山区高速公路隧道施工中涌水预测与涌水方案研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER42第 40卷第 1期0 引言在现代基础设施建设领域，高速公路隧道施工作为连接城市和地区的重要通道，为社会和经济的发展提供了关键支持。然而，随着隧道工程规模和深度的增加，地下水问题逐渐成为制约施工安全和效率的主要挑战之一。地下水的涌水现象不仅可能导致工程延误和成本超支，还可能威胁工人的生命安全以及环境的稳定性。因此，高效地控制地下水并科学应对地下水涌水问题，已成为隧道工程实施过程中亟待解决的问题。该研究旨在深入探讨高速公路隧道施工中地下水控制与涌水管理的策略与方案。在这一背景下，研究的核心目的在于全面理解地下水的特性及其与施工活动的关联，为高速公路隧道施工中山区高速公路隧道施工中涌水预测与涌水方案研究杨亚刚，张宁（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）摘要：随着高速公路隧道施工的不断发展，地下水控制与涌水管理成为确保施工安全和顺利进行的关键因素。通过对地下水特性及隧道施工中涌水预测；影响因素以及预测方法的综合分析，探讨了高速公路隧道施工中的涌水预测方案的选择。文中回顾了过往研究，识别了现有问题，并提出防水屏障技术作为地下水控制的方法，虹吸排水方法对隧道涌水的运用。通过实际工程案例的分析，总结了排水方法的效果与经验。最后，展望了未来技术创新和可持续性考虑在高速公路隧道施工中的应用。该研究为喀斯特地貌山区高速公路隧道施工中地下水控制提供了深入的理论和实践参考。关键词：地下水特性；帷幕注浆技术；涌水预测；虹吸；应急响应中图分类号：U455文献标识码：B文章编号：1006-3951(2024)01-0042-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.01.010Research on Prediction and Scheme of Water Gushing in the Construction of Highway Tunnels in Mountainous AreaYANG Yagang,ZHANG Ning(POWERCHINA SINOHYDRO ENGINEERING BUREAU 14 CO.,LTD.,Kunming 650041,China)Abstract:With the continuous development of highway tunnel construction,groundwater control and water inflow management have become key factors to ensure construction safety and smooth progress.By analyzing the characteristics of groundwater and predicting water gushing during tunnel construction,this paper comprehensively analyzes the influencing factors and prediction methods,and explores the selection of water inflow prediction schemes in highway tunnel construction.It reviews past research,identifies existing issues,and proposes waterproof barrier technology as a method for groundwater control,as well as the application of siphon drainage methods for tunnel water inflow.Through the analysis of practical engineering cases,the effectiveness and experience of drainage methods are summarized.Finally,the application of future technological innovation and sustainability considerations in highway tunnel construction is discussed.This provides in-depth theoretical and practical references for groundwater control in the construction of highway tunnels in karst mountainous areas.Keywords:groundwater characteristic;curtain grouting technology;water gushing prediction;siphon;response收稿日期：2023-11-08作者简介：杨亚刚（1985-），男，陕西宝鸡人，工程师，主要从事土木工程施工技术相关工作。*杨亚刚，张宁 山区高速公路隧道施工中涌水预测与涌水方案研究43地下水控制提供科学依据。研究将专注于喀斯特高海拔山区涌水量预测方法对涌水量进行预测。哪些因素对地下水涌水问题产生影响，如何进行系统的影响因素分析。在高速公路隧道施工中，如何堵水，以有效地避免涌水风险。在涌水管理方面，什么是可行的防水屏障技术，并如何在实际施工中应用。如何在地下水涌水事件发生时进行及时的预测、监测，并制定科学应急响应策略。1 文献综述1.1 过往研究地下水控制与涌水防治在高速公路隧道施工中一直是一个重要的研究课题。早在 20 世纪 80年代，就对隧道施工中的地下水系统进行了研究，提出了地下水平衡法对涌水量进行预测1。随后在 90 年代，基于数值模拟方法研究了降水量与涌水量之间的关系2。进入 21 世纪，越来越多学者开始关注防水墙在地下水控制中的应用，利用数值模型分析了不同材质防水墙的效果3。近十年来，隧道预警系统的研发也成为热点，设计了基于地下水位变化的智能涌水预警系统4。可以看出，现有研究为高速公路隧道施工中的地下水管理积累了重要的理论与技术基础。1.2 现有问题然而，尽管已取得了一些显著进展，现有的研究与技术在工程应用中仍然存在一些局限性。一些学者已经指出，防水墙技术的复杂性以及施工周期的长短仍然是亟待解决的问题。此外，现有的预警系统也被批评存在监测精度不高以及预警响应滞后的缺陷。面对这些挑战，未来的研究需要在现有基础上不断进行创新。首先，有必要开发出更为操作简便和快速的防水技术，以便在实际工程中更加高效地应用。简化的技术方案可以大幅缩短施工周期，从而减少工程成本并提高施工效率。其次，应当着重提高监测与预警的智能化水平。这意味着需要借助先进的传感技术、数据分析算法以及实时数据处理能力，以确保监测系统能够高精度地感知地下水位的变化，并迅速发出预警信号。通过这种方式，可以大大减少预警响应的滞后现象，从而在涌水隐患出现之前采取积极的应对措施。2 地下水特性与影响因素2.1 地下水水文地质特征地下水作为地球内部的重要组成部分，在隧道工程中扮演着至关重要的角色。地下水水文地质特征的细致分析对于有效地管理地下水涌水问题具有不可忽视的价值5。水文地质特征的探究不仅有助于理解地下水运动的本质，还为隧道工程设计和施工提供了必要的信息。首先，地下水层的分布和流动性质是水文地质研究的核心内容之一。隧道所处地区的地下水层分布模式、深度以及渗透能力等参数，直接影响着地下水与隧道施工活动之间的相互关系。此外，地下水流动速度和方向的分析有助于揭示水流路径，从而预测可能的涌水点，并为施工中的地下水控制提供基础数据。其次，地下水的水位变化与季节性波动也是水文地质特征的重要组成部分。地下水水位的升降变化与气候、降雨和地质结构等因素紧密相关。在隧道施工过程中，深刻理解地下水的周期性变化，有助于合理规划施工时间，以减少涌水风险。此外，地下水变化也与施工中的排水策略和设计密切相关，因此对于隧道工程的成功实施具有重要作用。最后，地下水的水质特征对于施工过程中的环境保护和安全管理至关重要。地下水中的化学成分、溶解物质和污染物含量，可能对隧道结构和材料造成腐蚀影响，甚至影响生态环境。因此，水文地质研究应考虑地下水水质的时空变化，以制定合理的环境保护措施和水质监测计划。2.2 影响因素分析地下水涌水问题的产生与发展是受多种因素相互作用的复杂过程。在高速公路隧道施工环境下，识别和分析这些影响因素对于制定有效的地下水控制策略具有重要意义6-7。首先，地质特征与水文地质条件在地下水涌水问题中扮演关键角色。地层的性质、地下水层的分布以及地质构造等因素直接影响地下水的流动规律和涌水倾向。不同地质条件下的渗透性差异以及地下水流向的变化，直接影响了地下水涌水的概率和规模。其次，施工活动与应力变化也对地下水涌水产生影响。隧道施工涉及钻探、爆破、开挖等作业，44云南水力发电2024 年第 1 期这些活动会改变地下水流动的路径和速率，从而影响地下水位的分布。此外，施工活动还可能导致地下水位的突然下降，进而增加地下水涌水的风险。岩体的破裂与渗透通道的形成也是影响地下水涌水的重要因素之一。隧道施工过程中，岩体受到破坏和破裂，可能形成渗透通道，使得地下水在更大范围内迅速传输，进而加剧了涌水风险。岩体的破裂特性和渗透性质对于涌水程度的影响十分显著。水压变化与季节效应也对地下水涌水产生影响。季节性的降雨和融雪过程会导致地下水位上升，从而增加地下水涌水的可能性。此外，隧道施工活动引起的水压变化可能会促使地下水通过裂缝进入隧道。最后，地下水流动与水力梯度之间存在密切联系。地下水流动速率受水力梯度的影响，而水力梯度的变化可能引发地下水流动方向和速率的变化。因此，地下水流动的动态特性在地下水涌水的形成过程中发挥着关键作用。综合分析上述各种影响因素，可以更深入地理解地下水涌水问题的机制和规律，为制定合理的地下水控制策略提供有益的参考依据。3 研究区域资料分析3.1 区域概况大永高速耿家塆隧道，该区域降雨多集中于 4-7 月，约占全年降雨量的 55%，年均降雨量 1 540.5 mm，区属构造侵蚀中山地貌，地形起伏大。隧道范围内中线高程 1 778.5 1 996 m，最大高差约 217.5 m。山体呈地台状，顶部植被较发育；隧址区含水层主要为崩坡积碎石土、二叠系中统峨眉山玄武岩组地层，本次工作根据岩性、地下水分布形式和水理性质和水动力特征，将区内的地下水分类型划分为：松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水 2 种类型，地下水皆受大气水补给。3.2 地下水涌水预测方法分析3.2.1 降水入渗法（K1+360-K2+360）采用大气降水渗入法计算的隧道涌水量（m3/d）8：Q=2.74aWA式中：W年降雨量，mm，隧址多年平均降雨量为 1 540.5 mm，最大年降雨量为 2 542 mm（月平均最大降雨量 12）；a入渗系数（围岩为强中风化玄武岩，取 0.18）；A集水面积，km2，根据 1 10 000 地形平面图，含水岩组分布面积圈定为 2.14km2。最 大 涌 水 量 为：Q=2.740.1825422.14=2 683 m3/d，平均每天涌水量为：2 683 m3/d。正常涌水量为：Q=2.740.181 540.52.14=1 626m3/d，平均每天涌水量为：1 626 m3/d。3.2.2 古德曼经验式（K1+360-K2+360）最 大 涌 水 量 古 德 曼 经 验 式：Q=L（2KH）/1n（4H/d）式中：Q隧道通过含水体地段最大涌水量，m3/d；K含水体渗透系数，m/d；H静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离，m；d洞身横断面等价圆直径，m；L隧道通过含水体的长度，m。Q=4 062 m3/d。3.2.3 施工过程涌水量统计耿 家 塆 隧 道 2022 年 4 月 21 日，施 工 至K1+360，掌子面大量涌水，涌水量 4 860 m3/d，施工过程隧道持续涌水；全过程涌水量趋于稳定，维持在 4 000 m3/d 左右，至 10 月份，K2+360。施工过程跨域整个雨季，数据比对发现，涌水量与古德曼经验式结果基本一致。可以得出结论，在喀斯特山区隧道雨季施工时，古德曼经验式对涌水的预测更加精确，对隧道施工更具指导意义。精确的涌水分析能够提前准备堵水排水方案和器具，保证隧道施工的质安及进度。4 地下水预测与控制方法4.1 施工预测及方案为防止集中突泥涌水给隧道施工带来灾害性的影响，施工时应建立突泥涌水应急处理方案，特别注意加强超前监测与预报，尤其是超前水平钻探工作。若经超前探水预测有可能产生突泥涌水或疑似引水洞漏水时，宜采用超前全断面预注浆堵水，从而减少涌水风险，确保施工的安全和顺利进行9。4.2 虹吸排水施工过程涌水后，及时建立虹吸排水系统，和其他管网相比，公路隧道具有大管径埋深大排水坡降等特点，这使得积水排除面临巨大挑战。水泵抽排不仅耗费人力财力，还制约施工进度，采用虹吸系统可利用自然力进行排水，不依赖电力，反坡排水亦可通过设置中转水箱来实现怕死会，且排水动力随管径的增大而增强。因此,虹吸技术作为隧道排水的有效手段，相比于传统的泵杨亚刚，张宁 山区高速公路隧道施工中涌水预测与涌水方案研究45排方式，虹吸排水可节约设备投资和运行成本。虹吸系统在隧道排水中应用能大大提高经济效益。耿家塆隧道施工中虹吸系统的运用，不仅降低了成本的投入，其有效的排水方式也为隧道安全文明施工和样板工程的打造做出一定的贡献。5 涌水管理与应急响应5.1 涌水预测与监测在高速公路隧道施工中，及时准确地预测和监测地下水涌水现象至关重要，以便及早采取措施应对可能的风险。涌水预测与监测系统的建立有助于提前发现潜在的涌水迹象，从而减少可能的影响。基于典型的山地构造地形。区内地形切割较大，山高谷深，沟谷纵横交错，基岩裸露。区内地貌为构造侵蚀深切峡谷地貌（）构造侵蚀中山地貌（）2 种特殊的地形地貌环境，岩性为粉质黏土、碎块石、砂砾石、卵砾石等地层，结构松散、透水性强，富水性好，形成潜水或上层滞水，局部具承压性，地下水位一般随地形起伏变化。主要受大气降雨及地表水的补给，预测地下水位的变化趋势和可能的涌水量可参考古德曼经验式进行涌水预测。5.2 应急响应策略应急响应策略是在地下水涌水事件发生时采取的紧急措施，以最大程度减少影响并确保施工安全。制定合理的应急响应策略可以在紧急情况下提供有力的支持。在施工前制定详细的应急响应计划，明确涌水事件的紧急级别、责任分工、响应流程以及所需设备和材料。这样的计划可以使施工团队在应急情况下迅速、有序地采取行动。当地下水涌水发生时，迅速采取排水措施，通过设置排水泵站与虹吸系统结合抽取地下水，减轻涌水压力。同时，封堵涌水点也是一项重要措施，以遏制涌水规模的进一步扩大。若地下水涌水影响施工现场的安全，及时封闭危险区域，并安排工人疏散。确保施工人员的安全是应急响应的首要任务。应急响应阶段需要与相关部门、专家进行紧密沟通与协调，分享信息、意见和决策，以保障应对措施的高效执行。5.3 分析效果与经验总结通过采用超前探孔加帷幕注浆技术，这一方法最大程度地降低了与地下水对隧道施工的影响，具有优异的防水效果，并有效防止了隧道施工期间的涌水灾害。应用涌水预测方法评估涌水量，实现了对地下水量的准确预测。显著提高了对隧道涌水风险的掌控能力。该项目施工证实了超前探孔、帷幕注浆、相似地区涌水预测方法、虹吸系统结合的系统防涌技术方案在水文地质条件复杂的山区隧道施工中的适用性，并具有推广价值。未来可以在该技术方案基础上，进一步优化探孔位置和注浆的封闭性，提高防水的质量，增加监测因素，从而进一步增强系统的防涌能力。涌水防治管理应重视案例总结和技术创新，以形成科学系统的防涌体系。这将有助于提高隧道施工对涌水灾害的应对能力。6 结束语通过详细的文献综述、影响因素分析以及预测方法、排水技术等内容，探讨了地质条件复杂的高速公路隧道施工中的涌水预测与涌水管理问题，取得了一些成果。研究总结了地下水特性与影响因素，探讨了涌水管理与应急响应策略，详细阐述了该类地区的涌水预测方法和帷幕注浆技术等方法。然而，随着技术的不断发展与社会需求的演变，应不断推进技术创新，加强环境可持续性考虑，促进社会参与与合作，以确保地下水控制与涌水管理在未来高速公路隧道施工中取得更大的成就，为道路交通建设的安全、高效与环保做出积极贡献。参考文献：1杨国浪.地下水渗流情况下花岗岩残积土层暗挖隧道施工技术研究J.广西城镇建设，2023,（1）:58-63.2黄阜，张敏，王勇涛，等.一种地下水渗流隧道施工诱发地表变形的模型试验装置：中国，CN217820364UP.2022-11-15.3冯威，杨健，石静，等.一种用于岩溶地区隧道施工的地下水监测装置：中国，CN217440013UP.2022-09-16.4蒋琪鹏.基于 AHP-TOPSIS 的铁路隧道施工风险评估体系与工程应用D.重庆：重庆大学，2022.5张洪伟.富水隧道施工期地下水运移特征模拟及水环境效应D.兰州：兰州交通大学，2021.6赵光宇.铁路隧道施工排水对生态环境的影响评价D.兰州：兰州交通大学，2021.7袁金明，杨春雷，胡宏.厄瓜多尔 CCS 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