沉砂橫洞處治巖溶隧道拱墻外側(cè)季節(jié)性涌水溶洞施工技術(shù)

李婧瑜 饒坤榮 伍錦智

摘要：為有效解決隧道施工中穿越涌水溶洞的問題，文章提出采用沉砂橫洞的處治方案，并介紹了其技術(shù)原理和施工要點。結(jié)果表明，處治后隧道排水迅速，對圍巖擾動小，能夠很大程度地提高隧道的結(jié)構(gòu)耐久性，施工安全和施工質(zhì)量得到了保證。

關(guān)鍵詞：巖溶隧道；沉砂橫洞；季節(jié)性涌水溶洞

中圖分類號：U456.3+2A130424

0引言

由于喀斯特地區(qū)山體巖溶、溶蝕裂隙發(fā)育，在該地區(qū)修建高速公路隧道，施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)隧道穿越涌水溶洞的情況，甚至要與山頂洼地落水洞連接，此類溶洞常年季節(jié)性涌水且水中含有粉細砂顆粒，如何經(jīng)濟、有效地處治此類溶洞，是高速公路隧道施工所面臨的一大難題［1］。

處理隧道季節(jié)性涌水溶洞通常采取隧道溶洞回填后設(shè)置排水管引排到隧道中心水溝或在隧道側(cè)邊設(shè)置泄水洞的方案［2］。前者短期內(nèi)排水效果較好，但是后期巖溶水帶來的泥和細砂沉積后對隧道排水系統(tǒng)影響較大，排水管堵塞后，在降雨較集中時期會使隧道襯砌背后產(chǎn)生較大水壓，導致隧道襯砌出現(xiàn)滲水、漏水的現(xiàn)象，嚴重時可能出現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)開裂甚至造成路面結(jié)構(gòu)拱起破壞；后者可以很好地解決隧道溶洞涌水問題，但是溶洞發(fā)育規(guī)模和涌水量未達到一定規(guī)模時建設(shè)成本較高，一般不被采納，因為當溶洞發(fā)育規(guī)模和涌水量達到一定規(guī)模時，需要層層論證、經(jīng)濟分析等，過程較長，對施工管理極為不利［3］。涌水溶洞處治施工期間既要考慮施工安全和施工質(zhì)量，又要考慮結(jié)構(gòu)在使用運營期間的永久性、安全性和維護成本等，給隧道溶洞處治提出了諸多要求。

為了解決上述兩種方案帶來的弊端，采用沉砂橫洞的處置方案，進行技術(shù)改進、工藝創(chuàng)新和現(xiàn)場實施，在溶洞涌水時有時間和空間進行轉(zhuǎn)換，排水迅速，保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運營安全、耐久性好，在季節(jié)性涌水溶洞的處置中有較高參考價值。

1技術(shù)原理

1.1沉砂橫洞技術(shù)

在隧道涌水溶洞段設(shè)置抗水壓襯砌，初期支護完成后，在溶洞端頭段襯砌各5 m范圍進行小導管環(huán)向注漿堵水（見圖1）。溶洞端頭段襯砌不設(shè)置防水層、環(huán)向盲管、縱向排水管。隧道輪廓邊上溶洞內(nèi)從上往下預埋多根300 mm排水管，溶洞泵送混凝土回填，設(shè)置沉砂橫洞［4］。利用水的連通器原理，在橫洞底部沉砂池沉淀、沉砂池與隧道中心水溝接通可維護復合排水盲管過濾（管內(nèi)安裝纖維多孔C型芯管，可更換過濾管），充分利用橫洞的有限空間進行集水和排水。沉砂橫洞避免隧道預埋的排水系統(tǒng)堵塞，減少巖溶水文復雜變化過程對隧道結(jié)構(gòu)造成破壞。

1.2溶洞排水管安裝技術(shù)與波紋管安裝纖維多孔芯管過濾處理技術(shù)

1.2.1溶洞排水管安裝技術(shù)

因隧道側(cè)邊溶洞發(fā)育位置較高，溶洞頂部一般圍巖穩(wěn)定性較差，施工過程存在一定風險，預埋排水管成了施工難點。本文結(jié)合現(xiàn)場溶洞空間情況，巧妙利用支撐桿+定滑輪原理，在隧道內(nèi)側(cè)邊溶洞回填至工作面后，在確定施工沉砂橫洞位置架立支撐桿到預定高度，灌注0.5 m厚混凝土固定支撐桿底座（3～5根桿），利用支撐桿起吊輕質(zhì)300 mm波紋管（有一定強度，底部臨時封堵）至預定高度，然后可根據(jù)現(xiàn)場情況進行分層回填混凝土至拱頂2.5 m，下一步施工橫洞時將排水管揭露，最后完成剩余混凝土泵送，泵到預定高度從排水管處流出后停止泵送，達到回填加固溶洞的目的［5］。排水管完成后，可滿足雨季期間溶洞涌水時及時排泄；如隧底下有巖溶管道，可在施工隧底基礎(chǔ)時預留2根500 mm的排水管，作為溶洞消水或漲水的過水通道，避免了隧底側(cè)邊溶洞冒水時對隧道結(jié)構(gòu)造成的影響。見圖2。

1.2.2可維護復合排水盲管+安裝纖維多孔芯管過濾處理技術(shù)

本處理技術(shù)應用一種可維護復合排水盲管（見圖3），其結(jié)構(gòu)由波紋管及纖維多孔C型芯管組成，其中纖維多孔C型芯管嵌在水波紋管中。其基本工作原理是在巖土工程中，含礦物及其他微顆粒的地下水長期流經(jīng)預埋的可維護復合排水盲管，便會在其中纖維多孔C型芯管內(nèi)形成水垢。當管內(nèi)水垢體積達到一定程度，并阻礙盲管排水時，通過更換纖維多孔C型芯管，除去管內(nèi)水垢，從而保證盲管長期排水暢通。另外，被更換出來的纖維多孔C型芯管經(jīng)過清洗除垢，仍可循環(huán)使用，達到一定使用年限后再更換新的纖維多孔C型芯管［6］。

2施工應用要點

2.1地質(zhì)勘探和測量溶洞輪廓

調(diào)查隧道溶洞地質(zhì)，并根據(jù)溶洞發(fā)育規(guī)模和形態(tài)等進行隧道巖溶地質(zhì)勘探。地質(zhì)勘探采用地質(zhì)雷達和多功能地質(zhì)鉆機結(jié)合進行超前地質(zhì)預報，以提高隧道巖溶地質(zhì)探測精度。如溶洞構(gòu)造復雜，必要時進行詳細補勘，以保證溶洞的規(guī)模、形態(tài)、地質(zhì)情況等資料準確清晰。因地質(zhì)情況復雜，要結(jié)合溶洞發(fā)育情況對溶洞涌水斷面進行鉆探并測量溶洞輪廓與隧道的關(guān)系，具體溶洞處治方案、沉砂橫洞設(shè)置等需要參考地質(zhì)勘探和溶洞輪廓測量結(jié)果確定。溶洞涌水段鉆孔探測布置見圖4。

2.2確定溶洞處治方案

隧道揭露巖溶地質(zhì)及水文情況復雜，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查及水文調(diào)查資料，溶洞處治方案一般設(shè)計為抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)，同時要提高初期支護等級、加深仰拱、加強襯砌鋼筋、提高防水混凝土等級等。進行巖溶地質(zhì)處治施工時，如隧底拱腳承載力不滿足要求，需要按照方案進行基底處治。處治隧底基礎(chǔ)時，提前預埋500 mm排水管鋼管接通至沉砂橫洞，作為隧底溶洞漲水過水通道，避免工后溶洞涌水時隧底承受較大水壓，對隧道結(jié)構(gòu)造成影響。預埋排水管時注意保護管口不被堵塞［7］。

2.3確定沉砂橫洞位置及參數(shù)

隧道溶洞季節(jié)性涌水變化較大，應結(jié)合隧道中心水溝排水能力合理估算溶洞涌水量，并根據(jù)溶洞涌水情況、隧道溶洞輪廓及溶洞穩(wěn)定性合理選擇沉砂橫洞型式和斷面。如溶洞規(guī)模較小，圍巖穩(wěn)定，可在隧道襯砌邊上設(shè)置幾個小型匯流槽引排即可滿足要求；如溶洞規(guī)模一般，但雨季突然性涌水量較大，應選擇設(shè)置沉砂橫洞，并設(shè)計合適斷面，以滿足施工、實際集水和排水需求；如施工期間發(fā)現(xiàn)溶洞確實存在較大水壓且涌水量較大，應充分結(jié)合溶洞穩(wěn)定性情況選擇沉砂橫洞斷面和位置，從側(cè)面繞開涌水溶洞，確保橫洞有更大的空間對水流進行釋壓和引排，確保隧道結(jié)構(gòu)安全。

2.4溶洞內(nèi)安裝排水管及溶洞內(nèi)回填混凝土

若溶洞發(fā)育高度超出拱頂往上發(fā)育，則施工過程的擾動易導致溶洞與隧道輪廓交界處發(fā)生坍塌，危及施工安全。溶洞回填混凝土前，應根據(jù)溶洞發(fā)育情況確定排水管型號、直徑、數(shù)量、預埋高度，混凝土回填高度等。結(jié)合現(xiàn)場溶洞空間情況，巧妙利用旗桿升旗原理，通過精確測量后確定施工沉砂橫洞位置，然后在相對位置安裝溶洞內(nèi)300 mm排水管，并注意封堵水管底部，避免混凝土堵住排水管，確保溶洞回填混凝土后溶洞頂上排水順暢［8］。在下一步施工橫洞時將排水管揭露，完成剩余混凝土泵送，混凝土回填到預定高度時從排水管處流出，此時停止泵送?；炷翉姸冗_到80%后可進行下一步施工。

2.5按處治方案進行主洞開挖、支護施工

因溶洞段地質(zhì)復雜，圍巖較破碎，施工應嚴格按照施工方案進行，確保施工質(zhì)量和施工安全。

2.5.1溶洞襯砌端頭段環(huán)向注漿

施工中和施工后溶洞段有可能出現(xiàn)涌水，襯砌背后巖溶裂隙出現(xiàn)水壓，在水壓力作用下，水沿著隧道開挖輪廓面、初期支護噴射混凝土孔隙和無紡布等縫隙流至其他襯砌段，導致其他襯砌段出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。在溶洞段襯砌端頭段設(shè)置5 m隔水帶，采用全換注漿處理，采用L=600 cm、42 mm×4 mm、100@100小導管環(huán)向注漿堵水。注漿采用細水泥-水玻璃漿液，水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.5；水泥漿水灰比為1∶1。開始注漿壓力為0.6～1.0MPa，注漿終壓在1.0MPa左右，終壓狀態(tài)下注漿量應＜2 L/min，否則加密注漿孔。溶洞端頭段襯砌施工時不設(shè)置反水層、環(huán)向、縱向排水管等，使得襯砌防水混凝土和初期支護面粘結(jié)密實，起到防水和隔水的作用。

注漿參數(shù)見表1。注漿前應進行現(xiàn)場注漿試驗，根據(jù)實際情況調(diào)整注漿參數(shù)。

2.5.2施工深孔泄水孔

溶洞地質(zhì)段水文情況復雜，初期支護施工完成后，在溶洞段襯砌邊墻至拱腰位置設(shè)置100 mm、深度＞10 m的深孔泄水孔，間距為200 cm（環(huán)）×300 cm（縱），泄水孔內(nèi)安裝雙臂打孔波紋管，波紋管引至拱腳處與縱向排水管接通，引入隧道中心排水溝。

2.6隧道水壓實時監(jiān)測設(shè)備安裝

施工巖溶段初期支護和二襯施工期間，應對隧道溶洞段涌水位置斷面進行實時監(jiān)測，防治淤堵，并設(shè)置報警裝置，一旦在雨季期間出現(xiàn)排水管淤堵情況可及時發(fā)出預警信息，通知公路養(yǎng)護管理人員進行檢查和維護，確保設(shè)置的沉砂橫洞滿足排水功能，避免水壓對隧道結(jié)構(gòu)造成破壞［9］。

2.6.1溶洞涌水處監(jiān)測

在隧道襯砌內(nèi)每個涌水點處安裝3個改裝的小型滲壓計、3個鋼筋應力計、3個混凝土應變計。隧道斷面涌水點埋設(shè)傳感器位置如圖5所示。

2.6.2設(shè)置比對斷面監(jiān)測

比對斷面選擇距離溶洞涌水處200 m左右，在比對斷面的初支、二襯預埋傳感器進行實時監(jiān)測。

隧道比對斷面初期支護施工階段，在拱頂、拱肩、起拱線、拱腳位置分別埋設(shè)1個位移計和1個滲壓計，如圖6所示。

隧道比對斷面二襯施工階段，在拱頂、拱肩、起拱線、拱腳位置分別埋設(shè)1個土壓力盒、1個鋼筋應力計和1個混凝土應變計，如圖7所示。

2.7按方案進行沉砂橫洞開挖、支護施工

隧道現(xiàn)場有條件時可進行沉砂橫洞開挖支護施工，橫洞與主洞交叉口及洞身均設(shè)置加強段襯砌結(jié)構(gòu)，保證交叉口安全穩(wěn)定。橫洞段采用弱爆破和小型挖機進行開挖，人工立架和噴射混凝土支護。施工橫洞過程注意接通橫洞頂預埋的300 mm排水管，保證溶洞排水順暢。橫洞初期支護施工完成后，可考慮對溶洞頂剩余高度泵送混凝土，直到排水管有混凝土流出即停止泵送。

2.8施工沉砂橫洞混凝土襯砌及底部沉砂池，安裝300 mm可維護復合排水盲管

現(xiàn)場具備施工條件后，可靈活開展橫洞混凝土襯砌施工和底部沉砂池施工，確保沉砂橫洞支護滿足設(shè)計要求。沉砂橫洞初支完成后，在下邊加深開挖位置并設(shè)置沉砂池，滿足橫洞積水和沉砂的功能。安裝橫洞沉砂池時，在中心水溝之間預埋安裝300 mm可維護復合排水盲管，設(shè)置3%的坡度，確保排水順暢，沉砂橫洞發(fā)揮集水和排水的作用。施工過程中應對管口反包3層土工布，保證預埋的排水管不被堵塞。

沉砂橫洞施工完成后，清理管口，安裝纖維多孔C型芯管，過濾巖溶水夾帶的泥和細砂，防止泥和細砂直接進入隧道中心水溝和沉砂池，長期積累后造成堵塞［10］。纖維多孔C型芯管可定期抽出進行清洗或更換。

2.9設(shè)置橫洞階梯、檢修通道、安裝流水測量設(shè)備

為了方便工后對沉砂橫洞進行檢修和維護，并保證安全，橫洞襯砌完成后可進行橫洞階梯、檢修通道和護欄施工，設(shè)置安全護欄；注意在橫洞口設(shè)置1∶1.5的階梯，每個臺階高0.25 m、寬1.50 m，方便安裝和更換纖維多孔C型芯管。

為了雨季期間溶洞涌水時可以監(jiān)測溶洞涌水量，在施工沉砂池時應考慮蓋板和檢修通道，避免檢修時發(fā)生意外事故。根據(jù)水表原理在沉砂池出水口位置安裝流量測量儀，對溶洞涌水量進行估測，并確保后期可根據(jù)收集的估測數(shù)據(jù)對該溶洞排水情況進行檢查和維護。

3結(jié)語

在處理巖溶隧道拱墻外側(cè)季節(jié)性涌水溶洞時，中長、特長隧道建議采用沉砂橫洞，與泄水洞施工方法相較，沉砂橫洞有較大的優(yōu)勢。該方法不僅施工便捷，且保障了施工安全和施工質(zhì)量，對總體施工工期影響較小，而且在隧道施工的過程中，對隧道工作面周圍圍巖的干擾較小，與周圍環(huán)境適應性好，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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作者簡介：李婧瑜（1998—），助理工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。