巖溶區(qū)隧道跨越地下暗河處理方案研究

周勇狄 劉東 周紹文

摘要：文章以崇左至靖西高速公路布亮隧道為工程背景，介紹了隧道穿越地下暗河出現(xiàn)路面涌水的情況，在水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)因素、施工處理不當(dāng)兩方面分析隧道路面涌水成因，提出了疏通地下河通道、疏通地下河暗流河段、橋梁跨越、增設(shè)泄水洞的處治方案，以期為今后類似工程的處治提供借鑒。

關(guān)鍵詞：巖溶隧道;暗河;路面涌水;橋梁跨越;泄水洞

中圖分類號(hào)：U451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.035

文章編號(hào)：1673-4874（2019）07-0112-05

0引言

隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)不斷向西部崇山峻嶺延伸，越來(lái)越多的隧道需要穿越巖溶地區(qū)。在西南地區(qū)和中南地區(qū)巖溶的分布較為普遍，尤其在廣西、貴州、云南、四川東部、湖北西部、廣東北部等地區(qū)連成一片。在巖溶發(fā)育的區(qū)域，地下大部分有暗河存在，成為地下巖溶水匯集、排泄的主要通道。

崇靖高速公路布亮隧道左洞施工時(shí)，在ZK89+145～ZK89+166處揭露出巖溶地下河主管道，施工時(shí)進(jìn)行了回填，但強(qiáng)降雨后巖溶地下水位升高，巖溶地下水涌出，淹沒(méi)隧道路面以上達(dá)0.3m。本文結(jié)合布亮隧道巖溶地下水涌入路面情況，根據(jù)專項(xiàng)水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果分析隧道路面水害成因，提出了疏通地下河通道、疏通地下河暗流河段、橋梁跨越、增設(shè)泄水洞的處治方案，以期為今后類似工程的處治提供借鑒。

1工程概況

布亮隧道位于廣西天等縣福新鄉(xiāng)布亮屯南西側(cè)約500 m，是崇左至靖西高速公路一座分離式長(zhǎng)隧道，隧道走向290°～320°，隧道右線長(zhǎng)1064m，左線長(zhǎng)1091m。隧道穿越灰?guī)r山體，左右線均為雙單坡，左、右線縱坡均為1.9%。

隧址區(qū)屬巖溶峰叢洼地地貌，地質(zhì)構(gòu)造形跡特征明顯，以褶皺和斷層為主，裸露巖溶發(fā)育，地表水系相對(duì)較小，沖溝、河谷深切，多呈“V”型峽谷。福新鄉(xiāng)年平均降雨量為1627mm，地表水系發(fā)育較差，大部分地表水經(jīng)巖溶通道（如消水洞、天窗）潛入地下;但地下水埋藏淺，地表地下的轉(zhuǎn)換（潛流與明流的交替）十分頻繁而普遍。巖溶地下河水系發(fā)育，多呈管道狀發(fā)育，在洼地、谷地中呈明流，穿越山體段呈伏流，明流與伏流相互交替狀態(tài)，成為當(dāng)?shù)厮导信判沟姆绞健?/p>

2隧道路面涌水

巖溶地下河位于隧道內(nèi)，里程樁號(hào)ZK89+145～ZK89+166段，2013-11-14凌晨3點(diǎn)左右開(kāi)挖揭露，至12時(shí)完全揭露出來(lái)，如圖1所示。

巖溶地下河位于地殼上升新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)育并對(duì)巖溶發(fā)育影響很大的天等、大新、靖西等地區(qū)。其走向與隧道走向呈40～斜交，水面寬13～15m，長(zhǎng)10～16m，水位埋深約0.8m，水深約24m，水清、無(wú)色無(wú)味。溶洞壁常年有滴水，下雨時(shí)有水流涌出，溶洞巖層較穩(wěn)定。

施工過(guò)程中，首先對(duì)巖溶地下河進(jìn)行回填處理，但其后出現(xiàn)了下沉，最大沉降量約50 cm，經(jīng)過(guò)回填碾壓、再沉降、再回填碾壓的多次反復(fù)過(guò)程。強(qiáng)降雨過(guò)后，尚有水流上涌的現(xiàn)象，涌水超過(guò)路面最大約30 cm，洞內(nèi)積水向布亮隧道進(jìn)口外流。2014年10月，將暗河中的部分洞渣挖出后，當(dāng)時(shí)水位埋深約4m，在下雨時(shí)，會(huì)出現(xiàn)上漲情況，上漲最大高度約0.5m。2015年8月3～5日，水位已漲至路面上，水深3～5cm，沿路面向布亮方向排泄，實(shí)測(cè)水位標(biāo)高409.310 m。

3水文地質(zhì)調(diào)查及路面涌水成因

為了詳細(xì)查明布亮隧道巖溶地下河及周邊水文地質(zhì)單元的水文地質(zhì)條件，評(píng)價(jià)巖溶地下河對(duì)高速公路的水害影響的可能性，提供巖溶地下河在布亮隧道處最高洪水位標(biāo)高和瞬時(shí)最大流量（進(jìn)入路面標(biāo)高以上）等特征，從而為處理方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，崇靖高速公路工程建設(shè)指揮部委托水文地質(zhì)調(diào)查單位對(duì)布亮隧道開(kāi)展專項(xiàng)水文地質(zhì)調(diào)查工作。

3.1區(qū)域水文地質(zhì)條件

3.1.1地下水補(bǔ)給

區(qū)域內(nèi)地下水類型為基巖裂隙水和裸露型碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，其最主要的補(bǔ)給源自降水，其次為地表的河溝、溪流和水塘等的下滲，不同程度地補(bǔ)給巖溶水。

3.1.2地下水徑流排泄特征

調(diào)查區(qū)北側(cè)為碎屑巖中低山地貌，地下水主要以地表溪溝的形式，由北向南排泄。其他區(qū)域?qū)俜鍏餐莸亍⒐鹊氐孛玻础⑻齑啊⒚髁鳌⒎鳌⑺莸劝l(fā)育。谷地主要以明流的形式排泄，經(jīng)過(guò)山體時(shí)則轉(zhuǎn)為伏流，明流與伏流交替轉(zhuǎn)換。本區(qū)大量的地下水以明流的形式至竹東洼地進(jìn)入地下，轉(zhuǎn)為伏流，至布亮洼地集中流出。

3.1.3巖溶地下水動(dòng)態(tài)特征

由于受到降雨的影響，區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)多為劇變型，呈現(xiàn)出了水位年變幅大、時(shí)空分布不均等特點(diǎn)。在降雨量較大時(shí)，尤其是持續(xù)的大雨、暴雨，雨水匯入低洼處，地下水位快速上升，流量迅速增大;強(qiáng)降雨過(guò)后，地下水位逐漸降低，水量消退，流量迅速減少。

3.2巖溶地下河特征

布亮隧道巖溶地下河屬于典型的巖溶山區(qū)隱蔽于山體地下的地下河流，距離隧道內(nèi)地下河揭露處南北西側(cè)300 m、600 m的兩處洼地為地下河水流的主要補(bǔ)給源。降雨通過(guò)消水洞、地下河天窗進(jìn)入地下，直接補(bǔ)給地下河。經(jīng)計(jì)算，兩處洼地年降雨補(bǔ)給資源量達(dá)206.22萬(wàn)m/年，水資源較為豐富，故隧道地下河水水位、水量可在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生急劇變化。

經(jīng)綜合分析計(jì)算可知，布亮隧道地下河在天然條件下，最高洪水位標(biāo)高為409.76m，涌入隧道底面（標(biāo)高409.60 m）地下水涌水量<200 L/s;在現(xiàn)狀下（即渣石壩未挖出回填洞渣）其最高洪水位為412.98m（相當(dāng)于20年一遇最大降水時(shí)），涌入隧道路面標(biāo)高409.80 m以上最大瞬時(shí)涌水量為2040 L/s。

3.3巖溶發(fā)育工程物探

為詳細(xì)查明布亮隧道及隧道進(jìn)出口洼地巖溶發(fā)育特征和分布規(guī)律，采用地質(zhì)雷達(dá)法、天然電場(chǎng)法進(jìn)行工程物探。根據(jù)場(chǎng)地的條件特點(diǎn)，左、右兩隧道內(nèi)采用地質(zhì)雷達(dá)法;隧道進(jìn)出口兩端洼地采用天然電場(chǎng)法進(jìn)行工程物探工作。其中，地質(zhì)雷達(dá)法共布置三條剖面（沿隧道左洞、右洞布置。左洞因受地下河水上升及其淹沒(méi)部分洞內(nèi)路面的影響，因此左洞內(nèi)斷開(kāi)分兩條剖面進(jìn)行布置），剖面長(zhǎng)度累計(jì)2150 m;天然電場(chǎng)法在隧道進(jìn)、出口山腳處共布置5條剖面，剖面長(zhǎng)度累計(jì)1160 m。物探平面布置如下頁(yè)圖2所示。

結(jié)果表明，隧道內(nèi)地下河及其附近巖溶強(qiáng)發(fā)育，少部分地段巖溶較發(fā)育，巖石破碎，其他部位巖石較完整。隧道外淺層巖溶普遍發(fā)育，局部地段巖溶強(qiáng)發(fā)育。

3.4隧道路面涌水成因

結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，隧道路面涌水可歸為地質(zhì)因素、施工處理不當(dāng)兩個(gè)方面。

（1）地質(zhì)因素

布亮隧道處于巖溶峰叢洼地、谷地地貌區(qū)，裸露巖溶發(fā)育，洼地常發(fā)育有塌陷、落水洞或天窗等巖溶個(gè)體形態(tài)。在距暗河揭露處南北西側(cè)300 m、600 m的兩處洼地是地下河水流的主要補(bǔ)給源，降雨通過(guò)消水洞、地下河天窗進(jìn)入地下，直接補(bǔ)給地下河。經(jīng)計(jì)算，兩處洼地年降雨補(bǔ)給資源量達(dá)206.22萬(wàn)m/年，水資源較為豐富，強(qiáng)降雨后隧道地下河水水位、水量可在短時(shí)間內(nèi)快速上漲。

（2）施工處理不當(dāng)

隧道穿越暗河時(shí)，應(yīng)遵循“宜疏不宜堵”的原則，即使采用回填方法處理，也不得阻斷過(guò)水通道。隧道開(kāi)挖揭露地下河后，并沒(méi)有開(kāi)展詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查以查明地下水量大小、水流方向，而是草率地利用洞渣回填地下河巖溶空腔，洞渣經(jīng)反復(fù)碾壓后在暗河中形成一道攔水壩，阻隔地下河水通道。在強(qiáng)降雨后溶洞地下水位升高，巖溶地下水涌出，因攔水壩的作用導(dǎo)致隧道內(nèi)地下河上游水位上漲，壩前雍水，進(jìn)而造成巖溶地下水涌入隧道路面。

4處治方案

由前文分析可知，洞渣回填并經(jīng)反復(fù)碾壓，形成攔水壩，阻隔地下河水通道，造成壩前雍水，進(jìn)而使地下水涌入隧道路面。巖溶地下河走向與隧道走向呈40°斜交，水面寬13～15m，長(zhǎng)10～16m，路面以上洞體較高，溶洞底至隧道路面高差約25m。經(jīng)綜合分析，決定采取疏通暗河通道、疏通地下河暗流河段、橋梁跨越、增設(shè)泄水洞的處理方案。

4.1疏通暗河通道

2014年10月，在挖出部分回填洞渣后，地下河徑流、排泄途徑得到一定改善。因此，盡可能最大程度地清理出回填地下河的洞渣，是解決地下河水涌進(jìn)隧道路面的有效措施之一。這不僅有助于地下河天然狀態(tài)水動(dòng)力流場(chǎng)的恢復(fù)，使地下水暢流至下游，還能降低隧道內(nèi)地下河最大洪水水位標(biāo)高。具體步驟如下：

（1）適當(dāng)降低地下河道兩側(cè)路面（或巖面），約3～4m，利于挖機(jī)向深處掏挖填塞的渣石。

（2）采用挖機(jī)結(jié)合抓斗等綜合措施，掏挖被回填的洞渣，掏空深度約10～12m。

（3）在掏挖巖溶地下河回填洞渣后，先用高壓水流于水下向地下河上、下游沖刷回填的洞渣;再利用空氣壓縮機(jī)高壓風(fēng)管吹開(kāi)深處未挖出的回填的洞渣，并反復(fù)吹，將細(xì)一些的顆粒吹起，順?biāo)抛撸瑫r(shí)洗通巖溶管道。

4.2疏通地下河暗流河段

主要疏通從竹東洼地的伏流入口至布亮洼地的地下河出口區(qū)段的巖洞和巖溶裂隙，形成水流順暢通道。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，伏流的入口、出口均屬巖溶溶洞，開(kāi)口較大，并向內(nèi)延伸、發(fā)育。因此，通過(guò)拓寬狹窄裂隙，疏通巖溶通道，加大過(guò)水面積，加快排水，可實(shí)現(xiàn)竹東洼地的地表水和地下水迅速排至隧道下游;通過(guò)降低隧址區(qū)域的地下河水頭，可最大程度地減少地下水涌入隧道洞內(nèi)路面。

4.3橋梁跨越

巖溶地下河走向與隧道走向呈40°斜交，溶洞底至隧道路面高差約25m，巖溶地下河水深約24m，溶洞壁常年有滴水，下雨時(shí)有水流涌出。綜合考慮決定采用橋梁跨越隧道內(nèi)巖溶地下暗河的方案，橋梁立面圖、平面圖、剖面圖分別如圖3～5所示。

4.4增設(shè)泄水洞

為保證隧道結(jié)構(gòu)和后期運(yùn)營(yíng)安全，在平行于主線隧道左洞左側(cè)20 m附近增設(shè)泄水洞，以疏導(dǎo)隧道內(nèi)地下暗河水流。布亮隧道巖溶地下暗河泄水洞方案如圖6所示。泄水洞全長(zhǎng)609 m，與左洞凈距為20 m，坡度為1.00%，凈空斷面為5.0 m×4.5m。

泄水洞采用復(fù)合式襯砌，Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段的初期支護(hù)由系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)組成，二襯采用模筑混凝土;Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)段的初期支護(hù)則采用局部系統(tǒng)錨桿和鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土，二襯采用模筑混凝土。襯砌設(shè)計(jì)如圖7、圖8所示。

5結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)巖溶地下水涌入隧道路面情況以及專項(xiàng)水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，分析了隧道路面涌水原因，并采用疏通地下河通道、疏通地下河暗流河段、橋梁跨越、增設(shè)泄水洞的處治方案，以保證隧道穿越地下暗河及后期運(yùn)營(yíng)安全，其處治思路可為類似隧道地質(zhì)災(zāi)害提供有益參考。