隧道施工中地下水處理研究現狀分析

劉效成，張 恒，王 路，涂 鵬

1. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031 2. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031 3. 四川交通職業技術學院 道路與橋梁工程系，四川 成都 611130

隧道施工中地下水處理研究現狀分析

Analysis on Present Situation of Groundwater Treatment in Tunnel Construction

劉效成1，2，張 恒1，2，王 路3，涂 鵬3

1. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031 2. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031 3. 四川交通職業技術學院 道路與橋梁工程系，四川 成都 611130

0 引言

對于隧道工程施工而言，地下水問題不可忽視。在隧道掘進施工中采取必要的措施對地下水進行預報和處理，對隧道的安全、快速施工和正常使用具有十分重要的意義。如何經濟、合理地處理好地下水問題，是隧道工程界一直研究且始終存在的一個難題。地下水處理的對策大體上分為兩大類，即排水和堵水。實際上，排水和堵水通常相伴出現，因此“堵排結合”是治理隧道施工地下水問題的基本方法。眾多學者做過大量對比研究工作，并取得了良好的效果。本文分別介紹目前主要的排水工法與止水工法在工程中的應用[1-2]。

1 排水技術研究

一般施工中的排水方法有利用重力的鉆孔排水、坑道排水以及利用井點強制排水。排水工法在縮減開挖成本、提高施工安全方面比止水工法更有優勢，并且在埋深大、涌水量大的隧道，在洞內采用鉆孔排水、坑道排水及輕型井點等方法的可靠性也比較高。

1.1 鉆孔、坑道排水

鉆孔排水是通過在隧道掌子面前方施工超前鉆孔，降低掌子面到達前的地下水位；坑道排水以主洞開挖前先行排出地下水為目的。其中鉆孔排水適用范圍極廣，得到了大量的應用。

大支坪隧道[3]巖溶裂隙極發育，溶腔、暗河及裂隙水多，涌水量大，受地表水補給影響極為嚴重，易形成突水、突泥，設計最大涌水量為44×105m3·d－1。針對大支坪隧道巖溶發育、涌水特點及巖溶發育規律，選定在II線隧道外側距中線30 m處修建一條平行于隧道的排水洞，并通過下穿橫向過水通道、高位泄水支洞或大直徑鉆孔連接I、II線正洞各溶腔涌水點，排泄巖溶高壓水及充填物，達到釋能降壓的目的。通過排水洞設置的高位排水支洞跨越正洞時，需選擇較好的圍巖且保留不小于5 m的洞頂厚，如圖1所示。圖2為II線向I線富水溶腔鉆孔排泄巖溶水。

圖1 溶腔通過排水洞設置的高位排水支洞

圖2 II線向I線富水溶腔鉆孔排泄巖溶水

宜萬鐵路馬鹿菁隧道[4]全長7 879 m，最大埋深660 m，位于鄂西新華夏構造金子山復向斜中四方洞向斜南東翼單斜地層處?！?78高壓富水充填溶洞”穿越地層為灰色厚至中厚層狀灰巖。經探測，溶洞沿隧道縱向發育長度約為10 m，溶洞內充填泥砂及塊石。隧道出口平導施工到PDK255+978處遭遇高壓富水充填溶洞，發生突水、突泥災害，峰值最大涌水量約3×105m3·h－1，持續約10 min后，涌水量減弱至300 m3·h－1，估算突水總量約為1.8×105m3。馬鹿菁隧道出口遭遇突水、突泥災害后，為確保隧道施工和運營安全，在隧道進口平導左側20 m處設置長4 689 m的泄水洞，泄出“978高壓富水充填溶洞”的巖溶水。在泄水過程中，經歷了鉆孔、泄水支洞、泄水洞接通溶洞、泄水洞接通溶洞后自泄水4個泄水階段。馬鹿菁隧道I線、II線、泄水支洞、泄水洞位置如圖3所示。

圖3 馬鹿菁隧道I線、II線、泄水支洞、泄水洞縱剖面

蘭渝線化馬隧道位于甘肅省隴南市宕昌縣境內，隧道全長12 580 m，是一座雙線隧道，根據施工工期要求采用2座輔助坑道輔助施工（化馬斜井及石家院斜井）[5]。隧道洞身通過的灰巖地段發育弱巖溶現象，以溶孔、溶隙為主，且多為古溶蝕，隧道通過區灰巖多以薄、中厚層為主，層間結合較差，節理裂隙發育，多以張節理為主，利于地下水的儲存和運動。化馬隧道涌水為高壓寬張巖溶裂隙水，具有水量大、壓力高、涌水連續、貫通性好、補給水頭穩定等特點。隧道預測正常涌水量為1.12×105m3·d－1，而隧道的側溝與中心水溝的最大排水量為7×104m3·d－1，為保證施工及運營正常，需設置泄水洞進行排水。通過采用迂回導坑繞避結合泄水洞排水的處理方案（圖4），順利通過了隧道涌水段。

圖4 化馬隧道泄水洞方案平面布置

1.2 井點、管井排水

井點法是指在地表施工管井，用水中泵排出地下水的方法，它具有能夠在隧道施工前施工、易于管理等優點，其中真空井點降水法的排水能力較高。

胡麻嶺隧道位于甘肅省榆中縣與定西市之間，是新建蘭渝鐵路LYS-1標段關鍵線路的控制性工程[6-7]。隧道全長13 611 m，其中3 800 m位于第三系粉細砂地層中。在長3 250 m的胡麻嶺隧道中，第三系富水粉細砂地層中有1 750 m軌面標高低于石門水庫水面標高；第三系富水粉細砂地層中有140 m下穿水庫、99 m下穿河流；隧道穿越區域水位高，在砂巖段查出很多地表洞穴，地表水可不經滲透直接灌入。定西市處于地震連發帶，受其影響，區域內裂隙較多，為空隙裂隙水提供了通道，水害的影響成為胡麻嶺隧道的主要問題。進行試驗研究后，確定采用洞內深井與輕型井點相結合施工降水方案。臺階輕型降水兩側布置，間距為50 cm，長度為4 m；重力式真空降水雙側布置，間距為5 m，梅花形布置，深度為15 m。臺階降水布置斷面如圖5所示，重力真空深井降水布置如圖6所示。

蓮花山1號隧道進口段485 m為富水全強風化花崗巖地層，采用雙側壁導坑法開挖。該區域內沖溝發育，匯水面積大，水位及流量受季節控制明顯[8]。隧址區屬于中低山地貌，地形起伏較大，地表水較為發育，且為位于狹窄溝谷內的溪流，多屬季節性溪流。施工過程中，根據蓮花山1號隧道施工現場情況，在隧道右洞布置了5處井點降水孔（圖7）。降水井采用直徑150 mm的鋼管，鉆孔深度結合地表標高與隧道仰拱底標高確定，鉆孔孔底標高控制在隧道仰拱底下10 m處。降水管采用內徑120 mm的高強度PVC管，管壁切割2 mm透水孔。降水管安裝完成后，在井壁和水管間填充3~5 mm砂礫或米石反濾層。反濾層施工完成后，安裝70 m高揚程自動水泵。降水井建成后進行了抽水試驗，發現通過洞外井點降水后洞內滲水明顯減少，開挖以及初期支護施做后僅局部出現滲水，且水量很少，有效提高了富水全強化花崗巖地段隧道施工的安全性，加快了施工進度。

桃樹坪隧道位于蘭州東站出站端，基巖主要為第三系砂巖，原設計將圍巖等級評定為V級[9]。開挖后地層揭示為富水未成巖粉細砂，屬于典型軟弱圍巖，被重新定義為VI級圍巖。開挖后涌砂、突水、溜塌現象頻繁，導致初期支護無法及時施做，已施做初期支護出現開裂、變形、坍塌現象。在桃樹坪隧道試驗段分別對真空井點降水、深管井降水、斜孔布管、邊墻側向深井降水、集水井降水等措施的降水效果進行對比。結果表明，正洞采用真空井點降水結合深井砂管降水效果最好。最終，正洞、斜井分別采用下斷面雙側壁降水、全斷面降水，解決了隧道下部涌水、滲水等問題，避免鈣質膠結層流沙引起隧道初期支護發生過大的變形。施工進度是之前的2倍，取得了良好的經濟效益和社會效益。富水未成巖粉細砂深管井降水如圖8所示。

圖5 臺階降水布置

圖6 重力真空深井降水布置

圖7 井點降水布置

圖8 富水未成巖粉細砂深管井降水

2 止水技術研究

在“堵排結合”的基本方法中，“堵”是積極降低地層滲透系數減少涌水的方法，在隧道施工中，止水常常與圍巖加固聯系在一起。近來年，從環境和地下水資源保護出發，要求摒棄“以排為主”的設計原則?？梢灶A見，止水技術的研究和應用將受到更多重視。目前止水方法仍以注漿為主，在特殊情況下也可采用凍結法、隔斷壁法等進行止水。

2.1 注漿法

止水工法中的注漿法是減少圍巖的滲透系數、改良圍巖強度、促使掌子面穩定對策中有效性比較高的一種工法。為了發揮最佳的注漿效果，視地質條件選定注漿材料和注漿方式。

錦屏輔助洞縱橫穿越數十公里的錦屏山脈，其洞線平均埋深1 500 m的洞段占隧道全長的73%，最大埋深2 375 m[10]。輔助洞西端地質條件復雜，地表地質調查表明：工程區軸線上強透水性的可溶大理巖和隔水的砂板巖、綠泥石片巖交替出露，且斷層發育，為地下水儲存和大理巖巖溶發育創造了良好的條件，洞線圍巖具備賦存大量高壓水（泥漿）的可能。面對高壓、大流量地下水，若仍然按照規范或者采取經驗性的參數不能滿足要求。因此，通過重點研究高壓、大流量地下水超前帷幕灌漿封堵技術，提煉出了一套適合高壓、大流量地下水被揭露前進行超前帷幕灌漿的施工工藝，并得出結論：高壓、大流量地下水發生在斷層破碎帶時，超前帷幕灌漿宜設計成全斷面帷幕（圖9）；若出水段以溶蝕裂隙、斷層、管道為主，宜采用有針對性的局部超前帷幕灌漿，從而達到超前止水之目的（圖10）。

圓梁山隧道是渝懷線上最長的隧道，長11 068 m，地勘揭示存在兩層承壓水[11]。毛壩向斜高壓富水區長2 200 m，該隧道最大涌水量為8.3×104m3·d－1，正常涌水量為5.5×104m3·d－1，施工中最大涌水量為6.9×104m3·d－1。在毛壩向斜高壓富水區施工中，揭露出5個溶洞體構造。在探測到溶洞存在后，經各方討論分析，決定采取“超前長管棚支護，小導管注漿加強”方案，以“固砂堵水，穩定地層”為施工原則，采用“長短孔結合復式注漿”施工方案。在DK354+460~DK354+475段實施了“長短孔結合復式注漿”方案；全斷面深孔超前預注漿采用“蝶式”設計（圖11），全斷面TSS管超前預注漿采用“環式”設計（圖12）；超前預注漿完成之后，對注漿不足部位和注漿盲區進行小導管補充注漿。溶洞區經注漿加固后，在大管棚和超前小導管及漿液固結體的共同作用下，采取了全斷面開挖。開挖后測試圍巖變形情況，圍巖極其穩定，其水平收斂和拱頂下沉僅為3~5 mm，取的了很好的注漿效果。

大瑤山隧道九號斷層屬于壓性沖斷層，主干斷層以斷層泥為主，根據九號斷層的巖體結構特征，將其劃分為三個相互獨立的水文地質單元，即隔水體、裂隙含水體和強富水體[12]。在該段施工時，強富水體部位最大涌水量達5×104m3·d－1，占整個斷層涌水的85%。開挖時突發性涌水以及管道含水體，存在于斷層下盤巖溶化巖體中，屬于巖溶深部循環帶，與地表巖溶相通，靜儲量不大，但受大氣降水影響十分明顯，暴雨后可突發涌水，動水壓力較大。由于隧道開挖，管道含水體運動條件改變，大量管道水向隧道排泄，在潛蝕和真空吸蝕作用下，引起該段地表地面塌陷。施工期間，為了降低地下水壓力，減少因水害造成的危害，除利用超前平導進行排水降壓外，還采用了在掌子面鉆孔排水降壓的方法。采用了超前管棚和洞周超前半封閉淺孔預注漿堵水加固圍巖等超前支護技術，同時進行圍巖穩定性監測，改全斷面開挖為上下斷面開挖。

圖9 全斷面布孔

圖10 超前預注漿局部布孔

全長4 050 m的歌樂山隧道[13-14]，集瓦斯、煤層、采空區、溶溝、溶洞、溶蝕洼地、富水斷層破碎帶于一體，尤其是巖溶水與地表水系連通，使隧道涌水達到2.2 MPa以上的高壓和每日5.3×104m3的流量。根據地質條件和環境保護要求，該隧道提出了“堵水限排”原則，在涌水壓力2.2 MPa、累計長度2 439 m的巖溶富水段采用鉆孔突發涌水注漿、周邊淺孔預注漿、全斷面深孔帷幕注漿堵水等施工方法；并在此基礎上結合工程實際自行研制了軌行式鉆孔注漿列車，月平均全斷面帷幕注漿、開挖、支護達45 m以上，解決了長期存在的注漿設備不配套、進度不快的難題。隧道建成后，每延長1 m隧道出水量小于1 m3·d－1，有效地保護了水資源和生態環境。

2.2 凍結法

凍結法是利用人工制冷技術使地層中的水凍結，通過把天然巖土變成凍土達到增加其強度和穩定性的目的，同時隔絕地下水與地下工程的聯系，以便在凍結壁的保護下進行隧道、豎井和地下工程的開挖與襯砌施工。隨著城市地鐵建設的興起，凍結法己開始逐步被應用于地鐵隧道施工中，在北京、廣州、上海和深圳等地的地下鐵道建設過程中，己經采用了垂直孔凍結技術和水平孔凍結技術，并取得良好的效果。

深圳地鐵4A標段暗挖隧道，位于深圳市鬧市區和平路與解放路交叉路口，區間由東向西先后穿越廣深鐵路橋、人民橋和布吉河[15]。其開挖段曾是古河道回填，地面上又有廣深鐵路橋通過，水文地質條件極為復雜，地下水流速大，地層透水性強，地層結構松散，自承力極差。盡管在工程開工前對地層進行了旋噴樁施工，但是在豎井開挖時，因地下水極大，造成原旋噴樁封水不起作用，開挖時發生幾次大的突水涌砂事故，直接威脅廣深鐵路橋的安全。為保證工程的順利進行，決定在鐵路橋下采用凍結法施工。凍結止水帷幕平面布置如圖13所示。

圖11 全斷面深孔超前預注漿及泄壓孔設計

圖12 全斷面TSS管超前預注漿設計

圖13 凍結止水帷幕平面布置

凍結施工中，地下水水力坡度大、流速大，通過對測溫數據的分析判斷，提出了采用液氮或干冰實行強化凍結，同時以封、堵、泄等方法減小地下水流速，在最短的時間內順利地完成了凍結施工任務，開創了用常規凍結法進行大流速地層開挖的先河。

北京地鐵復興門至八王墳的南隧道，在由東掘襯至大北窯車站東側的隔斷門時，隧道頂部遇到了粉細砂層，發生坍塌，并造成地表的沉陷，據勘測資料，此段的粉細砂層厚約1~2 m，雞窩狀賦存，呈流態，粉細砂的水飽和與隧道上面的地下排污水管線滲漏有關[16]。此段隧道正處在國貿立交橋下，是長安街和東三環的交叉要道。根據施工環境和困難的地質條件，認為采用人工地層凍結施工最可靠，可以保證地下管線和地面交通安全。采用凍結法施工后，拱頂凍土厚殼和下部黏土層形成封閉防水結構，有效地提高了暗挖隧道土體的穩定性，降低了管線滲透的影響。同時，隧道水平凍結為掘砌施工創造了良好的工作環境，掘襯施工效率明顯提高。

圖14 凍結孔布置

南樓站至土城站區間隧道是天津地鐵1號線的重要組成部分，位于天津市河西區愛國道與解放南路之間，聯絡通道及泵站工程在區間隧道里程DK18+700處[17]。聯絡通道由與左右線隧道正交的水平通道及通道中部的集水井組成。聯絡通道位置地面標高為+3.31 m，地下水穩定水位為1.80 m。本段地層地下水較豐富，洞身易發生坍塌變形和不均勻沉降，壁易坍塌失穩，基底易產生涌泥砂、涌水、隆起等不利現象。特別是集水井位置土層含水豐富、水壓大、滲透性好，地下水具微承壓性，容易引起水、砂突出。因此，在施工聯絡通道時必須對施工影響范圍內的土體進行穩妥、可靠的加固處理。根據施工條件，并結合上海地區軟土中地鐵聯絡通道的工程實踐，決定采用“隧道內水平凍結加固土體，隧道內開挖構筑”的施工方法，即在隧道內采用凍結法加固地層，使聯絡通道外圍土體凍結，形成強度高、封閉性好的凍土帷幕，然后在凍土帷幕中采用礦山法進行通道及集水井的開挖構筑施工，凍結孔布置如圖14所示。采用凍結法施工后，防止了涌水、涌泥，保護了地下管線，保障了隧道的施工安全，同時在無水狀態下施工，對隧道襯砌工程質量的提高起了很大的作用。

2.3 模袋、索囊法

巖溶及特殊巖溶地質的地下水具有高壓、大流量的特征，以往傳統的封堵方法不能取得理想的效果。為此，引入了模袋、索囊封堵技術。模袋與索囊是由特殊的紡織工藝織成，使用的基本材料為尼龍、聚酯或聚丙烯等（圖15~16）。強度高的織物，灌注時具有一定的滲水性而不漏水泥。模袋材料由于具有強度高、整體性好和析水固結性能好、柔軟可變形等特性，適合于大流量、高流速情況下的堵水。索囊的原理與模袋類似，是微縮版的模袋，主要適用于溶蝕裂隙、溶蝕寬縫及串珠狀溶蝕孔洞等小型的漏水體系。

圖15 模袋實物

圖16 灌漿后模袋膨脹堵塞漏水

錦屏輔助洞長17.5 km，由A、B兩條相間35 m的上下行隧道組成，隧道洞身埋深大（最大埋深2 375m），斷層、褶皺、可溶巖發育，最突出的工程地質問題是高壓、大流量涌突水及高地應力產生的強巖爆災害，嚴重威脅隧道施工安全[18]。由于輔助洞西端可溶巖地層巖性、地質構造背景的差異，地下水除共同具有流量大、壓力高的特點外，T2Z地層還具有衰減快的特征，而T2b地層則流量較穩定、衰減緩慢。針對特殊巖溶的涌突水，研究決定在輔助洞西端A、B線以下位置使用模袋、索囊封堵技術處理。對集中出水的溶蝕管道、溶洞和裂隙寬縫采用模袋技術予以封堵（圖17）。施工工藝流程依次為：綁扎模袋、下模袋、對模袋注漿膨脹、屏漿。模袋與索囊封堵技術有效封堵了高壓大流量地下水，為隧道安全施工創造了條件。

齊岳山隧道位于湖北省利川市境內，屬上下行分離式雙車道特長公路隧道，長3 300 m，最大埋深560 m[19]。隧道在川鄂湘黔隆褶皺帶內穿行，巖質以灰巖為主，間夾有頁巖及煤層，背斜核部附近發育齊岳山斷裂和德勝場斷層，系巖溶極發育地段，地下水主要為巖溶水。該工程涌水量大，嚴重影響施工。施工過程中最大一次巖溶涌水8 700 m3·d－1，淹井長度達810 m，中斷施工117 天。為治理涌水，采用了模袋進行孔口封堵，將濾排水式模袋綁扎在注漿管的孔口段，并從模袋內引出孔外一根注漿管。模袋注漿后，其體積膨脹與孔壁緊密貼合形成良好的孔口封堵，模袋膨脹后直徑約是鉆孔孔徑的2倍，長度約為50 cm。

圖17 索囊封堵

3 結語

解決隧道施工過程中的地下水問題，主要有排水和止水2種應對措施，通過對國內研究現狀的分析，得出了以下結論與建議。

（1）排水工法比止水工法成本更小，能有效地降低地下水位，提高施工安全性。在隧道埋深較小且地下涌水量不大的情況下可采用井點、管井法，在埋深較大、涌水量較大的情況下可采用鉆孔排水和坑道排水等方法。

（2）止水工法對環境保護有利，適用于因周邊環境限制而不容許地下水水位降低或實施排水工法不能獲得預期降水效果的情況，目前主要采用注漿法止水。

（3）隧道施工中的排水和止水既有區別又有聯系。在實際工程中，應當在前期進行詳細的調查和分析，在掌握地下水動態的同時也要考慮到圍巖條件、施工條件、周邊環境影響等因素；同時，將排水與止水相互配合，才能得出最優的處理地下水對策，保證隧道施工的安全。

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中央高校基本科研業務費專項資金項目（SWJTU11ZT33）；教育部創新團隊發展計劃項目（IRT0955）