《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）第二部分隧道工程篇《宜兴至长兴高速公路江苏段小净距隧道施工涌水风险对策研究》

完成单位：中交一公局第二工程有限公司、江苏省交通工程建设局、南京林业大学、苏交科集团股份有限公司；

主要完成人：辛文青、李金成、练强、李井增、薄冠中、冯恺、王健、陈栋。

项目简介

（一）项目背景

　　根据我国《国家高速公路网规划》和《中长期铁路网调整规划方案》，我国在建的和将要建设的高速公路和高速铁路数量非常巨大。由于高速公路和高速铁路技术标准有了大幅度提高，所以隧道在克服地形障碍、缩短空间距离及改善交通等方面具有不可替代的作用，路线中隧道数量将大量增加，其修建将进入一个新的高峰。我国是个多山的国家，在山区修建隧道会不可避免的遇到各种复杂水文地质条件，包括软弱岩层、高地应力和富水等不良地质条件。软岩类隧道变形具有“随机性、突发性、持续性和不可预见性”的特点，若同时碰到富水条件，将会加剧软岩隧道大变形等地质灾害。软岩变形一旦控制不当，不仅会造成工程巨大的直接经济损失，导致工期延长，而且还可能会造成塌方、冒顶等安全事故，造成不良的社会影响。

　　随着我国经济的高速发展，对交通能力要求的不断提升，适应交通的三车道隧道已逐渐成为高速公路设计首选。而由于地形地貌、地质条件等限制，综合考虑洞身地质条件、洞外连接线工程等因素，为避开不良地质区域，服从路线走向，保证连接线与隧道内线的变形协调，小净距隧道的设计逐渐常态化。此时，在上部覆土岩层存在蓄水层或者暗河、涌流等不良地质情况时，隧道涌水危害会对隧道开挖支护施工带来较大的影响，尤其是掌子面涌水给隧道施工带来许多困难。对涌水情况分析不足，防治不当，易发生机械设备损坏及人员伤亡，造成安全、质量事故。由于岩层的地质情况复杂，地质条件具有突变性，施工事故也具有突发性。因此，如何针对隧道涌水实际情况采取合理的施工方法尤为重要。

　　梅子岭隧道开挖施工过程其工程地质及水文地质条件复杂多变，施工过程中易发生涌水等不可预见的突发事故。对于判断隧道潜在隐伏含水地质体段，需结合施工开挖揭示的地质情况、水文地质勘察资料、地质探水钻孔及超前预报手段综合判定，查明前方地质构造及地下水的分布状况及水量大小，根据涌水量大小、出水点、水压等实际情况合理确定防排水方案。基于上述背景，本项目以宜兴至长兴高速公路（江苏段）的梅子岭隧道为依托开展施工涌水风险对策研究。通过对隧道施工围岩裂隙降雨入渗的分析，确定涌水风险，针对涌水情况采取相应的预防措施，选择合适的施工方法。因此，针对本项目隧道自身特点，提出小净距隧道施工涌水风险对策研究，具有较重大的科学意义和工程示范借鉴作用。

（二）技术概况

　　隧道开挖施工过程因其工程地质及水文地质条件复杂多变易发生涌水的突发事故，需要相应的风险对策。通常隧道涌水风险对策包含涌水判别及相应施工处治，即通过结合施工开挖揭示的地质情况、水文地质勘察资料、地质探水钻孔及超前预报手段综合判定，查明前方地质构造及地下水的分布状况和水量大小，根据涌水量大小、出水点、水压等实际情况合理确定防排水方案，并给出相应的开挖及支护方案。

　　主要针对小净距隧道在开挖过程中遇到涌水情况的开挖工艺及处置防护技术进行分析总结。重点研究隧道涌水时掌子面围岩裂隙发育情况、涌水风险点位置及发展状况，分析小净距隧道涌水对围岩稳定性的影响，研究小净距隧道工况下合理的防排水方式及对应的开挖方法。最终通过监控量测等手段验证隧道在遇涌水情况下所采用开挖方法的可靠性。

　　主要研究内容为：

　　（1）根据现场勘测、隧道区域地质体裂隙分布调查等方式，结合超前地质预报分析隧道区域掌子面节理裂隙发展规律，建立地质体裂隙构造产状参数的统计模型，为隧道地质体仿真模拟提供基础；

　　（2）采用离散元技术分析不同工况下裂隙网络渗流，判断掌子面出水位置走向，研究隧道开挖中的涌水风险以及洞身开挖过程中潜在涌水对裂隙围岩稳定性的影响，并对防治水措施进行初步评判；

　　（3）基于三维有限元对比分析一般隧道和小净距隧道施工工艺差异，总结小净距隧道开挖施工工艺及一般施工特征参数，并重点研究涌水影响下小净距隧道开挖掌子面稳定性施工控制技术以及施工措施对涌水处置的影响；

　　（4）通过现场监控量测及地质超前预报等数据并结合相关模拟计算分析成果，提出适用于小净距隧洞工程的涌水处理施工技术措施指导建议。

（三）适用范围

　　本工法适用于浅埋小净距隧道涌水段的开挖，其他类似的施工情况可参照。

（四）获奖情况

　　《江苏省综合交通运输学会科学技术奖》三等奖

项目创新点

　　构建了基于围岩结构面统计理论的地质体仿真模型，实现了考虑地面降雨因素的三维精细化数值模拟计算。

　　提出了浅埋小净距隧道施工涌水风险分析方法，明确了隧道涌水诱因模式、涌水发生走向位置、涌水量以及涌水对隧道围岩稳定性的影响规律。

　　揭示了不同水文地质及气候条件隧道裂隙渗流及灾变演化规律，提出了控制涌水风险的浅埋小净距隧道“左右洞交错、微台阶开挖”综合施工技术。

应用案例

　　梅子岭隧道位于宜兴市张渚镇大贤岭林场，为短隧道，按小净距隧道形式进行布置，左右洞净距约19～22.1m，最大埋深50m。其中隧道左线桩号ZK10+151～ZK10+514全长363m（明洞32m、暗洞331m），左线隧道位于半径4050m圆曲线上；隧道为上坡隧道，横坡2%、纵坡坡度为2.5%。隧道右线桩号K10+155～K10+476全长321m（明洞35m、暗洞286m），右线隧道位于半径3300m圆曲线上；隧道为上坡隧道，横坡2%、纵坡坡度为2.5%。进出口左右线均采用削竹式洞门。隧道按设计速度为120km/h的双向六车道高速公路标准设计，隧道单洞建筑限界净宽为15.25m，净高为5.0m。

　　成果“小净距隧道施工涌水风险对策研究”应用于宜长高速公路梅子岭小净距隧道施工涌水段开挖支护，对今后进一步降低丘陵地貌地带小净距隧道施工涌水风险起到促进作用、提升了应对效果。不仅从材料上节省了临时钢架支撑的安装与拆除费用（每延米约2万元），还提高了施工效率，缩短工期。

社会效益与经济效益

　　社会效益：

　　成功应用涌水下小净距隧道开挖施工工艺，优化了施工方案，大大改善了隧道开挖效率，提升了施工机械化程度，缩短工期，保障工程质量和施工安全，为项目提前一年通车奠定了坚实的基础，为加速长三角一体化发展做出了贡献。

　　经济效益：

　　（1）开展隧道区域地质调查，进行隧道掌子面地质预报予以涌水风险控制，同时进行边开挖边模拟的施工模式，能及时应对不同地质条件，不同围岩裂隙发展情况下提出优化的开挖工艺，相比隧道常规开挖涌水处理减少耽误工期与费用。

　　（2）相比较常规遇水后处理，提前设置的泄水孔可有效排除前方预测的裂隙水，减小了隧道开挖后涌水带来的风险、降低处置难度与费用。

　　（3）采用微台阶开挖方式，相比单侧壁导坑法，首先从材料上节省了临时钢架支撑的安装与拆除等费用每延米约2万元，同时台阶开挖可以提高施工效率，缩短工期。