(中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

山嶺特長富水隧道在建筑施工領(lǐng)域是公認的施工難題。富水隧道在進行隧道開挖支護過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)大涌水現(xiàn)象，隧道甚至出現(xiàn)水簾洞，如果不能很好處理涌水，極易導致隧道發(fā)生石塊掉落甚至塌方，嚴重影響項目工程整體安全和質(zhì)量。

1 工程概況

瓦日鐵路太行山隧道橫跨河南、山西兩省，左右線全長36.233km，太行山隧道出口地處河南林縣姚村，右線隧道的出口里程是DyK596+973.07，左線出口里程是DK597+001，隧道進口位于山西省平順縣石城鎮(zhèn)，隧道右線出口里程是DyK578+864，隧道左線出口里程是:DK578+876。隧道最小埋深和最大埋深分別為12.10m和915.09m。隧道DyK590+704(DK590+739)～DyK590+309(DK590+334)里程段全長約184.9m，通過暗挖法施工從露水河淺埋地段下穿而過。該段地質(zhì)條件較差，為Ⅴ級圍巖，由于瓦日鐵路太行山隧道上部和周邊為含水量很大的溶洞和暗河，隧洞內(nèi)斷層和裂隙十分密集，與溶洞和暗河等含水層相連，易產(chǎn)生高壓突(涌)水風險，給施工造成很大困難。

2 工程突發(fā)涌水情況

從隧道進洞伊始，一號、二號、三號斜井施工區(qū)域，下穿露水河段施工區(qū)域陸續(xù)出現(xiàn)不同程度的涌水。其中一號斜井2010年5月9日動工，6月7日斜井左拱腳突發(fā)大涌水，最大涌水量近375m3/h。2010年11月到2011年1月正洞相繼出現(xiàn)五次極大涌水，涌水峰值達1500m3/h。自2010年6月發(fā)生涌水開始，一直到2013年11月，一號、二號、三號斜井施工區(qū)域，下穿露水河段施工區(qū)域等隧道區(qū)間累計抽排水量近10000萬m3，涌水量非常巨大，遠遠超過原設計范圍。

3 富水隧道施工難點

a.如果隧道排水不暢，會降低工作面的穩(wěn)定性:通過鉆爆法施工的隧道比較容易出現(xiàn)坍塌。隧道進行鉆爆法施工時，是以確保工作面的穩(wěn)定性為前提條件的。通常富水隧道大多為軟弱圍巖，圍巖中存在裂縫，一旦發(fā)生大量涌水，就會嚴重影響工作面的穩(wěn)固，導致工作面出現(xiàn)坍塌。

b.如果涌水范圍比較大，會極大降低隧道支護安全性。涌水會影響支護混凝土和圍巖之間的附著性；涌水也導致錨桿的錨固材料長時間受水浸泡而喪失錨固性能，極大降低支護效果。

c.如果隧道基礎(chǔ)水量過大，會導致基底不牢固。隧道施工時，機械設備行駛時會對隧道基底反復碾壓，導致基礎(chǔ)產(chǎn)生大量泥濘，影響機械施工效率和質(zhì)量安全。而基底不牢固也會嚴重影響支護效果和隧道安全性、穩(wěn)定性。

d.如果泄水不當，導致地下水位嚴重下降，這不僅會造成隧道地層沉降，還會影響周邊地層發(fā)生沉降。如果處理不當，會造成周邊地表構(gòu)筑物傾斜。

4 隧道施工方案設計

為了解決涌水對太行山隧道施工和營運安全的影響，按照“預報先行、治水緊跟、管棚超前、注漿配合、控制進尺、微弱爆破、強化支護、快速封閉、加強測量”和“以排優(yōu)先、防引堵相結(jié)合”的方法和原則，對涌水段進行科學治理，根據(jù)涌水位置和涌水量大小采取不同防水治水方案[2]。

除準確進行超前地質(zhì)預報外，還要做好防水排水，采取三臺階七步隧道開挖法，施工時必須遵循“先行預報、緊跟治水、超前管棚、微弱爆破、強化支護、控制進尺、配合注漿、快速封閉、加強測量”的準則，隧道每循環(huán)開挖進尺控制在100cm范圍以內(nèi)，避免在隧道開挖的時候發(fā)生隧道表面滲漏水、掉石塊等現(xiàn)象。在進行掘進時，臺階設計長度控制在300～500cm范圍，通過能破碎巖石的風鎬進行開挖，或者通過弱爆破[3]開挖。臺階法施工工序見圖1。

5 隧道防水治水施工技術(shù)

5.1 超前地質(zhì)預報

太行山隧道施工時的不確定因素很多，針對地質(zhì)結(jié)構(gòu)十分復雜的富水地段，特別是露水河淺埋地段下穿段，通過采取TSP、紅外探水和地質(zhì)雷達等一系列超前地質(zhì)預報舉措，預判溶腔含水情況。

圖1 臺階法施工示意圖(單位: cm)

5.2 洞外處理措施

位于隧道下部的露水河與隧道上部的距離非常近，而且隧道周邊圍巖內(nèi)部的水系十分發(fā)達。太行山隧道頂部和露水河底部間的巖層一般是巖石層，如果不能妥善地對地表滲透問題進行加固處理，將會嚴重影響項目工程整體質(zhì)量。對河底和隧道頂部之間的巖體進行深孔注漿固結(jié)，加固深度大約2.5～6m。具體的深孔注漿次序為：布置鉆孔→將花管在土層進行鉆孔→實時沉降觀測→開展深孔注漿→進行鉆孔封堵[4]。

5.3 洞內(nèi)處理措施

在確保安全施工的前提下，要依據(jù)涌水具體位置和涌水量大小研究隧道內(nèi)防水治水排水的方式方法。如果涌水為股狀水，借助排水管首先引流到隧道邊墻腳，接著將涌水引到中間排水溝槽。針對隧道局部產(chǎn)生的裂隙涌水，引流到中間排水溝槽排出，同時做好支護。針對拱部線狀的涌水，通過擋排水的方法，從隧道兩側(cè)首先引排至墻腳，然后引流到中間排水溝槽排出，避免洞內(nèi)出現(xiàn)如大雨傾盆現(xiàn)象，切實優(yōu)化隧道的施工環(huán)境。針對隧道里的積水，借鑒類似工程實踐經(jīng)驗，采取帷幕注漿或深孔注漿進行固結(jié)；為避免施工中突發(fā)涌水安全事故，增設集水井和排水溝，通過歸槽集水抽排的方式，能夠很好地改善隧道施工環(huán)境[5]。

5.3.1 增設橫通道

為提高施工效率，借助三臂鑿巖臺車輔助隧道開挖。因為二次襯砌臺車凈空比較低，影響體積較大的三臂臺車的自由行走，為確保三臂臺車能在掌子面進行施工作業(yè)和出渣車的自由運輸，在隧道里每間隔125m增加一個寬度為7m的橫通道，將橫通道和隧道邊線成40°交角進行設置，方便三臂臺車在二次襯砌臺車和掌子面之間的存放和施工。橫通道設置見圖2。

圖2 隧道之間橫通道設置示意圖(單位：m)

通過加強隧道里機械設備的調(diào)度，避免隧道施工出現(xiàn)“腸梗阻”式堵塞。

5.3.2 仰拱設計和排水方案

a.仰拱設計。按照鐵路施工規(guī)范，仰拱和掌子面的間距必須小于40m，為了“早閉合、防塌方”，借助仰拱棧橋施工[6](見圖3)實現(xiàn)開挖和澆注混凝土同步作業(yè)，確保運輸物資、運渣的裝載車等施工車輛的順利通行。

圖3 仰拱棧橋立面示意圖

b.富水段仰拱排水。為最大限度減少涌水對隧道施工的不良影響，具體實施方案如下：對橫通道進行截流排放。當涌水量不大，而且屬于順坡排水方式時，為確保仰拱順利施工，通過截流排放方式排水(見圖4)。

集水坑階梯式與橫通道截流方式同時運用，進行雙排水。對涌水進行妥善處置，確保仰拱施工時，周圍環(huán)境沒有積水現(xiàn)象(見圖5)。如果水量變大，配備抽水泵，順著坡道通過排水管把水引至下游排到隧道外部(見圖6)。

圖5 隧道攔水壩后方出現(xiàn)股狀涌水點時采取的排水方式

圖6 隧道出現(xiàn)較大涌水量時采取的排水方式

5.3.3 襯砌防排水施工方案設計

在二次襯砌拱墻背面布置厚度為1.5mm的防水板，為了將二襯混凝土的抗?jié)B透能力和防水效果全面提升，將二襯混凝土厚度設定為50cm，澆筑C20混凝土，提高抗?jié)B透能力。當混凝土達到設計強度要求以后，立即開始注漿充填。

5.3.4 富水段防排水與矮邊墻施工

1號斜井完成開挖后，針對拱部線狀水的治水舉措：首先進行第一層防水板鋪設，然后將拱部的線狀水從隧道兩邊引流到墻腳位置，然后引流到洞外，避免洞內(nèi)出現(xiàn)“大雨傾盆”現(xiàn)象；洞內(nèi)通過歸槽排水，極大地提高洞內(nèi)通行能力；緊接著進行第二層防水板鋪設，實現(xiàn)隧道治水目標。

在隧道涌水量大的區(qū)域，完成開挖以后，第一步將環(huán)向盲管及首道防水板鋪設到隧道拱頂以下6m左右位置，再把水引流到位于邊墻的排水溝槽中，再排到洞外，確保在無水的狀態(tài)下開展矮邊墻施作；當完成矮邊墻施工任務以后，將拱部和矮邊墻預埋的環(huán)向盲管連接好，緊接著進行土工布和防水板的鋪設。

5.3.5 注漿堵水技術(shù)

注漿堵水技術(shù)應用在鐵路富水隧道施工領(lǐng)域中可以加強圍巖穩(wěn)定性。為了有效降低隧道施作時排水壓力，同時將涌水有效截堵到集水井并順利排出洞外，針對涌水量大小和實際情況采取不同的注漿方式。在瓦日鐵路太行山隧道富水區(qū)域治水過程中，通過對全斷面帷幕注漿和周邊注漿兩種不同方式進行試驗性比選，研究更好的注漿方式。

a.全斷面帷幕注漿。由于隧道右線長約120m、左線長約138m的區(qū)間圍巖存在較大裂隙，導致涌水嚴重。為確保施工安全，采取全斷面帷幕注漿堵水方式進行隧道治水，相關(guān)參數(shù)和設計見表1、圖7。

表1 全斷面帷幕注漿設計參數(shù)

對漿液按照“跳孔隔注、從上到下注、從外面朝里注”的原則進行施作。鉆孔注漿相關(guān)規(guī)定為:如果涌水量在0～10m3/h，注漿深度為10m；如果水量在10～30m3/h，注漿深度為5m,如果水量超過30m3/h，馬上終止鉆孔，立即開展注漿。注漿壓力為6MPa。

完成全斷面帷幕注漿后,對鉆孔進行檢查,發(fā)現(xiàn)鉆孔不存在坍孔現(xiàn)象，成孔效果良好。全斷面帷幕注漿堵水共完成左、右線一共13個循環(huán)，長度共計258m。完成注漿進行開挖時，發(fā)現(xiàn)隧道里比較大的裂隙通過漿液有效填充后,注漿堵水的效果頗佳，基本不存在滲漏現(xiàn)象,確保了富水帶的安全施工，平均月掘進達到26m左右。通過對隧道開挖和全斷面帷幕注漿工序進行有效分配，兩者消耗時間比例為2 ∶3。

圖7 全斷面帷幕注漿設計(單位:cm)

b.周邊注漿。為了保證隧道開挖、支護時的安全，在妥善進行治水的同時，必須降低排水壓力，確保施工和運營時涌水匯集后能夠順利排出洞外。對左右線共計142m(DyK585+309～DyK585+230)段落通過周邊注漿形式進行堵水施工。借助液壓平臺安裝好中空注漿錨桿，然后采用高壓注漿泵將漿液注進圍巖中。每根注漿管之間按照1m的間距進行布置，并根據(jù)不同涌水形式采取不同的封堵方式：如果涌水點非常集中，徑向注漿與頂水注漿同時進行；如果涌水是雨狀或者散狀，采取徑向注漿形式。為達到較好的注漿效果，注漿范圍可以適度擴大。出水段的圍巖縫隙很多，為保證注漿堵水的效果，采用全斷面徑向注漿的形式，注漿參數(shù)和設計見表2、圖8。

表2 周邊注漿設計參數(shù)

圖8 周邊注漿設計(單位:cm)

如果有些區(qū)間涌水量不大，必須通過水泥—水玻璃雙液漿形式先行封堵，接著反復壓注單液漿，確保壓漿的良好效果。

周邊注漿堵水左右線共完成7個循環(huán)140m區(qū)間的施工。采取周邊注漿方式，能夠滿足檢查孔每分鐘出水10L的規(guī)范要求。通過對周邊進行局部加密注漿,確保良好的注漿堵水效果。

通過對周邊注漿與全斷面帷幕注漿進行對比，堵水效果前者較好，每月進度平均在40m左右。通過對隧道開挖和周邊注漿進行有效分配，開挖和注漿消耗時間比例為3 ∶2。

c.注漿研究分析。通過對瓦日鐵路太行山隧道富水帶進行注漿研究，能夠得出以下結(jié)論：無論全斷面帷幕注漿還是周邊注漿，都能夠確保開挖安全，兩種方式下，每月開挖進度分別為26m和40m。通過對全斷面帷幕注漿和周邊注漿進行對比，前者比后者注漿孔數(shù)增加59%,注漿時間增加56%,進度降低56%。通過綜合比選，周邊注漿優(yōu)勢更為明顯。

5.3.6 整體道床排水設計

由于工程涌水量過大，如果僅僅采用邊側(cè)泄水溝形式，排水能力遠遠不足,所以在隧道中線增加一條泄水溝槽加快排水。但因為該隧道是供重載列車使用,而且埋深很大,為確保施工和運營安全，在泄水溝槽上部增加扣拱。排水溝槽及上部結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 排水溝槽及上部結(jié)構(gòu)(單位:cm)

5.3.7 排水溝槽與邊側(cè)泄水溝比較

通過實踐檢驗，將下部排水溝槽和邊側(cè)泄水溝進行對比,下部排水溝槽具備以下優(yōu)勢：下部排水溝槽水壓變化更為平均，不容易出現(xiàn)水壓偏心現(xiàn)象，而邊側(cè)泄水溝容易產(chǎn)生水壓偏心。下部排水溝槽施工方便靈活，尺寸深度可以自由調(diào)整，將基底進行加固后,極大增強基底承載力，下部排水溝槽斷面面積較大，能夠通過機械進行開挖，可有效節(jié)約施工時間，而且方便排查、清淤和修整；但是邊側(cè)泄水溝斷面面積比較小,不方便排查、清淤和修整,如果出現(xiàn)擁堵,不方便疏解。

由于隧道所在地的林州市非常缺水,采用排水溝槽的設計，能夠把太行山隧道的大量涌水通過集中收集后進行有效再利用，用于灌溉、降塵等，實現(xiàn)節(jié)水，利于環(huán)保；通過對下部排水溝槽進行科學設置,能夠確保太行山隧道施工運營時的干燥。

下部排水溝槽能夠?qū)崿F(xiàn)與隧道開挖同步施工，施工更便捷、投入更小，不僅縮短工期，還便于維護；能很好處理排水問題，為無砟軌道施工創(chuàng)造良好的施工條件,能夠極大削減后期病害，保證后期運營的安全。

6 結(jié) 語

針對太行山隧道面臨的長大富水隧道施工難題，為最大程度消除突(涌)水風險，遵循“預報先行、治水緊跟、管棚超前、注漿配合、控制進尺、微弱爆破、強化支護、快速封閉、加強測量”的原則，采用“以排優(yōu)先、防引堵相結(jié)合”的方法，對涌水段進行科學治理。通過配置橫通道、截流排放與集水坑階梯式排水并用、增加泄水孔，進行有效注漿、配置中部排水溝槽等一系列舉措，取得了較好的治水排水效果。