鐵路隧道巖溶季節(jié)變動(dòng)帶整治技術(shù)研究

徐懷仁

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

巖溶季節(jié)變動(dòng)帶是季節(jié)變化引起地下水位升降波動(dòng)的地帶,該區(qū)域巖溶受到地表降雨和地下徑流的共同作用，發(fā)育情況復(fù)雜，溶蝕作用活躍，管道的垂直形態(tài)和水平形態(tài)犬牙交錯(cuò)，充填物時(shí)而沉積時(shí)而流失[1-4]。鐵路隧道在巖溶季節(jié)變動(dòng)帶中施工雨季經(jīng)常遭遇突水涌泥，旱季容易忽視巖溶影響。如何結(jié)合季節(jié)變動(dòng)帶巖溶發(fā)育的特點(diǎn)，研究增加泄水洞作為新的排泄通道和還建原有巖溶通道是非常必要的[5-7]。本文以小安隧道巖溶季節(jié)變動(dòng)帶整治工程為例，研究季節(jié)變動(dòng)帶泄水洞和還建原有巖溶通道的技術(shù)特點(diǎn)。

1 工程概況

小安隧道全長13 430 m。隧道位于廣元市朝天區(qū)，是“八縱八橫”主通道之一的西成高鐵四川段控制性工程。隧道是雙線隧道，縱斷面設(shè)計(jì)為3‰和-15.3‰的人字坡。隧道地表為構(gòu)造侵蝕低中山峽谷地貌，地面高程550 m～1 626 m，自然坡度20°～55°。隧道洞身最大埋深約808 m。主要巖性為飛仙關(guān)組四段T1f4泥巖、頁巖、灰?guī)r夾泥灰?guī)r，三段T1f3灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾泥巖，一二段T1f1+2頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r夾灰?guī)r，二疊系上統(tǒng)P2灰?guī)r夾頁巖、炭質(zhì)灰?guī)r、煤層(線)，下統(tǒng)P1灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)灰?guī)r，志留系中上統(tǒng)S2+3頁巖夾灰?guī)r。隧區(qū)屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺西北邊緣地帶，位于近東西向的米倉山臺穹西緣，處于北東向與東西向兩構(gòu)造的結(jié)合部位，即龍門山褶皺帶和大巴山褶皺帶的交接地帶。隧區(qū)發(fā)育褶皺3條，即明月峽背斜、五里村背斜、王家灣向斜，其兩翼多發(fā)育次級褶皺及小撓曲；斷層4條，即魏家坪逆斷層、孫家溝逆斷層、牛峰包逆斷層及板凳埡逆斷層。主要不良地質(zhì)為巖溶。

2 巖溶發(fā)育情況

隧道地表切割劇烈，洞身發(fā)育小安河。隧道區(qū)域巖溶的侵蝕基準(zhǔn)面為嘉陵江及其主要支流潛溪河和東溝河。巖溶水主要受大氣降水補(bǔ)給，巖溶水根據(jù)地下的循環(huán)特征分為兩種情況：一種為淺表循環(huán)巖溶水，大氣降水在補(bǔ)給區(qū)滲入地下后主要在淺表循環(huán)，循環(huán)深度較淺，運(yùn)移距離較短，在2 km～3 km的小安河等支溝附近排泄，排泄高程為700 m～900 m。一種為深部循環(huán)地下水，大氣降水在補(bǔ)給區(qū)滲入地表后，經(jīng)過深部循環(huán)，循環(huán)深度較深，運(yùn)移距離較長，一直到10 km以外的嘉陵江排泄，排泄高程為480 m～500 m。根據(jù)含水巖組的劃分，結(jié)合地形、地貌等地質(zhì)特征，分別采用降水入滲法、地下水動(dòng)力學(xué)法進(jìn)行對比計(jì)算，施工圖隧道正常突水量為61 932 m3/d，雨季最大突水量為92 898 m3/d。根據(jù)隧道距離嘉陵江約10 km，嘉陵江江面標(biāo)高為490 m，區(qū)域地表巖溶地形為溶蝕臺地的情況，水力坡度一般較緩為1‰～3‰，推算線路處水位線高程約為500 m～520 m，而隧道軌面高程為550 m左右，因此隧道主要處于巖溶季節(jié)變動(dòng)帶。季節(jié)變動(dòng)帶巖溶水既受地表降雨控制，又受深層地下水運(yùn)移控制，巖溶水和充填物質(zhì)的來源豐富，形成的巖溶形態(tài)最為復(fù)雜，是隧道突水涌泥的危險(xiǎn)區(qū)?，F(xiàn)場突水如圖1所示。

2.1 突水涌泥特點(diǎn)

小安隧道在巖溶季節(jié)變動(dòng)帶遇到的突水涌泥，以2016年6月～7月施工中通過志留系頁巖夾灰?guī)r地層遭遇大規(guī)模突水、涌泥為代表。6月15日隧道D5K355+489處溶洞出現(xiàn)涌泥，并有大塊石塊涌出將初支壓裂，至7月8日連續(xù)多次發(fā)生涌泥，淤泥平均高度約5 m，最高處距離拱頂1.5 m，涌泥段近700 m，涌泥量約10萬m3。7月26日凌晨5:00，由于廣元朝天區(qū)連日降雨，最大降雨量為74.85 mm，隧道D5K355+613處右側(cè)溶洞出現(xiàn)突水，不到4 h淹沒隧道近1 km，洞內(nèi)積水最深處達(dá)5 m，最大突水量約4 900 m3/h。根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘突水、涌泥段為志留系頁巖地層中的灰?guī)r夾層，且?guī)r溶不同程度發(fā)育，明顯位于季節(jié)變動(dòng)帶，既有垂直的巖溶通道發(fā)育，又有水平的巖溶通道發(fā)育，以黏性土填充溶洞發(fā)育為主?；?guī)r層上下均為頁巖，易風(fēng)化剝落成為泥化物進(jìn)入巖溶管道，溶洞填充物多為細(xì)顆粒固體。隧道突水受地表降雨和滲流通道長度的影響，垂直通道越多，降雨量越大，突水時(shí)間越短，突水量越大。隧道涌泥受充填溶洞和突水量的影響，水平通道越多，充填溶洞越發(fā)育，突水量越大，涌泥的規(guī)模就越大。

施工期間典型涌泥如圖2所示。

2.2 溶洞發(fā)育特點(diǎn)

小安隧道在季節(jié)變動(dòng)帶穿越垂直和水平發(fā)育的巖溶管道，以2016年8月通過二疊系下統(tǒng)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r地層遭遇復(fù)雜巖溶管道為代表。施工揭示隧道D5K358+815～D5K358+848段有巖溶管道從隧道左側(cè)不規(guī)則斜穿至隧道右側(cè)，平面上巖溶管道與線路斜交，交角約23°。與隧道交叉段管道底部縱坡約24°，兩端呈大角度分別向上、向下發(fā)育。在D5K358+822附近巖溶管道從左側(cè)拱頂至拱腰間進(jìn)入隧道輪廓線范圍，管道由兩個(gè)分支組成：一個(gè)分支來自上方，直徑約為0.6 m，水量約為100 m3/d；另一個(gè)分支來自線路左側(cè)，直徑約2 m，向外側(cè)較緩縱坡延伸約6 m后向上發(fā)育，尺寸變小，該分支水量約400 m3/d。D5K358+848附近巖溶管道部分位于隧道右側(cè)拱腰至邊墻部位，管道底部位于輪廓線3 m以外，軌面高程8.4 m以下；該處管道上寬約8 m，下寬1.1 m～3.3 m，高度約為17 m。溶洞發(fā)育如圖3所示。巖溶管道內(nèi)流水為清水，局部有黏性土填充。巖溶隧道位于季節(jié)變動(dòng)帶，溶洞發(fā)育極不規(guī)則，形成的溶洞可大可小，充填情況差異也非常大。

3 新建泄水洞技術(shù)

巖溶隧道季節(jié)變動(dòng)帶突水、涌泥形成向隧道的地下水和充填物流動(dòng)通道后，不僅威脅施工安全，而且影響隧道運(yùn)營期間的正常排水和襯砌結(jié)構(gòu)安全。新建泄水洞方案建立遠(yuǎn)離隧道正洞的新的流動(dòng)通道是非常重要的。在季節(jié)變動(dòng)帶采用泄水洞進(jìn)行巖溶整治需要考慮隧道周邊垂直和水平巖溶通道發(fā)育的情況、隧道建成后該通道內(nèi)涌水和涌泥的情況、隧道二次襯砌在該區(qū)域可能承受水壓的情況。

1)泄水洞的位置和平縱斷面。

泄水洞位置的選擇與平導(dǎo)位置的選擇有一定相似之處，也有明顯的區(qū)別。相似之處是二者均要求設(shè)置在隧道地下水來源的一側(cè)，與隧道的凈距為25 m～30 m，兩者的坑底高程均低于隧道中心水溝底面以便排水。明顯的區(qū)別是坑底高程低于隧道中心水溝底面的距離和排水坡度，這在季節(jié)變動(dòng)帶泄水洞的設(shè)計(jì)中尤為明顯。季節(jié)變動(dòng)帶泄水洞面對的環(huán)境是既有近似垂直的巖溶通道又有近似水平的巖溶通道，地下水的來源方向多樣。設(shè)計(jì)既要考慮隧道左側(cè)的來源，又要考慮隧道右側(cè)的來源，泄水洞坑底高程受下穿隧道結(jié)構(gòu)的控制，一般低于隧道中心水溝底面3.5 m。兼顧排水功能的平導(dǎo)一般坑底高程低于隧道中心水溝底面1.5 m。季節(jié)變動(dòng)帶泄水洞的排水坡度既要考慮排水通暢，又要考慮排泥清淤，一般坡度向洞外逐漸加大，排水坡度與隧道坡度明顯不同。而兼顧排水功能的平導(dǎo)坡度一般情況下與隧道坡度一致，設(shè)計(jì)思路是對隧道正洞排水能力的補(bǔ)充。小安隧道發(fā)生突水涌泥段正洞長2 386 m，拉通設(shè)計(jì)坡度為3‰。對應(yīng)段落在線路左側(cè)(靠山側(cè))設(shè)置泄水洞長度2 386 m，設(shè)計(jì)為1 600 m坡度5 ‰和786 m坡度10‰，從隧道內(nèi)向洞外排水坡度逐漸增大。泄水洞坑底標(biāo)高與隧道中心水溝底面標(biāo)高相差最小為3.5 m，在泄水洞洞口處兩者相差最大達(dá)11.3 m。

泄水洞示意圖見圖4。

2)泄水洞的斷面尺寸和結(jié)構(gòu)形式。

泄水洞斷面尺寸的選擇主要考慮過水能力，考慮到施工期間發(fā)生過突水、涌泥情況，對該段隧道的涌水量進(jìn)行修正為6.4×104m3/d。由于季節(jié)變動(dòng)帶巖溶發(fā)育復(fù)雜，地下水涌水量的預(yù)測準(zhǔn)確度較低，泄水洞斷面既要考慮施工機(jī)械尺寸又要考慮充足的過水面積。小安隧道泄水洞采用4.5 m×5 m(寬×高)斷面，5‰坡度下過水能力為13.4×104m3/d。泄水洞結(jié)構(gòu)形式主要考慮鐵路隧道運(yùn)營期間長期安全的需要，要求不能出現(xiàn)洞內(nèi)塌方堵塞排水?dāng)嗝?，進(jìn)而造成排水不暢的情況。季節(jié)變動(dòng)帶泄水洞水位和流量波動(dòng)較大，泄水洞底部水壓力和受到?jīng)_刷力度的變化就很大，需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和底部抗沖刷能力。小安隧道泄水洞Ⅲ級圍巖地段采用錨噴襯砌，Ⅳ級圍巖地段采用錨噴襯砌或模筑襯砌，Ⅴ級圍巖地段采用模筑襯砌。底板厚度達(dá)30 cm。泄水洞施工完成后所有噴錨襯砌段施作套襯。泄水洞見圖5，圖6。

3)泄水洞引水支洞和地下水引排。

泄水洞功能的充分實(shí)現(xiàn)，不僅依靠泄水洞本身，還要依靠泄水洞末端接入突水、涌泥點(diǎn)的引水支洞以及對隧道周邊地下水的引排。季節(jié)變動(dòng)帶的巖溶淤積、充填和流失周期性的重復(fù)進(jìn)行，非常容易堵塞排水系統(tǒng)。為了保持暢通，需要采用支洞直接接入巖溶管道。季節(jié)變動(dòng)帶泄水洞末端引水支洞的設(shè)置主要有三類：一類是對垂直體系巖溶通道的直接接入，另一類是對水平體系巖溶通道的直接接入，最后一類是對隧道周邊巖溶通道的直接接入。對垂直體系巖溶通道的接入一般通過高位支洞實(shí)現(xiàn)，高位支洞的選擇考慮隧道上方巖溶發(fā)育，截?cái)嗔飨蛩淼婪较虻牡叵滤?，支洞接入溶洞的一端需要考慮落石沖擊，需對支洞口進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。對水平體系巖溶通道的直接接入一般通過保留巖溶通道，在隧道底部設(shè)置涵洞將原有通道連接到泄水洞。對隧道周邊巖溶通道的直接接入一般是在泄水洞內(nèi)直接做平行支洞聯(lián)通，靠近隧道時(shí)采用人孔接入。現(xiàn)場泄水洞支洞如圖7，圖8所示。

4 還建巖溶通道技術(shù)

季節(jié)變動(dòng)帶巖溶時(shí)而垂直發(fā)育，時(shí)而水平發(fā)育，通道內(nèi)有緩坡段和陡降段(一般綜合坡度大)，通道的斷面大小受沉積充填的影響也很不規(guī)律。隧道穿越季節(jié)變動(dòng)帶不可避免的會破壞截?cái)嗉扔袔r溶通道，施工中發(fā)現(xiàn)的巖溶通道其面積大小一般都比隧道中心水溝面積大得多，其過水能力遠(yuǎn)大于隧道本身。由于季節(jié)變動(dòng)帶旱季可能沒有巖溶水通過，施工中容易忽視，隨意回填巖溶通道的情況時(shí)有發(fā)生，給鐵路隧道運(yùn)營埋下安全隱患。既然巖溶通道是自然形成的地下水泄水洞，對隧道排除地下水是有利的，設(shè)計(jì)中應(yīng)順接利用原有通道，施工中如有侵占應(yīng)還建疏通。還建的通道為了實(shí)現(xiàn)穿越鐵路后與既有通道的連接，需要設(shè)置垂向過流通道、縱向過流通道和下穿鐵路通道三部分。還建的過流通道如圖9所示。

1)垂向過流通道。

垂向過流通道是在隧道外側(cè)3 m靠近巖溶管道上游的圍巖中開挖垂直涵洞，實(shí)現(xiàn)對巖溶管道的截?cái)?。避免巖溶水在運(yùn)營期間通過隧道頂部過流，消除在拱頂對隧道二次襯砌造成的水壓力，也可預(yù)防巖溶水從施工縫滲入隧道影響接觸網(wǎng)供電。垂直過流通道斷面尺寸一般比既有巖溶通道尺寸大約2倍，高度一般比隧道斷面高3 m～4 m。采用在隧道側(cè)壁拉槽開挖，同時(shí)采用工字鋼鋼架接長配合錨網(wǎng)噴支護(hù)，垂直涵洞采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，施工完后靠隧道側(cè)采用混凝土回填封閉。垂直過流通道如圖10所示。

2)縱向過流通道。

縱向過流通道是垂向過流通道和下穿鐵路通道的連接部分，沿隧道縱向布置，由于垂向過流通道底部和下穿鐵路通道底部高差較大，距離較短，一般縱向過流通道的坡度較大。通道內(nèi)在靠近垂直涵洞位置和下穿涵洞位置設(shè)有兩個(gè)消能池?？v向過流通道采用控制爆破的暗挖法施工，二次襯砌采用鋼筋混凝土，斷面尺寸為4 m×4 m(寬×高)。

3)下穿鐵路通道。

下穿鐵路通道是在隧道底部設(shè)置過水涵洞，并將其延伸接長到既有巖溶通道的下游。過水涵洞尺寸為2.6 m×2.4 m(寬×高)。為了防止過大的石塊堵塞下游的巖溶通道，縱向過流通道與隧底涵洞之間設(shè)置一道柵欄門，起到排水擋渣的作用。同時(shí)為了使整個(gè)還建的通道具有可維護(hù)性，在隧道洞內(nèi)設(shè)置檢查洞室通過檢查井向下聯(lián)通隧底涵洞，用于運(yùn)營期間相關(guān)設(shè)備管理單位對該巖溶管道的定期檢查疏浚。下穿鐵路的過流通道如圖11所示。建成后的過流通道和檢查洞室如圖12所示。

5 結(jié)語

巖溶隧道季節(jié)變動(dòng)帶是巖溶發(fā)育情況復(fù)雜的區(qū)域，該區(qū)域巖溶管道垂直形態(tài)和水平形態(tài)犬牙交錯(cuò)，隧道通過該區(qū)域經(jīng)常不可避免的會破壞截?cái)嗉扔袔r溶通道，施工期間容易遭遇突水涌泥，運(yùn)營期間也容易出現(xiàn)水害。在季節(jié)變動(dòng)帶根據(jù)施工期間揭示的巖溶管道形態(tài)、巖溶突水涌泥情況，及時(shí)進(jìn)行巖溶整治是非常必要的，能徹底消除鐵路運(yùn)營期間的安全隱患。采用泄水洞新建排泄通道和還建利用原有巖溶通道是兩種有效的整治措施。

在季節(jié)變動(dòng)帶新建泄水洞和排泄通道，應(yīng)充分考慮地下水來源方向的多樣性，泄水洞坑底高程一般低于隧道中心水溝底面3.5 m為宜，既能排泄隧道左側(cè)來源的地下水，又能排泄隧道右側(cè)來源的地下水。泄水洞的排水坡度既要考慮排水通暢，又要考慮排泥清淤，一般坡度向洞外逐漸加大。泄水洞斷面尺寸的選擇主要考慮過水能力，季節(jié)變動(dòng)帶涌水量的預(yù)測準(zhǔn)確度較低，需要預(yù)留足夠的空間。季節(jié)變動(dòng)帶水位和流量波動(dòng)較大，需要加強(qiáng)泄水洞結(jié)構(gòu)和底部抗沖刷能力，防止出現(xiàn)洞內(nèi)塌方堵塞情況。泄水洞支洞的設(shè)置需要考慮季節(jié)變動(dòng)帶的巖溶淤積、充填和流失周期性的重復(fù)進(jìn)行，非常容易堵塞排水系統(tǒng)，支洞應(yīng)直接接入巖溶管道。對垂直體系巖溶通道的直接接入可采用高位支洞，對水平體系巖溶通道的直接接入可采用低位支洞，對隧道周邊巖溶通道的直接接入可采用平行支洞。

在季節(jié)變動(dòng)帶還建原有巖溶通道，應(yīng)充分結(jié)合巖溶管道的形態(tài)，順接利用原有通道。利用垂向過流通道實(shí)現(xiàn)對巖溶管道的截?cái)?，避免巖溶水在運(yùn)營期間通過隧道頂部過流。利用縱向過流通道繞避隧道，引排巖溶水至隧道底部。利用下穿通道越過鐵路，引排巖溶水接回原有巖溶通道。垂直過流通道斷面尺寸一般比既有巖溶通道尺寸大約2倍，高度一般比隧道斷面高3 m～4 m?？v向過流通道的坡度較大，需要設(shè)置消能池。下穿通道是在隧道底部設(shè)置過水涵洞，在該位置隧道洞內(nèi)設(shè)置檢查洞室通過檢查井向下聯(lián)通涵洞，用于運(yùn)營期間定期檢查和維護(hù)。