隧道涌水處理方案研究

尹 航

(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

1 工程概況

某隧道位于貴州省湄潭至石阡高速公路MSTJ-7合同段，為分離式特長隧道，左幅隧道起訖樁號為ZK80+745～ZK84+738，長3993m，最大埋深約287m。右幅隧道起訖樁號為K80+737～K84+744，長4007m，最大埋深約270m。隧道湄潭端位于直線段上，曲線平面線位間距為20.7m，洞身處于圓曲線、緩和曲線及直線段上，石阡端位于直線段上，平面線位間距為25m，隧道最大平面線位間距位于洞身，為32.7m。左線洞身縱坡為1.45%、-0.9994%，右線洞身縱坡為1.45%、-1%[1]。

隧道于2018年開工建設，2021年貫通，在施工過程中及貫通之后，ZK83+200樁號附近均發(fā)生過涌水。在2020年9月施工期間，發(fā)現(xiàn)三處涌水點，樁號依次為ZK83+147、ZK83+210及ZK83+240；2021年5月，在5月10日特大暴雨后，隧道在ZK83+200～ZK83+205段再次發(fā)生涌水，由于該處位于人字坡變坡點附近(左幅隧道變坡點為ZK83+150)，水流向進出口兩側(cè)分流，整條隧道明水深度約10～35cm，部分水流進入電纜溝，橫洞處聯(lián)通有部分水流涌入右洞。該段仰拱破壞、路面隆起，部分卵礫石涌出至電纜槽、邊溝及路面。

2 現(xiàn)場情況

隧道區(qū)域在2021年5月10日23時40分左右開始下雨并持續(xù)至早晨(經(jīng)與當?shù)貧庀笳緶贤ù舜谓涤隇榈湫吞卮蟊┯?。

2021年5月11日上午7時20分現(xiàn)場巡查，沿路多處道路被堵(水害影響)，上午8時隧道左線出口，發(fā)現(xiàn)ZK84+700～ZK84+744段排水暗溝有水溢出，洞口路面約有20cm左右的明水漫過路面向路基左側(cè)邊溝匯流。

2021年5月11日上午9時左右施工單位將此事匯報相關單位，此時隧道出口左洞洞口向內(nèi)約150～200m多段排水暗溝有水溢出(溢出處為兩側(cè)邊溝與電纜槽側(cè)壁接縫處)，路面約有20cm左右的明水漫過路面向路基左側(cè)邊溝匯流，涌水量約21×104m3/d(現(xiàn)場測量數(shù)據(jù))。

2021年5月12日凌晨1時50分隧道出口左洞約有35cm左右的明水漫過路面向路基左側(cè)邊溝匯流；隧道進口左洞約有35cm左右的明水漫過路面通過老鷹溝大橋向路基右側(cè)邊溝及老鷹溝橋下排水水溝匯流。整條隧道在ZK83+200～ZK83+205段有一個涌水點，該處位于人字坡變坡點附近，水流向進出口兩側(cè)分流，整條隧道明水深度約10～35cm，部分水流進入電纜溝，橫通道處聯(lián)通有部分水流涌入右洞。隧道洞口出水情況見圖1。

圖1 隧道洞口出水情況

3 專項水文調(diào)查情況

(1)水文地質(zhì)情況

根據(jù)隧道巖溶水文地質(zhì)專題報告，隧道ZK82+210～ZK83+900段(1690m)，主要出露二疊系中統(tǒng)棲霞組、茅口組，二疊系上統(tǒng)吳家坪組、長興組地層和三疊系下統(tǒng)飛仙關組地層。二疊系(P)主要為一套碳酸鹽巖建造，局部夾碎屑巖，假整合于志留系之上，主要為中統(tǒng)棲霞組(P2q)和茅口組(P2m)，上統(tǒng)吳家坪組(P3w)和長興組(P3c)。中統(tǒng)棲霞組(P2q)和茅口組(P2m)，上統(tǒng)吳家坪組(P3w)和長興組(P3c)。棲霞組底部為泥巖及鋁土礦，上部為厚層灰?guī)r，夾泥巖；茅口組為厚層狀灰?guī)r含燧石結(jié)核或條帶微晶灰?guī)r；吳家坪組為厚層含燧石結(jié)核微晶灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r，底部含炭質(zhì)頁巖夾煤層；長興組中厚層生物碎屑灰?guī)r，白云巖，含燧石團塊。

據(jù)資料，本隧道段(ZK82+210～ZK83+900 段)主要穿越二疊系灰?guī)r，屬區(qū)域性強巖溶層段，且該隧道段發(fā)育的龍?zhí)链笮偷叵潞酉到y(tǒng)，巖溶管道與隧道立交，隧道處于季節(jié)變動帶。因此，本段隧道具備大型至特大型涌水涌泥要素。

(2)涌水量估算

由于本隧道段處于季節(jié)變動帶，其涌水量Q主要考慮雨期動儲量(Qf)。 雨期動儲量(Qf)涌水是指雨季每一次降水過程，都會引起一次大的涌水。 采用大氣降水入滲系數(shù)法估算，有關參數(shù)按《隧道巖溶涌水專家評判系統(tǒng)》，以及實測數(shù)據(jù)給出，公式如下：

Qf=N·α·A·F/T

式中：Qf為強降雨期引起的最大涌水量；N為涌入系數(shù)，取 1；α為入滲系數(shù)，最小取 0.75、最大取1；A為一個降雨過程的最大降雨量，取 275.2mm(五十年一遇，2014 年 6 月 3 日到 4 日清晨，貴州石阡縣遭遇特大暴雨突襲，根據(jù) 6 月 4 日 7 時全市各地自動雨量站監(jiān)測顯示，湯山鎮(zhèn)降雨量達 275.2mm，已突破該站有氣象記錄以來的歷史極值) ；F為匯水面積，圖上圈定約 3.8km2；T為降雨周期，取1d。

強降雨時，涌水點 ZK83+147 附近、ZK83+210 附近、ZK83+240 附近會發(fā)生季節(jié)性有壓溶洞、溶隙涌水。雨季一個強降雨過程(24h降水 275.2mm 時)引起的涌水量可達78.43×104～104.58×104m3/d，即：約為 9.08～12.1m3/s；涌水部位外水最大壓力約為 45.5m，約為 0.45MPa。

4 隧道涌水原因分析

根據(jù)隧道巖溶水文地質(zhì)專題報告并結(jié)合前期隧道施工資料及現(xiàn)場調(diào)查情況，分析隧道涌水的原因如下：

(1)涌水發(fā)生在連續(xù)強降雨之后，且降雨停止不久就有所減小，說明涌水和降雨關系密切。

利用單倍體育種技術培育出來的DH系完全純合，純合度高達100%，在今后制種和繁殖過程中，不會出現(xiàn)分離現(xiàn)象，能夠長期應用到玉米育種實踐。

(2)隧道棲霞、茅口組灰?guī)r大面積出露，地下溶洞與巖溶管道極為發(fā)育，串通性好，隧道開挖揭穿了巖溶管道，通過溶隙、洼地、落水洞溝通了與地表降雨聯(lián)系，具備產(chǎn)生涌水條件。

(3)根據(jù)施工資料及探測結(jié)果，涌水點附近溶洞發(fā)育，多以黃泥充填、半充填，個別溶洞聽到水流或有涼風。表明這些溶洞與地表聯(lián)系密切，有流水的溶洞是主要的過水通道且與地下河有水力聯(lián)系；有涼風的溶洞可能與地表的風面相通或與地下河相通。

(4)施工期間涌水點附近左右洞揭露溶洞均采用混凝土回填，預留管排水至中心溝。由于受到施工擾動和混凝土回填，部分洞渣和混凝土進入地下河管道，致使地下河管道部分堵塞，地下河水流動不暢，強降雨時地下暗河巖溶管道水位劇烈上漲，形成有壓水，頂破仰拱溢出隧道，致使仰拱破壞、路面隆起。

5 泄水洞設計

(1)泄水洞輪廓斷面

泄水洞襯砌內(nèi)輪廓依據(jù)預測涌水量及可能不利涌水情況，并全面考慮施工期間材料運輸和出渣運輸車輛通行、施工通風、通水、通電管線、運營期間管養(yǎng)人員通行和作業(yè)所需空間要求綜合計算研究擬定，采用“半圓拱+直邊墻+底板”斷面，凈寬×凈高=3.5m×4.5m，凈空斷面面積12.69m2。

為方便施工，泄水洞按160m平均間距設置錯車道，錯車道長12m，右側(cè)加寬3m，以滿足施工期間錯車需求。泄水洞襯砌內(nèi)輪廓見圖2、圖3。

圖2 襯砌內(nèi)輪廓

圖3 錨車道襯砌內(nèi)輪廓

根據(jù)計算，按照泄水洞斷面直墻部分計算泄水洞排水能力為24.551m3/s(212.1×104m3/d)，滿足預測最大涌水量78.43×104～104.58×104m3/d的排水要求。

泄水洞洞身支護襯砌設計以新奧法原理為指導，采用復合式襯砌，即以系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、工字型鋼拱架作為初期支護，并根據(jù)不同的圍巖級別輔以管棚、超前小導管等超前支護措施，采用模筑混凝土或錨噴支護[2]。隧道襯砌類型、襯砌斷面型式、襯砌結(jié)構(gòu)尺寸設計主要采用工程類比法，并對隧道結(jié)構(gòu)進行必要的理論計算及校核，結(jié)合構(gòu)造要求及經(jīng)濟技術比較。

Ⅴ級圍巖洞口地段采用22cm厚錨噴支護，30cm厚C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；其余Ⅴ級圍巖地段采用22cm厚錨噴支護結(jié)構(gòu)，30cm厚C30素混凝土結(jié)構(gòu)；錯車道采用30cm厚C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

Ⅳ級圍巖下穿主洞加強地段襯砌采用20cm厚錨噴支護，35cm厚C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；其余Ⅳ級圍巖地段采用10cm厚錨噴支護，30cm厚C30素混凝土結(jié)構(gòu)；錯車道采用20cm厚錨噴支護結(jié)構(gòu)。

Ⅲ級圍巖地段采用10cm厚錨噴支護，錯車道采用20cm厚錨噴支護，均采用30cm厚C30素混凝土結(jié)構(gòu)。

(3)泄水洞施工方案

暗洞均采用新奧法施工，主要工序采用機械化作業(yè)，隧道出渣采用無軌運輸方式，二次襯砌澆注采用模板臺車。采用全斷面法施工。隧道初期支護噴射混凝土采用濕噴工藝，二次襯砌采用整體模筑混凝土。隧道二次襯砌采取先施作仰拱再施作邊墻及拱頂部位二次襯砌的施工順序。隧道的開挖、支護、二次襯砌施作及監(jiān)控量測等都必須嚴格執(zhí)行《公路隧道施工技術規(guī)范》[3](JTG/T 3660—2020)及相關規(guī)程，并參照《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》。

隧道施工開挖時應少擾動巖體，嚴格控制超、欠挖，鋼支撐必須密貼圍巖面，支撐緊密，若有空隙，須加混凝土預制墊塊鍥緊，使初期支護及時可靠。二次襯砌采用混凝土運輸車、輸送泵和襯砌模板臺車的機械化配套施工方案，確?；炷临|(zhì)量達到內(nèi)實外光。

6 結(jié)束語

結(jié)合貴州省隧道涌突水治理的工程實例以及筆者方案設計經(jīng)驗，提出隧道泄水洞的設計原則，針對現(xiàn)場情況的分析過程以及設計要點，旨在為隧道處置涌突水方案提供合理選擇的參考建議。