某山區(qū)高速公路隧道巖溶涌水事故處治技術(shù)研究

念培紅 王忠偉

摘要：本文根據(jù)某高速公路隧道工程巖溶涌水事故處治實例，闡述了巖溶隧道施工期間，開挖揭示各種巖溶管道涌水突泥，結(jié)合復(fù)雜地質(zhì)條件，通過方案比選，考慮隧道結(jié)構(gòu)安全、運營安全和施工的可行性，最終采用泄水洞引排方案。該隧道巖溶水整治設(shè)計方案實施成功，為以后類似隧道設(shè)計、施工提供借鑒和教訓(xùn)。

Abstract： Based on the example of treatment of karst water inrush accident in a highway tunnel project， this paper expounds that during the construction of karst tunnel， excavation reveals all kinds of karst pipeline water inrush. Combined with complex geological conditions， through scheme comparison， considering tunnel structure safety and operational safety and the feasibility of construction， finally the drainage hole drainage program is adopted. The tunnel karst water remediation design plan was successfully implemented， providing lessons and for similar tunnel design and construction in the future.

關(guān)鍵詞：隧道;巖溶管道;涌水突泥;泄水洞

Key words： tunnel;karst pipeline;water inrush;drainage tunnel

中圖分類號：U455.49? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0117-04

0? 引言

在我國西南地區(qū)石灰?guī)r地區(qū)，廣泛分布各種類型的溶洞，隧道穿越巖溶地區(qū)，經(jīng)常會遭遇巖溶涌水事故。巖溶涌水不僅容易影響施工安全，導(dǎo)致人員傷亡事故的發(fā)生;一旦處理不當(dāng)，還會對工程進度、投資產(chǎn)生巨大的負面作用。

本文以某西南山區(qū)公路隧道的巖溶涌水事故處理為例，對巖溶涌水的情況進行了詳盡的描述，介紹了相應(yīng)的施工處治方案及取得的成效，對于今后類似工程事故的處理具有一定的參考價值。

1? 工程事故概況

1.1 工程概況

某山區(qū)高速公路隧道為雙洞分修特長隧道;隧道進口位于曲線上，全隧路線縱坡為0.4%及-0.83%的人字坡。設(shè)計預(yù)測雙洞涌水量為100000方/d。隧道涌水方式以滴水和涌流為主，局部可能產(chǎn)生突水，隧道涌水主要集中在可溶巖段。

1.2 巖溶涌水事故描述

隧道右洞出口段巖溶涌水情況：該處隧道埋深約30m，當(dāng)隧道開挖至洞內(nèi)月75米時，在右側(cè)邊墻腳揭示一空溶洞，揭示處溶洞高約5m，寬約2.5m，溶洞走向與隧道走向交角約為60°，傾角約45°，斜向上向小里程方向延伸。在下導(dǎo)坑開挖后，揭示溶洞于隧底出露，并繼續(xù)向下延伸。經(jīng)對隧底進行物探測試，溶洞未延伸至右側(cè)邊墻下方，且其余段落未有溶洞現(xiàn)象。最初揭示溶洞時，有小股清水流，小雨或晴天時，溶洞內(nèi)水流和施工用水全部從隧底溶洞流走。其后一周左右的凌晨1時突降暴雨后，2小時左右從邊墻溶洞內(nèi)有大量地下水涌出，部分涌水從隧底溶洞流走，同時大量涌水從隧道內(nèi)排走。經(jīng)量測，在隧道內(nèi)平均水深達0.21m。5月13日雨后，在隧道K56+110斷面處平均水深達0.13m。

隧道左洞出口段巖溶涌水情況：該處隧道埋深約85m，5月9日凌晨1時突降暴雨后，3時左右在洞口段上導(dǎo)坑底部中心位置爆裂突水，由隧道向外排泄。凌晨5時降雨停止，涌水持續(xù)26小時后逐漸變小。經(jīng)量測，在隧道洞口斷面處平均水深達0.28m。突水減弱后，發(fā)現(xiàn)出水點呈一直徑約0.8m的溶洞天窗。經(jīng)對隧底進行物探測試，溶洞主要發(fā)育在隧底下方0～3m，溶洞底板埋深8～15m，基本橫向下穿通過隧道，其余段落未有溶洞現(xiàn)象。與此對應(yīng)的右洞段施工時并未揭示有溶洞。

隧道右洞洞身段巖溶涌水情況：隧道右洞已進洞1222m在掌子面處發(fā)生特大突水、突泥事故，將隧道內(nèi)大部設(shè)備沖至隧道之外，且涌水（泥漿）由橫通道灌入左洞，至8點時逐漸減小。8點48分發(fā)生第二次涌水，10分鐘后水量逐漸減水。9點05分發(fā)生第三次涌水，之后逐漸削弱，大約一周后突水、突泥現(xiàn)象基本消失。經(jīng)現(xiàn)場踏勘，在涌水突泥處向隧道外100m范圍內(nèi)殘留痕跡高2～3m，溶洞基本發(fā)育于隧道左側(cè)邊墻之外，邊墻處剛好揭穿溶洞，溶洞呈洞徑約2～3m的管道狀向隧道小里程端斜向上延伸，發(fā)育方向與巖層傾向基本一致，無法見其高度。圍巖為中厚層灰?guī)r，完整性好，溶洞壁較平整光滑，可視范圍內(nèi)洞壁穩(wěn)定。通過對隧道洞周物探測試，在探測范圍內(nèi)溶洞向上發(fā)育與可視趨勢一致，溶洞向下未延伸至右洞隧道底部，除此未見其他巖溶現(xiàn)象。從揭示的時間和突泥規(guī)模分析，早期巖溶管道暢通，地下巖溶水活躍，形成較為光滑完整的洞壁，由于后期局部堵塞淤積形成相當(dāng)長的巖溶管道，造成巨大的地下水（泥漿）靜儲量，巖溶水被新發(fā)育的通道所襲奪。巖溶管道的發(fā)育受早期地層構(gòu)造裂隙的控制，加之堵塞充填物呈泥漿狀，開挖揭穿管道爆發(fā)突泥突水，隧道內(nèi)平均水深達0.28m。突水減弱后，發(fā)現(xiàn)出水點呈一直徑約0.8m的溶洞天窗。5月雨季開始后，降雨時該溶洞均會出現(xiàn)涌水，涌水大小受降雨控制，涌水過程中未見攜帶大的碎屑類物質(zhì)。5月24日、7月30日暴雨后，隧道底板被漲開，該段附近橫向盲管同時也向外噴水。

隧道右洞洞身段巖溶涌水情況：該處隧道埋深約900m，揭示圍巖為灰?guī)r，中厚層狀，巖體完整4月25日，隧道掌子面在施鉆下一循環(huán)的炮眼過程中，隧道右側(cè)掌子面下部炮眼鉆進約2m左右有地下水噴出，經(jīng)探查在隧道右側(cè)下部掌子面3平方米范圍內(nèi)有噴水現(xiàn)象，噴水距離約2米遠，出水量約500方/h，水質(zhì)清澈。經(jīng)增加探水孔釋放并結(jié)合地質(zhì)雷達探測結(jié)果繼續(xù)掘進之后，最終揭示涌水點位于K54+380右側(cè)墻腳，地下水向上冒出，洞徑約0.5m，經(jīng)釬探7m未見底。平時水量較穩(wěn)定，水質(zhì)清澈，降雨后涌水劇增。

1.3 隧道最大涌水量預(yù)測

由于隧道涌水均出現(xiàn)在降雨后一定時間內(nèi)，降雨大涌水則大，降雨小涌水則小，降雨量為隧道涌水的主要控制因素。隧道位于巖溶垂直循環(huán)帶及水平循環(huán)帶，地下水的補給來源于地表水下滲，在隧道已貫通的條件下，每次較大范圍內(nèi)降雨后，隧道出現(xiàn)的涌水一般具有同樣的匯水面積，且具有一樣的地質(zhì)環(huán)境，由此可采用降水入滲法（運用水均衡原理的水力學(xué)統(tǒng)計法）預(yù)測隧道最大涌水量，公式如下： 式中：F——隧道開挖影響帶的面積（km2）;X——當(dāng)?shù)囟嗄昶骄邓浚╩m）;λ——降水入滲系數(shù);Q——地下水補給徑流量（方/d）。由以上公式可以得出，在F、λ同樣的條件下，隧道涌水量大小直接與降雨量呈線形關(guān)系。取用上述有關(guān)計算值和百年一遇降雨量可計算出隧道最大涌水量為：1584775（方/d）。

2? 各出水點及溶洞變更設(shè)計情況

完成初支后，發(fā)現(xiàn)拱部有水流出，且每逢下雨之后流量加大，呈噴射狀流出。經(jīng)變更后采取措施加固，在該段拱部增設(shè)Φ22砂漿錨桿，二襯施作時，在每個出水點增設(shè)一環(huán)向盲管，將水排入中心排水溝。在突水、突泥段，經(jīng)變更處理向小里程范圍采用洞口加強襯砌施作，隧底及二襯待溶洞處理措施確定后再施做;對集中出水點打Φ100mm引水孔，孔深5m，并安裝管頭封閉的引水鋼管，引水鋼管端頭1m范圍內(nèi)鉆孔，以便于排出裂隙水。該段圍巖級別由II級調(diào)整為IV級，襯砌類型按IV級復(fù)合（B）施工，徑向施作Φ42小導(dǎo)管注漿補強措施。環(huán)向盲管加密每5m設(shè)置一道。

3? 巖溶涌水處治方案比選

巖溶地區(qū)的地下水為巖溶暗河管道水及巖溶裂隙水，一般情況下，除對周邊地表環(huán)境有特殊要求的采用堵水措施外，其它情況宜采用防、排、截等措施。這是由于巖溶及巖溶水的發(fā)育在宏觀上有一定的規(guī)律性，但從微觀上有許多不確定性，因此造成堵水困難、代價高、風(fēng)險大、效益相對較差。

本隧位于烏江峽谷侵蝕中低山區(qū)，對周邊地表環(huán)境沒有特殊要求，因此不采用堵水方案。根據(jù)本隧巖溶發(fā)育形態(tài)及巖溶水量大的特點，對巖溶水整治措施提出以下兩種引排方案：

3.1 洞內(nèi)引排方案

仰拱（或底板）下增設(shè)矩形水溝方案，平面示意如圖1所示。

在隧道仰拱及底板下增設(shè)矩形水溝，中心排水管按原設(shè)計施作。經(jīng)檢算水溝尺寸，水溝縱坡采用0.83%下坡，排水能力要滿足最大流水量79萬方/d，并且能保證人員進入矩形水溝中清淤，矩形水溝尺寸采用150cm（寬）×200cm（高）。為方便檢修，洞內(nèi)每隔500m設(shè)檢查人孔井。該隧道二次襯砌已施工完畢，如采取該方案，首先拆除仰拱及填充，重新施作，拆除及重建工作量大。在拆除有仰拱地段前，在邊墻底及仰拱兩側(cè)設(shè)置Φ42鎖腳錨管加固，錨管長4.5m，每側(cè)設(shè)置2根。在涌水點前后10米范圍內(nèi)每隔5米埋設(shè)大孔徑引水管與仰拱底中心排水溝相連。對于引水處管頭應(yīng)采用鋼筋網(wǎng)片將引水管封閉，防止泥沙將引水管堵塞。在仰拱底增設(shè)矩形溝范圍段，特別是位于斷層破碎帶及填充物地段，由于地質(zhì)較差，為防止顆粒物隨水流失，引起隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，中心排水溝應(yīng)整體灌注，不得設(shè)置泄水孔。加強隧道結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定及爆破震動對隧道影響的量測。中心矩形溝開挖必須采用洞內(nèi)控制爆破，每次爆破長度應(yīng)控制在2～3m，鋼筋砼襯砌范圍爆破振速按5cm/s，一般砼范圍爆破振速按3cm/s控制，并在一定范圍內(nèi)設(shè)防護棚架，防止對既有襯砌及隧道結(jié)構(gòu)造成危害。

該方案優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點：在洞內(nèi)施工，施工安全有一定保障，施工風(fēng)險低。工程投資低，方案投資1022萬元。

缺點：洞內(nèi)開挖速度較慢，施工進度平均按80～100m/月，施工工期較長;破壞了襯砌和路面的完整性，影響隧道結(jié)構(gòu);清淤工作較難施作，對運營有一定的影響。

3.2 泄水洞引排方案

泄水洞設(shè)置原則：泄水洞斷面除滿足排水量的要求，還須滿足施工作業(yè)的要求;針對襯砌材料，還須滿足抗沖刷的要求;對于含泥量大的巖溶水，尚應(yīng)考慮防淤積的排水流速。

在左右線兩線之間設(shè)置泄水洞，平面示意如圖2所示。

該隧道出口接涵洞，為方便把巖溶水引排入涵洞，泄水洞襯砌凈空斷面受車行通道底板及涵洞入口標高控制，襯砌斷面尺寸采用3.8m（寬）×3.9m（高）。

該方案優(yōu)缺點：①該方案有效地解決了可溶巖段地下水排放問題，施工工期影響較小。②該方案施工風(fēng)險較大，工程投資較高，方案投資1163萬元。

4? 巖溶水整治設(shè)計

經(jīng)方案比選，巖溶水整治采用泄水洞方案，巖溶整治設(shè)計采用從兩線之間設(shè)置泄水洞方案，具體措施如下：右線K53+890處涌水點設(shè)計流量為7.5萬方/d，經(jīng)驗算采用中心排水溝可滿足流量要求。該出水點設(shè)置橫向通道引排至中心排水溝，于K54+380處中心排水溝設(shè)泄水孔與引水橫通道相連，將巖溶水引排至泄水洞。泄水洞從K54+360起在兩線隧道之間設(shè)置與線路平行，泄水洞縱坡按0.87%的下坡。為方便把巖溶水引排入涵洞，泄水洞襯砌凈空斷面受車行通道底板及涵洞入口標高控制，泄水洞襯砌凈空斷面尺寸采用3.5m（寬）×3.7m（高）。

4.1 右洞洞身巖溶水處理

K53+890處設(shè)置橫向通道引排至中心排水溝，K54+380處中心排水溝設(shè)泄水孔與引水橫通道相連，將巖溶水引排至泄水洞。在涌水點處襯砌邊墻開口施作一個1.5m（寬）×1.5m（高）×2.2m（長）的通道，在襯砌外設(shè)置0.9m（寬）×1m（長）×1.4m（深）的集水井，防止水流直接進入中心排水溝，保證隧底結(jié)構(gòu)安全。橫向水溝與襯砌交接段，恢復(fù)二襯邊墻時在襯砌底部鋪設(shè)2根長1.5m的P43舊鋼軌，保證襯砌結(jié)構(gòu)安全。集水井采用C20砼，橫向水溝連接蓋板采用C35鋼筋砼。引水橫向通道剖面示意如圖3所示。

橫向通道（出水點左右各5m范圍內(nèi)）模筑拱部襯砌施作時應(yīng)預(yù)留Φ108泄水孔，形成篩網(wǎng)狀，間距1m，梅花型布置。隧道中心水溝正對引水通道拱部設(shè)0.5m×0.5m泄水孔一處。隧道范圍內(nèi)引水通道采用明挖法施工，拱墻采用鋼筋砼襯砌，其余地段引水通道采用素砼襯砌。完工后拱部至襯砌鋪底范圍內(nèi)回填C20砼。二襯邊墻底部明挖段開挖后采用I20b鋼架框架支撐，每邊墻各設(shè)3榀，鋼架邊徑向施作Φ22砂漿錨桿，長2.5m，共8根。視地下水的滲漏情況，必要時于引水通道暗挖段拱部設(shè)5～7m長的Φ108集水鉆孔。

4.2 左洞巖溶水處理

于隧道底部設(shè)置引水橫向通道，將巖溶水引排匯入泄水洞內(nèi)。隧道中心水溝正對引水通道拱部設(shè)0.5m×0.5m泄水孔一處，正對溶洞引水通道底板處開設(shè)0.5m×0.5m孔一處。其余處理措施同右洞K54+380處巖溶水處理。橫向通道（涌水點附近2m范圍）模筑拱部襯砌施作時應(yīng)預(yù)留Φ108泄水孔，形成篩網(wǎng)狀，間距1m，梅花型布置。隧道中心水溝正對引水通道拱部設(shè)0.5m×0.5m泄水孔一處，正對溶洞引水通道拱部開設(shè)0.5m×0.5m孔一處。其余處理措施同右洞K54+380處巖溶水處理。在泄水洞設(shè)置錯車洞，方便運碴車調(diào)頭，錯車洞每60m設(shè)置一個，錯車洞長5m，寬2m，共設(shè)置30個，具體位置可在施工中相應(yīng)調(diào)整。

4.3 洞口明洞段施工

泄水洞不設(shè)洞門，洞口三角區(qū)加強段采用特殊鋼筋砼襯砌，其余明挖段采用明挖襯砌，拱墻采用鋼筋混凝土。于涵洞邊墻上開2個200cm×150cm（寬×高）排洪孔，排洪孔上設(shè)置兩塊尺寸為2.5m（寬）×0.4m（厚）×1.25m（長）的鋼筋砼托梁，泄水洞內(nèi)水經(jīng)涵洞排出。泄水洞洞口與涵洞口相接，施工時對泄水洞三角區(qū)范圍內(nèi)涵洞蓋板進行拆除。洞口段采用明挖法施工，泄水洞洞口處高程高于涵洞泄水面0.5m。該段采取13%的下坡開挖作為施工便道，K56+160～K55+407段施工完畢后，再反坡開挖洞口段，及時施作襯砌，再恢復(fù)涵洞邊墻及蓋板，明洞襯砌洞頂以上夯填土石。泄水洞通過人行橫通道及變壓器洞室段均采用明挖，襯砌加強，拱墻采用鋼筋砼襯砌。于泄水洞K56+165處側(cè)壁設(shè)檢查井，以方便運營檢修。洞口位置設(shè)C20砼導(dǎo)流墩，以免巖溶水直接沖擊涵洞邊墻。施工時應(yīng)注意派專人看守，防止暴雨時地表水倒灌進入泄水洞。

4.4 施工組織方案

由于泄水洞與左右線隧道相鄰，左右線隧道已施工完畢，地質(zhì)情況已經(jīng)完全探明，施工中可以充分利用左右線隧道的地質(zhì)勘察預(yù)報等現(xiàn)有詳細技術(shù)資料，指導(dǎo)泄水洞施工。另一方面，通過利用左右線隧道的橫向通道及車行通道，可以大幅度縮短工期并解決施工中的通風(fēng)難題。為加快施工進度，泄水洞施工應(yīng)采取增加工作面的快速施工方案，即利用左右線隧道的車行通道作為泄水洞的輔助坑道，分三個工區(qū)進入泄水洞位置，同時每個工區(qū)展開兩個作業(yè)面進行掘進，實現(xiàn)長洞短打。由于作業(yè)面同時工作，不可避免地造成了泄水洞內(nèi)通風(fēng)狀況惡化。施工中泄水洞壓入式通風(fēng)輸送新鮮空氣，即在泄水洞建立通風(fēng)管道，利用左右線隧道排出污濁空氣。

泄水洞通過易突水、突泥地段，為防止巖溶涌突水造成施工災(zāi)害，一方面要通過左右線施工時的詳細地質(zhì)資料，有針對性加強超前地質(zhì)預(yù)報工作，防止災(zāi)害發(fā)生;另一方面建立應(yīng)急機制：針對施工過程中可能出現(xiàn)的意外，施工單位應(yīng)編制好詳盡的應(yīng)急預(yù)案，并準備好應(yīng)急設(shè)備、設(shè)施與資源，事故通告程序及指揮系統(tǒng)，做好應(yīng)急預(yù)案的培訓(xùn)。通過易發(fā)生突水、突泥地段，采用TSP203、地質(zhì)雷達、HY303紅外探水儀等設(shè)備和超前地質(zhì)鉆探，針對巖溶問題開展超前地質(zhì)預(yù)報工作。TSP203每150m～200m探測一次;地質(zhì)雷達每20m～30m探測一次;HY303紅外探水儀每30m探測一次;超前地質(zhì)鉆探一般每個斷面設(shè)置三個鉆孔，長25m，20m一循環(huán)，以掌握巖溶發(fā)育情況，以便采取相應(yīng)的處理措施。煤層瓦斯：在通過志留系、二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P2w）及二疊系下統(tǒng)梁山棲地層時開挖過程中可能有石油伴生氣瓦斯溢出，施工通過加長炮眼進行探測，應(yīng)加強通風(fēng)，并加強超前瓦斯預(yù)測預(yù)報工作，施工固定設(shè)備及電氣設(shè)備應(yīng)采用防爆型，移動機具盡量采用防爆型或采取防爆措施。

5? 結(jié)論

通過該隧道巖溶水整治工程實例，采用在左右線之間設(shè)泄水洞方案，解決了巖溶突水突泥對隧道造成安全隱患?？偨Y(jié)該隧道巖溶處理經(jīng)驗，得出以下結(jié)論：

①為保證隧道結(jié)構(gòu)及運營安全，巖溶地區(qū)隧道巖溶水整治應(yīng)遵循一次整治、不留后患的處理原則。

②對于巖溶地區(qū)的隧道，巖溶處理時最好保留巖溶管道的排泄通道，其它堵水措施成功與否，都會引起新的水患，最終對隧道結(jié)構(gòu)安全造成隱患。

③該隧道巖溶水整治采用泄水洞方案處理，經(jīng)濟合理，技術(shù)安全可靠。該隧道巖溶水整治設(shè)計方案實施成功，為以后類似隧道設(shè)計、施工提供借鑒和教訓(xùn)。

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作者簡介：念培紅（1974-），男，云南陸良人，高級工程師，本科，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。