察、TSP 和超前水平钻孔相结合超前预测预报措施，进一步探明断层破碎带位置、倾角、破碎程度，以及地下水发育程度。 二是根据超前地质预报结果，施工采用加强超前支护和掌子面超前帷幕注浆等措施避免发生塌方、涌水、涌沙等工程灾害，确保现场施工安全。 （3）当遇到涌水量陡增、围岩变形过大等情况时，应暂停施工，并采取相应措施，确保安全后方可恢复施工。

5.3 工程质量控制措施

（1）全面控制施工过程。 具体措施有：工序交接有检查；技术措施有交底；隐蔽工程有验收；钢筋代换有制度；质量预控有对策；图纸会审有记录；计量器具校正有复校；质量事故处理有复查；施工项目有方案；配制材料有试验；设计变更有手续。 （2）原材料质量把控。 隧道施工中常用的防水卷材、土工布以及透水管，涌水治理中用到的注浆材料，都应检验合格后，报监理方同意，方可进场。 （3）做好浸水段二衬的质量检测。 二衬浸水后，可能会导致二衬强度降低，应做好二衬强度的检测。 若出现二衬强度降低（低于原二衬强度的90%）的情况，应采取相应措施对二衬进行补强。

5.4 安全问题控制措施

（1）坚持“安全第一，预防为主，综合治理”的方针。 严格执行交通运输部和当地有关文件规定。 落实“六不准”，杜绝重大安全事故发生。 （2）建立健全安全保证体系，建立安全责任制，开展安全教育，强化安全意识，加强安全监督检查。 （3）做好安全防范措施。 不排除后期临近雨季，还会发生大规模涌水现象。 因此要做好安全交底，进行定期或不定期检查排水设备，提高防范意识。

6 治理效果及工程意义

文笔山1 号隧道自涌水发生后立即展开涌水治理工作， 于2021 年5 月至7 月期间依次制定并落实各项涌水治理方案。 自2021 年7 月中旬后，涌水量明显减小， 达到了隧道继续开挖的施工条件，隧道支护结构稳定，无明显变形、开裂现象，最终顺利完成本段涌水治理（图9～10）。

图9 注浆效果现场图

图10 隧道拱顶沉降变形（以ZK222+290 断面为例）

作为少有的深埋特长反坡隧道涌水治理案例，本工程通过制定合理的涌水治理方案，采取严格的控制措施，解决了工程实际问题，避免了安全事故发生，未对社会造成重大影响，可为今后类似工程提供经验借鉴。

7 结语

（1）深埋特长反坡隧道会存在地下水水头压力大、排水过程易发生淤积和堵塞、排水困难、作业人员从隧道口进入到涌水处难度大等诸多问题。 施工过程中应根据工程实际情况， 制定相应的治理方案。 （2）本研究介绍的几种治理方案，施工现场依据不同的隧道段落、涌水量大小、围岩破碎程度等情况进行选择。 其他类似的深埋特长反坡隧道工程的涌水治理可参照着选择适宜的治理方案。 （3）涌水量预测可采用地下径流模数法、裘布依公式、 古德曼公式、经验公式等。 不同的计算方法，理论基础及计算参数各不相同，所得涌水量预测结果也各不一样，应结合实际情况采用适宜的计算方法。 本研究涌水量预测结果仅用于案例中涌水治理方案制定做数据参考。 （4）当涌水量大、二衬发生浸水时，建议对浸水段二衬做强度检测，如强度降低，应做补强措施。