隧道富水段突水处治及施工优化

文章编号：1009-6582（2020）06-0219-05
DOI:10.13807/ki.mtt.2020.06.030
修改稿返回日期：2020-10-22
作者简介：郭庆军(1978-），男，工程师，主要从事施工及技术管理工作，E-摘要文章以湘桂铁路扩改工程观音岩隧道穿越富水段施工为工程背景，介绍了施工过程中富水段超前地
质预报方法，并针对隧道开挖过程中出现的突水、突泥现象，采用挂网喷锚、混凝土封堵墙、砂浆锚杆、帷幕注浆和超前中管棚等综合技术手段进行处治。

根据超前地质预报结果，对隧道穿越强富水段的防排水措施及施工方案进行了优化，确保了隧道施工以及后期运营的安全。

关键词
铁路隧道隧道突水施工技术富水隧道扩改工程
中图分类号：U459.2
文献标识码：A
隧道富水段突水处治及施工优化
郭庆军
（中铁十八局集团有限公司，天津300350）
1引言
湘桂铁路是国家八纵八横铁路网之一——大湛
铁路通道的重要组成部分，湘桂铁路扩能改造工程，对于完善国家铁路网络，提高区域运输能力，促进地方经济发展，加强国际经贸交流，具有十分重要的现实意义。

铁路扩改工程常常面临工程地质条件复杂、环保要求高、施工难度大等技术难题，扩改项目隧道通过岩体破碎段时，由于破碎岩体极易富水，常遭遇突水突泥等地质灾害。

鲜国等[1]
对强富水隧道下穿河流段突涌水灾害综合防控方法展开研究，并取得了较好的实际应用效果；杨添任等[2]融合TBM 设计和超前地质预报技术，设计了一套综合地质预报系统，可用于隧道含水地质构造的探测；包德勇[3]依托青云山隧道对高压富水断层破碎带突涌水的特征及原因进行了综合分析，论述了保证隧道施工安全的综合工程措施；罗文艺[4]对隧道涌水形式、涌水量、压力大小等涌水特征进行综合分析，系统总结了岩溶突涌水系统辨识的方法和技术；李利平等[5]分类归纳了10余种常见的突涌水灾害防突厚度计算方法，并将突涌水灾害类型分为两大类。

而关于扩改工程
隧道穿越富水段施工技术的分析研究资料相对较少。

本文结合湘桂铁路观音岩隧道富水破碎段施工，详细分析了隧道施工过程中遭遇突水突泥现象时的处治措施，确保隧道穿越强富水段的施工安全，满足隧道运营后上不漏水、下不渗水的排水要求，实际应用效果较优，可为类似的富水段隧道施工提供工程借鉴。

2工程概况
观音岩隧道位于广西壮族自治区永福县广福乡
境内，全长6292m ，是湘桂铁路最长的一座隧道，也是湘桂铁路唯一的一座无碴轨道式隧道，隧道起讫里程分别为DK415＋600~DK421＋892。

隧道进、出口地表水较发育，洞身山沟有地表水，水流量大，隧道地下水补给条件良好，平均涌水量Q ＝9800m 3/d 。

隧道上覆土主要有第四系全新统崩坡积（Q 4dl+col ）粉质粘土、粗角砾土，冲洪积（Q 4al+pl ）卵石土，坡残积（Q 4dl+el ）粉质粘土，下伏下泥盆统莲花山组（D l ）砂岩夹页岩及寒武系清溪组下段（C q ）砂岩夹页岩、硅质岩，偶夹炭质页岩。

地形地貌为剥蚀中低山
地貌，绝对高程为160~700m，局部相对高差最大达
460m，自然坡度20°~40°，河谷深切，局部形成陡崖。

洞身穿过的山林植被很发育，坡面一般覆土较薄，环
保要求高，岩体破碎，富水性好，属地质复杂、施工风
险高、难度大的长大隧道。

3超前地质预报
3.1超前地质预报技术
在隧道施工中，由于不可预见的因素较多，加之
设计精度的限制和地质勘察工作困难，设计提供的
地质资料常常遗漏一些不良地质体，围岩类别也常
常不能准确确定，施工往往处于盲目状态，一些突发
事故也在所难免。

在隧道开挖过程中，采用超前地
质预报手段对开挖前方的地质条件进行预报是保证
隧道安全施工的重要环节，目前常用于隧道富水段
的超前地质预报技术手段见表1[6~12]。

表1隧道富水段超前地质预报技术
Table1Advanced geological prediction technology for the tunnel water-rich section
为保证观音岩隧道安全顺利地进行施工，避免
突发事故的发生，防止塌方等灾害，采用了长短预报
相结合的方法对观音岩隧道富水段进行超前地质预
报。

3.2短距离超前预报
在观音岩隧道施工期间，工作面短距离预报主
要以开挖钻孔中的ϕ42超前水平钻孔（5m）结合地
质雷达和红外探水法为主。

首先利用地质雷达和红
外探水的技术方法，确定隧道前方是否有富水或破
碎带的不良地质构造，再采用ϕ42超前水平钻孔的
方式进行直观的探测。

3.3长距离超前预报
在工作面短距离预报的基础上，每隔100~150
m进行长距离地质超前预报。

观音岩隧道长距离地
质预报采用ϕ75超前水平探孔，超前水平钻孔设于
隧道拱部，每个断面不少于3个探孔，每循环孔深为
30m，前后两循环钻孔搭接长度为5m，即每25m一
个循环，以查明地质构造位置、地下水发育程度等。

地质雷达/红外探水+工作面短探孔+地质长钻
孔四种探测方法相结合，保证了地质预报的准确性，
根据预报结果，采用合理、有效的支护措施，保证了
施工安全及施工质量。

4突水、突泥处治技术
4.1突水、突泥过程
观音岩隧道上台阶开挖至DK418+344处时，隧
道埋深为160m，出碴期间掌子面位置发生突水突
泥，经监测水流量达到1080m3/h（约2.6万m3/d），并
夹大量的泥和砂，突泥量达1000m3。

分析事故原因为，隧道开挖后，围岩应力改变，
掌子面上方富水构造泄露，加之围岩岩体破碎，又有
隧道上方水源对隐伏破碎带进行水流补给，在流水
作用下，岩体中细小物质被裹挟流失，导致地层围岩
形成空腔，进一步提供了突水、突泥条件，最终导致
超前支护失稳，发生突水、突泥事故。

4.2突水、突泥施工处治工艺
为确保施工安全和进度，采用多种施工工艺进
行突水紧急处理，突水、突泥施工处治工艺总体施
工方案流程为：掌子面封闭反压→空腔体混凝土回
填→混凝土墙封堵→钻孔排水管→帷幕注浆。

具
体实施如下：
（1）封闭反压。

对掌子面突泥堆积体进行挂网
喷锚，使其固结，使用编织袋装泥土封堵掌子面，并
预留注浆管，对拱顶孔洞回填混凝土进行封闭。

（2）混凝土回填。

安装混凝土输送管，输送管
前端连接ϕ133无缝钢管，后端连接混凝土泵送管，
总长8m，全部伸入空腔之内，泵送混凝土回填空腔
部分。

由于水流量和水压太大，泵送混凝土回填不
能达到处治要求。

（3）混凝土封堵墙。

泵送混凝土回填失效后，
经建设指挥部研究讨论决定于DK418+346处设置
一道C25混凝土封堵墙，墙厚0.6m，并与周边岩体
加强连接，封堵墙与周边岩体设置ϕ22砂浆锚杆，环
向间距1m，锚杆长2m，锚杆埋入岩体深度1m。

（4）排水管及帷幕注浆。

在DK418+356处向小
里程方向钻凿ϕ108超前钻孔并设置排水管以引排
地下水，超前钻孔长30～35m，环向间距1m，外插
角15°～20°，设置范围为拱部180°。

对DK418+346
～DK418+311段进行帷幕注浆，共设2环，每循环注
浆长度为20m，第一段注浆加固后开挖15m，剩余
5m为第二段止浆岩盘，注浆加固圈为开挖轮廓线
外5m。

4.3开挖支护
为了确保隧道在通过破碎富水带地段时的开
挖安全，观音岩隧道采用超前中管棚进行预支护以
增强地层承载力[13~15]。

开挖前对不良地质体进行超
前支护、注浆改良，待注浆改良完成后，于DK418+
346～DK418+326段施作超前中管棚，管棚采用ϕ76
钢管（壁厚5mm），管棚每环长度15m，搭接长度为
5m，环向间距30cm，在拱部180°范围施作。

DK418+346～DK418+326段采用中隔壁法分部
开挖，及时施作初期支护，确保支护及时封闭成环。

同时，本段采用全环I20b型钢钢架加强支护，钢架
间距0.6m，二次衬砌采用V级复合式加强衬砌。

5强富水段施工优化
5.1富水段防排水施工关键工艺
观音岩隧道在通过DK416+900~990段时，在掌
子面附近实测涌水量为6245.78m3/d，涌水规模大，
多次有水呈股状涌出，并有一定的承压性。

如何确
保隧道在施作二次衬砌后不出现渗漏水，尤其是要
保证在强富水段施工时衬砌背后的水能顺利排出
隧道，是整个隧道施工过程中必须解决的一个重要
问题。

因此，在施作隧道防排水工序时，除按原设
计的图纸要求施工外，还需对工序质量进行严格控
制，加强局部强富水段的防排水措施，如加密环向
盲管、排水支管和加强防水板焊接气密性检测等措
施。

（1）每次开挖前在掌子面打设5~7个超前炮孔
进行水压释放，并在围岩渗水较多处埋设环向ϕ50
盲管进行集中引排，同时盲管必须用土工布进行包
裹，防止盲管在喷射混凝土时被堵塞，确保裂隙水
在初期支护施作后能及时排出；
（2）在喷射混凝土之前确保ϕ50盲管及时引
出，且上下台阶埋设的盲管最好在同一个断面上，
确保在二次衬砌施工时环向盲管的设置能更好地
起到作用，喷射混凝土必须密实，避免初期支护背
后存在空洞，造成积水形成人为水压；
（3）在每次施工仰拱前，要施作临时水坑及水
沟，对水进行集中引排，并在上台阶的两侧各设置
一道临时排水沟，在上台阶和已浇筑完成的仰拱之
间的两侧各设置一道水沟，水沟的骨架利用系统锚
杆和钢筋焊接而成，并在骨架上铺设防水板，确保
上台阶90%以上的水直接通过临时水沟排入隧道
中心排水沟，同时还需确保仰拱混凝土在凝固前不
被水浸泡；
（4）为防止水从纵向施工缝渗出，在仰拱施工
时除按设计要求设置止水带外，需在仰拱纵向施工
缝处预留防水板，防水板紧贴初期支护面，并埋入
仰拱填充面以下50cm左右，且保证防水板在仰拱
填充面以上预留搭接长度不少于1m。

防水板施工
前每1.5m设置一道ϕ100环向盲管，在设置环向盲
管的位置相对应在仰拱填充中必须预留内径不小
于100mm的钢管作为横向盲沟（如果流水量过大，
环向盲管必须加密，环向盲管的加密需根据施工段
最大涌水量并留有一定的富余量考虑），确保80%
以上的水直接通过二次衬砌背后的盲管排入中心
水沟，保证排水畅通；
（5）纵向透水盲管由一道增加至两道，且纵向
盲管也必须保证每隔2m有一处泄水孔，防止盲管
中的水因为排水不通而形成人为水压，从混凝土中
挤出，且设计泄水孔时必须保证拆模后流水畅通。

考虑到有些地方水压较大，在施工防水板时除严格
按照设计和规范要求施工，保证焊接牢固外，在必
要的时候须考虑设置双层防水板。

5.2优化施工方案
在隧道穿过强富水段施工过程中，考虑排水措
施时，应尽量考虑将衬砌背后的水直接引入中心水
沟，尽量减少水沟电缆槽侧沟的排水压力，防止因为
排水不及时，而人为地造成衬砌背后积水和形成水
压，满足隧道运营后上不漏水、下不渗水的排水要
求，从而确保隧道运营正常，安全可靠。

原设计为解决观音岩隧道出口施工场地以及避
免洞内水大量冲刷桥台，在出口端线路左侧设横洞
一座，横洞与左线线路相交里程为DK421+780，横
洞与线路柳州端平面交角为75°，长106m，纵向坡
度为-6‰，采用单车道无轨运输，断面尺寸为4.7m
（宽）×6m（高）。

后经建设指挥部和项目部在现场
反复勘测，在观音岩隧道出口线路左侧500m左右
大邦河河岸开辟出一处平坦空地，可以有效地解决
施工场地问题，施工便道可以修至隧道出口端。

洞
内中心水沟及侧沟汇水可以通过洞口横向排水管引
排至桥台影响范围之外，砌筑吊沟引排至大邦河河
道内，能很好地将洞内水排出且不会对榕树坪大桥
0#台及1#墩承台造成冲刷。

经过建设指挥部和设计
院同意后将3#横洞取消，在保证隧道施工安全的前
提下，既节省了投资又加快了施工进度。

6结论与讨论
通过对湘桂铁路扩改工程V标观音岩隧道穿越
富水段施工经验的深入分析，总结了现有用于含水
地段的超前地质预报方法及其特点，观音岩隧道采
用长短预报相结合的方法，为顺利施工提供了安全
依据。

在超前地质预报的基础上，观音岩隧道的突水
突泥处治以及强富水段支护开挖施工工艺为：掌子
面封闭反压→空腔体混凝土回填→混凝土墙封堵→
钻孔排水管→帷幕注浆→超前中管棚→中隔壁法分
部开挖，最终施工效果良好，对扩改工程穿越岩体破
碎富水段的施工有较好借鉴意义。

观音岩隧道富水段的防排水方案为环纵向施工
缝均采用中埋式止水带+背贴式止水带，初期支护
与二次衬砌间铺设复合式防水板防水，配合环向排
水盲沟和纵向透水盲管，经侧沟的汇集，通过横向连
接管，将侧沟中的水引入中心水沟，再由中心水沟排
除洞外，达到“上不漏水、下不渗水”的良好防排水效
果。

参考文献
References
[1]鲜国,石少帅,赵勇,等.强富水隧道下穿河段突涌水灾害综合防控方法研究与应用[J].隧道与地下工程灾害防治,2019,1(2): 74-82.
XIAN Guo,SHI Shaoshuai,ZHAO Yong,et al.Research and Application of Comprehensive Prevention and Control Method for Wa⁃ter Inrush in Water Enriched Under-Crossing River Tunnel[J].Hazard Control in Tunnelling and Underground Engineering,2019,1 (2):74-82.
[2]杨添任,贺飞,宁向可,等.高黎贡山隧道TBM超前地质预报系统设计及应用[J].现代隧道技术,2020,57(4):37-42. YANG Tianren,HE Fei,NING Xiangke,et al.Design and Application of Advanced Geological Prediction System of TBM for Gaoli⁃gongshan Tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2020,57(4):37-42.
[3]包德勇.高压富水隧道断层破碎带突涌水分析与工程对策[J].现代隧道技术,2012,49(5):123-127+131.
BAO Deyong.Analysis of and Countermeasures against High Pressure Gushing Water in Fractured Fault Zones of Mountain Tunnels [J].Modern Tunnelling Technology,2012,49(5):123-127+131.
[4]罗文艺.岩溶隧道涌水风险评价体系及应用[J].铁道建筑,2013(2):52-56.
LUO Wenyi.The Risk Evaluation System of Water Inrush in the Karst Tunnel and Its Application[J].Railway Engineering,2013(2): 52-56.
[5]李利平,朱宇泽,周宗青,等.隧道突涌水灾害防突厚度计算方法及适用性评价[J].岩土力学,2020,41(S1):41-50+170.
LI Liping,ZHU Yuze,ZHOU Zongqing,et al.Calculation Methods of Rock Thickness for Preventing Water Inrush in Tunnels and Their Applicability Evaluation[J].Rock and Soil Mechanics,2020,41(S1):41-50+170.
[6]覃晖,唐玉,王峥峥,等.综合探测技术在隧道超前地质预报中的应用[J].现代隧道技术,2018,55(S2):681-686.
QIN Hui,TANG Yu,WANG Zhengzheng,et al.Application of Comprehensive Detection Methods in Tunnel Geological Forecast[J]. Modern Tunnelling Technology,2018,55(S2):681-686.
[7]李永志,田洪义.综合超前地质预报技术在高黎贡山隧道中的应用[J].铁道建筑,2018,58(3):46-49.
LI Yongzhi,TIAN Hongyi.Application of Comprehensive Advance Geological Forecast Technique in Gaoligong Mountain Tunnel Construction[J].Railway Engineering,2018,58(3):46-49.
[8]吕志强,雷宛,肖宏跃,等.瞬变电磁法在隧道超前预报中的应用[J].勘察科学技术,2010(6):57-59.
LU Zhiqiang,LEI Wan,XIAO Hongyue,et al.Application of TEM for Advanced Prediction in Tunnel[J].Site Investigation Science and Technology,2010(6):57-59.
[9]袁永才,李术才,李利平,等.岩溶隧道施工过程中大型溶洞的综合预报及治理方案研究[J].现代隧道技术,2015,52(2):192-197.
YUAN Yongcai,LI Shucai,LI Liping,et prehensive Geological Prediction and a Relevant Treatment Scheme for a Large Karst Cave in Tunnel Construction[J].Modern Tunnelling Technology,2015,52(2):192-197.
[10]张杨,杨君,周黎明,等.TSP在隧道工程施工中的常见干扰和对岩体裂隙水及软弱夹层等的预报研究[J].地球物理学进展, 2018,33(2):892-899.
ZHANG Yang,YANG Jun,ZHOU Liming,et mon Interference and the Prediction of Rock Fissure Water and Weak Inter⁃layer in Tunnel Construction Using TSP[J].Progress in Geophysics,2018,33(2):892-899.
[11]周黎明,付代光,张杨,等.典型不良地质体地质雷达探测正演试验研究[J].现代隧道技术,2018,55(4):47-52+58. ZHOU Liming,FU Daiguang,ZHANG Yang,et al.Forward Test of GPR Detection for Typical Adverse Geological Bodies[J].Modern Tunnelling Technology,2018,55(4):47-52+58.
[12]吕乔森,陈建平.红外探水技术在岩溶隧道施工中的应用[J].现代隧道技术,2010,47(4):45-49.
LV Qiaosen,CHEN Jianping.Infrared Acquisition Technology Applied to Karst Tunnels[J].Modern Tunnelling Technology,2010, 47(4):45-49.
[13]苑俊廷,林丽芳,席继红,等.超前管棚支护在浅埋偏压黄土隧道施工中的应用[J].现代隧道技术,2011,48(6):137-140. YUAN Junting,LIN Lifang,XI Jihong,et al.Pipe-Roof Advanced Support in Shallow and Bias Loess Tunnels[J].Modern Tunnel⁃ling Technology,2011,48(6):137-140.
[14]宋战平,田小旭,周冠南,等.隧道洞内管棚超前预支护力学行为的理论分析[J].中国公路学报,2020,33(4):89-98.
SONG Zhanping,TIAN Xiaoxu,ZHOU Guannan,et al.Theoretical Analysis of Mechanical Behavior of Advanced Pre-support of Pipe-roof in Tunnel[J].China Journal of Highway and Transport,2020,33(4):89-98.
[15]王震,仇峰涛,陈龙龙,等.隧道开挖超长大管棚超前支护机理及效果分析[J].筑路机械与施工机械化,2019,36(11):85-92. WANG Zhen,QIU Fengtao,CHEN Longlong,et al.Analysis of Mechanism and Effect of Large Pipe-shed in Tunnel Excavation[J]. Road Machinery&Construction Mechanization,2019,36(11):85-92.
Countermeasures and Construction Optimization against the Water Inrush
Event in a Water-rich Tunnel Section
GUO Qingjun
(China Railway18th Bureau Group Co.,Ltd,Tianjin300350)
Abstract Based on the construction of Guanyinyan tunnel of Hunan-Guangxi railway capacity expansion project, which passes through the water-rich ground,this paper first introduces the advanced geological prediction methods applied to the railway tunnel construction in the water-rich section.In view of the water inrush and mud inrush event encountered in the process of tunnel excavation,the comprehensive technical means such as shotcrete incorpo⁃rated with steel mesh and anchor bolt,concrete blocking wall,mortar anchor bolt,curtain grouting and advanced pipe roof are adopted for disaster treatment.According to the advanced geological prediction results,the waterproof and drainage measures and construction scheme for the tunnel crossing the water-rich ground are optimized to en⁃sure the safety of tunnel construction and operation.
Keywords Railway tunnel;Water inrush;Construction technology;Water-rich tunnels;Expansion tunnel。