李治國

(中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

國內外大量的施工實踐表明，高水壓富水隧道涌水突泥會給施工、運營和環(huán)境帶來嚴重的危害。如日本青函隧道［1］主隧道全長 53.85 km，其中海底部分23.3 km，埋深最淺處距海底100 m，施工過程中曾遇到4次大的突水、涌泥。其中，1974年1月8日，吉岡作業(yè)坑最大涌水量達15 840 m3/d，處理時間為362 d;1976年5月6日，北海道一側的輔助隧道又發(fā)生70 m3/min的涌水，造成主隧道被淹沒1 493 m，輔助隧道被淹沒3 015 m，處理時間將近1年。中國臺灣的東北部新永春隧道［2］是一條單線鐵路隧道，長4 433 m，隧道從南口開挖到1 812 m時，掌子面發(fā)生大的突水涌泥，突水量從開始的15 m3/min增加到80 m3/min，最大水壓力達到5 MPa，涌出泥石15 000 m3，淹沒已開挖和支護的隧道540 m，造成局部地段改線。臺灣臺北到宜蘭的高速公路雪山隧道［3］由2條主隧道和1條平行導坑組成，長度12.9 km，隧道通過地層主要為砂巖，多次發(fā)生涌水，隧道最大涌水量達到0.75 m3/s，最大水壓力達到 2 MPa。渝懷線圓梁山隧道［4］全長11.070 km，最大埋深780 m，在毛壩向斜區(qū)存在2層承壓水，相對于隧道洞身標高而言，其靜水頭最高為460 m，2號溶洞DK354+390掌子面實測水壓力超過3.0 MPa，最大涌水量達到10 000 m3/h，由于大量粉細砂多次涌出，處理時間將近1年。雅礱江錦屏二級水電站引水隧道［5］最大埋深2 525 m，輔助洞共揭露12條出水帶，突發(fā)性涌水點5個，涌泥點2個，A洞和B洞最大穩(wěn)定總涌水量為11.50 m3/s，單點突發(fā)性最大涌水量為5～7.3 m3/s，集中涌水段外水壓力為5～6 MPa，其他為一般涌水地段，最大水壓力為4 MPa。從國內外的工程實例來看，高水壓富水隧道涌水突泥引發(fā)施工災害的案例很多，地下水控制理論和技術還不成熟，需要進一步研究和探討，以提高理論和技術水平。國內外鐵路、公路和水電等工程的長大隧道正在大規(guī)模修建，由于曲線半徑和坡度等技術參數的嚴格要求，隧道穿越高水壓富水區(qū)是需要面對的嚴峻挑戰(zhàn)之一，因此繼續(xù)開展地下水控制技術研究，具有重要的現實意義。

1 隧道涌水量和水壓力控制

1.1 地下水的滲流規(guī)律

1.1.1 滲流流量計算

地下水一般是通過管道、節(jié)理裂隙和空隙等通道向隧道周圍流動，并流入隧道內部，根據水流中質點運動形式，地下水在均勻介質中的滲流運動一般分為層流、紊流和混合流(層流和紊流同時存在)。3種運動滲流流量計算公式［6］如表1所示。

表1 地下水滲流流量計算公式Table 1 Formulas to calculate ground water seepage flow rate

從表1中可以看出，隧道涌水量主要和過水斷面面積、水力坡度、地層滲透系數和流態(tài)指數有關，為了降低隧道涌水量，應采取合適的措施，如降低地下水的水力梯度、滲透系數、過水斷面，改變節(jié)理裂隙寬度和粗糙程度、流態(tài)指數等。

1.1.2 動水壓力計算

對于土體中的穩(wěn)定滲流、單位體積土骨架所受到的壓力總和，稱為動水力GD，動水力計算公式［7］如下:

式中:GD為動水力，kN/m3，其方向與水流方向一致;γw為水的重度，kN/m3;I為水力梯度。

從式(1)可以看出，要減小單位體積土骨架上的壓力，主要應減小水力梯度。

1.1.3 過水通道對水頭損失的影響

過水通道的大小、粗糙程度、彎曲程度及受力狀態(tài)等對水壓力影響很大，對于水在圓管中流動，沿程水頭損失一般采用 J.Weisbach－H.P.G.Darcy公式進行計算，計算公式為:

式中:hf為沿程水頭損失;l為管道長度;d為管道直徑;v為地下水流度;g為重力加速度;λ為沿程阻力系數，在層流中，λ=64/Re(其中Re為雷諾數)，在紊流中，λ和Re及Δ/d有關(其中Δ為粗糙突出高度)。

從式(2)可以看出:沿程阻力系數、管道長度、地下水流速越大，管道直徑越小，沿程水頭損失也越大，在地下水控制方面應增加流水管道粗糙度、長度，減小管道直徑。有關資料表明［8］，當裂縫寬度在0.1～0.2 mm時，如地下水流速很小，其自身攜帶的泥砂或混凝土析出物與空氣中的某些物質反應，容易堵塞過水通道，裂隙或裂縫容易出現自愈現象。因此，過水通道越小，沿程水頭損失越大，其傳遞到隧道的水壓力也就越小。

1.2 減小隧道涌水量和水壓力的措施

1.2.1 地層加固和止水措施

1)在隧道位置選擇時，應使隧道盡量避開高水壓富水區(qū)，修建在較完整或完整的巖石中，或將隧道修建在滲透系數很小的黏土或粉質黏土中，盡量不要將隧道修建在軟弱破碎地層或含水量較大的砂層中，以減少地下水向隧道內滲透。圍巖完整性越好，強度越高，隔水性越好，水壓力折減越多，支護結構受到的水壓力也越小。如地層完整性指數大于0.55，RQD指標大于75，對控制隧道涌水量和水壓力是非常有利的。

2)通過注漿、旋噴和攪拌等方法，進行加固和堵水，降低地層空隙率和滲透系數，或通過施作地下連續(xù)墻形成止水帷幕，改變地下水滲流路徑。如果使裂隙寬度減小到0.2 mm以下，地層滲透系數降低到10－5cm/s及以下，或在隧道周圍形成封閉的止水帷幕，隧道的涌水量和水壓力會大大減小。

對于高水壓和極高水壓地段，如采用超前預注漿，應通過對隧道周圍一定范圍過水通道的封堵，將水壓力降低到0.3 MPa以內，然后通道開挖后的徑向注漿和局部補充注漿等措施將水壓力進一步降低，如降低到0.1 MPa以內，對于防止二次襯砌開裂和滲漏水是非常有利的。

有關資料表明［9］，對于深埋隧道，注漿后隧道單位長度涌水量［8］

式中:Qg為隧道單位最大涌水量，m3/(d·m);K0為巖體滲透系數，m/d;Kg為注漿加固圈滲透系數，m/d;H為水深，m;h為隧道覆蓋層厚度，m;Rg為注漿加固圈厚度，m;R0為隧道等效半徑，m。

從大量的注漿試驗檢驗資料可知，Kg比K0一般小100～1 000倍，因此，從式(3)可以看出，注漿加固圈厚度Rg越大，滲透系數Kg越小，注漿后隧道的涌水量就會越小。

3)可通過冷凍方法，將水從液體變?yōu)楣腆w，使水失去流動性，水轉化成冰后，強度和完整性增加，以抵抗水壓力。冰的強度一般為0.3～5.5 MPa，因此冷凍形成的凍土具有良好的阻水性能，但該方法應考慮凍漲和融沉作用，并考慮水壓力恢復對結構受力和隧道排水量的影響。

1.2.2 限排降壓措施

1)可通過地表或洞內降水措施，降低地下水位，減小隧道周圍的水頭高度，在粉質黏土、粉土、粉砂、全強風化花崗巖及砂巖等地層，通過降水和排水，降低隧道周圍水壓力，減小掌子面涌水量。根據經驗和有關試驗資料［10］，一般情況下，如采取措施將地層含水量降低到12%～20%，可使土體的抗剪強度提高較多。

2)可采取疏導措施，改變地下水的流動方向，如采用排水洞、排水管和排水鉆孔，截斷或改變地下水的流動路徑、方向，從而減小隧道掌子面水壓力和涌水量。

3)隧道初期支護表面徑向注漿、局部注漿及二次襯砌背后回填注漿，也可減小涌水量和水壓力。

4)在涌水口安裝帶有閘閥的排水系統，根據需要調節(jié)閘閥排水量和水壓力。

5)采用可以拆裝更換或清洗的排水系統，以保證排水順暢，降低隧道周圍水壓力。

1.2.3 二次襯砌抗水壓

1)水壓力大小的分級。對于一般山嶺隧道，當水頭小于10 m時，地下水流速一般較小，對施工、運營和環(huán)境影響輕微，封堵比較容易，可稱為極低壓水;當水頭為10～30 m時，隧道開挖揭示后，地下水一般對施工、運營和環(huán)境影響不大，可稱為低壓水;當水頭為30～50 m時，隧道開挖揭示后，地下水流速一般較大，壓力較高，對施工、運營和環(huán)境影響較大，可稱為中壓水;當水頭為50～100 m時，一旦開挖揭露，噴射距離較遠，封堵比較困難，對施工、運營和環(huán)境可能產生嚴重影響，稱為高壓水;當水頭大于100 m，開挖過程中，可能發(fā)生爆噴或大量涌突，封堵十分困難，可能對施工、運營、環(huán)境產生災難性影響，可稱為極高壓水。結合以上分析，并參考國內外有關文獻資料和隧道設計施工的經驗，建議水壓力大小分級如下:

①Ⅰ級。極低水壓:p≤0.1 MPa;

②Ⅱ級。低水壓:0.1 MPa＜p≤0.3 MPa;

③Ⅲ級。中水壓:0.3 MPa＜p≤0.5 MPa;

④Ⅳ級。高水壓:0.5 MPa＜p≤1.0 MPa;

⑤Ⅴ級。極高水壓:p＞1.0 MPa。

大量的工程實踐和監(jiān)測資料表明，如隧道涌水壓力超過1.0 MPa，開挖支護將十分困難，應考慮封堵或引排等措施。此外通過現場觀測表明，如混凝土襯砌背后水壓力超過1.0 MPa，隨著水壓力作用時間延長，水將逐漸從混凝土微小空隙中緩慢滲出，產生“慢滲現象”，將給結構承載能力和正常使用帶來不利影響。

綜合國內外的經驗，針對隧道不同區(qū)段的水壓力狀態(tài)，在隧道防排水體系設計時，應分區(qū)設防，分類處理。對于極低、低水壓地段宜以堵水為主、減少排放;對于中水壓地段，宜采取堵排結合，限量排放;對于高水壓、極高壓水地段，宜采取防、堵、截、排、疏相結合，因地制宜，綜合治理。

2)隧道二次襯砌抗水壓問題。根據國內外隧道設計施工經驗，從經濟性和可靠性出發(fā)，如隧道上方的水頭小于30 m，即水壓力在0.3 MPa以內，一般可采用全封堵結構，尤其是國內城區(qū)地鐵區(qū)間隧道和地下車站，其埋置深度一般小于30 m(個別城市和線路除外)，其水壓力一般小于0.3 MPa，因此大部分采用了以堵水為主、全封閉防水結構，僅考慮少量排水。GB 50108—2008《地下工程防水設計規(guī)范》規(guī)定，地下工程的埋置深度H和抗?jié)B性的關系，當H＜10 m，混凝土抗?jié)B等級采用P6，當10≤H＜20 m，混凝土抗?jié)B等級采用P8，當20≤H＜30 m，混凝土抗?jié)B等級采用P10，當H≥30 m，混凝土抗?jié)B等級采用P12。根據工程經驗，如隧道的水壓力小于0.5 MPa，采用合理的斷面形式，主體結構(管片、底板、側墻、頂板等)采用C30～C50、厚為30～80 cm全封閉的混凝土或鋼筋混凝土結構，并輔以合理的抗?jié)B、防水、限排及加強仰拱或底板等措施，基本可以解決隧道結構的穩(wěn)定性和抗水壓問題。

隨著抗水壓能力的提高，二次襯砌混凝土襯砌厚度、強度等級、配筋要求也相應提高，工程成本也會相應增加。根據文獻［11］資料，廈門東通道海底隧長6.05 km，為雙向分離式6車道公路隧道，地下水和海水總水頭為50～70 m，全封閉復合襯砌在Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段按初期支護和其所加固的圍巖承擔大部分圍巖壓力、二次襯砌承擔小部分圍巖壓力和全部靜水壓力;在Ⅰ～Ⅲ級圍巖地段按初期支護和其所加固的圍巖承擔全部圍巖壓力、二次襯砌承擔全部靜水壓力模式綜合考慮計算。靜水壓力按照隧道埋置深度進行調整，拱頂最大靜水壓力按0.65 MPa取值，二次襯砌采用不等厚截面形式，基礎或仰拱截面加厚，可保證結構經濟合理;根據計算當只考慮靜水壓力一種工況時，60 cm厚(拱部)的素混凝土二次襯砌，最大可承受0.65 MPa(拱頂)靜水壓力。實際設計時，該隧道海域Ⅳ級圍巖初期支護為Ι18工字鋼拱架和C25、厚度28 cm的濕噴混凝土，二次襯砌為厚度60 cm、強度等級C50的鋼筋混凝土襯砌;海域Ⅴ級圍巖初期支護為Ι20b工字鋼拱架和C25、厚度30 cm的濕噴混凝土，二次襯砌為厚度70 cm、強度等級C50的鋼筋混凝土襯砌。實際施工過程中，由于水壓力較高，局部二次襯砌墻腳出現濕漬現象，采用了封堵措施，并增設了泄水孔進行引排。

青島膠州灣海底隧道［12］海底段的海水總水頭為50～78 m，在海底，海域Ⅳ級圍巖初期支護采用了格柵拱架和C35、厚度25 cm的濕噴混凝土，二次襯砌采用了厚度70 cm、C50的鋼筋混凝土襯砌;海域Ⅴ級圍巖初期支護采用了格柵拱架和C35、厚度30 cm的濕噴混凝土，二次襯砌采用了厚度60～70 cm、C50的鋼筋混凝土襯砌。

福寧高速公路洋坪隧道［13］最大埋深180 m，結構計算表明:60 cm厚C30混凝土二次襯砌，能夠承受0.3～0.4 MPa的靜水壓力，60 cm 厚鋼筋混凝土二次襯砌(4φ20)，能夠承受0.6～0.65 MPa的靜水壓力，60 cm厚鋼筋混凝土二次襯砌(5φ22 mm)，能夠承受0.65 ～0.74 MPa的靜水壓力。

重慶軌道交通一號線二期工程沙坪壩至大學城段中梁山隧道［14］最大埋深270 m，隧道施工過程中遇到10余處高水壓富水溶洞，多次發(fā)生涌水突泥，地下水高峰期時流量達26 000 m3/d，最大水壓力為1.8 MPa。結構設計時考慮最大水壓力折減后為881.1 kPa，當抗水壓等級為0.5 MPa時，二次襯砌鋼筋混凝土厚度為60～80 cm、強度等級C40;當抗水壓等級為1.0 MPa時，二次襯砌鋼筋混凝土厚度為80～100 cm、強度等級C40。

渝懷線圓梁山隧道2號溶洞初期支護為工字鋼或H型鋼拱架和20～25 cm鋼纖維網噴射混凝土，二次襯砌根據抗水壓等級的不同，中、高水壓段采用了抗0.5 MPa和1.0 MPa水壓鋼筋混凝土襯砌，混凝土厚度為60～100 m;極高水壓段采用的混凝土強度等級為C30;抗1.5MPa和2.5 MPa水壓鋼筋混凝土襯砌及抗4.5 MPa水壓力型鋼鋼筋混凝土混凝土襯砌，混凝土厚度為80～120 m，混凝土強度等級為C40。

從現場情況來看，如二次襯砌抗水壓等級過高，混凝土厚度增加較多，配筋率也需要大大提高，鋼筋間距過小，現場施工時灌注和震搗都比較困難，大體積混凝土的水化熱產生的溫度應力容易引起裂縫，此外，施工縫和變形縫需要特殊的抗高水壓設計，因此，即使二次襯砌混凝土土強度、剛度和穩(wěn)定性能夠滿足要求，其在高水壓長期作用下混凝土的抗?jié)B性很難滿足要求，因為地下水和地表水具有很強的水力聯系，當地表降雨導致隧道襯砌背后水壓力持續(xù)升高時，如作用時間較長，混凝土滲漏問題就會發(fā)生，且難以解決。因此，在只考慮水土壓力的情況下，隧道二次襯砌混凝土的抗水壓等級宜控制在1.0 MPa之內，二次襯砌厚度宜控制在120 cm之內，為了改善隧道的受力條件，應盡量采用圓形斷面或鵝卵形斷面，如對抗水壓有特殊要求，應進行專項試驗和特殊設計，如采用高強預應力混凝土、鋼管片和型鋼混凝土組合結構等。

2 隧道排水量分級及水中泥砂控制問題

2.1 排水量分級

在高壓富水區(qū)，通常修建排水洞或截水洞，地下水長期大量排放時，如排出的地下水中攜帶大量泥砂，將對環(huán)境帶來不利影響，主要是造成地面塌陷和地表水位下降、植被破壞、河流污染和影響環(huán)境。此外，鐵路隧道排水一旦影響道床和鋼軌，將危及行車安全。

關于排水量，不同的隧道規(guī)定有所不同。例如，日本青函隧道建成后的排水量小于0.3 m3/(m·d);丹麥西部沿海奧勒(ALesund)松附近修建有2座海底隧道，其中一座從奧勒松至埃林索伊島(Ellingsoy)隧道最大常年排水量為300 L/min/km，相當于0.432 m3/(m·d);中國香港Rote－9號線沙田嶺隧道設計要求排水量不大于36 L/min/100 m，相當于0.518 m3/(m·d);渝懷線圓梁山隧道設計允許排水量為3.0 m3/(m·d);渝懷線歌樂山隧道設計允許排水量為1.0 m3/(m·d)。

中國廈門翔安海底隧道建成通車后的涌水量基本上控制在0.4 m3/(m·d)以內。青島海底隧道設計要求主隧道的涌水量不得大于0.4 m3/(m·d)，服務隧道不得大于0.2 m3/(m·d)。

重慶軌道交通一號線二期工程沙坪壩至大學城段中梁山隧道［13］，設計要求地下水排放控制標準為1.0 m3/(m·d)。

結合以上分析，參考國內外有關資料和隧道設計施工的經驗，如隧道開挖斷面不大于150 m2，建議根據隧道建成后的排水量Q，將隧道排水等級分成5級，其適用的隧道類型如表2所示。

為了保證隧道運營安全和環(huán)境安全，還應限定任意出水點的最大涌出量和泥砂含量，防止局部涌水量過大，攜帶泥砂過多，堵塞排水系統，造成水壓力升高，影響結構、運營和環(huán)境安全。

2.2 隧道排水中泥砂含量及粒徑控制

隧道排水中的泥砂含量過多和泥砂顆粒粒徑過大，將帶來很多問題:1)容易把隧道初期支護背后的地層局部掏空，圍巖抗力減小，造成支護結構應力重分布和局部應力集中，導致結構開裂和破壞;2)大量泥砂容易造成排水系統堵塞，引起襯砌背后水壓力升高，造成二次襯砌開裂或破壞;3)泥砂容易沉淀在排水溝(管)中，造成清洗困難;4)如泥砂進入無碴軌道道床，將影響列車運營;5)泥砂的大量排放，還可能造成地面塌陷、地下水位下降和下游河水污染等環(huán)境問題。因此，對于運營隧道的排水，除限定排水量外，還應限制水中的泥砂含量和最大顆粒粒徑，當然，在環(huán)保要求嚴格的地區(qū)，其他排放指標也應達標。

表2 隧道排水量分級Table 2 Grades of drainage flow rate of tunnels

2.2.1 排水中泥砂含量的限制

根據JGJT111—98《建筑與市政降水工程技術規(guī)范》，全部降水運行時，抽排水的含砂量應符合下列規(guī)定:粗砂含量應小于1/50 000;中砂含量應小于1/20 000;細砂含量應小于1/10 000。達到這個標準，在很大程度上可以減小由于泥砂抽出對周圍環(huán)境的影響。

考慮到大部分高水壓富水隧道排水中含有一定數量的中砂或細砂，并考慮隧道建成后排水時間長、排量多、影響范圍大和清理難等特點，隧道的排水中泥砂含量應控制在1/10 000以內，要達到這一目標，應采取綜合控制措施。

2.2.2 排水中顆粒粒徑的限制

一般情況下，隧道防水板后設置的排水盲管等效孔徑為0.1～0.2 mm，為了防止排水系統堵塞，泥砂等顆粒物應盡量懸浮在水中，以便順利排出，排水中泥砂顆粒粒徑宜小于0.2 mm。

3 中天山隧道高水壓富水區(qū)地下水控制

南疆鐵路土庫二線中天山隧道為平行雙洞單線隧道，線間距 36 m，左線長度 22.449 km，右線長度22.467 km，隧道最大埋深1 700 m。隧道右線進口采用TBM施工，承擔施工任務12 753 m，出口和斜井地段采用鉆爆法反坡施工，承擔施工任務9 714 m。2011年10月6日右線出口掌子面施工至DyK154+901時(距出口9 139 m，距斜井3 625 m)，在實施超前探孔的過程中施鉆孔突然噴出一股高壓水，水柱噴射長度達30多m，呈霧化狀，單孔出水量最大約5 000 m3/d，實測水壓6.3 MPa，受停電等多種因素影響，2011年10月最大一次涌水，淹沒隧道900 m左右。DyK154+901涌水區(qū)域為F7逆斷層影響帶，長度96 m，由于隧道長、坡度大，反坡抽排水能力有限，為了保證施工和運營安全，采用全斷面超前預注漿封堵高壓水［15］，每循環(huán)注漿段長30 m，注漿材料為普通水泥單液漿、水泥－水玻璃雙液漿和硫鋁酸鹽水泥單液漿，水灰質量比為0.6∶1 ～1∶1，水泥 － 水玻璃體積比為 1∶1 ～1∶0.3，外加劑用量為水泥量的2% ～5%，注漿最大壓力最高為8 MPa，注漿前，超前探孔平均值涌水量為176 m3/h，注漿后，經過反復檢查和補充注漿，單孔單段涌水量滿足不大于0.2 L/(m·min)的控制標準才達到開挖條件。

每循環(huán)注漿后，在開挖之前，在止?jié){墻后部一定距離打3～5個泄水孔，孔底控制在注漿加固圈外1.0 m外，在開挖之前進行泄水減壓和限量排放，等整個初期支護及仰拱填充完成后進行徑向注漿，以進一步提高注漿加固圈的抗水壓性能，在密切監(jiān)測初期支護和圍巖穩(wěn)定的情況下，采用頂水注漿的方式將泄水減壓孔封堵。隧道采用2臺階開挖，開挖過程中掌子面涌水量和水壓力大大減小，注漿堵水率達到90%以上。

隧道初期支護采用工22b型鋼和厚度30 cm、C25的網噴混凝土，隧道拱墻初期支護表面設置φ50 mm的環(huán)向透水盲管，縱向間距6 m，墻腳設置φ100 mm的縱向透水盲溝，環(huán)向和縱向盲管由墻腳的φ100 mm排水管將水引入側溝，以降低襯砌背后的水壓力。初期支護和二次襯砌之間設置EVA防水板，二次襯砌按承受1.0 MPa外水壓力進行設計，采用厚度70 cm、C35的鋼筋混凝土結構。

4 結論及建議

1)高水壓富水隧道設計和施工時，應分析涌水量、水壓力、水中泥砂含量、顆粒粒徑對施工、運營和環(huán)境的影響，制訂合理的控制標準和有效的工程措施。

2)在隧道防排水方面，應分類處理、分區(qū)設防，堵、排結合，堵大排小，堵混排清，因地制宜，綜合治理，以保證施工和運營安全，并盡量減少排水對周圍環(huán)境的影響。

3)注漿是減小隧道涌水量、水壓力和水中泥砂含量的有效措施。對于極高水壓力隧道，如采用帷幕注漿方案，選用合理的方法、材料、參數、工藝及設備，并嚴格進行效果檢查和補充注漿，堵水率也能達到90%以上，水壓力、涌水量和水中泥砂含量會大大減小。

4)為了減小隧道內排水量，降低支護結構水壓力，如修建排水洞進行無限制排水，會攜帶大量泥砂，很可能影響周圍環(huán)境，造成地面塌陷和地下水位降低，因此在地下水控制方面，宜首先考慮注漿堵水、鉆孔排水及抗水壓襯砌等方案，如進行排水洞排水，應考慮限量排放措施，并分析長期大量排水對環(huán)境的影響。

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