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鐵路運營條件下隧道隱伏高壓巖溶裂隙水處理

文檔作者：李金峰文檔來源：武漢鐵路局		點擊數：	更新時間： 2025年05月11日
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上一篇：我國城市軌道交通工程監測發展現狀

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施工技術2017年1月上
80 CONSTRUCTION TECHNOLOGY 第46卷第l期
DOI：10．7672／s鰣s2017010080
鐵路運營條件下隧道隱伏高壓巖溶裂隙水處理
李金峰
(武漢鐵路局，湖北武漢430071)
[摘要]在不影響鐵路正常運營和安全條件下徹底處理隧道巖溶水，是亟待研究與解決的難題。首先，根據降雨量
和涌水量監測，采用理論計算和數理統計分析方法測算涌水量規律；其次，通過綜合超前地質預報準確判斷地質條
件，以指導設計和施工；再精確計算裝藥量控制爆破，強化過程監控測量和施工組織，保證既有行車設備、隧道襯砌
和行車安全；然后，健全運營監控體系；最后，總結鐵路營業線隧道隱伏高壓巖溶裂隙水處理方法和控制關鍵點。
[關鍵詞]鐵路；隧道；巖溶；裂隙水；地質預報；監測
[中圖分類號】U459．1 [文獻標識碼】A [文章編號】1002—8498(2017)01-0080-05
Treatment of Tunnel Concealed High Pressure Karst Fissure
Water on Railway Business Line
Li Jinfeng
(Wuhan Railway Administration，Wuhan，Hubei 43007 1，China)
Abstract：It is urgent to study and solve the problem that the tunnel karst water should be thoroughly
treated without affecting the normal operation and safety of the railway．Firstly，according to the
monitoring of rainfall and gushing discharge，the law of gushing discharge is calculated by theoretical
calculation and mathematical statistic analysis．Secondly，accurate judgment of geological conditions
through the comprehensive geology forecast，to guide the design and construction．Thirdly，accurately
calculate the anlount of charge to control blasting，strengthening process monitoring measurement and
construction organization，to ensure that the existing equipment of railway，tunnel lining and traffic
safety，then improve the operation monitoring system．In the end，the key point of karst fissure water
treatment method and key points of hidden hi|gh pressure karst fissure in railway tunnel are summarized．
Key words：railway；tunnels；karst；fissure water；geological forecast；monitoring
0 引言
宜萬鐵路是目前國內地質條件最為復雜、風險
最大、最難修筑的鐵路，多個隧道的特大體量高壓
富水隱伏溶腔裂隙在施工過程中遭遇特大型突泥
突水。限于探測手段或考慮施工風險，個別富水溶
腔裂隙未能發現或采取承壓襯砌通過。自2010年
12月開通運營以來，由于地質條件發展，多個隧道
在雨季發生地下水壓驟升造成隧道襯砌破壞、中斷
行車的地質災害，給鐵路正常運營和人民生命財產
安全造成了極大隱患。2016年6月宜萬鐵路大支
坪隧道發生突水中斷行車事故，中國鐵路總公司工
程管理中心組織有關專家，全國范圍內首次采取在
運營隧道中建設泄水洞進行裂隙水泄水的方案，該
【作者簡介]李金峰，工程師，E·mail：guda05440932@163．corn
[收稿日期]2016·10-17
隧道洞中洞方案的成功實施，為國內其他運營隧道
高壓巖溶裂隙水的治理提供了寶貴經驗。
本文系統介紹了數理統計分析方法測算、驗證
巖溶裂隙涌水量，利用綜合超前地質預報手段對施
工點地質情況進行判斷，精確控制爆破和監控確保
鐵路運營安全，總結了同類型問題處理的關鍵環節。
1工程概況
大支坪隧道位于湖北省巴東縣大支坪鎮，雙線
隧道，線間距30m，全長8 775m，最大埋深495m。突
水點距隧道出口約3 600m(里程為DKl35+314)，
埋深約300m。
1．1水文地質條件
突水段主要地層為石炭系灰巖和含燧石結核
灰巖，弱風化，中厚層狀，局部節理較發育。突水點
巖體破碎，巖溶裂隙發育，節理裂隙問充填溶蝕黃
萬方數據
2017 No．1 李金峰：鐵路運營條件下隧道隱伏高壓巖溶裂隙水處理81
色黏土，滲水，V級圍巖。距突水點23m處
(DKl35+337)為高壓溶腔。突水點至高壓溶腔段
為完整灰巖，Ⅳ級圍巖。該隧道長期形成了巖溶洼
地為主要集水形式、以大泉和暗河為主的小流域系
統、以排向兩側河谷為主要排泄特征的水文地質條
件。突水點補給源主要為地表降雨，暴雨情況下水
質渾濁，攜帶粉細砂及少量卵礫石，推測巖溶裂隙
上部一定高度與巖溶管道有水力聯系，同時與暗河
或一定高度溶腔半連通，地表水及地下水沿巖溶裂
隙、破碎巖層下滲或走向徑流，在隧道拱頂破碎區
域大量匯集后沿寬張巖溶裂隙涌出。
1．2設計方案
考慮DKl35+337處即為高壓溶腔，與突水點
間巖體為較完整的Ⅳ級圍巖，且營業線利用天窗點
施工時間短，須盡量減小工程量，故選擇利用中間
DKl35+327處的避車洞作為泄水洞出水點。泄水
洞斷面采用等同避車洞斷面(2．0m X 2．2rn)，從避
車洞垂直線路方向以43．7％坡度爬坡開挖至安全
距離和一定高度后，折向平行線路向突水點同坡度
爬坡開挖至隧道拱頂3m以上，再小坡度折向突水
點拱頂。泄水洞拐彎處設消能洞，出口處設消能
池，如圖1所示。
a平面
b立面
圖1 泄水洞示意
Fig．1 Drain tunnel
2涌水量計算
2．1理論計算
采用降雨入滲法計算，根據本地歷年降雨統計
及宜萬建設經驗選擇相關參數，詳見式(1)：
Q=1 000c￡XATl (1)
式中：Q為涌水量(I'113／d)；O／為降雨入滲系數，取值
0．3；A為集水面積(km2)，取值2．05；田為地下水涌
入系數，取值0．22；x為降雨量(mm／d)，日平均降
雨量取15mm計算隧道正常涌水量Q。、日暴雨量取
100mm計算隧道最大涌水量Q。。P。=
2 030m’／d；Q。。。=13 530m’／d。
正常涌水量與日常監測基本相符，隧道側溝排
水能力基本滿足最大涌水量需求，可認為涌水量不
會淹沒道床，采取泄水洞排水至側溝的方案可行。
2．2數理統計法
施工及運營期間實測涌水量1 000～8 000m3／
d，降雨量與涌水量統計如圖2所示。本文運用數理
統計法對涌水點降雨量與涌水量規律進行分析。
丁幕?：藉硐霾盯。2盛
圖2涌水量與降雨量關系
Fig．2 Gushing discharge and rainfall relation
回歸統計如表l所示、方差分析如表2所示，實
測涌水量與降雨量線性回歸，得線性回歸方程：
Y=1 534．9+52．4xo+37．97X1+29．09五
(2)
式中：Xo為當日降雨量；X。為前1日降雨量；X2為
前2日降雨量；y為涌水量。
表1回歸統計
Table 1 Regression statistics
項目
(自D由度)f (平方SS和) (蒜)(方至比)囂
該方程的復相關系數R=0．854，擬合度R2=
0．729，顯著性水平F=0．000，回歸顯著，說明涌水
量主要受前3日降雨影響，該突水點水源補給主要
為大氣降水，降雨量與涌水量呈正比關系。
3地質超前預報
泄水洞施工范圍采用地質雷達法和單點反射
一■●I
l
-■l
lI●1lC
O
O
O
O
O
0
O
O
O
O
6
∞∞∞∞∞∞∞∞∞
0
萬方數據
82 施工技術第46卷
法進行宏觀探測、炮孑L加深超前鉆探和地質調查法
進行局部精確探測分析的綜合超前地質預報方案。
宜萬鐵路按照高速鐵路運營管理，本泄水洞利用天
窗點實施，隨時有進一步突水隱患，列為極高度風
險，地質超前預報由設計院負責。
3．1地質雷達法
1)隧道內施工段總體探測
隧道內布置地質雷達測線8條(測線1～測線
8)，其中拱頂2條、拱腰2條、邊墻4條(見圖3)。
本工程采用美國產SIR20型地質雷達，隧道圍巖為
微風化灰巖條件下，400MHz地質雷達天線有效探
測距離<5m，100MHz地質雷達天線有效探測范圍
約為5～30m，因此采用100MHz和400MHz發射天
線分別對每條測線進行掃描，可以探測0～30m深
度范圍內圍巖裂隙分布及富水情況，用以對比分析
隧道總體地質情況。
測線4 測線5
測線33．．／／7／r 。·＼l一測線66
測線“ 御j線7
測線lI ●測線8
圖3 隧道地質雷達測線布置示意
Fig．3 Tunnel geological radar line layout
2)泄水洞內探測
地質雷達法探測過程中會受到接觸網、隧道襯
砌鋼筋網及鋼拱架等金屬體和電磁信號干擾，導致
局部異常較為復雜，因此，在泄水洞開挖過程中對
開挖掌子面進一步進行地質雷達探測。考慮到泄
水洞掌子面較小(寬2．0m×高2．2m)，單點反射法
無法應用于掌子面探測，而雷達法100MHz天線尺
寸較大(長1．2m×寬0．6m)，采集數據量有限，且預
報盲區較大，難以滿足現場作業要求。故采用
400MHz(長0．3m×寬0．3m)發射天線進行探測。
掌子面以中心為參考分別布置垂直方向、水平方向
及環向測線(見圖4)。由于400MHz雷達天線探測
深度一般<5m，前后兩次預報一般應重疊2m，保證
施工過程中安全探測距離≥3m。
3．2單點反射法
單點反射法主要針對隧道地質雷達異常部位
進行輔助探測。單點反射法是利用人工激發的地
震波在不同波阻抗地質體中所產生的反射波特性，
預報前方地質情況的物探方法，單點反射法適合預
報地質構造和巖溶等不良地質體。單點反射法儀
器采用美國產NZ．XP工程地震儀，偏移距3m，4Hz
檢波器，點距0．5m。
3．3超前鉆探法
G
圖4 泄水洞地質雷達測線布置示慝
Fig．4 Drain tunnel radar line layout
由于泄水洞斷面小、坡度大，宜采用加深炮孔
法進行超前鉆探。鉆孔時可以從風槍的鉆速變化、
鉆桿的扭矩變化、進尺速度、推進力變化、沖洗出來
的巖屑成分和顏色，鉆桿的跳動情況以及鉆孔中的
噴水量和噴射距離，分析和判斷掌子面前方地層的
巖性、地下水變化情況。其探測長度一般為10m以
內，本工程采用5m鉆桿，兩循環搭接長度≥1m。結
合本泄水洞地質情況，采取3：子L)JII深炮孔(見圖5)，
外插探孔巖旁≥2m，有滲水現象時酌情加密2孔。
a 3孔第l循環b 3孔第2循環c 3孔兩循環疊加
圖5泄水洞加深炮孔探測布置示意
Fig．5 Drain tunnel deepen hole radar line layout
3．4地質調查法
地質調查法主要通過地質素描，內容主要包括
工程地質和水文地質兩部分：工程地質包括描繪地
層巖性、地質構造、巖溶、特殊地層、塌方等；水文
地質包括描繪地下水分布情況、水質分析、出水點
與地層巖性、地質構造等的關系、地表水和地下水
的關系、涌水點地質檔案的建立等。本工程風險
高，洞內地質素描工作每個循環開挖后及時進行。
根據泄水洞地質素描得出掌子面的地層巖性、
不良地質構造、地下水分布情況，判別圍巖的級別
和完整性，再與開挖過程中所遇到的實際地質狀
況，對掌子面前方及環向的地質狀況進行預判。
3．5超前地質預報綜合分析
3．5．1 超前地質預報綜合分析工作內容
超前地質預報綜合分析內容主要包括：通過對
隧道所做的地質雷達和單點反射探測，及泄水洞內
所做的地質雷達、超前鉆探和地質素描法所取得預
報成果進行分析，確定掌子面前方圍巖的級別、巖
性、不良地質構造和富水地層的情況，并對泄水洞
萬方數據
李金峰：鐵路運營條件下隧道隱伏高壓巖溶裂隙水處理83
施工中如何進行防水、堵水、排水及指導開挖過程
中采取的支護處置措施等，對施工提出建議，避免
施工中地質災害的發生。
對已經開挖段圍巖的實際狀況對比驗證超前
地質預報成果的準確程度，并對預報方法、參數及
施工相關技術參數進行調整。
3．5．2超前地質預報綜合分析成果應用
1)通過地質雷達和單點反射法對泄水洞施工
段隧道地質情況進行宏觀探測形成報告后，由建設
管理單位組織設計向各參建單位進行設計交底，各
參建單位據此編制施工、監控方案。
2)在保證安全探測距離(3m以上)條件下，每3
個開挖循環進尺進行1次地質雷達探測、每個循環
進尺進行鉆前鉆探，每循環進尺完成后通過地質素
描法描繪實際地質情況，當天形成報告，次日及時
組織超前地質預報交底，并據此研究、調整當日施
工措施，制定預案。
3)全部的超前地質預報成果報告作為竣工文
件的一部分移交設備管理單位，提交的報告應該包
括全泄水洞實際地質縱斷面圖和地質展示圖、地質
雷達和單點反射探測資料。
4控制爆破
泄水洞巖體工程地質條件差，且在營業線隧道
中爆破易造成既有接觸網、視頻監控、管線、軌道以
及鄰線隧道等破壞，故采取“短進尺、微振動、弱爆
破”的原則。循環進尺為0．8—1．0m，采用較減弱振
動的掏槽法開挖方式，增加臨空面，將振動強度控
制在允許安全值范圍內。
4．1爆破參數確定
根據掌子面不同部位的炮孔所起作用不同，其
裝藥量也不相同，本工程嚴格控制裝藥量、循環進
尺及敏感點爆破振速，采用合理的爆破參數，爆破
參數的選取方法主要有理論計算法、工程類比法與
現場試驗法3種。由于現場的地質條件多變，本工
程采取理論計算法和工程類比法初選參數，再通過
現場的試爆驗證、調整確定。
4．2爆破參數驗證及監控
為了嚴格控制爆破振動對既有鐵路隧道及相
關設備的影響，每次爆破必須對影響范圍的敏感點
進行振動監測，本工程主要是通過爆破振速進行監
測分析爆破地震波在對應地質構造傳播過程中的
衰減規律及隧道對于爆破振動的響應特征。本工
程中選用成都中科動態儀器有限公司研制的
NUBOX．501爆破振動記錄儀，該儀器體積較小，攜
帶輕巧方便，性能優越，處理數據準確快捷。
本工程敏感點主要包括接觸網腕臂、道床和隧
道襯砌裂紋處，在對應位置安裝爆破振動記錄儀記
錄爆破振速。根據爆破振速、裝藥量、敏感點與爆
源(掌子面)距離等參數，利用式(3)進行驗證。經
過約2～3個循環基本可分析調整穩定爆破參數。
y=K(iQ,／3)“ (3)
式中：V為峰值振動速度(cm／s)；Q為裝藥量(kg)；
R為監控點到爆源的距離(m)；K，a為爆破點至計
算點間的地質條件有關的系數和衰減指數，通過類
似工程選取和現場試驗確定。
經監測，掌子面爆破效果良好，且敏感點爆破
峰值振速控制在2．5cm／s以下，遠低于爆破振動安
全允許標準，說明本工程爆破設計和監控十分成功。
5監控體系
1)敏感點爆破振速監控將營業線隧道內接
觸網腕臂、道床和隧道襯砌裂紋處列為敏感點，在
對應位置通過爆破破振動記錄儀監測爆破振速，接
近或超過規范限定值時及時分析原因，調整裝藥
方案。
2)圍巖監測每循環進尺爆破完成后，由設計
院、施工單位對該循環進行地質素描，判定圍巖等
級，確定支護方案。并設置觀測點，按規定進行監
測。當圍巖變形過大或過快時，及時研究采取措施。
3)視頻監控和人員巡視監控體系施工之前，
在泄水洞口處加裝視頻監控攝像頭，施工過程中，
在泄水洞內增設視頻監控設備，以掌握洞內水情及
結構變化，視頻監控給天窗點行車風險監控提供了
極大方便。視頻監控仍有其局限性，泄水成功之
后，安排巡視人員進行全天候監控，及時發現異常，
實現準確預警，與視頻監控起到了雙保險作用。
養護階段，由設備管理單位建立規范、完善、嚴
密的監控管理制度體系，并與行車單位建立暢通、
迅捷的預警通道，成立專門工班，雨時做到24h不間
斷監控并規范記錄，各單位都可利用監控設備檢查
運營設備情況。該監控體系在鐵路運營中勢必發
揮巨大作用。
6效果評價
宜萬鐵路支坪隧道巖溶裂隙水處理全國范圍
內首次采取在運營隧道中建設泄水洞進行排水，通
過上述控制要素，泄水洞成功建成并徹底解決了該
處水害，施工過程按照預期完成，全過程安全可控，
得到了鐵路總公司的通報表場。
7 結語
1)實行專家評審制度該泄水洞全國首次進
行營業線洞中洞爆破施工，地質條件惡劣，無經驗
可循，故組織業內資深專家對宏觀超前地質預報成
萬方數據
施工技術第46卷
果和施工方案進行評審，充分利用專家的經驗，務
使地質判斷準確、方案最優、防護安全。
2)重視日常監測數據積累，準確測算涌水量
實行該種方案首先要判斷側溝設計排水量是否滿
足最大涌水量，而測算日常涌水量和最大涌水量的
主要依據就是日常降雨量和流量監測，日常監測做
不好，工程實施后果可能很難挽回。
3)采用綜合超前地質預報，準確判斷地質
地質判斷是一切方案的基礎工作，故由設計單位
負責超前地質預報工作，制定了超前地質預報策
劃及設計方案，采取地質雷達法和單點反射法進
行宏觀控制、超前鉆孔和地質調查法進一步精確
預報的綜合超前預報方法，地質判斷準確，給施工
予正確指導。
4)嚴格爆破作業一方面根據理論計算法和
工程類比法初步選取爆破參數，通過爆破試驗進行
調整，確定爆破參數，據此進行爆破設計方案編制
及評審；另一方面做好現場管理，主要涉及炸藥雷
管運輸、進出隧道、存放和裝藥，對敏感點爆破振速
進行監控，爆破后的安全評估，以及對運營設備的
物理防護等。
5)制定了針對性的營業線重點卡控措施本
工程按搶險辦理，相關配合單位為各設備管理和行
車管理單位，各設備管理和行車管理及施工單位針
對施工過程人身、設備、調車作業等方面制定了切
實可行的安全卡控措施，特別是設備防護和檢查確
認措施起到了突出作用。
6)實行日總結分析制度每天組織施工和相
關單位召開總結分析會，對前日施工進行總結分
析，對當日施工關鍵點和地質超前預報進行交底，
在施工安全和有序推進方面起到了良好效果。
7)建立健全監控體系主要包括施工過程中
和養護階段：施工過程中的敏感點爆破振速監控、
圍巖監測、視頻監控，以及養護階段的視頻監控和
人員巡視監控體系。通過該體系的良好運行，可實
現及時、準確預警，確保施工和運行安全。
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程：TBl0304--2009[s]．北京：中國鐵道出版社．2009．
(上接第65頁)
無論是常壓開倉中對于氣密性問題采用的解決辦
法，還是風井處常壓開倉的注漿補強措施都產生了
極佳的效果，形成了安全的開倉環境，開倉作業均
能安全高效完成。
6 結語
1)根據平縱斷面地質情況以及周邊建筑確定
開倉位置、帶壓開倉工作壓力以及常壓開倉的降水
措施。
2)針對蘭州強透水砂卵石地層帶壓開倉時氣
密性不容易滿足情況，采取加大注漿量、施作高質
量泥膜以及從掌子面、盾尾以及盾體3個方面進行
加固解決氣密性問題，最后通過膨脹性材料進行空
隙封堵，實際施工證明這些措施起到了良好的密閉
保壓效果。
3)形成了一整套完整的帶壓進倉作業流程及
其要點，主要包括調節保壓系統、人閘倉操作以及
人員進出壓力倉。
4)根據實際常壓開倉嘗試，總結出一套適用于
蘭州砂卵石地層的常壓開倉關鍵技術。形成了一
套在風井處盾構停機的技術。
蘭州地鐵l號線隧道是我國首座下穿黃河復雜
地層的水下隧道工程，由此形成的常壓／帶壓進倉
技術是一項重大的技術成果。該項目取得的相關
理論以及成套技術可以為以后的下穿黃河盾構隧
道以及類似地層的工程提供借鑒和指導。
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