公路富水巖溶長大隧道排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

陳建光 高向東

摘要：文章結(jié)合貴州六威高速公路雞冠山隧道涌水治理工程實(shí)例，分析了隧道涌水過程及原因，優(yōu)化設(shè)計(jì)了巖溶富水隧道排水系統(tǒng)，并提出了相應(yīng)的涌水治理措施。

關(guān)鍵詞：巖溶;涌水;反坡;注漿堵水;泄水洞;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：U452.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.023

文章編號：1673-4874（2019）10-0077-03

0引言

長大隧道往往面臨反坡施工，涌水、突水是公路富水巖溶隧道施工過程中最常見和突出的地質(zhì)災(zāi)害之一，不僅威脅工人生命安全，而且嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度和運(yùn)營安全質(zhì)量。常見的富水巖溶隧道排水系統(tǒng)優(yōu)化方案有洞內(nèi)排水、注漿堵水、泄水洞截排等方式，傳統(tǒng)反坡排水方案為“長距離管道配合小集水泵收集+接力大泵”排水方式。本文結(jié)合貴州六威高速公路雞冠山隧道涌水治理的工程實(shí)例，對巖溶富水隧道排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，闡述巖溶富水隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要性。

1概述

雞冠山隧道位于貴州省六盤水市威寧縣爐山鎮(zhèn)樂溪村境內(nèi)，穿越樂溪與箐溝之間中低山分水嶺地帶。雞冠山隧道為分離式特長隧道，左線隧道長3772m，右線隧道長3800m。隧道分進(jìn)出口兩端掘進(jìn)，進(jìn)口段為順坡施工，出口段為反坡施工。

隧道穿越段水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水發(fā)育，隧道洞身處巖溶水季節(jié)變動(dòng)帶范圍內(nèi)，掘進(jìn)開挖滲水現(xiàn)象較為突出，遇巖溶管道或與上部洼地溝通的管道時(shí)，突水（突泥）的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)高。原設(shè)計(jì)按最大日降水量估算預(yù)測隧道涌水量為24988m/d，后經(jīng)水文地質(zhì)調(diào)查，雨洪期考慮按3倍安全系數(shù)計(jì)算為74964m/d。

2 隧道涌水過程及原因分析

2.1 2017年隧道涌水情況

（1）2017年6月14日19：00至15日02：00，出現(xiàn)持續(xù)5h的大面積強(qiáng)降雨，此次降雨導(dǎo)致雞冠山隧道出口左洞積水274m約5358m，出口端右洞積水250m約4594m，造成掌子面停工4d。平均涌水量約995.2m/h，積水前5h內(nèi)出口段合計(jì)涌水量達(dá)1995.8m/h，排水方式為隧道落水洞及中心排水溝，本次降雨總計(jì)排水量為104900m。

（2）2017-06-24，威寧地區(qū)又普降大雨，持續(xù)大面積強(qiáng)降雨導(dǎo)致雞冠山隧道出口左洞積水134m約1380m，出口端右洞積水110m約930m，造成掌子面停工2d。主要為溶洞和裂隙水出水，左右洞涌水速率分別455.7m/h、388.8m/h，合計(jì)844.5m/h。排水方式為隧道內(nèi)落水洞排水，本次降雨總計(jì)排水量為55000m。

（3）2017年7月6日23：00左右，持續(xù)大面積降雨導(dǎo)致項(xiàng)目雞冠山隧道出口左洞積水291m約6012m，雞冠山隧道出口右洞積水236m約4304m，左、右洞隧道涌水量分別為675m/h、483m/h。本次降雨總計(jì)排水量為86600m。

2.2 2018年隧道涌水情況

（1）2018-06-03，受暴雨影響掌子面發(fā)生積水，啟動(dòng)反坡排水方案后，6月5日早上8：00，洞內(nèi)積水量約為3575m，本次共涌水14011m。<16659m/d（按最大日降水量估算最大涌水量），>10089m/d（按年均日降水量估算最大涌水量）。

（2）2018年6月20日0：00突降暴雨，雞冠山隧道出口左右洞出現(xiàn)大面積淹水，左洞淹水長度為320m，洞內(nèi)積水14325m，右洞淹水長度為143m，洞內(nèi)積水7659m。

（3）2018年7月5日23：10開始，暴雨持續(xù)6h，雞冠山隧道出口左右洞再度出現(xiàn)大面積淹水，截止到次日7：50，左洞淹水長度510m，洞內(nèi)積水20000m，涌水速率達(dá)3077m/h。右洞內(nèi)積水8033m，涌水速率為1236m/h。

（4）因隧道二襯內(nèi)原設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)排泄能力不足，出現(xiàn)多處貫通橫向裂縫，局部二襯拱腳在水壓力作用下出現(xiàn)涌水、射水，仰拱補(bǔ)勘鉆孔后出現(xiàn)涌水。

3 隧道涌水、積水、滲水原因及風(fēng)險(xiǎn)分析

（1）雞冠山隧道地處垂直循環(huán)帶和水平循環(huán)帶交叉范圍，隧道巖溶極為發(fā)育，地表天坑匯水面積大，地下水較豐富，天坑通過巖溶管道下滲至隧道，造成隧道內(nèi)涌水。

（2）隧道反坡排水方案排水量設(shè)計(jì)參數(shù)來源于“年均日降水量估算最大涌水量”，水文地質(zhì)資料不準(zhǔn)確導(dǎo)致反坡排水方案排水能力從設(shè)計(jì)上就不能滿足隧道實(shí)際要求。

（3）每逢雨季隧道場區(qū)雨勢大、持續(xù)時(shí)間長，洞內(nèi)涌水速率高。隧道采用反坡施工，而傳統(tǒng)反坡排水方案未應(yīng)用智能化、自動(dòng)化排水系統(tǒng)，未嚴(yán)格進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，積水瞬間倒灌掌子面，掌子面附近排水設(shè)施瞬間被淹來不及啟動(dòng)，造成洞內(nèi)積水。

（4）二襯排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷。利用彈簧半圓排水管引排初期支護(hù)滲水至縱向排水管，半圓管強(qiáng)度低易受混凝土擠壓而變形，半打孔縱向排水管孔眼較小，需受到一定壓力才能進(jìn)水且難以滿管排水，排泄能力有限，對二襯拱腳及接縫密閉性承壓能力有一定要求。

（5）富水段排水系統(tǒng)未進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。富水段排水系統(tǒng)參照常規(guī)隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，未充分考慮隧道涌水量，原設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)排泄能力不足，造成二次襯砌背后承受水壓超限，導(dǎo)致二次襯砌局部破壞，并從薄弱帶泄水降壓。

（6）施工風(fēng)險(xiǎn)。隧道本身排水不暢，施工中的人身安全和設(shè)備安全無保障，隧道襯砌受多次涌水壓力反復(fù)作用（內(nèi)、外水共同壓力），結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，存在被壓垮的風(fēng)險(xiǎn)，從而形成“關(guān)門”。

（7）運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。隧道存在再次涌水和漏水的風(fēng)險(xiǎn)，會造成行車?yán)щy，隧道襯砌受壓掉塊易造成行車安全事故，引發(fā)不良社會影響。

4 常見的涌水處治方法

4.1洞內(nèi)排水方案（方案一）

通過隧道洞內(nèi)的排水系統(tǒng)排出巖溶裂隙滲水，采用加大排水措施和引排措施的手段實(shí)現(xiàn)迅速消散襯砌背后水壓、排出滲水的目的。洞內(nèi)排水方案可以采取的措施有以下幾種：

（1）左右洞中心水溝協(xié)同調(diào)配排水

通過人行橫洞或車行橫洞兩端的高差控制，實(shí)現(xiàn)左右洞中心水溝的排水協(xié)同作用，并在橫洞內(nèi)設(shè)置排水控制閥、溢流墻對水溝內(nèi)水的流向進(jìn)行控制。利用隧道原有落水溶洞引流，加大隧道中心排水溝排水尺寸。

（2）隧道內(nèi)路面兩側(cè)增設(shè)排水暗溝

在隧道兩側(cè)增加排水暗溝，輔助隧道中心排水溝排水。

（3）保留隧道原落水洞泄水消壓分流

在原隧道落水溶洞位置對隧道主洞襯砌進(jìn)行局部擴(kuò)大，并設(shè)置消能池兼作沉砂池。溶腔出水首先排入消能池內(nèi)，然后流入路面兩側(cè)排水暗溝或中心水溝。

（4）富水段二次襯砌腳部增設(shè)橫向?qū)?/p>

富水段二次襯砌區(qū)域內(nèi)，在路面兩側(cè)排水暗溝側(cè)壁打設(shè)橫向?qū)埽脵M向?qū)苁占瘒鷰r中的巖溶裂隙水，以達(dá)到降低襯砌背后水壓力的目的。

洞內(nèi)排水方案不同措施的組合：

以上分析中給出了洞內(nèi)排水方案的幾種處置措施，其中措施（3）和措施（4）屬于周邊巖溶裂隙水的泄壓措施，屬于洞內(nèi)排水方案必須實(shí)施的措施，措施（1）和措施（2）作為洞內(nèi)排水方案均可以單獨(dú)考慮。

組合A：措施（2）+措施（3）+措施（4），該組合方案以增加路邊側(cè)溝來達(dá)到增大洞內(nèi)排水能力的目的。

組合B：措施（1）+措施（3）+措施（4），該組合方案以協(xié)同左右洞共同排水的方式達(dá)到增大洞內(nèi)排水能力的目的。

4.2 注漿堵水方案（方案二）

采用限排的方式，對富水段周邊圍巖進(jìn)行注漿封閉止水，以減少隧道內(nèi)巖溶裂隙水的入滲量。雞冠山隧道圍巖加固圈厚度≥3.5m，打孔深度自襯砌表面按照4.5m設(shè)置，鉆孔間距為1.5m× 1.5m梅花形布置。

4.3 泄水洞截排水方案（方案三）

增加泄水導(dǎo)洞引排施工過程發(fā)現(xiàn)巖溶管道及二襯滲漏水段出水，根據(jù)實(shí)際需求，雞冠山隧道泄水洞總長度約為1390.17m，泄水洞通過支洞形式與巖溶管道聯(lián)通，引水段襯砌打設(shè)φ200mm引水孔引排巖溶裂隙水。泄水洞斷面尺寸擬定內(nèi)凈空采用3m× 2.8m的斷面。

5 方案比選

綜合以上分析，方案一排水能力有一定的保證，但是隧道內(nèi)巖溶涌水量在隧道貫通后仍存在變化的可能，有一定的風(fēng)險(xiǎn);方案二注漿堵水封堵段落有限，洞內(nèi)既有的排水系統(tǒng)能力偏弱，結(jié)構(gòu)安全性不確定性大;方案三泄水洞方案工期無法滿足要求，工程造價(jià)相對較高。推薦雞冠山隧道巖溶涌水處置采用方案一洞內(nèi)排水組合B方案并結(jié)合方案三泄水洞方案。見表1。

6 富水巖溶隧道涌水治理措施

6.1前期準(zhǔn)備

項(xiàng)目進(jìn)場后，應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)文件做詳細(xì)的地質(zhì)水文調(diào)查，查清附近天坑、落水洞、地下暗河水流走向，理清隧道與附近河流、湖泊、水庫水位之間的關(guān)系。

6.2 反坡排水方案專項(xiàng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目前期策劃階段，根據(jù)設(shè)計(jì)涌水量制定專項(xiàng)反坡排水方案。排水系統(tǒng)應(yīng)采用智能化、信息化、自動(dòng)化抽水系統(tǒng)（如圖1-4所示），排水設(shè)施應(yīng)進(jìn)行精確計(jì)算，資源配置考慮1.5-2倍富余，雨洪期應(yīng)考慮按3倍安全系數(shù)計(jì)算。

6.3 富水段排水系統(tǒng)專項(xiàng)設(shè)計(jì)

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查及地勘資料對隧道富水量明顯偏高段內(nèi)部排水系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，隧道襯砌內(nèi)部及洞內(nèi)排水系統(tǒng)排水能力必須滿足雨洪期2-3倍安全系數(shù)，確保隧道后期運(yùn)營安全。

7 結(jié)語

通過對雞冠山隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程優(yōu)化并進(jìn)行反坡排水方案專項(xiàng)設(shè)計(jì)，保證了隧道施工過程安全，如期完成了業(yè)主工期目標(biāo)，也為隧道后期運(yùn)營的安全和質(zhì)量提供了保障。雞冠山隧道已于2017年10月全幅貫通，為實(shí)現(xiàn)全線年底通車目標(biāo)獻(xiàn)上了一份堅(jiān)實(shí)的厚禮。

長大富水巖溶隧道富水段排水系統(tǒng)及反坡排水方案應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，公司應(yīng)在前期介入進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低隧道施工、運(yùn)營安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。隨著地質(zhì)勘探、物探技術(shù)快速發(fā)展，隧道巖性預(yù)測準(zhǔn)確性將進(jìn)一步提高，如何優(yōu)化隧道排水系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)反坡排水系統(tǒng)智能化、信息化，充分保障隧道施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度、效益及運(yùn)營安全是下階段重點(diǎn)研究內(nèi)容。