隧道施工承压水突涌风险安全预控与抢险措施研究

陆成武

（贵州省公路工程集团有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

无论是地下轨道交通建设还是地上的山地隧道建设，施工中均需要进行承压水隔离承压，以防隧道垮塌和施工受阻。当然，在不同的地质条件下，不同地质体的承压水含水率不同，含水率高的承压水隧道可能会面临承压水饱和或施工条件突变，以致承压水发生突涌，出现重大事故。所以，在隧道施工中，我们需要根据隧道实际承压水含水量，采用合适的施工技术手段，应对承压水突涌问题，提前制定承压水突涌抢险措施，保证隧道施工安全[1]。

1 承压水对隧道的破坏形式及条件

承压水是一种位于地表之下，存在于两个稳定的隔水层之间，且独立承受于静水压力的重力水，它的形成关系到所在地区地质条件与地质发展历史，不同的地质发展条件存在不同含水量和含水性质的承压水，同时，它也是产生地下工程事故的主要因素之一，当隧道之中存在承压水，若对隧道某部位展开前进式挖掘，开挖的部位则减小了含水层之上的不透水层的厚度，随着开挖进度持续进行，隧道中的承压水所附带的水头压力会大于隧道侧面或底部的不透水层的重力或侧应力，造成隧道内承压水突涌。

经过调查研究及查阅相关文献，笔者总结出承压水造成隧道发生突涌的3 种表现形式。

（1）隧道内部岩壁被承压水顶裂，出现网状或树枝分叉状裂缝，地下承压水从裂缝中涌出，并夹带部分黏土和粉砂颗粒，呈浑浊性状流至地表。

（2）隧道内部侧面或底部发生流砂现象，造成隧道内部侧面或底部的整体稳定结构被破坏，整个隧道的整体稳定结构受到震动[2]。

（3）隧道底部发生不间断且持续性的局部“喷水”现象，使隧道底部积水，破坏隧道底部地基的稳定性，影响后续施工。所以，综合来看，隧道内部承压水对隧道本体的危害性较隧道内部的潜水更大。

若隧道中的承压水产生局部或整体突涌，必然是在开挖隧道过程中，隧道岩壁整体减薄，上覆或侧面岩层的局部压力小于承压水的水头所施加的压力所致。

2 隧道承压水影响因素及突涌原因

2.1 影响隧道突涌的因素

（1）承压水的水压力。承压水的水压力是隧道突涌的主要影响因素，一方面它作为一种直接面力作用于隧道的底部或侧面，对隧道底部或侧部的岩壁施加了一部分压力，另一方面，若承压水所在的底板或侧部因地质或施工原因产生裂隙后，隧道内的承压水与粉砂性黏土混合，共同涌出地表，影响施工进度[3]。在其他条件相同时，隧道内的承压水水头压力越大，隧道内发生突涌的可能性越大。

（2）隧道底板或侧部的隔水层的厚度及容水量。隧道底部或侧部的隔水层的厚度是隧道突涌的最重要的主导因素，隧道底部或侧部隔水层的厚度越大，隔水层的自重应力越大，同时，其所受的净荷载越小；另一方面，隧道内隔水层厚度越大，刚度也大，其抗变形和抗突涌能力也越强。在现行的隧道工程规范、教科书和工程设计施工手册里均采用经典的压力平衡理论，只考虑了承压含水层顶隔水层土体自重力引起的抗力。

（3）隧道底板或侧部的隔水层的抗剪强度指标。抗剪强度指标反映了隧道内岩体应对自然或施工剪力的抵抗能力，它也是隧道突涌的重要的主导因素之一，隧道内岩体的抗剪强度越大，隧道内突涌发生的可能性越小。

（4）隧道的平面尺寸。隧道的平面尺寸越大，周围的不良条件对隧道底板的集中性危害作用则越小，在其他条件一定时，这种情况下隧道内突涌形成的可能性增加。

（5）隧道内部纵深。隧道内部纵深影响隧道内上覆岩体的实际载荷，上覆岩体对隔水层周边存在约束作用，所以，隧道开挖深度越大，隧道深处的卸荷作用越显著。

（6）隧道底部或侧部隔水层的变形指标。隧道内部岩体变形指标的大小反映了隧道内部岩体变形的难易程度，变形指标越小，在相同力的作用下的挠曲强度越大。由于隧道内岩体的抗拉强度小，在挠曲强度不大时即可出现拉张裂缝，因此变形指标越小，越易形成突涌。

2.2 隧道突涌的原因分析

2.2.1 隧道内承压水的地质勘查不具体或存在错误

目前，深隧道工程在承压水勘察工作中的常见缺陷主要包括：勘探孔打入深度较浅，场地范围内承压水的分布和实际含量仅凭经验确定；在隧道挖掘之前，技术人员未探明隧道内部承压含水层和隧道隔水层之外的相邻含水层之间的水力大小关联与水层分布的关系，在当前技术条件下，技术人员提供的隧道内部承压水层水力参数（隧道岩壁渗透系数、隧道底板和侧部承压水头压力、隧道内储水系数）与实际情况存在差异，存在理论与实际不相符的情况[4]；另外，在隧道内部，承压水层的顶板埋深和“尖灭点”位置不准确会导致承压水层位置评估错误，严重则导致承压水层突涌入隧道。上述原因如果在施工过程中得不到重视，不采取措施予以解决，易致使工作人员在隧道设计和施工过程中对承压水未考虑或考虑不周，从而引发隧道内突涌，破坏隧道内部整体岩体稳定性。

2.2.2 隧道施工过程中存在超挖现象

考虑到开挖卸荷引起的隧道内部局部岩体回弹及隧道内部侧面岩壁围护结构侧向挤压引起的隆起变形，加之隧道内部大型器械机械施工难以精确控制开挖标高，以致隧道开挖过程中常会存在一定的超挖量，另外隧道内底板还会存在局部深开挖段，该部分的抗突涌稳定可能达不到实际抗突涌的要求，存在承压水突涌的风险。

2.2.3 隧道施工过程中减压井未能起作用

在隧道施工过程中，部分隧道需要采取一定的降压措施才能防止隧道内部地板和侧部突涌，但是，实际施工过程也不是一帆风顺，常出现停电或降压井堵塞等现场不利情况而使减承压水施工不能正常进行，或者使减承压水效果明显变差，使承压水水头压力仍然处于高位，未达施工设计的规定要求，若长时间未解决这类问题，严重则承压水水头压力回升，进一步导致承压水突涌。

2.2.4 隧道内部底板封固质量不佳

在隧道施工过程中，如果未提前采取隧道底部封固，则存在较大的承压水突涌隐患[5]。例如，在施工过程中，施工人员无法保证加水粉砂质黏土搅拌定位桩或高承压水承压旋喷桩的质量，可能存在未加固的部分区域，这一部分区域较其他区域受力薄弱，进一步可能成为隧道突涌的高发区域，所以需要提前采取相关措施，谨防事故发生。

3 隧道承压水安全风险预控

3.1 勘察风险控制要点

在隧道挖掘过程中，施工小组需严格按规范布置勘探工作量，对于宽度大于20m 的隧道内部应沿隧道内两侧对称布孔。详细勘查期间如现场条件受到限制，造成勘探孔距离大，或勘探孔距离隧道侧部较远的区域，在施工前应进行补勘，确保消除局部分布的承压含水层的风险源。承压含水层的岩层定名应根据野外记录、静探曲线以及室内试验结果综合确定，避免因土层定名与实际情况不符导致的承压含水层（尤其是微承压含水层）漏划的风险事件发生。

此外，针对静探探管倾斜，易导致承压含水层顶、底板埋深与实际情况不符的问题，进入暗绿色硬土层或贯入深度大于30m 时，应分次贯入下护套管；或采用测斜装置等措施，确保承压含水层分层深度的准确性。

3.2 水文资料不完整或不准确的风险控制要点

勘察人员应根据承压含水层分布特征及工程性质，分析判断承压水对工程的影响程度，盾构机进出洞时可能引发水土突涌，此时施工人员需要提前研判，应布置实测承压水水头的工作。在现场进行承压水水头观测时，施工人员应加强野外作业管理，严格按正确的操作规程施工，做好被观测承压含水层与其他含水层的隔水措施、孔内泥浆应清除干净。施工人员应连续观测至承压水水位稳定为止（根据含水层土性不同，一般观测时间需5~10d）。勘察报告除提供勘察期间的承压水水位外，还应收集区域承压水水位资料，以满足隧道内突涌评价应按不利组合考虑的要求（即按施工周期内可能出现的高水位进行评价）。此外，施工人员应进行现场渗透试验，综合室内渗透试验和现场注水试验综合确定土层渗透系数。对于不均匀土层，其渗透系数建议值应慎重。此外，施工管理人员需加强现场管理，现场作业应按正确的操作规程施工，清除孔内泥浆，以确保获得的含水层渗透系数的准确性。水文地质勘察中的抽水试验孔和观测孔均应按规范严格施工，如填砂砾应按试验目的层进行颗粒级分配设计。

3.3 承压水减压降水风险控制要点

设计人员应全面了解、掌握降水区域的地质及水文地质条件。在此基础上，应尽可能地进行三维地下水渗流关联设计。设计人员应在全面分析降水区域水文地质条件的基础上，选取能客观反映降水区域水文地质条件的地下水渗流模型，进行降水设计计算。对于复杂隧道掘进工程，降水设计方案应通过具丰富降水工程经验的专家组论证或鉴定。设计人员应充分了解围护结构特点及各工况条件，在此基础上确定降水方案并进行降水设计。承压水降水主要以满足盾构机进出洞要求和尽可能减少降水对周围环境影响为目的，因此，应提供不同工况条件下，满足盾构进出洞安全要求的不同降水方案。对不同的降水方案进行比较后，选取最佳方案。降水设计计算要留有一定的安全系数，此安全系数来自两个方面的考虑：①计算参数选取的精度及准确性。②隧道内降水区域的施工质量及成井后的运行质量、保护程度等。对盾构机进出洞承压水降水而言，其安全系数应大于1。

4 隧道承压水突涌抢险措施

（1）为了减少降水区域对周围环境的影响，施工过程中施工人员必须坚持三个降水原则：分层分步降水、按实际需求降水以及设计计划合理降水。降水深度要与隧道内的开挖深度保持一致，开挖深度越深，降低的水位则越低，以合理控制承压水对隧道整体结构施加的影响。

（2）为了提高隧道内突涌后的应急处置效率，抢险人员应尽量减短位于高层建筑物或重要场所附近的隧道内的承压水抽水时间。借助“互联网+”信息化设备，现场施工技术人员实时跟踪监测隧道内抽水区域的水位，若发现抽汲水泵与实际水位情况不相符，应及时调整抽水泵数量及抽水流量，按实际情况合理高效降水。

（3）在隧道内减压施工完成后应进行承压水区域抽水模拟实验，确定实际抢险过程中减压降水的运行参数。在降水抢险施工过程中，现场技术人员随开挖深度逐步降低承压水水头，确定抽水模拟结果。在控制承压水头足以满足隧道内结构稳定性要求的前提下，最大化减小承压水水位。

（4）在隧道施工过程中，为了避免承压水饱和充注隧道，应在临近敏感建筑物及重要管线周边开钻注水井，使隧道内的承压水改变流向，流入注水井中。此外，降水期间，施工技术人员应加强地表受承压水的影响监测，依据实际监测情况，合理选择降水措施，一般地，现场降水措施常采用抽灌一体化的方案。对于隧道内突涌通常采取的措施为内外注浆加压载加支撑的方法，现场施工人员应根据紧急情况采取“地面打孔与隧道内部注浆双管齐下，对漏水点加压加载水泥包”的方式，内外结合注浆，提高处置效率。

（5）关于注浆措施，本文提几点建议。在隧道内部注浆具有“方便、直接、见效快”等优点，可快速抢得宝贵时间，至少缩短3~5h 黄金时间。抢险时间每增加1h，风险就会增大很多。隧道相关的地面注浆可能涉及众多不明的地下管线和地面交通，甚至地面建筑和地下构筑物等。由于注浆施工确认确定时间长、成孔时间长、成孔困难（塌孔），从而丧失宝贵的抢险时间。所以，在实际注浆施工过程中，工作人员应优先采用“大流量”的注浆泵压注聚氨酯，可在较短时间内开始发泡，但在冬季应注意提高浆液温度，以达到速凝的效果。

5 结语

隧道内承压水控制不及时会对隧道施工产生不利影响，在实际施工过程中，施工技术人员应严格把控承压水的区域分布及属性，采取合理措施及时控制。本文介绍了隧道内承压水的破坏形式及条件，进一步介绍了承压水的影响因素及突涌原因，并对实际隧道施工过程提出安全风险管控措施及应急治理措施，以指导后续隧道施工。