复杂地质条件下隧道塌方涌水处理技术

吴双良

（福建省交通规划设计院有限公司，福建 福州 350004）

1 工程概况

某隧道工程所在地地质条件复杂，在6月份施工中出现了持续掉块现象，施工单位停止了掘进施工，并做好掌子面的喷浆封闭。一周后，施工单位在该隧道的进口处使用挖掘机进行开挖，开展下台阶出渣作业。整个作业过程中也伴随着掉块，同时洞内出现了塌方涌水，危及现场施工人员。施工单位出于安全考虑，及时撤离了所有工作人员。由于塌方涌水，施工单位没能及时用格栅、拱架进行支护，仓促撤退中导致了安全隐患的持续。此次隧道塌方全长8.5m，造成的后果极为严重，给施工单位带来了很大的经济损失，同时影响了施工工期。

2 事故成因分析

2.1 地质因素

在隧道开挖过程中，地质因素是导致复杂地质条件下隧道出现塌方涌水的关键因素之一。该隧址存在软岩，也称软弱围岩。软岩由于受到风化侵蚀比较严重，强度较低，孔隙较疏松。部分围岩开挖之后，剩下的围岩将失去支撑力，使得岩土向洞身的方向施加压力，从而容易导致软岩出现变形。特别是当支撑隧道洞身的位置发生变化，将会形成临空洞壁，从而导致围岩自身应力改变，并且向隧道洞身方向发展，进而导致隧道塌方。

2.2 地下水和地表水因素

这一段隧道位于两座高山之间，处于一个沟谷中，常年受到雨水冲刷，整体已形成流水冲沟，岩体质量较差，再加上6 月是雨季，该区域非常容易出现渗水，这就造成很多围岩出现了裂隙，给施工增加了很大的难度。

2.3 设计因素

在公路隧道的设计阶段，对于地质情况的勘探至关重要，这直接关系到复杂地质条件下公路隧道的施工工艺和施工方法。科学合理的设计方案可以有效避免隧道涌水塌方的出现。但是由于复杂地质条件下的隧道围岩类型较多，深层围岩特性存在差异，因此，在施工的过程中，可能存在围岩特性与设计图纸存在差异的情况。甚至由于勘察设计工作不到位或受地质条件影响而没有发现小型溶洞，从而导致施工过程中出现涌水引起隧道塌方。也可能勘察设计过程中发现了溶洞，但是对于溶洞大小以及可能出现的涌水量预估不足，涌水处理方案设计不合理，从而导致隧道施工过程中出现涌水塌方。因此，设计因素是导致复杂地质条件下出现隧道塌方涌水的关键因素之一。需要细化设计方案，一旦施工过程中出现实际地质与设计不符的情况，应及时调整设计方案。

2.4 施工因素

公路隧道施工过程中，由于机械开挖或爆破会对岩土产生一定的扰动，从而使得岩土内部产生应力，使岩土出现失稳。特别是有些公路隧道的软岩存在塑性屈服等破坏状态，应力拱圈的半径较大，会使得隧道初期支护的荷载较大。另外，在隧道开挖施工过程中，对围岩变形的控制难度较大，通常会遵循先简单、后复杂的开挖原则，但是在开挖过程中需要严格控制开挖流程，随着开挖深度的增大，不确定因素也在增加，开挖难度相应增大。一旦出现开挖封闭不及时等情况，将会导致软岩受到水、空气等因素影响，进一步扩大松动圈，从而降低环状支护的应力。

2.5 超前地质预报原因

公路隧道施工过程中若出现掉块现象，相关部门应对工程施工前的准备工作进行详细调查，若发现是由于超前预报人员对现场的地质情况调查不充分所导致，应该追究相关人员的责任，重新对超前地质预报进行审核，修改施工方案。

3 隧道塌方涌水的特征及涌水量预测

3.1 隧道塌方涌水的特征

公路隧道塌方涌水中，含有密度较高的细小石英颗粒，涌水高峰期呈喷射状，并且水压较大，无浑浊。如果涌水出现的地方比较分散，还会形成空洞区，主要出现在隧洞的左侧。在隧道中间拱状部分还会出现滴水现象。其中，隧道穿越含水层岩性及汇水面积如表1所示。

表1 隧道穿越含水层岩性及汇水面积

3.2 涌水量预测

采用大气降水入渗系数法计算涌水量时，需要选择合理的计算公式与参数。采用多年来最大降水量资料，经过相关计算能够得出，该隧道的正常涌水量为9 752.41m3/d，最大涌水量为29 257.22m3/d。采用地下水径流模数法计算时，研究人员需要结合该隧道工程软弱围岩的分布情况，选择合理的计算参数，并做好相应的预测工作。采用地下水径流模数法计算得出，该隧道工程中的正常涌水量为6 367.90m3/d，最大涌水量为19 103.69 m3/d。具体数据见表2。

表2 隧道穿越含水层水文参数及涌水量预测

当时主要为多雨天气，因此，采用大气降水入渗法计算能够有效保证计算结果的准确性。

4 复杂地质条件下隧道塌方涌水处理技术

复杂地质条件下隧道塌方涌水处理中，关键是做好塌方注浆。注浆施工工艺流程如图1所示。同时，还需要重点掌握加固掌子面技术、小导管注浆技术、洞口大管棚施工技术、短进尺施工技术、控制拱脚下沉技术等，从而有效确保隧道塌方涌水处理效果。

图1 隧道塌方涌水注浆施工工艺流程

4.1 加固掌子面技术

对掌子面表层发生涌水的裂缝进行封堵。对下台阶和掌子面裂缝进行封堵后，埋设注浆导管。对于下台阶，应该将注浆导管埋设到隧道拱底以下，并且采用棉纱封堵管口，确保下台阶开挖的稳定性。对于掌子面的固定，应该将注浆管伸入掌子面的表面，采用10cm 厚的混凝土对掌子面进行封闭，待混凝土强度达到设计要求后，采用角撑架对掌子面进行固定，从而确保岩体的稳定性。

4.2 小导管注浆技术

小导管注浆是隧道塌方涌水治理的关键施工工序。采用多台钻机对隧道岩土进行钻孔，插入小导管后，进行注浆操作，确保岩土的稳定。特别是在复杂地质条件下，通常借用注浆压力将带有围岩胶的浆体渗透到碎石裂缝中，使得碎石黏结在一起，从而增加岩土的稳定性。采用小导管注浆技术会在隧道支护围岩中形成一层加固带，从而减小了岩土的渗水系数，减少了地下水对围岩的影响，增加了开挖岩土的稳定性。

4.3 洞口大管棚施工技术

施工单位根据现场状况做好洞口的大管棚支护。采用19 根15m 长的管道，间距为50cm，角度为1～3°，根据实际情况调整每一个管道的角度。由于洞口段覆盖层浅，采用管棚技术可加强防护，用以加固和支护围岩，确保安全进洞和顺利掘进。管棚施工与注浆应同时进行。

4.3.1 大管棚的加工制作

大管棚加工需要重视每一个管道的尺寸，以更好地实现无缝加工。注浆孔的孔径保持在10～16mm，孔的间距在150mm 左右，呈梅花形分布。要注意预留钻孔的位置，钻孔间距保持在150cm左右。大管棚用钢管的构造如图2所示，钢管的分布如图3所示。

图2 钢管构造图

图3 钢管分布图

4.3.2 钻孔

钻孔时注意使用测量仪器以保证测定的位置精准。钻孔过程中一旦发现问题要及时处理。

4.3.3 清孔及验孔

及时做好清孔工作，清除浮渣，使孔径、孔深都达到设计要求，不出现堵孔的情况，并对钻孔、清孔情况进行验收。

4.3.4 管棚封焊

在管棚外侧末端焊接钢板，钢板的尺寸应符合施工设计要求。在钢板中心钻孔，同时焊接阀门。完成施工后需要立刻关闭阀门，以防止浆液外溢。

4.3.5 封孔注浆

通常来说，注浆顺序为先下后上，同时要注意跳孔注浆。工作人员可以同时灌注4个小导管，保证注浆材料与水泥浆的比例维持在1∶1。注意将水泥浆初压压力控制在0.5～1.0 MPa左右，终压压力控制在2MPa左右，整个过程持续15min。

4.4 短进尺施工技术

在充填岩溶区施工完以后，应采用数字钻孔摄像或物探的方式对隧道支护结构外形成腔体的充填情况进行检测。当支护结构上堆积松散岩土体厚度在6m 以上，可通过水泥-水玻璃双液浆注浆的方法对支护结构外6m 范围内的岩土体进行加固处理，以提升其稳定性和承载能力，并缓解后续垮塌岩土体冲击隧道支护结构的压力。若支护结构上堆积松散岩土体厚度在6m 以下，则按照由里到外的顺序进行双液注浆加固层、泵填泡沫混凝土、吹填细砂或粉煤灰。

4.5 控制拱脚下沉技术

架设钢拱架或格栅拱架后，在拱脚底部打入锁脚锚杆，锚杆长度一般为3.5～4m，采用直径为22m 的钢筋或钢管，角度分别为40°和70°。将锁脚锚杆与钢拱架或格栅拱架焊接牢固，再进行隧道开挖。

5 结语

综上所述，在复杂地质条件下公路隧道施工过程中，导致塌方涌水的因素很多，主要是地质条件、地下水和地表水、设计、施工、超前地质预报等方面的原因。若塌方涌水处理不及时，将会破坏生态环境，甚至导致严重的安全事故。因此，在复杂地质条件下公路隧道施工之前，应该重点做好地质勘察工作，对施工过程中可能出现的各种事故做好应急预案，一旦出现问题，及时采取有效措施进行处置，减少事故带来的影响，确保施工安全和施工质量。