湘桂鐵路山乾隧道巖溶涌水涌泥原因分析及治理措施

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

我國西南、華南、華中山區(qū)可溶巖分布廣、厚度大[1]，由此帶來的鐵路隧道巖溶工程地質(zhì)問題凸顯。渝懷鐵路圓梁山隧道[2]、黔桂鐵路拉岜隧道[3]、宜萬鐵路高坪1#隧道[4]、蘭渝鐵路龍鳳隧道[5]均遇到了大規(guī)模、連續(xù)分布、充填形態(tài)不一的溶洞。前人也對巖溶發(fā)育情況、水文地質(zhì)特征進(jìn)行了分析，并總結(jié)了地表引排、洞內(nèi)排泄、注漿封堵、釋能降壓等施工方法[6-10]，對巖溶的治理起到了良好的效果。本文結(jié)合水文地質(zhì)條件，分析湘桂鐵路山乾隧道地下水補給徑流條件和隧道涌水涌泥原因，并提出治理方案。

1 工程概況

山乾隧道是湘桂鐵路永州至柳州段典型巖溶隧道。隧址區(qū)屬低山巖溶峰叢地貌，地形起伏較大，丘包與槽谷相間分布，丘包最大高程約250 m，谷地高程140～150 m。下伏基巖為泥盆系上統(tǒng)佘田橋組中厚～巨厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾白云巖及泥質(zhì)灰?guī)r，巖溶中等～強烈發(fā)育。隧道進(jìn)口及洞身段地層單斜，出口側(cè)有山乾1#，2#斷層通過，斷層寬3～10 m。

隧道自進(jìn)口至出口縱坡坡度為4.1‰，進(jìn)口里程為DK204+170，出口里程為DK206+135，隧道全長 1 965 m，隧道最大埋深約70 m，屬于單面上坡巖溶淺埋隧道。圍巖級別以Ⅳ級、Ⅴ級為主，按進(jìn)口工區(qū)、出口工區(qū)組織施工，隧區(qū)涌水涌泥主要發(fā)生在出口工區(qū)。

2 山乾隧道巖溶特征

2.1 地表巖溶特征

隧址區(qū)地處巖溶峰叢地帶，巖溶發(fā)育。巖體整體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，地表多見石芽、溶縫、溶孔、溶槽等，并且溶洞、落水洞、巖溶洼地發(fā)育。DK204+850—DK205+140段隧道頂部為兩山谷間洼地，匯水面積約 242 230 m2。DK205+460—DK205+540段隧道頂部為巖溶洼地，洼地最低處標(biāo)高192.1 m，匯水面積約 226 420 m2,雨季匯水量巨大。

2.2 施工揭示的巖溶情況

在山乾隧道施工開挖過程中，揭示出4個與隧道相交的巖溶發(fā)育段落。

圖1 DK205+489—DK205+494段溶洞揭示情況(單位：cm)

1)DK205+489—DK205+494段。DK205+492處左側(cè)拱腳處發(fā)現(xiàn)巖溶空洞，在臺階底測得溶洞環(huán)向長(隧道橫斷面方向)3.5 m，縱向?qū)?順線路方向)1.8 m，示意如圖1。溶洞內(nèi)無松散填充物及地下水，但有明顯流水沖刷痕跡，洞壁表面濕潤，巖體完整，DK205+489掌子面拱頂處發(fā)現(xiàn)一巖溶管道，垂直向拱頂方向發(fā)育，已揭示部分溶洞口位于線路左側(cè)拱頂，環(huán)向長約4.5 m，縱向?qū)?.0 m，溶槽內(nèi)無松散填充物，但有明顯流水溶蝕痕跡，可視高度5～6 m，向地表方向延伸，周邊巖體完整。

2)DK205+480—DK205+483段。左側(cè)拱腰處發(fā)育2個溶洞，分別位于DK205+480和DK205+483。DK205+480處溶洞為主溶洞，洞口直徑約1.0 m，DK205+483處溶洞為主溶洞的分支溶洞，洞口直徑約0.8 m，溶洞向線路外側(cè)延伸，深度不可見，溶洞內(nèi)填充黏土及泥漿，洞壁表面濕潤，有流水沖刷痕跡。2個溶洞在DK205+482線路左側(cè)拱腰處交匯為一個空溶洞，直徑約5 m。示意如圖2。

圖2 DK205+480—DK205+483段溶洞揭示情況(單位：cm)

3)DK205+370—DK205+384段。多個溶槽于DK205+370—DK205+384段隧道拱部形成溶洞，環(huán)向長約15 m，縱向?qū)捈s14 m，可視高度8 m，溶洞頂部及兩側(cè)發(fā)育有多個溶槽。溶洞及部分小溶槽內(nèi)填充有泥土，周邊圍巖破碎，夾黃泥。溶洞壁表面濕潤并見少量流水。示意如圖3。

圖3 DK205+370—DK205+384段溶洞揭示情況(單位：cm)

4)隧道出口端在DK205+108左側(cè)揭示一巖溶裂隙。該裂隙自DK205+102右側(cè)至DK205+108左側(cè)形成橫向切割隧道的全環(huán)裂隙帶，寬度3～5 cm(在隧底寬5～8 cm)，裂隙兩側(cè)局部圍巖破碎，中間填充黃泥、褐色泥砂。DK205+108左側(cè)起拱線附近有一股較大水流自裂隙內(nèi)流出。示意如圖4。

圖4 DK205+102右側(cè)—DK205+108左側(cè)裂隙帶(單位：cm)

2.3 隧底勘探揭示的巖溶情況

根據(jù)現(xiàn)場開挖情況，對山乾隧道實施隧底地質(zhì)雷達(dá)物探檢測及補充鉆探。

物探檢測結(jié)果顯示：DK205+099—DK205+102段，DK205+104—DK205+114段隧道底面下部4～13 m 巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，無溶洞。

鉆探結(jié)果揭示：DK205+094—DK205+104段隧道底面下部4～14 m巖體破碎，溶蝕裂隙發(fā)育，未見大的溶洞，在DK205+103.70右側(cè)6.50 m處灌注混凝土厚2.1 m，接觸基巖部位巖體破碎，可見灰?guī)r碎屑，隧道底面下部7 m處發(fā)現(xiàn)2個直徑0.4～0.5 m的小空洞；DK205+103.00右側(cè)4.10 m處灌注混凝土厚1.9 m，接觸基巖部位未見異常，隧道底面下部12 m處發(fā)現(xiàn)1個直徑1.5 m充填泥砂的溶洞。

3 隧道施工涌水涌泥情況及原因分析

3.1 施工涌水涌泥情況

山乾隧道出口工區(qū)自2010年12月初在開挖施工過程中多次出現(xiàn)隧道洞身涌水，尤其在2010年12月13日、2011年4月5日、2011年5月9日及2011年6月13日先后發(fā)生4次大的涌水、涌泥砂現(xiàn)象，經(jīng)測算其平均涌水量分別達(dá)到 17 000,12 000,44 000,33 500 m3/d。大量的涌水?dāng)y泥沙導(dǎo)致出口端施工掌子面被淹，仰拱及填充體被整體抬高甚至破壞，嚴(yán)重影響隧道施工和后期運營安全。

2011年6月25日、2011年6月28日，隧道內(nèi)再次發(fā)生大量涌水，除隧道洞身左右側(cè)涌水點外，大量涌水從隧底勘探鉆孔中以承壓性質(zhì)涌出，冒出的水頭高度最大可達(dá)1.5 m(見圖5)。

圖5 2011年6月28日隧底鉆孔涌水情況

3.2 原因分析

山乾隧道在施工過程中導(dǎo)致線路右側(cè)距線路中心線300 m處新鋪里村2處飲用兼灌溉水井水位較往年嚴(yán)重下降，并有1處水井基本干涸。1處水井位于DK205+720.6線路右側(cè)329.5 m處，為一自然形成巖溶涌水口，井口水面標(biāo)高159.504 m；另1處水井位于DK205+810.0線路右側(cè)382.8 m處，井口水面標(biāo)高159.411 m。該段隧底開挖標(biāo)高最低為153.4 m，分別比2處水井水面標(biāo)高低6.104，6.011 m。說明隧址區(qū)附近巖溶通道十分發(fā)達(dá)，與這2處水井屬于同一地下水系統(tǒng)，隧道開挖使該區(qū)部分巖溶通道疏通或堵塞，導(dǎo)致地下水徑流條件發(fā)生變化，以致2處水井的水位有所下降。

DK205+102—DK205+108段隧道兩側(cè)和基底涌水主要由2部分組成：①地表降雨沿地表洼地下巖溶管道下滲，從巖溶裂隙涌出；②地下水從基底巖溶裂隙涌出。該段基底巖溶裂隙、溶蝕破碎帶發(fā)育，集中降雨后，地下水位迅速上升，大量地下水從隧道底面下部7～14 m的小溶洞、裂隙中通過，來源較遠(yuǎn)，水源較復(fù)雜。由于水壓力較大，加之基底混凝土仰拱已封閉，地下水的過水能力不足，只能通過巖溶裂隙、管道從施工縫或薄弱帶涌出，且伴有泥砂，致使仰拱及填充體被整體抬高3～5 cm。

DK205+365—DK205+495段涌水主要在隧道兩側(cè)，基底基本無涌水。涌水主要來自該段隧道地表洼地雨季降雨的補給和遠(yuǎn)方少量水源的補給。由于連續(xù)降雨且雨量較大，沿地表洼地下巖溶裂隙、管道下滲補給地下水。地下水以巖溶裂隙水及管道水為主，大量雨水的集中下滲，疏通了巖溶裂隙、管道，改變了地下水徑流條件，地下巖溶裂隙、管道與隧道內(nèi)泄水孔連通，巖溶水沿泄水孔大量涌出。

綜合上述分析可知：該隧道涌水屬灰?guī)r地區(qū)的巖溶水，巖溶管道(含暗河)、巖溶裂隙、溶洞、溶蝕破碎帶、節(jié)理都是地下水運移的通道。隧址區(qū)地下水主要靠大氣降水補給，枯水期無水，豐水期水量大，并具突發(fā)性，說明隧道處于地下水季節(jié)循環(huán)帶內(nèi)。每次涌水都是出現(xiàn)在連續(xù)降雨之后，洞內(nèi)涌水量與外界降雨量成正比，且較大涌水集中在DK205+090—DK205+115 和DK205+365—DK205+495段，上述段落在開挖中也多次發(fā)現(xiàn)溶洞及夾層裂隙。DK205+090—DK205+115段的涌水主要是地表降雨的滲入和原儲存于腔體及周邊管道中的巖溶水，在集中降雨后地表水迅速下滲至拱頂排水管，加之遠(yuǎn)方山體靜儲的巖溶水補給，地下水水位抬高，水壓力增大，自泄水孔突然大量涌出，同時基底突發(fā)性大量涌水、涌泥砂。說明該段含水腔體和遠(yuǎn)方補給源的連通性較好，可直接接受地表降雨補給并迅速提高流動性。DK205+365—DK205+495段山頂為巖溶洼地，該段的涌水主要是地表水大量匯集并通過山體的巖溶管道滲入隧道內(nèi)所致。

4 治理措施

山乾隧道地下水主要問題為DK205+090—DK205+115段和DK205+365—DK205+495段雨季巖溶管道涌水量較大，導(dǎo)致全隧排水系統(tǒng)排水能力不足。在施工圖設(shè)計階段，考慮該隧道巖溶發(fā)育的原因，采用降雨入滲法，選取水文地質(zhì)經(jīng)驗數(shù)值進(jìn)行計算。預(yù)計該隧道平常涌水量為 11 860 m3/d，雨季最大涌水量為 25 000 m3/d。根據(jù)計算所得出的涌水量，設(shè)計隧道排水措施為：洞內(nèi)設(shè)置雙側(cè)水溝加中心水溝，坡度4.1‰的單面坡采用中心水溝排水，設(shè)計最大排水量為 32 400 m3/d。

根據(jù)2010年和2011年雨季該隧道涌水量的觀測資料，隧道涌水主要集中在DK205+090—DK205+115段和DK205+365—DK205+495段，涌水量分別為 16 000,38 311 m3/d，全隧實測最大涌水量為 61 111 m3/d。由于實測隧道最大涌水量尚不是該地區(qū)有記載以來的最大暴雨時的涌出量，且已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計排水措施的最大排水量，故有必要對隧道涌水量進(jìn)行重新計算，對排水措施進(jìn)行重新設(shè)計。

4.1 涌水量計算

考慮到DK205+090—DK205+115段涌水除了隧道地表降雨的補給，還有來自遠(yuǎn)方水源的補給，涌水系數(shù)取1.5，其余段涌水主要來自隧道地表降雨的補給，涌水系數(shù)取1.2。計算得出雨季集中降雨時該隧道涌水量，見表1。

表1 隧道涌水量計算結(jié)果

4.2 排水方案

根據(jù)該隧道巖溶水情況，對隧道排水系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行核查，隧道中心水溝僅具有 32 000 m3/d的最大排水量。在不影響仰拱結(jié)構(gòu)的前提下中心水溝可以加深20 cm，即過水?dāng)嗝嬗?.6 m×0.4 m改造為0.6 m×0.6 m，中心水溝最大排水量可達(dá) 53 000 m3/d，仍然難以達(dá)到 78 160 m3/d 的排水量。

為確保運營期間安全，結(jié)合本隧道地形、地質(zhì)條件，提出2個方案，如圖6所示。

圖6 泄水洞平面示意(單位：m)

方案1：設(shè)置短泄水洞+地表截排水方案

由于DK205+450—DK205+550段地表洼地范圍相對集中，隧道埋深25 m左右，且現(xiàn)場幾次涌水均和地表降雨有直接關(guān)聯(lián)，降雨為DK205+365—DK205+495段集中涌水的主要補給源，故對洼地進(jìn)行封閉回填并設(shè)置網(wǎng)狀排水溝引排，以減少地表水下滲，緩解洞內(nèi)涌水量。

DK205+090—DK205+115段集中涌水補給水源為DK204+850—DK205+140段隧道頂部兩山谷間洼地及遠(yuǎn)方補給，水源相對復(fù)雜，且洼地范圍較廣。于隧道左側(cè)設(shè)長970 m的泄水洞作為引排巖溶水的主要通道，并于DK205+104處設(shè)置下穿涵洞，以引排底部巖溶水。方案見圖6(a)。

方案2：設(shè)置長泄水洞+集水通道方案

該方案不考慮地表截排處理，在DK204+150—DK205+550段隧道左側(cè)15 m處設(shè)置長 1 405 m 泄水洞，并于DK205+104處設(shè)置下穿涵洞，DK205+375,DK205+481,DK205+492處設(shè)置集水橫通道截排地下水。方案見圖6(b)。

4.3 排水方案比選

4.3.1 投資

方案1增加投資785.56萬元，方案2增加投資848.77萬元。方案2比方案1投資大63.21萬元。

4.3.2 排水功能及效果

方案1主要是通過地表洼地截留地表水，一定程度上可緩解洞內(nèi)涌水量，但是巖溶水發(fā)育無規(guī)律性，尤其時暴雨季節(jié)具有突發(fā)性，中心水溝可能存在短時間排水能力不夠的問題(中心水溝最大排水量為 32 400 m3/d，而DK205+365—DK205+495段推測最大涌水量為 46 000 m3/d)，存在運營安全隱患。

方案2則是在隧道左側(cè)設(shè)置泄水洞并通過集水橫通道截排DK205+365—DK205+495段地下水，同時鐵路運營期間該段若有其他集中出水點，亦可通過橫通道將水引入泄水洞中。因此方案2在引排水方面比方案1具有較高的適應(yīng)性和可靠度。

綜上所述，以上方案各有優(yōu)劣，綜合投資、技術(shù)及運營安全，推薦采用方案2。

5 結(jié)論與建議

1)針對山乾隧道在施工開挖過程中遇到的涌水涌泥砂情況，在分析地下水補給、徑流、排泄特征的基礎(chǔ)上重新設(shè)計了2種排水方案，從投資、技術(shù)及運營安全方面綜合考慮，最終采用了方案2(長泄水洞+集水通道方案)。經(jīng)過后期施工及近幾年運營，該隧道沒有發(fā)生大規(guī)模涌水涌泥砂。實踐證明，該治理方案效果顯著。

2)對于巖溶隧道的設(shè)計和施工，存在諸多不確定的因素，由于地下巖溶管道的復(fù)雜性，很難在設(shè)計階段充分考慮，且?guī)r溶隧道涌水存在突發(fā)性，所以應(yīng)充分結(jié)合施工過程中鉆探、超前地質(zhì)預(yù)報、地質(zhì)雷達(dá)物探等手段。

3)結(jié)合施工過程中揭示的巖溶情況及涌水涌泥情況，選擇合理的排水措施。

4)在可溶巖地區(qū)隧道施工應(yīng)盡量順坡施工，有利于施工過程中涌水的排泄。在選線過程中也應(yīng)合理考慮，避免無輔助坑道的單坡長大巖溶隧道。

5)處于地下水季節(jié)循環(huán)帶的巖溶淺埋隧道，在設(shè)計階段合理估算其涌水量，避免考慮不足造成災(zāi)害或設(shè)計保守造成浪費。