隧道涌水處理對策分析及強制排水方法

鄭孝福

（中鐵隧道局集團二處有限公司，河北燕郊065201）

1 概述

在隧道施工中，地下水是重要的施工影響因素，尤其是地下水突涌對隧道的安全、工期和成本影響巨大。鐵路、公路隧道穿越富水地層時，大多存在涌水、透水及高水壓問題[1]，關(guān)寶樹在漫談礦山法隧道技術(shù)——十四講[2]、十五講[3]中給我們分享了控制地下水的基本觀點和對策，顧博淵[4]等從幾種隧道涌水量預(yù)測方法入手對襯砌結(jié)構(gòu)的防滲等級給出了建議，以上文獻均是介紹涌水隧道的設(shè)計方法和對策，章方政[5]結(jié)合中梁山隧道對破碎帶涌水段的具體工程措施進行了闡述。檢索近幾年的文獻，很少從隧道涌水后的施工處理決策、快速恢復(fù)施工的排水方法選擇等方面進行研究，在發(fā)生涌水的隧道實例中，尤其通過輔助坑道實行長隧短打的工程因無法實現(xiàn)自然排水，損失最為嚴(yán)重。本文擬以輔助坑道進入正洞的施工場景為分析對象，通過對隧道地下水涌水過程和排水過程進行定性的規(guī)律性分析，探究和明晰隧道涌水后的處理方案和強制排水方法的基本思路。

2 隧道涌水規(guī)律定性分析

圖1 水庫潰壩模型示意圖

如模型2個狀態(tài)所示，壩體潰塌后，庫容水量形成洪峰迅速涌向壩前洪澇區(qū)，庫容水量迅速減少，在短時間內(nèi)，庫區(qū)與壩前洪澇區(qū)暫時形成如模型狀態(tài)2所示的平衡水位，此時水位上升的速度出現(xiàn)一個明顯的減緩，而后河流繼續(xù)對水體進行補給，水位緩慢上升。而隧道涌水的過程和模型模擬的過程類似，模型中的壩體相當(dāng)于止水巖盤，在巖盤破壞后，地下水積聚區(qū)水體迅速涌入已經(jīng)開掘的隧道空間，導(dǎo)致隧道內(nèi)水位迅速上升，積聚區(qū)滯留水體和涌入隧道空間的水體之間形成暫時的水位平衡，隧道內(nèi)涌水水位上升速度出現(xiàn)一個明顯的減緩，而后地下水源繼續(xù)補給，隨著與隧道影響區(qū)地下水位的逐漸接近，涌水水位上升的速度逐漸減緩，最終穩(wěn)定在隧道區(qū)域地下水位或涌水補給源水頭位置，在涌水的過程中，涌水流量也由于地下水頭和隧道淹沒水頭的平衡作用而逐漸減小并最終停止補給。涌水過程中其流量隨時間的變化大致呈圖2所示。

圖2 流量—時間（Q-T）曲線

如圖2所示，Qm相當(dāng)于洪峰水量，由于積聚區(qū)滯留水體和涌入隧道空間的水體之間形成暫時的水位平衡，此后會出現(xiàn)如曲線點A所示的流量減弱拐點，根據(jù)地質(zhì)條件的不同，Qs和Qm會呈現(xiàn)不同的數(shù)值，如在巖溶陷落柱水害條件下，止水巖盤破壞之后，Qs與Qm是基本相等的，沒有Qs向Qm變化的過程或是過程相當(dāng)短，但在第四系松散孔隙含水層和第三系砂礫含水層水害中，Qs向Qm有一個逐漸的過程。通過觀測涌水過程中流量數(shù)據(jù)的變化，擬合Q-T曲線，通過分析，一般可以認(rèn)為點A位置對應(yīng)的流量大致相當(dāng)于補給流量，從曲線還可估計出最大涌水量、隧道地下水位高度、補給流量等。其中最大涌水量、補水流量是確定涌水處理方案和排水方案的重要參考依據(jù)。

3 排水規(guī)律定性分析

排水過程從理論上可以認(rèn)為是涌水Q-T曲線的部分反演，通過排水系統(tǒng)使淹沒水位下降，水頭差變大，補水流量逐步變化，在排水過程中，補水流量的變化同樣與地下水賦存的地質(zhì)條件相關(guān)，受補水條件的影響，在巖溶陷落柱或溶洞水害地段其巖溶通道決定補水條件，而在第四系松散孔隙含水層和第三系砂礫含水層水害中其補水條件則受地層滲透系數(shù)的直接影響，補水流量和水頭差有一定的規(guī)律性，即有如圖3曲線顯示的規(guī)律。

圖3 排水Q-ΔH曲線及工況點

排水過程中，補水流量基本呈駝峰型變化，最終流量等于補給流量，與Q-T曲線中點A所對應(yīng)的流量大致匹配，而對于補給水源有限的水害地區(qū)，在短時間維持某一流量后還會出現(xiàn)斷流。

在實施強制排水時，最根本的目的是降低隧道的淹沒水位，排出隧道的庫容水量以便恢復(fù)施工，但在抽放過程中，隧道庫容水量受補給水量和抽排水量的動態(tài)控制，庫容排水流量、排水系統(tǒng)排量、隧道地下水補水量的關(guān)系如下：

式中：M——隧道當(dāng)期有效庫容排放流量，m3/h；

P——排水系統(tǒng)當(dāng)前能力，m3/h；

Q——隧道當(dāng)前補水量，m3/h。

結(jié)合ISO20000相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確智慧園區(qū)運營管理的權(quán)責(zé)、內(nèi)容和流程等要求，為后續(xù)的支護園區(qū)信息化運維提供支持。智慧園區(qū)運維需要明確相關(guān)權(quán)責(zé)，其中包括運維職責(zé)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、弱電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和技防系統(tǒng)，包括系統(tǒng)運維質(zhì)量和文檔規(guī)范等內(nèi)容。

由此可知，要使隧道內(nèi)涌水的有效庫容降低，M必須大于零，即使排水系統(tǒng)的排水能力P大于隧道當(dāng)前地下水的補給量，M越大，隧道庫容降低速度越快。在排水過程中，地下水補給流量受水頭差的影響，在排水系統(tǒng)排放流量P一定時，M是一個跟隨補水流量動態(tài)變化的值。在實際的排水實踐中，當(dāng)排水系統(tǒng)的排水流量處于Q-ΔH曲線中的不同位置時，排水效果會呈現(xiàn)較大差異。

現(xiàn)選定排水系統(tǒng)的排水能力為Qp（m3/h），當(dāng)Qp處于圖3所示Q-ΔH曲線中不同工況點時，通過定性分析隧道淹沒水位的變化和排水能力的關(guān)系來分析排水效果。

當(dāng)Qp=P1＞Qmax時，由M=P-Q可知，在整個排水過程中，M始終大于零，隧道淹沒水位將一直持續(xù)下降，直到完全消除隧道涌水庫容，這種情況是施工排水的理想狀態(tài)，耗時短，地下水抽排總量少。

當(dāng)Qend＜Qp=P2＜Qmax時，在排水初期，M大于0，淹沒水位下降明顯，隨著淹沒水位的下降Q變大，當(dāng)Q=P2時（即圖3中工況點2對應(yīng)位置），隧道淹沒水位持續(xù)穩(wěn)定不變，呈現(xiàn)T2階段的狀態(tài)，在穩(wěn)定一段時間后，排水工況進入到圖3中工況點3對應(yīng)的位置，此時隧道淹沒水位再次開始下降，最終消除排水庫容，此排水過程雖最終消除了隧道涌水庫容，但耗時較長，地下水體抽排總量大，不是最優(yōu)的排水方案。

當(dāng)排水流量Qp處于該區(qū)間時，排水狀態(tài)的發(fā)展受地層的影響非常大，某些情況下淹沒水位將會出現(xiàn)長期的穩(wěn)定狀態(tài)，排水工況不能轉(zhuǎn)換到工況點3對應(yīng)的位置，隧道淹沒水位產(chǎn)期持續(xù)不變，無法達到消除隧道涌水庫容的要求。

當(dāng)Qp=P3＜Qend時，在排水初期，M大于0，淹沒水位下降明顯，隨著淹沒水位的下降Q變大，當(dāng)Q=P2時（即圖3中點2對應(yīng)位置），隧道淹沒水位持續(xù)穩(wěn)定不變，如果補給水體總量較大時，水位將會出現(xiàn)長期的穩(wěn)定狀態(tài)，淹沒水位始終停留在某一水平上，排水時間受隧道區(qū)域地下水總量控制，無法達到強排目的。

綜合上面的分析，在排水實踐中，有如下定性的規(guī)律：

Qp=P1＞Qmax時，隧道庫容持續(xù)下降，排水時間段，排水總量最小，是真正意義上的強排。

Qend＜Qp=P2＜Qmax時，排水時間長，排水總量大，并有可能長期處于穩(wěn)定水位，出現(xiàn)強排失敗，或需重新擴大排水能力。

Qp=P3＜Qend，排水時間受隧道影響區(qū)域地下水總量的控制，無法達到迅速排水目的。

4 排水規(guī)律分析在總體施工處理方案決策中的運用

在工程實踐中，排水能力受現(xiàn)場條件限制，其最大排水能力（設(shè)定為Pmax）是有限度的，而在特定的隧道施工中，其地下水賦存條件對應(yīng)圖3所示的Q-ΔH規(guī)律曲線也是特定的。通過綜合分析地質(zhì)資料、涌水期間區(qū)域地下水位變化和涌水Q-T曲線，對該地層的QΔH曲線的重要特征參數(shù)Qmax和Qend有一個基本的判定。根據(jù)Pmax、Qmax、Qend數(shù)據(jù)關(guān)系，基本的分析流程及總體施工方案決策如下：

Pmax＞Qmax，直接采取強制排水方案排出隧道的庫容水量，然后在隧道內(nèi)實施封堵措施，如帷幕注漿等。甚至可以帶水直接恢復(fù)隧道施工而不做封堵措施，一般情況下此方案實施期最短，費用最少。

Qend＜Pmax＜Qmax，慎重采取強排方案，如果地面具備較好的封堵處理條件，可以先在地面采取適當(dāng)?shù)姆舛麓胧?，對補給流量進行適度的限制。同時現(xiàn)場采取嘗試性排水，觀測水位變化情況，并結(jié)合排水過程中流量變化規(guī)律修正補給流量數(shù)據(jù)，進一步確定強排方案的可行性。

Pmax＜Qend，不推薦采用強排方案，尋求地面封堵處理方案封閉地下水補給通道，然后排除隧道涌水庫容后恢復(fù)施工，此方案實施期一般比較長，費用較大。也可以先按現(xiàn)場的最大排水能力進行嘗試性排水，即相當(dāng)于地質(zhì)勘探中的提水試驗，重估補給流量，為方案決策提供更準(zhǔn)確的支撐。

5 強制排水方法

在以斜井等輔助坑道進入的隧道發(fā)生涌水后，由于不具備自然排水條件，只能從輔助坑道進行排水，而輔助坑道排水方案受涌水量、涌水來源、井深、隧道斷面形式及坡度、供電系統(tǒng)、運輸條件等諸多因素的影響[7]，排水設(shè)備只能設(shè)置在斜井或豎井內(nèi)，設(shè)備安裝的空間有限，在排水過程中，水位逐步下降，排水設(shè)備必須要隨水位下降進行移動，設(shè)備必須始終處于對水位的追蹤狀態(tài)，故設(shè)備要方便移動，管路便于接駁。結(jié)合上述條件，介紹2種常見的斜井條件下的排水方法，本文只定性介紹布置方法，不對排水功率、管徑選擇計算等做深入介紹。

5.1 二級接力追排法

該方法可用于無軌運輸?shù)男本潘谜居芍亓枯p、大流量、低揚程的電動潛水泵組成一級泵取水，由高揚程、大流量、大功率、重量大的坐式泵組成二級主泵，形成兩級串聯(lián)的排水系統(tǒng)，兩級泵間用軟管連接，一級泵可以是多臺潛水泵并聯(lián)，二級泵也可以是多臺泵并聯(lián)，一級泵為二級泵取水，一般也稱為取水泵?；镜南到y(tǒng)布置方式見圖4。

由于主泵一般很重，體積較大，移動困難，一般將二級主泵安裝在汽車上，隨水位的下降，汽車載泵后退追蹤水位，但在追蹤過程中，由于路面障礙物等的阻擋，坐式泵極易出現(xiàn)吸程過大而降低效率或不能及時跟蹤水位，由此串聯(lián)一級取水泵，同時由于一級泵重量輕，便于人工移動以追蹤水位，又巧妙地解決了主泵吸程的問題。在工程實例中，通過合理設(shè)置管路和排水單元，可以形成多單元脈步追水的排水方式，減少追水過程中由于水管連接工作的間歇干擾而使水位上升，可形成連續(xù)的強排能力。

5.2 斜井浮動式追排水方法

圖4 某二級接力排水系統(tǒng)示意圖

此方法是二級接力追排法的改進，在常規(guī)二級接力排水法中，需要人工移動取水泵追水，而浮動追排水法就是將取水泵安裝在浮筏裝置上，浮筏帶著取水泵隨水面自動下降而實現(xiàn)追水目的，浮筏上安裝的潛水泵連接柔性剛編管和主泵駁接，當(dāng)浮筏位置變化時，軟管相應(yīng)伸長，因此不必頻繁地移動接力主泵的位置，浮筏泵體積小，重量輕，降低了斜井狹小空間范圍內(nèi)設(shè)備移動的難度。浮筏裝置一般利用空油桶的浮力將潛水泵和支架浮起，整個裝置投入水中后，適當(dāng)調(diào)整水泵安裝的位置使整個浮筏傾斜入水以便潛水泵沒入水中。根據(jù)實際情況要求，浮筏上可以配置多臺電動潛水泵取水。排水系統(tǒng)布置如圖5所示。

圖5 浮動式追排水系統(tǒng)布置示意圖

整個系統(tǒng)由浮筏裝置和二級接力排水系統(tǒng)、平板汽車構(gòu)成。該系統(tǒng)在無軌運輸斜井條件下布置非常迅速，追蹤性能好，有軌斜井坡度（i≤12%）和路面允許的情況下也可以迅速布置。

6 結(jié)論與討論

隧道涌水施工處理方案的決策依賴于補水流量的規(guī)律，每個隧道都有其獨特性，必須具體問題具體分析，必要時結(jié)合試排水的試驗數(shù)據(jù)，對關(guān)鍵參數(shù)進行評估。其次是現(xiàn)場強制排水系統(tǒng)的排水能力，如果排水能力足夠大，則能為總體方案的選擇提供更大的余地，能夠更快速地恢復(fù)隧道施工。

目前國內(nèi)外排水設(shè)備發(fā)展很快，出現(xiàn)了各種新型的水泵，出現(xiàn)了揚程超過1000m，單泵排水能力超過2200m3/h以上潛水泵，并可直接采用高壓電機驅(qū)動，不需要單獨配置電力變壓器，并出現(xiàn)了車載泵、履帶式自行泵等，方便快速布置和移動，各種輕質(zhì)高壓軟管、快速接頭等配套件也不斷涌現(xiàn)，新設(shè)備的出現(xiàn)為隧道涌水強排方案提供新的選擇，并會為長大隧道輔助坑道的確定提供更大的余地。

參考文獻：

[1] 王建秀,朱合華,葉為民.隧道涌水量的預(yù)測及其工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(7)：1150-1153.

[2] 關(guān)寶樹.漫談礦山法隧道技術(shù)第十四講——隧道涌水及其控制方法[J].隧道建設(shè)，2017,37(1)：1-10.

[3] 關(guān)寶樹.漫談礦山法隧道技術(shù)第十五講——隧道涌水控制技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2017,37(2)：115-122.

[4] 顧博淵，史寶童，黃嫚.山嶺隧道涌水量預(yù)測方法分類及相關(guān)因素分析[J].隧道建設(shè)，2015,35(12)：1258-1263.

[5] 章方政.中梁山隧道涌水綜合治理技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2013,33(10)：883-889.

[6] 吳明玉，寧殿晶，謝軼瓊.隧道涌水的原因分析及治理措施[J].山西建筑，2010（12）：318.

[7] 孫保敬.礦山排水搶險應(yīng)急救援系統(tǒng)的研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)（北京）博士學(xué)位論文，2011（4）：15.