青函隧道施工中出水的處理2023/10/141青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理日本在修建青函隧道過程中，曾遇到4次大出水事故，都得到處理，作為參考，現將其處理措施，介紹如下。青函隧道是一座海底隧道，高壓涌水是不可避免的，為了隧道的掘進，除了止水沒有其它方法。因此要基于對前方狀況的掌握，進行確實的壓注是關鍵。作為預知前方狀況的方法，主要是超前鉆孔。但即使如此，仍然在斜井出水1次，作業坑道出水3次。幸好沒有出大事，這也說明壓注的重要性。出水地點的地質狀況，4次中有3次是斷層破碎帶，1次是火山巖巖脈的裂隙帶。2023/10/142青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理一、四次大出水概況四次異常出水的狀況參見表1。2023/10/143青函隧道施工中出水

異常出水事故一覽表工區龜飛吉岡坑道斜井作業坑道作業坑道作業坑道出水掌子面距離（水深、埋深）1223m（25m、215m）16k890（78m、102m）32k745（55m、134m）31k667（76m、128m）發生日72.2.1374.12.574.1.876.5.6涌水量（t/min）最大時1681170最終時5.33.60.216.0總涌水量（m3）18346818822412764湛水量（m3）530016009000121000土砂量（m3）300130011001000湛水區間（m）195130880作業坑道3015、主洞1493土砂埋沒區間（m）15706074超前鉆孔孔數1102涌水量（L/min）15000－1孔100、2孔3700鉆孔孔數－5－－2023/10/144青函隧道施工中出水

涌水量（L/min）

只有1孔300

出水前壓注孔數、壓注量（m）36、30021、310－29、289涌水量（L/min）42004900

4800檢查孔孔數、涌水量（L/min）

3、40

3100出水前的開挖方法全斷面法全斷面法全斷面法全斷面法涌水分析出水前（Ca＋－、cl）270、79113、64186、92133、93出水后

167、72180、9378、95出水時排水能力（t/min）（掌子面、坑底）1.2、244、192、304、45排水開始的天數20154排水終了的天數1281519到達出水掌子面的天數137383875復舊對策壓注止水、直進迂回坑道壓注固結、直進迂回坑道地質狀況安山巖、破碎帶凝灰巖、玄武巖侵入凝灰巖、破碎帶破碎的凝灰巖2023/10/145青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理（1）本州側海底工程本段工程長約7425m，在1974年12月，遭遇異常出水事故，淹沒約130m坑道，花了半年時間進行處理。此段地質主體是凝灰巖，含有泥巖、砂巖、礫巖等。1974年12月5日21時，在龜飛作業坑道中，從掌子面（16k890m）出水，水量在800～1000L/min，之后的最大涌水量為6m3/min，淹沒坑道130m。出水過后的22時，水線已到達距掌子面100m的橫洞附近。為了增強排水能力開始做截水壁。到第2天的1時40分，完成截水壁施工。此時的涌水量約在4～5m3/min。接著在其后方又修筑第2道截水壁。排水設備從一開始的6m3/min，逐漸增加到8m3/min（6日12時30分）和12m3/min（7日11時30分）。出水的同時，土砂流出約1300m3，一直流到90m左右。2023/10/146青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理（2）32k747m附近的異常出水32k747m是F10斷層，圍巖是穩定的、硬質的安山質凝灰巖。開挖中沒有涌水，僅僅鉆孔中有一些水。從32k760m附近開始進入脆弱帶，到32k746m85，開挖時支撐腳部發生擠出現象（圖1）。2023/10/147青函隧道施工中出水2023/10/148青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理為此，停止了掌子面開挖，從32k758m45開始采用200H圓形支撐，間距0.7m。到年末進到32k749m25。74年1月8距掌子面1m40處開始噴混凝土，但在早5時30分發生帶有土砂的360L/min的涌水。8日9時距掌子面7m處做了防止土砂的設施，但多被土砂埋沒，同時也埋沒了在距掌子面40m處做的截水壁，因此在距掌子面220m處又設了一道截水壁，但水線也到達了此處，涌水量到達500L/min，但沒有超過泵的排水能力。其后轉入排水作業，到27日把流出的土砂清除完畢。根據現場研究結果，從工期、對主洞的影響、埋沒坑道內的施工性等，決定采用直進方法進行施工。從75年1月重新開始開挖。此斷層破碎帶是比較穩定的安山質凝灰巖和多孔質凝灰巖，其間有玄武巖脈侵入，在龜裂發育的凝灰巖前后邊界有破碎粘土形成滑面。因此預計出水的原因是開挖使圍巖松弛，涌水浸透，孔隙水壓在多孔質凝灰巖背后誘發水路而出水。2023/10/149青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理（3）31k669m附近的異常涌水從32k656m附近采用馬蹄形150H支撐（間距1.2～1.3m）施工一直到出水地點出水前的2個月的進尺都在150m/月左右。超前鉆孔在31k692m附近因為有3.7m3/min的涌水和土砂流出，故掌子面在31k680處停止開挖。鉆孔的涌水最大是30L/min。掌子面的地質是砂質凝灰巖，部分粘土化。31k692附近龜裂發育，出現滑面，一部分可見剝落。因此縮小支撐間距到0.7m，涌水在30L/min左右（圖2）。2023/10/1410青函隧道施工中出水2023/10/1411青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理76年5月6日2時25分在31k669m15的掌子面，從頂部出現15L/min左右的涌水，3時左右掌子面頂板及底部合計出現500L/min的涌水。3時30分，涌水量增加到4m3/min，掌子面開始滯水。14時40分涌水量急劇增加，瞬間涌水量最大達85m3/min。因為出水異常大，不得不放棄了31k912m、32k106m、32k483m的截水壁。而封閉了設置在33k156m的緊急用防水門，并在其后方修筑截水壁。水流入主洞，涌水量的減少和水淹沒坑道的速度也減小。在34k686m設置了30m3/min的排水基地，開始排水，到34k683m的水位趨于平衡。排水按經由作業坑道15m3/min，經由超前導坑58m3/min進行。5月31日主洞完成排水，作業坑道也開始對掌子面進行充填壓注。到7月12日恢復出水前的排水量（圖3~4）。2023/10/1412青函隧道施工中出水2023/10/1413青函隧道施工中出水2023/10/1414青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理根據超前鉆孔巖心的情報判斷，在斷層破碎帶中有龜裂集中的部分。圍巖富水，雖然壓注止水，但龜裂多的軟弱地層因開挖松弛，壓注范圍外的水使圍巖脫離，水脈擴大等而讓海水直接流入。2023/10/1415青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理（4）本州側的斜井此斜井長1315m，坡度25％，斷面約30m2，施工中曾遇到0k900和1k220m的出水，花了4年5個月才完工。地質主要是安山巖，貫入石英粗面巖巖脈而變質，產生破碎帶和大量的涌水(圖5)。開挖時最重要的是，用超前鉆孔預測、確認前方的地質，在坑道兩側每200m設置了6個超前鉆孔用坑道（圖6）。2023/10/1416青函隧道施工中出水2023/10/1417青函隧道施工中出水在1k220m附近的開挖中，出現11t/min的異常涌水，約淹沒斜井150m，流出土砂300m。在0k900m附近的玄武巖破碎帶中出現1.5t/m的涌水，淹沒了掌子面。2023/10/1418青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理二、出水地段的恢復施工恢復施工有2個方法，一個是直進方法，一個是迂回方法。四次出水中，龜飛斜井1223m、吉岡作業坑道3509m兩處采用直進方法，另外兩處采用迂回方法。2023/10/1419青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理吉岡作業坑道（3509m）復舊施工流程（圖7）?！?445m進行超前鉆孔·從截水壁向流出土砂壓注·在掌子面后方左右開挖壓注用洞室進行周邊壓注·處理流出土砂到3484m90處，并修筑截水壁（流出土砂的固結強度約10kg/cm2）·開挖左右壓注橫洞·從壓注橫洞和3484掌子面進行地層壓注·向前開挖，并在3507m15修筑截水壁·從3507m12掌子面進行地層壓注·向前開挖到3519m20·從3519m20掌子面進行地層壓注·向前開挖到3530m70·通過斷層破碎帶2023/10/1420青函隧道施工中出水2023/10/1421青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理龜飛作業坑道3690m、吉岡作業坑道4588m出水后的復舊方法采用迂回方法。即采用在確認土砂穩定后，修筑截水壁、進行壓注止水后，放棄此坑道，用迂回坑道對斷層再次進行壓注，再開挖的方法（圖8、圖9）。之所以采用迂回方法，理由是：·根據鉆孔調查作業坑道左側沒有看到斷層出現；·如直進，掌子面依然有4m/min的涌水，玄武巖巖脈侵入，施工可能極為困難。2023/10/1422青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理迂回坑道的設置原則如下?！ら_挖斷面與作業坑道相同；·迂回導坑與作業坑道中心距采用25m；·為掌握迂回導坑的地質狀況，在TSB－8橫洞進行超前鉆探；·為防止崩塌土砂流失，用石碴填充。在進行迂回坑道開挖前，進行了鉆孔調查并增設了12m2/min的后方排水設備。開挖方法也改為圓形斷面的短臺階法。2023/10/1423青函隧道施工中出水2023/10/1424青函隧道施工中出水2023/10/1425青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理三、本州龜飛工區第4、5主洞出水斷層的施工青函隧道龜飛工區包括陸域段長約2km在內總長13km（圖10）。在主洞16k890m附近遇到異常出水。2023/10/1426青函隧道施工中出水2023/10/1427青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理下面簡要說明斷層異常出水的處理。（1）出水斷層處主洞的施工計劃1）地質概況作業坑道出水以后，實施9個超前鉆孔，探明和掌握主洞出水斷層的位置、規模。第4主洞（16k080～16k550m）地質是比較好的，采用下導坑超前的施工方法，到16k550m改為側壁導坑法施工。為了探明此地段的斷層狀況，從16k693m又鉆了2個超前鉆孔。從調查結果可以看出：·出水斷層，在第4主洞16k780m附近出現，傾角約25°、橫斷主洞；·出水斷層的地質已粘土化，固結度低的凝灰角礫巖及凝灰巖，是比較脆弱的圍巖；·在橫斷主洞的16k800m附近，有含有蒙脫土的粘土層構成的破碎帶，圍巖軟弱易崩塌，掌子面難于自穩；·出水斷層靠海側是比較堅硬的砂巖、泥巖互層，但受斷層的影響，裂隙發育，涌水量約在400～2000L/min，易于剝離。2023/10/1428青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理2）施工基本計劃為了突破出水斷層，要求采用能夠處理大量涌水和粘土化的軟弱圍巖的施工方法。為了止水，在軟弱部分壓注范圍采用4R以上，增加壓注孔數量（120孔以上），要求形成均質密實的壓注帶，軟弱部分要求斷面早期閉合，增大超前支護強度。預計鉆孔比較困難，故設置了2～3個壓注點（左右導坑及上部斷面）同時壓注。斷層的邊界靠陸側是粘土化的圍巖、在海側是堅硬的砂巖泥巖互層，涌水量也大，因此為了提高壓注效果，從良好側切斷水的供給源是上策，故突破斷層是從第5主洞側向陸域側進行的。壓注計劃如下。壓注范圍，因為是破碎帶取4R，壓注長度及壓注搭接長度列于表2。2023/10/1429青函隧道施工中出水

壓注長度（m）搭接長度（m）開挖長度（m）壓注地點出水斷層部前702545左右導坑2處出水斷層部603030左右導坑及上部斷面3處2023/10/1430青函隧道施工中出水壓注孔間距在4R線上是6m，壓注的最終壓力是70kg/cm2。導坑支護采用125H鋼支撐，上半斷面開挖采用250H鋼支撐，間距0.7m。整個施工過程如下。左右導坑、上半斷面同時壓注——開挖導坑——澆注導坑邊墻襯砌——開挖上部弧形斷面——澆注拱部襯砌——開挖上部核心部分——開挖仰拱部分——澆注仰拱。為了承受土壓，襯砌采用雙層襯砌。為了控制異常出水，在第5聯絡坑道安裝止水門，把異常出水封閉在第4、第5主洞內。同時在16k680、760、790m附近的導坑及上半斷面設置量測斷面，進行量測。青函隧道施工中出水的處理2023/10/1431青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理在第5聯絡坑道的斷層位置，根據事前的鉆孔探明出現在坑道40m處，斷層是粘土化的凝灰巖，接著是比較堅硬的泥巖。在聯絡坑道包括從9號橫洞進行的壓注，實施了3次壓注，合計壓注孔69孔，總涌水量10.7t，總壓注量483m3。開挖一開始采用150H馬蹄形鋼支撐（間距1.0m）進行到25m處，開始出現變異，涌水量也開始增加，在進行補強的同時，又從9號橫洞向斷層部進行壓注（孔數11孔，總涌水量91L、總壓注量48m3）。壓注后，又采用200H圓形鋼支撐用短臺階法開挖。由于上半斷面的支撐被擠出，涌水量也增加，又再次噴射補強，之后出現玄武巖，接觸部的凝灰巖已粘土化，到32m附近，右肩發生剝落，出現20L/min左右的涌水，因此停止掌子面開挖，全面噴射正面混凝土。并進行第3次壓注（孔數8孔，總涌水量63L/min，總壓注量17.6m3）并在下半斷面鉆排水孔。2023/10/1432青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理再開挖后，一直通過斷層部。在出水斷層以前進行了第15次壓注～18次壓注（17k014～16k832m）。壓注狀況列于表3，因為圍巖比較好，鉆孔過程沒有發生什么問題，但在第18次壓注時，發現靠山側的鉆孔速度因受斷層的影響有變慢的趨勢。2023/10/1433青函隧道施工中出水

壓注狀況壓注次數壓注位置壓注時間（天）壓注孔數孔長（m）涌水量（L/min）壓注量（m3）備注1016k554m9013382415065.53處壓注1116k605m301546609943076.7同上1216k665m7024795112727125.7同上1316k696m3020733411782117.6同上1417k059m65219061848023380.6上半斷面壓注1517k014m80271278146272501085.9左右導坑壓注1616k969m30129762996980736.4同上1716k923m80149965137000467.6同上1816k878m3025146979026165704.6同上1916k832m8030131958519801217.43處壓注2016k802m70541331020143851246.3同上2116k772m60136334630277.9同上2023/10/1434青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理從涌水看，從壓注橫洞（16k862m附近）壓注的壓注效果是關鍵。在第15次壓注中，總涌水量達27t/min，是比較大的。第16、17次壓注總涌水量是7t/min左右，而且壓注量也達到700～1000m3以上。從開挖看，因是比較堅硬的砂巖、泥巖互層，導坑平均日進4.3m，僅有滴水程度的涌水，壓注效果是比較顯著的。青函隧道龜飛工區于1974年12月5日，在作業坑道16k890m附近（水深77.8m、埋深101.9m）發生出水事故，花了6個月時間進行處理，使該區間的第4主洞安全通過。出水掌子面附近的地質，在出水事故后從作業坑道的鉆孔調查結果看，主洞16k800m是斷層的邊界，凝灰巖已粘土化，且有玄武巖巖脈不規則地侵入，而斷層靠近北海道側是比較穩定的泥質凝灰巖及砂質凝灰巖互層（圖12～14）。2023/10/1435青函隧道施工中出水2023/10/1436青函隧道施工中出水2023/10/1437青函隧道施工中出水2023/10/1438青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理第4主洞16k080m～17k030m，長約980m。從1975年7月開始施工。因為16k080m～16k550m（470m）是比較好的圍巖，16k550m以后開始接近破碎帶，因為要通過作業坑道引起出水事故的斷層破碎帶，開始采用下導坑上半斷面超前的施工方法。開始還比較順利，但到16k630m附近導坑支撐發生擠出變異。經過研究，在此點前方45m內，進行圍巖壓注，并停止開挖。決定從第5主洞向反向施工。理由是：2023/10/1439青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理·斷層破碎帶靠第3主洞側是涌水比較少的粘土化的凝灰巖；·第5主洞側，涌水多，但是固結的砂質凝灰巖；·砂質凝灰巖可以確實的、而且安全的進行斷層壓注；·軟質地層的壓注比硬斷層壓注困難等。斷層破碎帶的地層壓注基準設定如下?！鹤淖笥覍Э雍蜕习霐嗝?處進行；·壓注范圍取4R（通常為3R）；·一次壓注長度取60m（通常為70m），搭接長度30m（通常為20m），即：60m壓注后，開挖30m，在進行下次壓注；·最少的壓注孔數為82孔（通常為38孔）。壓注孔布置參見圖15、16。2023/10/1440青函隧道施工中出水2023/10/1441青函隧道施工中出水2023/10/1442青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理四、通過涌水砂層的壓注1980年7月在超前導坑9k530m處進行的深200m的超前鉆孔確認沒有取到巖心，呈泥土狀，約7m左右。其后在深300m附近出現約600L/min的涌水，而且有近5m的土砂從孔內突出。因為確認是崩塌性的地層，為了掌握其狀況，繼續在同一位置進行超前鉆孔，結果判明前方是含砂量極其豐富的，層厚約2m的砂質凝灰巖層，其上面是厚約25m的不良泥質圍巖（圖17）。2023/10/1443青函隧道施工中出水2023/10/1444青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理根據調查砂質凝灰巖的粒度分布與流沙近似，在一些類似地層中，頻發崩塌事故。因此，在海底隧道中更要慎重施工。研究結果按以下原則施工。·突入砂層前，要盡可能地通過地質調查掌握地質狀況；·即使有少量的涌水，也會發生管涌現象，因此要完全止水；·壓注范圍取5R；·開挖前，先在斷面外施工排水孔，確實校核殘留水，除去坑道周邊的水壓；·采用弧形開挖，控制爆破振動，開挖后盡快噴射混凝土；·提高壓注基準，提高壓注效果；壓注基準列于表4。·對壓注材料進行試驗研究，決定采用水泥系雙液ES材料進行壓注，固結效果好。2023/10/1445青函隧道施工中出水

表4砂層的壓注基準

砂層壓注長度（m）60～80孔數（個）60～100壓注范圍（4～6）R階段壓注基準（l/min）30再鉆孔壓注基準（l/min）30追加孔壓注基準（l/min）50～100校核孔壓注基準（l/min/m）0.22023/10/1446青函隧道施工中出水青函隧道施工中出水的處理五、壓注中幾個問題的解決根據青函隧道的壓注實踐，參與青函隧道設計施工的技術專家在總結時提出以下建議。1、在什么情況下進行壓注？·由于粘土化而形成涌水帶的，——F10·巖脈侵入的——如F14、F15·伴隨軟巖中涌水的——如F10·小規模、裂隙發育的——如F50等·不良地質條件——如涌水砂層