涌水隧道反坡施工技术与涌水处理措施研究

朱仁景 何孟黎 陈黎明

1. 招商局重庆交通科研设计院有限公司 重庆 400023 2. 重庆市轨道交通（集团）有限公司 重庆 401120

隧道是现代交通的重要组成部分，作为地下工程的一种，是利用天然地形地貌特征修建的地下通道，在隧道建设过程中，最常见的地质灾害就是涌水问题。随着我国经济和交通事业的快速发展，隧道建设工程中，特别是山区、丘陵、平原、草原等地区，经常出现隧道涌水问题，不仅严重影响施工进度和安全，而且还会造成重大经济损失。

目前在我国隧道工程施工过程中，主要采用明挖和洞身开挖工艺施工，由于对涌水的控制措施不到位，极易造成隧道涌水灾害。尤其是在隧道中采用反坡法施工时，由于对涌水问题认识不足或施工经验不足而出现的涌水、塌方等事故时有发生，因此提高对隧道涌水机理的认识，研究强涌水隧道反坡施工技术尤为重要[1]。针对巫溪隧道出口段左、右线掌子面施工超前水平钻孔时出现大量泥水涌出，为保证施工和后期运营安全，工程采用反坡施工技术与涌水处理措施对隧道泥水进行处理。

1 隧道工程概况

1.1 隧道基本情况

巫溪隧道为双向行驶的双洞四车道高速公路隧道，其左洞起讫里程为ZK2+960～ZK9+326，全长6366m；右洞起讫里程YK2+930～YK9+330，全长6400m，采用双向掘进施工，划分为进口段和出口段两个工区。巫溪隧道出口段工区左洞计划施工长度2553m，右洞计划施工长度2553m。

巫溪隧道纵断面为1.315%单向上坡，属较富水岩溶隧道，隧道长度较长，采用双向掘进施工，划分为进口段和出口段两个工区，进口工区为顺排施工，出口工区为反坡施工，反坡施工段（出口朝进口段）存在施工用水、围岩渗水及涌水突水聚集于掌子面附近的不利现象，施工排水压力大。

1.2 地质条件

1.2.1 工程地质条件

巫溪隧道出口右洞里程为ZK7+596，埋深约890m，衬砌类型为S3；右洞里程为YK7+628，衬砌类型为S3，埋深约900m。左右洞围岩均为P2m燧石团状灰岩，中-厚层状构造，较硬岩，岩体较完整，为裂隙块状结构[2]。

隧址区位于渝陕交界强烈切割的山岳地带，地形上中间高，两侧低，地貌上属构造侵蚀、溶蚀高中山地貌，以构造作用为主，受长期强烈剥蚀、溶蚀切割作用，隧道沿线山脊走向多呈东西向，隧道洞身沿线发育数条“Ⅴ”型冲沟，近东西向展布，部分为常年性流水溪沟，其余为季节性冲沟。巫溪隧道存在一条暗河，即剪刀峡暗河，位于F1断层附近。区内出露地层为嘉陵江组地层及二叠系页岩，从受地质构造和岩溶发育影响，发育有一暗河管道系统。

1.2.2 水文地质条件

北段隧址区出露地层限于第四系至古生界志留系。其中，基岩出露古生界志留系～中生界三叠系碎屑岩、碳酸盐岩，除个别碎屑岩地层外，基本为可溶岩地层覆盖区，且碎屑岩与碳酸盐岩的相间出露，决定了岩溶水与碎屑岩水相间分布的特点[3]。

据地下水赋存条件、水理性质及水力特征，隧址区地下水类型分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类基岩裂隙水和碳酸盐岩类岩溶水三类。其中，对隧道影响最大的是广泛分布的碳酸盐岩岩溶水，可进一步细分为两个亚类：碳酸盐岩裂隙溶洞水和碳酸盐岩、碎屑岩互层裂隙水。碎屑岩类基岩裂隙水主要分布于前河背斜核部，多为风化带网状裂隙水和构造裂隙水，赋存在地层浅部，对深部隧道影响并不显著，但可运移补给下游岩溶地层，间接影响隧道。

巫溪隧道出口段地质情况复杂，岩性主要为泥岩、砂岩及灰岩，岩层结构破碎，局部存在有断层带，局部发育有溶洞和裂隙。巫溪隧道出口段围岩总体上属于中等偏弱的围岩，且开挖后局部地段围岩压力较大，易造成突水突泥事故。巫溪隧道出口段左线大洞段掌子面施工超前水平钻钻孔时出现大量泥水涌出，且涌水量较大。在此情况下，为确保施工安全，工程决定采用反坡施工技术进行处理。

2 涌水隧道反坡施工技术

2.1 反坡施工方案

由于隧道穿越岩层属于软弱围岩，如果采用传统开挖方法，不仅无法达到设计要求，而且还会使隧道失稳，增加围岩失稳的危险性。因此，必须采用反坡施工方法。反坡法是利用山体天然的坡度，在施工过程中将山坡变成反坡，利用山体自然坡度、岩石裂隙等自然条件反坡，使隧道开挖时围岩自稳能力得到充分发挥。反坡法施工时可根据需要改变山体坡度，从而使山体形成反坡或斜坡。对山坡反坡时可利用一定的天然坡度将松散的地层填筑密实[4]；对斜坡反坡时可利用人工填土将软弱围岩加固并形成斜坡。

反坡施工是先开挖出一定的坡面形成反坡，再将边坡加固或开挖回填，反坡施工可以减少岩体风化作用和破坏作用，此外采用反坡法施工可以实现快速施工，缩短工期，提高功效。该施工方案可以有效减少对围岩的扰动，避免因隧道开挖后围岩的失稳而造成涌水，而且对围岩的扰动最小，避免了因围岩失稳而造成涌水；该施工方案可以有效地防止围岩的风化作用，从而防止因岩体风化作用而造成隧道失稳；在施工过程中，通过人工填土处理，可以有效地防止围岩的风化作用。

2.2 施工排水方式

巫溪隧道出口工区为反坡施工，洞内反坡排水应采用机械抽水，需配备足够的排水机械和管路。洞内反坡排水可根据距离、坡度、水量和设备情况等因素布置管路、水仓和泵站，在掌子面设置临时集水仓，其容积根据涌水量和水泵排水能力确定，结合涌水量预测建议集水仓不宜小于78m3，用潜水泵和辅助小水泵排至集水坑，再由主泵一次或分段接力将水经排水管排出洞外。反坡施工段机械排水能力不小于估算地下水量的1.5倍，并应有足够数量的备用抽水设备，同时满足施工要求。施工前，施工方应结合具体施工组织，根据现场实际距离、水量和设备情况等因素编制反坡施工排水专项方案，并根据施工中的变化及时调整排水能力。地下涌突水的发生具有突然性，对其主要以预防为主，做好超前地质预报与超前探水工作，通过各种手段预先探明掌子面前方的地下水情况，以提前引排或进行封堵[5]。

2.3 防排系统及支护形式

隧道开挖时应根据围岩情况选择支护形式，主要是初支和二衬，特别是初期支护。围岩为微风化花岗岩时，可采用锚喷支护；围岩为断层破碎带时，可采用钢筋混凝土衬砌；围岩为极软岩、全风化岩时应采用锚喷支护、钢筋混凝土衬砌和喷射混凝土加固等措施。

初期支护包括超前管棚、锚杆、钢筋网、喷射混凝土及型钢支撑等。施工中应根据隧道不同的地质情况采取不同的初期支护方式。掌子面前方主要为硬岩和微风化花岗岩，隧道开挖时可采用锚喷或钢筋网加强初期支护；掌子面前方为软岩层或全风化岩层，可采用超前管棚和超前小导管注浆加固[6]。

洞顶仰拱一般用砼进行回填，也可用钢管代替钢筋，或用钢拱架代替钢筋网，回填后应将洞顶和仰拱留设为施工缝。洞口段的初期支护可采用型钢钢架、锚杆和喷射混凝土。洞口段应根据围岩情况及时进行初期支护。

2.4 涌水处理措施

巫溪隧道纵断面为1.315%单向上坡，隧道长度较长，出口段为反坡施工段，存在涌水突水、施工用水及围岩渗水聚集于掌子面附近的不利现象，施工排水压力大，对人员及设备安全构成威胁。隧道在施工过程中，经常会遇到地下水涌出的情况，一旦处理不当，将会影响隧道的正常施工。在涌水严重的情况下，首先要考虑采用堵水的方法进行处理。（1）堵水可以使用水泥浆液或掺入速凝剂的砂浆等进行封堵。（2）设置导流洞可采用钢筋混凝土拱墙，在拱墙上设置引流槽。如果有必要，可以将水引出，并设置水泵等设施，以防止水从拱墙表面溢出。（3）如果涌水严重，需要在隧道中开挖一个集水井并将其与隧道相通。当集水井达到一定高度时，将水引出隧道外。然后可以使用钢管进行排水或通过其他渠道进行排水[7]。

为了确保安全和施工进度，还需要采取以下措施：（1）当涌水段出现较长时，可以采用“明挖法”施工，在开挖过程中应加强监控量测，根据情况及时调整开挖速度。（2）如果涌水较小，可采用“台阶法”进行开挖；如果涌水较大，可采用“暗挖法”进行开挖。（3）如果涌水段较长且水量较大，应采用“预加固后暗挖法”进行施工。

3 施工技术优化

3.1 注浆方案优化

3.1.1 超前预注浆方案

注浆方式采用前进式或全孔一次压入（后退）式。钻孔过程中未涌水的，就一钻到底，全孔一次压入式注浆；在钻孔过程中，如发现有水，即停止钻孔，采用注一段钻一段的前进式注浆，直到达到设计段长位置。在水压、水量较大的情况下，采用封层泄水减压、分层注浆方式。即下层管注浆，中层管放水；中层管注浆，上层管放水，这样逐层抬水，把水挤排到拱顶以上规定的止水固结圈外。

3.1.2 注浆技术要求

注浆孔采用单排梅花型布孔方式，梅花型布置每米不少于4个孔。注浆孔与注浆孔的距离宜为10～30cm。在施工过程中要加强对孔位、角度、深度、倾角等方面的检查，以保证注浆效果。

注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆进行注浆，水灰比为1:1。水灰比过大时，浆液会从注浆孔中流出，降低注浆效果；水灰比过小时，则难以达到预期的加固效果。注浆泵采用JW-60型混凝土泵。由于隧道反坡施工比较复杂，因此应加强对注浆泵的检查和维修工作，以确保其正常工作。

注浆顺序应遵循先小后大、先地表后深部、先深后浅的原则。根据围岩和设计要求确定注浆顺序。注浆时要严格控制注浆压力和注浆量，以防发生事故。注浆管应沿隧道纵向进行布设，并埋设于围岩中或混凝土结构中，保证注浆管的垂直度及与周围土体的距离符合设计要求。在围岩中埋设注浆管时应注意以下几点：一是在埋设注浆导管时应注意开挖轮廓线及其上下20m范围内的岩石裂隙；二是注浆管埋设应垂直于隧道开挖轮廓线；三是注浆管要有足够的强度和刚度，并随隧道开挖轮廓线进行移动。

3.2 反坡排水优化

根据涌水情况和现场地形条件，反坡施工采用排、截、堵相结合的方法进行排水。排：在反坡施工过程中，应首先对隧道掌子面前方进行全面检查，并在隧道上台阶开挖之前，将隧道掌子面前方的积水排出洞外。截：在反坡施工中，应及时对隧道掌子面前方的积水进行截除。堵：在隧道掌子面前方，应根据情况，及时采取注浆措施进行封堵。

3.2.1 排水系统

反坡施工过程中，在隧道上台阶开挖之前，应对隧道掌子面前方进行全面的检查，并根据实际情况在隧道上台阶预留一定数量的排水孔。在反坡施工中，这些排水孔可以收集隧道掌子面前方涌水和渗水，并将其排出洞外。同时，还应考虑到地下水的影响，并适当地留设排水管。

反坡施工过程中，应及时在隧道上台阶预留一定数量的排水孔，并将这些排水孔与排水沟连接起来。排水沟的长度应根据具体情况确定。排水管的长度应不小于2m，间距不大于10m。在反坡施工中，隧道上台阶开挖前应开挖足够数量的排水管来收集地表降水和地下水。

3.2.2 截水沟

截水沟设于隧道外轮廓线外5m处，用C25钢筋混凝土进行封闭。截水沟采用3m×3m的方形断面，以减少路面积水和地下水对地表沉降的影响；截水沟上应设5cm厚的C20钢筋混凝土盖板或50cm厚的混凝土盖板，以防止雨水直接冲刷路面。在隧道上台阶开挖前应开挖一定数量的截水沟；截水沟施工时应注意排水沟与路面之间的连接和处理，以免截水沟渗水和破坏路面；截水沟两侧应设5cm厚的混凝土防水板；截水沟中应设置集水设施，并将排出洞外的地表水引至隧道两侧集水坑内集中处理。当地下水较多时，截水沟中可设置反滤层，以减少地下水对地表沉降和隧道支护结构的影响。

4 结束语

综上所述，巫溪隧道出口工区为反坡施工，洞内反坡排水应采用机械抽水，需配备足够的排水机械和管路。地下涌突水的发生具有突然性，对其主要以预防为主，做好超前地质预报与超前探水工作，通过各种手段预先探明掌子面前方的地下水情况，以提前引排或进行封堵[8]。洞内反坡排水可根据距离、坡度、水量和设备情况等因素布置管路、水仓和泵站，在掌子面设置临时集水仓，其容积根据涌水量和水泵排水能力确定，用潜水泵和辅助小水泵排至集水坑，再由主泵一次或分段接力将水经排水管排出洞外。