高水压富水隧道地下水控制技术探讨

李治国

(中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009)

0 引言

国内外大量的施工实践表明，高水压富水隧道涌水突泥会给施工、运营和环境带来严重的危害。如日本青函隧道［1］主隧道全长 53.85 km，其中海底部分23.3 km，埋深最浅处距海底100 m，施工过程中曾遇到4次大的突水、涌泥。其中，1974年1月8日，吉冈作业坑最大涌水量达15 840 m3/d，处理时间为362 d;1976年5月6日，北海道一侧的辅助隧道又发生70 m3/min的涌水，造成主隧道被淹没1 493 m，辅助隧道被淹没3 015 m，处理时间将近1年。中国台湾的东北部新永春隧道［2］是一条单线铁路隧道，长4 433 m，隧道从南口开挖到1 812 m时，掌子面发生大的突水涌泥，突水量从开始的15 m3/min增加到80 m3/min，最大水压力达到5 MPa，涌出泥石15 000 m3，淹没已开挖和支护的隧道540 m，造成局部地段改线。台湾台北到宜兰的高速公路雪山隧道［3］由2条主隧道和1条平行导坑组成，长度12.9 km，隧道通过地层主要为砂岩，多次发生涌水，隧道最大涌水量达到0.75 m3/s，最大水压力达到 2 MPa。渝怀线圆梁山隧道［4］全长11.070 km，最大埋深780 m，在毛坝向斜区存在2层承压水，相对于隧道洞身标高而言，其静水头最高为460 m，2号溶洞DK354+390掌子面实测水压力超过3.0 MPa，最大涌水量达到10 000 m3/h，由于大量粉细砂多次涌出，处理时间将近1年。雅砻江锦屏二级水电站引水隧道［5］最大埋深2 525 m，辅助洞共揭露12条出水带，突发性涌水点5个，涌泥点2个，A洞和B洞最大稳定总涌水量为11.50 m3/s，单点突发性最大涌水量为5～7.3 m3/s，集中涌水段外水压力为5～6 MPa，其他为一般涌水地段，最大水压力为4 MPa。从国内外的工程实例来看，高水压富水隧道涌水突泥引发施工灾害的案例很多，地下水控制理论和技术还不成熟，需要进一步研究和探讨，以提高理论和技术水平。国内外铁路、公路和水电等工程的长大隧道正在大规模修建，由于曲线半径和坡度等技术参数的严格要求，隧道穿越高水压富水区是需要面对的严峻挑战之一，因此继续开展地下水控制技术研究，具有重要的现实意义。

1 隧道涌水量和水压力控制

1.1 地下水的渗流规律

1.1.1 渗流流量计算

地下水一般是通过管道、节理裂隙和空隙等通道向隧道周围流动，并流入隧道内部，根据水流中质点运动形式，地下水在均匀介质中的渗流运动一般分为层流、紊流和混合流(层流和紊流同时存在)。3种运动渗流流量计算公式［6］如表1所示。

表1 地下水渗流流量计算公式Table 1 Formulas to calculate ground water seepage flow rate

从表1中可以看出，隧道涌水量主要和过水断面面积、水力坡度、地层渗透系数和流态指数有关，为了降低隧道涌水量，应采取合适的措施，如降低地下水的水力梯度、渗透系数、过水断面，改变节理裂隙宽度和粗糙程度、流态指数等。

1.1.2 动水压力计算

对于土体中的稳定渗流、单位体积土骨架所受到的压力总和，称为动水力GD，动水力计算公式［7］如下:

式中:GD为动水力，kN/m3，其方向与水流方向一致;γw为水的重度，kN/m3;I为水力梯度。

从式(1)可以看出，要减小单位体积土骨架上的压力，主要应减小水力梯度。

1.1.3 过水通道对水头损失的影响

过水通道的大小、粗糙程度、弯曲程度及受力状态等对水压力影响很大，对于水在圆管中流动，沿程水头损失一般采用 J.Weisbach－H.P.G.Darcy公式进行计算，计算公式为:

式中:hf为沿程水头损失;l为管道长度;d为管道直径;v为地下水流度;g为重力加速度;λ为沿程阻力系数，在层流中，λ=64/Re(其中Re为雷诺数)，在紊流中，λ和Re及Δ/d有关(其中Δ为粗糙突出高度)。

从式(2)可以看出:沿程阻力系数、管道长度、地下水流速越大，管道直径越小，沿程水头损失也越大，在地下水控制方面应增加流水管道粗糙度、长度，减小管道直径。有关资料表明［8］，当裂缝宽度在0.1～0.2 mm时，如地下水流速很小，其自身携带的泥砂或混凝土析出物与空气中的某些物质反应，容易堵塞过水通道，裂隙或裂缝容易出现自愈现象。因此，过水通道越小，沿程水头损失越大，其传递到隧道的水压力也就越小。

1.2 减小隧道涌水量和水压力的措施

1.2.1 地层加固和止水措施

1)在隧道位置选择时，应使隧道尽量避开高水压富水区，修建在较完整或完整的岩石中，或将隧道修建在渗透系数很小的黏土或粉质黏土中，尽量不要将隧道修建在软弱破碎地层或含水量较大的砂层中，以减少地下水向隧道内渗透。围岩完整性越好，强度越高，隔水性越好，水压力折减越多，支护结构受到的水压力也越小。如地层完整性指数大于0.55，RQD指标大于75，对控制隧道涌水量和水压力是非常有利的。

2)通过注浆、旋喷和搅拌等方法，进行加固和堵水，降低地层空隙率和渗透系数，或通过施作地下连续墙形成止水帷幕，改变地下水渗流路径。如果使裂隙宽度减小到0.2 mm以下，地层渗透系数降低到10－5cm/s及以下，或在隧道周围形成封闭的止水帷幕，隧道的涌水量和水压力会大大减小。

对于高水压和极高水压地段，如采用超前预注浆，应通过对隧道周围一定范围过水通道的封堵，将水压力降低到0.3 MPa以内，然后通道开挖后的径向注浆和局部补充注浆等措施将水压力进一步降低，如降低到0.1 MPa以内，对于防止二次衬砌开裂和渗漏水是非常有利的。

有关资料表明［9］，对于深埋隧道，注浆后隧道单位长度涌水量［8］

式中:Qg为隧道单位最大涌水量，m3/(d·m);K0为岩体渗透系数，m/d;Kg为注浆加固圈渗透系数，m/d;H为水深，m;h为隧道覆盖层厚度，m;Rg为注浆加固圈厚度，m;R0为隧道等效半径，m。

从大量的注浆试验检验资料可知，Kg比K0一般小100～1 000倍，因此，从式(3)可以看出，注浆加固圈厚度Rg越大，渗透系数Kg越小，注浆后隧道的涌水量就会越小。

3)可通过冷冻方法，将水从液体变为固体，使水失去流动性，水转化成冰后，强度和完整性增加，以抵抗水压力。冰的强度一般为0.3～5.5 MPa，因此冷冻形成的冻土具有良好的阻水性能，但该方法应考虑冻涨和融沉作用，并考虑水压力恢复对结构受力和隧道排水量的影响。

1.2.2 限排降压措施

1)可通过地表或洞内降水措施，降低地下水位，减小隧道周围的水头高度，在粉质黏土、粉土、粉砂、全强风化花岗岩及砂岩等地层，通过降水和排水，降低隧道周围水压力，减小掌子面涌水量。根据经验和有关试验资料［10］，一般情况下，如采取措施将地层含水量降低到12%～20%，可使土体的抗剪强度提高较多。

2)可采取疏导措施，改变地下水的流动方向，如采用排水洞、排水管和排水钻孔，截断或改变地下水的流动路径、方向，从而减小隧道掌子面水压力和涌水量。

3)隧道初期支护表面径向注浆、局部注浆及二次衬砌背后回填注浆，也可减小涌水量和水压力。

4)在涌水口安装带有闸阀的排水系统，根据需要调节闸阀排水量和水压力。

5)采用可以拆装更换或清洗的排水系统，以保证排水顺畅，降低隧道周围水压力。

1.2.3 二次衬砌抗水压

1)水压力大小的分级。对于一般山岭隧道，当水头小于10 m时，地下水流速一般较小，对施工、运营和环境影响轻微，封堵比较容易，可称为极低压水;当水头为10～30 m时，隧道开挖揭示后，地下水一般对施工、运营和环境影响不大，可称为低压水;当水头为30～50 m时，隧道开挖揭示后，地下水流速一般较大，压力较高，对施工、运营和环境影响较大，可称为中压水;当水头为50～100 m时，一旦开挖揭露，喷射距离较远，封堵比较困难，对施工、运营和环境可能产生严重影响，称为高压水;当水头大于100 m，开挖过程中，可能发生爆喷或大量涌突，封堵十分困难，可能对施工、运营、环境产生灾难性影响，可称为极高压水。结合以上分析，并参考国内外有关文献资料和隧道设计施工的经验，建议水压力大小分级如下:

①Ⅰ级。极低水压:p≤0.1 MPa;

②Ⅱ级。低水压:0.1 MPa＜p≤0.3 MPa;

③Ⅲ级。中水压:0.3 MPa＜p≤0.5 MPa;

④Ⅳ级。高水压:0.5 MPa＜p≤1.0 MPa;

⑤Ⅴ级。极高水压:p＞1.0 MPa。

大量的工程实践和监测资料表明，如隧道涌水压力超过1.0 MPa，开挖支护将十分困难，应考虑封堵或引排等措施。此外通过现场观测表明，如混凝土衬砌背后水压力超过1.0 MPa，随着水压力作用时间延长，水将逐渐从混凝土微小空隙中缓慢渗出，产生“慢渗现象”，将给结构承载能力和正常使用带来不利影响。

综合国内外的经验，针对隧道不同区段的水压力状态，在隧道防排水体系设计时，应分区设防，分类处理。对于极低、低水压地段宜以堵水为主、减少排放;对于中水压地段，宜采取堵排结合，限量排放;对于高水压、极高压水地段，宜采取防、堵、截、排、疏相结合，因地制宜，综合治理。

2)隧道二次衬砌抗水压问题。根据国内外隧道设计施工经验，从经济性和可靠性出发，如隧道上方的水头小于30 m，即水压力在0.3 MPa以内，一般可采用全封堵结构，尤其是国内城区地铁区间隧道和地下车站，其埋置深度一般小于30 m(个别城市和线路除外)，其水压力一般小于0.3 MPa，因此大部分采用了以堵水为主、全封闭防水结构，仅考虑少量排水。GB 50108—2008《地下工程防水设计规范》规定，地下工程的埋置深度H和抗渗性的关系，当H＜10 m，混凝土抗渗等级采用P6，当10≤H＜20 m，混凝土抗渗等级采用P8，当20≤H＜30 m，混凝土抗渗等级采用P10，当H≥30 m，混凝土抗渗等级采用P12。根据工程经验，如隧道的水压力小于0.5 MPa，采用合理的断面形式，主体结构(管片、底板、侧墙、顶板等)采用C30～C50、厚为30～80 cm全封闭的混凝土或钢筋混凝土结构，并辅以合理的抗渗、防水、限排及加强仰拱或底板等措施，基本可以解决隧道结构的稳定性和抗水压问题。

随着抗水压能力的提高，二次衬砌混凝土衬砌厚度、强度等级、配筋要求也相应提高，工程成本也会相应增加。根据文献［11］资料，厦门东通道海底隧长6.05 km，为双向分离式6车道公路隧道，地下水和海水总水头为50～70 m，全封闭复合衬砌在Ⅳ、Ⅴ级围岩地段按初期支护和其所加固的围岩承担大部分围岩压力、二次衬砌承担小部分围岩压力和全部静水压力;在Ⅰ～Ⅲ级围岩地段按初期支护和其所加固的围岩承担全部围岩压力、二次衬砌承担全部静水压力模式综合考虑计算。静水压力按照隧道埋置深度进行调整，拱顶最大静水压力按0.65 MPa取值，二次衬砌采用不等厚截面形式，基础或仰拱截面加厚，可保证结构经济合理;根据计算当只考虑静水压力一种工况时，60 cm厚(拱部)的素混凝土二次衬砌，最大可承受0.65 MPa(拱顶)静水压力。实际设计时，该隧道海域Ⅳ级围岩初期支护为Ι18工字钢拱架和C25、厚度28 cm的湿喷混凝土，二次衬砌为厚度60 cm、强度等级C50的钢筋混凝土衬砌;海域Ⅴ级围岩初期支护为Ι20b工字钢拱架和C25、厚度30 cm的湿喷混凝土，二次衬砌为厚度70 cm、强度等级C50的钢筋混凝土衬砌。实际施工过程中，由于水压力较高，局部二次衬砌墙脚出现湿渍现象，采用了封堵措施，并增设了泄水孔进行引排。

青岛胶州湾海底隧道［12］海底段的海水总水头为50～78 m，在海底，海域Ⅳ级围岩初期支护采用了格栅拱架和C35、厚度25 cm的湿喷混凝土，二次衬砌采用了厚度70 cm、C50的钢筋混凝土衬砌;海域Ⅴ级围岩初期支护采用了格栅拱架和C35、厚度30 cm的湿喷混凝土，二次衬砌采用了厚度60～70 cm、C50的钢筋混凝土衬砌。

福宁高速公路洋坪隧道［13］最大埋深180 m，结构计算表明:60 cm厚C30混凝土二次衬砌，能够承受0.3～0.4 MPa的静水压力，60 cm 厚钢筋混凝土二次衬砌(4φ20)，能够承受0.6～0.65 MPa的静水压力，60 cm厚钢筋混凝土二次衬砌(5φ22 mm)，能够承受0.65 ～0.74 MPa的静水压力。

重庆轨道交通一号线二期工程沙坪坝至大学城段中梁山隧道［14］最大埋深270 m，隧道施工过程中遇到10余处高水压富水溶洞，多次发生涌水突泥，地下水高峰期时流量达26 000 m3/d，最大水压力为1.8 MPa。结构设计时考虑最大水压力折减后为881.1 kPa，当抗水压等级为0.5 MPa时，二次衬砌钢筋混凝土厚度为60～80 cm、强度等级C40;当抗水压等级为1.0 MPa时，二次衬砌钢筋混凝土厚度为80～100 cm、强度等级C40。

渝怀线圆梁山隧道2号溶洞初期支护为工字钢或H型钢拱架和20～25 cm钢纤维网喷射混凝土，二次衬砌根据抗水压等级的不同，中、高水压段采用了抗0.5 MPa和1.0 MPa水压钢筋混凝土衬砌，混凝土厚度为60～100 m;极高水压段采用的混凝土强度等级为C30;抗1.5MPa和2.5 MPa水压钢筋混凝土衬砌及抗4.5 MPa水压力型钢钢筋混凝土混凝土衬砌，混凝土厚度为80～120 m，混凝土强度等级为C40。

从现场情况来看，如二次衬砌抗水压等级过高，混凝土厚度增加较多，配筋率也需要大大提高，钢筋间距过小，现场施工时灌注和震捣都比较困难，大体积混凝土的水化热产生的温度应力容易引起裂缝，此外，施工缝和变形缝需要特殊的抗高水压设计，因此，即使二次衬砌混凝土土强度、刚度和稳定性能够满足要求，其在高水压长期作用下混凝土的抗渗性很难满足要求，因为地下水和地表水具有很强的水力联系，当地表降雨导致隧道衬砌背后水压力持续升高时，如作用时间较长，混凝土渗漏问题就会发生，且难以解决。因此，在只考虑水土压力的情况下，隧道二次衬砌混凝土的抗水压等级宜控制在1.0 MPa之内，二次衬砌厚度宜控制在120 cm之内，为了改善隧道的受力条件，应尽量采用圆形断面或鹅卵形断面，如对抗水压有特殊要求，应进行专项试验和特殊设计，如采用高强预应力混凝土、钢管片和型钢混凝土组合结构等。

2 隧道排水量分级及水中泥砂控制问题

2.1 排水量分级

在高压富水区，通常修建排水洞或截水洞，地下水长期大量排放时，如排出的地下水中携带大量泥砂，将对环境带来不利影响，主要是造成地面塌陷和地表水位下降、植被破坏、河流污染和影响环境。此外，铁路隧道排水一旦影响道床和钢轨，将危及行车安全。

关于排水量，不同的隧道规定有所不同。例如，日本青函隧道建成后的排水量小于0.3 m3/(m·d);丹麦西部沿海奥勒(ALesund)松附近修建有2座海底隧道，其中一座从奥勒松至埃林索伊岛(Ellingsoy)隧道最大常年排水量为300 L/min/km，相当于0.432 m3/(m·d);中国香港Rote－9号线沙田岭隧道设计要求排水量不大于36 L/min/100 m，相当于0.518 m3/(m·d);渝怀线圆梁山隧道设计允许排水量为3.0 m3/(m·d);渝怀线歌乐山隧道设计允许排水量为1.0 m3/(m·d)。

中国厦门翔安海底隧道建成通车后的涌水量基本上控制在0.4 m3/(m·d)以内。青岛海底隧道设计要求主隧道的涌水量不得大于0.4 m3/(m·d)，服务隧道不得大于0.2 m3/(m·d)。

重庆轨道交通一号线二期工程沙坪坝至大学城段中梁山隧道［13］，设计要求地下水排放控制标准为1.0 m3/(m·d)。

结合以上分析，参考国内外有关资料和隧道设计施工的经验，如隧道开挖断面不大于150 m2，建议根据隧道建成后的排水量Q，将隧道排水等级分成5级，其适用的隧道类型如表2所示。

为了保证隧道运营安全和环境安全，还应限定任意出水点的最大涌出量和泥砂含量，防止局部涌水量过大，携带泥砂过多，堵塞排水系统，造成水压力升高，影响结构、运营和环境安全。

2.2 隧道排水中泥砂含量及粒径控制

隧道排水中的泥砂含量过多和泥砂颗粒粒径过大，将带来很多问题:1)容易把隧道初期支护背后的地层局部掏空，围岩抗力减小，造成支护结构应力重分布和局部应力集中，导致结构开裂和破坏;2)大量泥砂容易造成排水系统堵塞，引起衬砌背后水压力升高，造成二次衬砌开裂或破坏;3)泥砂容易沉淀在排水沟(管)中，造成清洗困难;4)如泥砂进入无碴轨道道床，将影响列车运营;5)泥砂的大量排放，还可能造成地面塌陷、地下水位下降和下游河水污染等环境问题。因此，对于运营隧道的排水，除限定排水量外，还应限制水中的泥砂含量和最大颗粒粒径，当然，在环保要求严格的地区，其他排放指标也应达标。

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

2.2.1 排水中泥砂含量的限制

根据JGJT111—98《建筑与市政降水工程技术规范》，全部降水运行时，抽排水的含砂量应符合下列规定:粗砂含量应小于1/50 000;中砂含量应小于1/20 000;细砂含量应小于1/10 000。达到这个标准，在很大程度上可以减小由于泥砂抽出对周围环境的影响。

考虑到大部分高水压富水隧道排水中含有一定数量的中砂或细砂，并考虑隧道建成后排水时间长、排量多、影响范围大和清理难等特点，隧道的排水中泥砂含量应控制在1/10 000以内，要达到这一目标，应采取综合控制措施。

2.2.2 排水中颗粒粒径的限制

一般情况下，隧道防水板后设置的排水盲管等效孔径为0.1～0.2 mm，为了防止排水系统堵塞，泥砂等颗粒物应尽量悬浮在水中，以便顺利排出，排水中泥砂颗粒粒径宜小于0.2 mm。

3 中天山隧道高水压富水区地下水控制

南疆铁路土库二线中天山隧道为平行双洞单线隧道，线间距 36 m，左线长度 22.449 km，右线长度22.467 km，隧道最大埋深1 700 m。隧道右线进口采用TBM施工，承担施工任务12 753 m，出口和斜井地段采用钻爆法反坡施工，承担施工任务9 714 m。2011年10月6日右线出口掌子面施工至DyK154+901时(距出口9 139 m，距斜井3 625 m)，在实施超前探孔的过程中施钻孔突然喷出一股高压水，水柱喷射长度达30多m，呈雾化状，单孔出水量最大约5 000 m3/d，实测水压6.3 MPa，受停电等多种因素影响，2011年10月最大一次涌水，淹没隧道900 m左右。DyK154+901涌水区域为F7逆断层影响带，长度96 m，由于隧道长、坡度大，反坡抽排水能力有限，为了保证施工和运营安全，采用全断面超前预注浆封堵高压水［15］，每循环注浆段长30 m，注浆材料为普通水泥单液浆、水泥－水玻璃双液浆和硫铝酸盐水泥单液浆，水灰质量比为0.6∶1 ～1∶1，水泥 － 水玻璃体积比为 1∶1 ～1∶0.3，外加剂用量为水泥量的2% ～5%，注浆最大压力最高为8 MPa，注浆前，超前探孔平均值涌水量为176 m3/h，注浆后，经过反复检查和补充注浆，单孔单段涌水量满足不大于0.2 L/(m·min)的控制标准才达到开挖条件。

每循环注浆后，在开挖之前，在止浆墙后部一定距离打3～5个泄水孔，孔底控制在注浆加固圈外1.0 m外，在开挖之前进行泄水减压和限量排放，等整个初期支护及仰拱填充完成后进行径向注浆，以进一步提高注浆加固圈的抗水压性能，在密切监测初期支护和围岩稳定的情况下，采用顶水注浆的方式将泄水减压孔封堵。隧道采用2台阶开挖，开挖过程中掌子面涌水量和水压力大大减小，注浆堵水率达到90%以上。

隧道初期支护采用工22b型钢和厚度30 cm、C25的网喷混凝土，隧道拱墙初期支护表面设置φ50 mm的环向透水盲管，纵向间距6 m，墙脚设置φ100 mm的纵向透水盲沟，环向和纵向盲管由墙脚的φ100 mm排水管将水引入侧沟，以降低衬砌背后的水压力。初期支护和二次衬砌之间设置EVA防水板，二次衬砌按承受1.0 MPa外水压力进行设计，采用厚度70 cm、C35的钢筋混凝土结构。

4 结论及建议

1)高水压富水隧道设计和施工时，应分析涌水量、水压力、水中泥砂含量、颗粒粒径对施工、运营和环境的影响，制订合理的控制标准和有效的工程措施。

2)在隧道防排水方面，应分类处理、分区设防，堵、排结合，堵大排小，堵混排清，因地制宜，综合治理，以保证施工和运营安全，并尽量减少排水对周围环境的影响。

3)注浆是减小隧道涌水量、水压力和水中泥砂含量的有效措施。对于极高水压力隧道，如采用帷幕注浆方案，选用合理的方法、材料、参数、工艺及设备，并严格进行效果检查和补充注浆，堵水率也能达到90%以上，水压力、涌水量和水中泥砂含量会大大减小。

4)为了减小隧道内排水量，降低支护结构水压力，如修建排水洞进行无限制排水，会携带大量泥砂，很可能影响周围环境，造成地面塌陷和地下水位降低，因此在地下水控制方面，宜首先考虑注浆堵水、钻孔排水及抗水压衬砌等方案，如进行排水洞排水，应考虑限量排放措施，并分析长期大量排水对环境的影响。

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