旗桿山隧道大縱坡斜井溶洞處治設(shè)計(jì)及其對運(yùn)營期風(fēng)險(xiǎn)分析

劉 罡，葉欣欣

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

1 引 言

在我國約1/3的國土面積上廣泛的分布有巖溶，在西南地區(qū)分布尤為廣泛。隨著我國交通行業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的公路隧道遭遇了巖溶。國內(nèi)外學(xué)者、建設(shè)者對公路隧道巖溶進(jìn)行了大量研究。王木群利用有限元軟件分析了溶洞不同的分布形態(tài)時，隧道圍巖的應(yīng)力分布及變形特征；劉彥波利用數(shù)值分析手段，給出了白云隧道注漿圈的合理范圍；王少輝等提出了采用一種組合處治結(jié)構(gòu)與洞渣回填綜合處治的方案；程邦富驗(yàn)證了高壓充水溶洞釋能減壓處治技術(shù)的可行性；黃鑫提出了一種用于現(xiàn)場突水突泥的快速判識的方法；張文明針對摩天嶺隧道斜井的2處溶洞提出了可行的施工方法。

目前國內(nèi)外學(xué)者、建設(shè)者主要研究溶洞對隧道的力學(xué)影響、提出施工過程中的處理方案。大縱坡斜井穿越溶蝕帶時，對施工及后期運(yùn)營將帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)和隱患，亟待提出成套的的施工處治措施和運(yùn)營管養(yǎng)要求。

1 工程概況

旗桿山隧道斜井全長1 860 m，最大縱坡7.25%，最大埋深超770 m，凈空8.5 m，凈寬6.6 m。斜井平水期出水量為7 045.92 m3/d，豐水期為21 137.76 m3/d。地貌屬構(gòu)造溶蝕中山地貌，圍巖為灰?guī)r，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育具有順層巖溶化特性。斜井區(qū)地下水類型為碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，主要接受大氣降雨補(bǔ)給，巖溶水動態(tài)變化幅度一般在6～12倍左右。施工過程中，在10余米范圍內(nèi)連續(xù)發(fā)現(xiàn)溶洞及次生巖溶通道，并出現(xiàn)突水涌泥現(xiàn)象。部分巖溶通道高度大于10 m，轉(zhuǎn)折后不可見。巖溶通道均呈點(diǎn)滴狀出水，偶爾有粘土夾碎石下落。溶腔四壁均為灰?guī)r，中厚層狀構(gòu)造，巖體較完整，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖壁表面光滑。溶洞底部清除洞渣后，下方被洞穴堆積的粘性土充填，下挖5 m均為黏性土。

根據(jù)揭露的溶洞巖溶形態(tài)特征、發(fā)育規(guī)律、空間位置關(guān)系、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造等因素綜合分析，本次揭露溶洞位于同一巖溶發(fā)育帶，并具有空間上、水力上的聯(lián)系，溶蝕帶與隧道走向斜交，交角約50°，推測寬度約為16 m。溶蝕帶處標(biāo)高約為1 067 m，埋深約200 m，該處地表位于河流左岸陡崖上方陡坡處，地表未見洼地、巖溶通道等大型巖溶形態(tài)。該段與地表河流最小水平距離約165 m，河底標(biāo)高約1 100 m，溶蝕帶處設(shè)計(jì)標(biāo)高較河底標(biāo)高低約33 m，施工時正處旱季，河流與溶洞之間水力聯(lián)系及影響程度未知。

2 處治設(shè)計(jì)內(nèi)容

針對此溶蝕帶的主要處治方案如下：(1)清除斜井仰拱軸線底以下5.0 m范圍內(nèi)的溶洞內(nèi)淤泥等充填物，采用級配良好洞渣分層壓實(shí)換填至仰拱軸線底以下3.0 m；采用C20混凝土回填斜井襯砌基底至仰拱軸線底以下3.0 m范圍。(2)采用C35泵送混凝土回填、封堵拱墻開挖輪廓線以外的溶腔、巖溶管道，其厚度(高度)為3.5 m，回填前需對回填范圍溶腔內(nèi)的淤泥等充填物進(jìn)行清除。(3)斜井拱墻處的主要溶腔、巖溶管道內(nèi)預(yù)留排水鋼管，預(yù)埋管伸出或高于回填混凝土外不小于150 cm，對可能形成的積水進(jìn)行泄壓。排水管接入斜井排水系統(tǒng)，并在接口處設(shè)泄壓閥進(jìn)行水壓監(jiān)測及控制排放。泄壓閥自動開啟壓力值為0.15 MPa，并每月手動開啟排淤不小于3～4次。(4)因該段為巖溶發(fā)育的溶蝕帶(推測寬度約16 m)，臨近地面河流(水平距離約165 m)且低于河底標(biāo)高約約33 m，需考慮斜井周邊圍巖進(jìn)行系統(tǒng)注漿堵水、加固。(5)調(diào)整加強(qiáng)襯砌支護(hù)參數(shù)。(6)加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測量測工作。在常規(guī)監(jiān)控量測的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)水文觀測，主要內(nèi)容包括：溶腔處地下水水量變化、水壓變化及是否出現(xiàn)突泥或淤塞的情況。(7)根據(jù)水文觀測情況，統(tǒng)籌考慮斜井與主洞排水系統(tǒng)，確保排水順暢。

3 監(jiān)控量測

本段按照有水壓溶洞的處治要求，加強(qiáng)監(jiān)控量測工作。

3.1 隧道施工期間現(xiàn)場監(jiān)控量測

(1)水文觀測、量測：量測該段靜水壓力、水量、涌泥量等，觀測記錄溶腔處地下水水量、水壓變化和突泥或淤塞的情況；(2)洞內(nèi)觀察；(3)周邊位移量測；(4)拱頂下沉量測；(5)仰拱隆起量測；(6)圍巖和初期支護(hù)間接觸應(yīng)力量測；(7)初期支護(hù)與二次襯砌間接觸應(yīng)力量測；(8)鋼架內(nèi)力、受力狀態(tài)監(jiān)測；(9)噴射混凝土及二次襯砌內(nèi)的應(yīng)力量測；(10)二次襯砌及路面開裂量測。

水文監(jiān)測項(xiàng)目持續(xù)監(jiān)測至交工驗(yàn)收。在1個水文年后，適當(dāng)降低監(jiān)控頻率，但每隔1月至少監(jiān)測3～4次，并在雨季增大監(jiān)測頻率。

除水文監(jiān)測項(xiàng)目外，各項(xiàng)量測作業(yè)在持續(xù)到變形基本穩(wěn)定后15～20 d可暫停測量，但在各年度雨季重啟并加強(qiáng)量測。

3.2 營運(yùn)階段隧道結(jié)構(gòu)長期監(jiān)控方案

運(yùn)營期是本溶蝕帶一旦出現(xiàn)意外，將引起極其嚴(yán)重的后果，因此需建立長期監(jiān)控制度。

(1)建立巡查制度：每隔半月派專人到該段巡視，并在雨季增大巡視頻率；當(dāng)觀察發(fā)現(xiàn)該段結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形、裂縫(發(fā)展)、新增滲漏水等異常情況時，及時上報(bào)并及時采取有效措施。(2)水文長期觀測：溶腔處地下水水量變化、水壓變化及是否出現(xiàn)突泥或淤塞的情況。每隔一月至少監(jiān)測2～3次，并在雨季增大監(jiān)測頻率，如出現(xiàn)異常，應(yīng)及時上報(bào)并及時采取有效措施。

4 應(yīng)急預(yù)案

鑒于本斜井為反坡施工，且最大縱坡達(dá)7.25%，后期一旦出現(xiàn)突水涌泥會對施工階段和運(yùn)營階段造成巨大的危害，甚至出現(xiàn)較大的人員傷亡。因此，施工中要制定經(jīng)相關(guān)單位批準(zhǔn)的應(yīng)急預(yù)案，備足應(yīng)急材料及機(jī)具，現(xiàn)場定點(diǎn)配置相關(guān)應(yīng)急機(jī)械設(shè)備，并定期檢修，保證設(shè)備完好率，需要時可以立即投入使用。

施工應(yīng)急預(yù)案應(yīng)包括但不限于以下內(nèi)容：

(1)施工過程中隧道突發(fā)積水的反坡排水應(yīng)急預(yù)案；(2)隧道突泥突水的應(yīng)急處理預(yù)案；(3)隧道開挖中的坍方事故應(yīng)急處理預(yù)案；(4)支護(hù)結(jié)構(gòu)超過允許值或有失穩(wěn)前兆的應(yīng)急處理預(yù)案。

5 施工及運(yùn)營管理注意事項(xiàng)

5.1 隧道施工注意事項(xiàng)

(1)在掌子面及隧道周邊加密施作超前探孔進(jìn)一步探明巖溶發(fā)育情況。(2)施工過程中應(yīng)根據(jù)揭露巖溶及巖溶水情況，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及超前鉆探，加強(qiáng)施工安全措施，注意雨季施工安全。(3)施工期間在底部施作集水井，做好抽水措施。(4)基底為填充物段仰拱開挖后應(yīng)對基底進(jìn)行夯實(shí)后再施做仰拱初期支護(hù)。(5)為防止不均勻沉降造成的不利影響，該段應(yīng)施作好變形縫。(6)觀測溶腔處地下水水量和水壓變化情況，觀測周期不小于1個水文年，并做好記錄，根據(jù)水文監(jiān)測情況適時進(jìn)行該段二村施做。(7)該段溶腔前后開挖應(yīng)控制爆破規(guī)模，開挖進(jìn)尺不大于1 m，開挖后及時立鋼架噴混。(8)溶洞處治工程應(yīng)遵循動態(tài)設(shè)計(jì)原則。

5.2 隧道運(yùn)營管理注意事項(xiàng)

(1)應(yīng)按《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG H12-2015)的規(guī)定和要求對該斜井隧道進(jìn)行正常的檢修、養(yǎng)護(hù)管理，加強(qiáng)隧道的沉降、變形觀測，加強(qiáng)隧道二襯裂縫與滲水檢查與修補(bǔ)。(2)該處溶洞規(guī)模較大，地下水壓力大，運(yùn)營階段存在一定安全隱患，養(yǎng)護(hù)難度大。為及時準(zhǔn)備掌握運(yùn)營期隧道結(jié)構(gòu)受力、變形情況和地下水變化情況，應(yīng)結(jié)合施工階段監(jiān)控量測埋設(shè)監(jiān)控量測斷面成果，繼續(xù)監(jiān)控斜井隧道的水量、水壓、初期支護(hù)及二次襯砌變形、受力情況，確保隧道營運(yùn)安全。(3)建立巡查制度，及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)隱患，并采取有效措施處理。(4)堅(jiān)持該段的長期監(jiān)控量測，及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)隱患，并采取有效措施處理。(5)建立切實(shí)可行的應(yīng)急預(yù)案，從而保證在該段出現(xiàn)破壞、大量溶巖水進(jìn)入主洞時，能夠有序的疏散車輛、組織救援，避免人員傷亡及減少財(cái)產(chǎn)損失。

6 結(jié)論與體會

(1)對于巖溶發(fā)育區(qū)大縱坡斜井應(yīng)加強(qiáng)水文地質(zhì)勘察和水文監(jiān)測，查明巖溶發(fā)育情況及水力聯(lián)系情況，為設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營保駕護(hù)航。(2)應(yīng)盡量避免大縱坡斜井成為巖溶區(qū)泄水通道，造成斜井反坡施工風(fēng)險(xiǎn)和主洞運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。(3)做好全過程的水文監(jiān)測，建立巡查制度，及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)隱患。(4)應(yīng)制定完善的施工和運(yùn)營階段的應(yīng)急處理預(yù)案，確保發(fā)生緊急情況時能減少人員財(cái)產(chǎn)傷亡。