某隧道涌水原因分析及綜合處治方案研究

賓勝林

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

近年來,我國公路、鐵路施工過程中都遭遇了各種巖溶問題,其中隧道的突泥、涌水問題尤為突出,這直接威脅到隧道的施工安全和進度[1]。造成以上問題的原因,除了巖溶工程地質條件本身比較復雜外,還有水文調查深度及方案選取合理性的問題。其中水文調查方面主要體現在隧道巖溶涌水的勘察、評價理論和方法存在問題,甚至相關的規范難以全面涵蓋實際情況,難以對巖溶區深大隧道的巖溶涌水、突泥問題進行科學地定性定量評價;研究處理方案方面,如何合理選取涌水量、充分發揮隧道排水能力、優化襯砌支護參數、防淤等都是減少施工及運營水害的重點問題。上述問題必然給工程增加了很多不確定性,很可能造成人力物力的浪費,甚至導致難以預估的災難性后果。因此針對特定隧道的專項水文調查及量身定做的處治方案[2-3]能夠提高設計工作的針對性,減小施工風險并保障隧道的后期運營安全。

1 工程背景

1.1 隧道概況

發生涌水隧道為分離式特長隧道,其中左幅長度3993m(ZK80+745～ZK84+738),右幅長度4007m(K80+737～K84+744)。隧道圍巖巖溶極發育,考慮到提高隧道排水能力,縱坡采用人字坡雙向排水,左右幅變坡點分別位于ZK83+150和K83+150處,左幅進口方向縱坡為1.45%、出口方向為0.994%,右幅進口方向縱坡為1.45%、出口方向為1.00%。

1.2 隧道排水系統設計

項目采用三溝排水設計,在隧道邊溝下部設置 40cm×60cm 和 45cm×65cm 側式排水暗溝,該側式暗溝與路面下部橫向排水盲管相連接,并每隔5m通過橫向導水管與100cm×65cm中心排水溝相連接,具體排水系統如圖1所示。

圖1 隧道三溝排水系統(單位:cm)

1.3 現場涌水情況

從2020年9月17日凌晨5點左右,隧道出口端開始涌水,涌水點為ZK83+250下導及ZK83+210下導處,初期涌水小,但隨時間推移涌水量逐漸增大;時至中午涌水量明顯變大,致使隧道中心排水溝及兩側排水暗溝的設計總體排泄水能力不能滿足排水流量要求。現場所見涌水點發生在ZK83+210處,并見右側邊墻處有水流從初支中噴冒而出,洞口出水處水流湍急,隧道內路面被淹沒,最深處水面高出路面約40cm,洞內涌水情況如圖2、圖3所示。

圖2 出水點情況

圖3 隧道內路面水漫流

2 專項水文調查

針對川巖壩隧道ZK83+145-ZK83+260涌水段落,在查明場區地質、水文地質條件基礎上,對該隧道進行專項水文地質調查,以查清本次隧道涌水原因,為隧道設計提供依據。

2.1 隧道涌水原因分析

(1)場區溝谷、巖溶洼地等地形地貌條件易于匯水、集水。

(2)根據鉆探資料、水文地質調繪、超前鉆探、雷達測線等資料證實隧洞涌水區間ZK83+145～ZK83+260為巖溶發育區且位于兩處巖溶強發育區(物探異常區)之間,該區間發育的溶隙、溶洞等為兩側巖溶強發育區提供地下水運移通道。

(3)隧道涌水前期降水量大,為地下水提供豐富補給。

(4)場區大氣降水通過節理裂隙、溶隙等各種形式滲入含水層進行地下水循環。隧道發生涌水前,該地區連續多日降水,降水量較大,導致水壓力較大,且位于涌水段兩側的物探異常區由于其巖溶發育強烈,儲備大量地下水,且地下水通過巖溶發育段ZK83+145～ZK83+260進行運移。隧道在施工過程中打通地下水運移通道導致富存于溶洞、溶隙及巖石裂隙中的地下水突然涌出或頂破隧道底板薄弱區涌出。即本次隧道涌水集合“有效的匯水地貌、大量的降水補給、豐富的地下水通道及存儲空間”等因素于一體,由于施工過程中打通地下水運移通道,導致富存積累的地下水“瞬時”涌出。

2.2 隧道涌水量預測

經對隧址區水文地質條件的調查、結合區域水文地質資料的綜合分析,大氣降水、地表水的直接入滲是地下水的主要補給來源。隧道穿越多個不同性質的含水巖組,地下水位不一,地下水滲透性亦存在一定差異。但場區內60%以上為碳酸鹽巖分布,結合本次隧址場區地形地貌、地層巖性、構造及水文地質條件等進行隧道涌水量預算時,考慮隧道安全施工,選取場區內日最大降水量(168.6mm)狀態下,按照場區水文地質及地層巖性對隧道兩洞“人字坡”至涌水端一側隧道洞口范圍進行預測,“人字坡”至涌水端一側的隧道大樁號端口范圍,對應里程為ZK83+150～ZK84+738、K83+150～K84+737,具體降水入滲法(按日最大降雨量計算)預測隧道的最大涌水量如式(1)所示:

Qs=2.74×α×w×A×365

(1)

式中:Qs為隧道通過含水體地段的涌水量,單位m3/d;2.74為換算系數;α為大氣降水入滲系數,根據《鐵路工程水文地質勘察規程》(TB 10049—2004)表8.5.2 確定,本項目按隧道圍巖巖溶發育情況取α=0.15～0.5;w為日最大降水量(mm),按地區資料確定;A為集水面積,單位km2,根據隧道區實際地形地貌計算;根據收集當地近10年的水文氣象資料,日最大降雨量取值為168.6mm,得到“人字坡”至隧道左洞大樁號端口范圍的最大涌水量計算值為92787.32 m3/d。

3 綜合處治方案

根據專項水文地質報告與涌水段落補充勘察資料分析,本次治理主要解決以下三方面問題:一是隧道底下5～15m范圍內巖溶發育,鉆探結論揭示有發育的溶蝕管道、溶蝕裂隙,但未揭示溶腔,因此要合理解決仰拱下的排水問題;二是最大涌水量為92787.32m3/d,涌水量較大,要充分發揮隧道既有的排水系統,保證排水順暢。因此采用綜合治理方案,多方案并舉,保證處治效果,具體方案如下。

3.1 加強涌水臨近段落支護參數

(1)增設仰拱,保證襯砌閉合成環,使襯砌結構受力合理。

(2)二襯調整為鋼筋混凝土,考慮到暴雨、急雨,隧道水壓力短期內增大,涌水段落二次襯砌均優化為鋼筋混凝土,能有效提高襯砌抵抗局部水壓能力及減小空洞對襯砌造成的負面影響。現場應嚴格控制二次襯砌施工質量,嚴禁發生鋼筋缺失、欠厚及混凝土強度不足情況發生。

3.2 涌水嚴重段落仰拱底打設鋼花管

根據施工單位整理資料,ZK83+210附近為涌水量較大位置,為防止仰拱底部出現憋水上拱情況,對該處臨近段落ZK83+240～ZK83+180仰拱下采用打設Φ150鋼花管措施,鋼花管布置在中心水溝及暗溝兩側,縱向間距3m,與豎直方向成45°斜向下打設,打設長度5m。鋼管直接接入中心水溝及暗溝,從而提供底部圍巖排水通道、減小仰拱水壓力作用影響,具體見圖4。

圖4 仰拱底打設鋼管樁方案

3.3 增設涌水影響段落沉沙井

如圖5所示,三處出水點(ZK83+147、ZK83+210、ZK83+240)增設中心及邊溝沉沙井(沉沙井兼做檢查井),增加受涌水影響較大段落ZK83+240～ZK83+180范圍沉沙井數量,由間距50m優化為間距20m,避免涌水導致的泥沙淤積,降低隧道排水能力。

圖5 增設沉沙井平面圖

3.4 集中出水點直接接入中心水溝

對已經發現的三處出水點(ZK83+147、ZK83+210、ZK83+240)根據出水量大小,分別埋設2至3根Φ150鋼管或混凝土暗溝,將集中出水直接引入中心水溝,保證排水通暢。

3.5 涌水臨近段落排水系統加密

(1)對于滲水嚴重部位,按照隧道防排水系統設計圖,在圍巖與初支之間每處增設1～3根Φ100排水半圓管,增加襯砌背后排水通道,保證排水效果。

(2)加密涌水段落Φ100半圓環向排水管及Φ100橫向導水管,環向排水管加密至1.5m一道,橫向導水管加密至3m一道,從而增加襯砌背后盲溝、兩側暗溝及中心水溝的聯通能力。

(3)縱、環向排水盲溝以及縱、橫向排水盲溝均采用三通連接,環、縱、橫向盲溝外均纏繞無紡土工布,以防止混凝土或泥土堵塞管道,確保排水暢通。

3.6 左右洞聯通引排

考慮到隧道左右洞排水量不均衡,右洞出口側水量較小,在ZK83+303.178處車行橫洞預留100cm×50cm排水溝,排水溝為順坡,考慮到坡度較小,在車洞中點設一處沉沙井,并在排水溝兩側設閥門,如發生左側水量急劇增大情況,開啟閥門采用泵送引排方案,保證隧道在極端天氣涌水量暴增的情況下,左右聯通排水,提高隧道的整體排水能力,如圖6所示。

圖6 左右洞聯通引排示意圖

4 結語

(1)針對西南地區巖溶發育、水害嚴重的特點,采用“三溝”(路面兩側增設排水暗溝)設計方案,能夠有效提高隧道排水能力且在后期運營階段中方便維修。

(2)洞內排水系統能夠基本滿足最大涌水量的情況下,采用多措并舉的綜合處治方案,能夠有效解決隧道排水、襯砌背后水壓力、沉沙淤堵等問題,保證隧道運營安全。