楊林隧道巖溶涌水成因分析及處治設(shè)計方案研究

宋詩文

(中鐵建云南交通建設(shè)管理有限公司 云南昆明 650000）

1 引言

中國西南地區(qū)面積約有1.36×106km2，占國土總面積的14%，該地區(qū)巖溶發(fā)育最為集中[1-4]。云南作為國家“一帶一路”戰(zhàn)略的東南亞、南亞中心的定位，在公路、鐵路、水利等基礎(chǔ)建設(shè)投資得到不斷強(qiáng)化，在建設(shè)過程中長大隧道的施工也日益增多，面臨的地質(zhì)條件也復(fù)雜多樣，其中在巖溶發(fā)育地區(qū)隧道施工面臨的主要安全問題之一就是遭遇巖溶水，造成其原因有很多；本文依據(jù)楊林隧道對巖溶水成因分析并采取相應(yīng)應(yīng)對措施。

2 工程概況

楊林隧道地處昆明市嵩明、宜良境內(nèi)，全長9.6 km，是亞洲目前雙向6車道高速公路第一長隧；最大埋深約452 m，設(shè)計速度80 km/h，設(shè)計汽車荷載等級采用公路-Ⅰ級，隧道采用三心圓曲墻式斷面。

楊林隧道范圍內(nèi)地層出露較齊全，從遠(yuǎn)古界～新生界第四系均有出露；斷層、斷裂段嚴(yán)重，巖溶區(qū)發(fā)育。隧道所在區(qū)域地下水十分豐富，全隧道最大涌水量預(yù)測103 980 m3/d。隧道沿線地下水為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水三大類型；碳酸鹽巖巖溶水占隧道沿線長度的比例89%，巖溶水所占比例較大；隧道穿越巖溶段發(fā)育段5 200 m左右。

3 巖溶地段涌水

3.1 涌水情況

楊林隧道施工期間多次發(fā)生涌水事件，最大一起帶壓涌水事件發(fā)生在楊林隧道右幅K19+903部位。

2017年11月26日晚，當(dāng)出口右幅掌子面施工至K19+903時，在上臺階開挖(采用上下臺階法開挖）出渣完后，架立初支工字鋼架前，隧道上臺階右側(cè)(路線前進(jìn)方向）拱腳外側(cè)從21:25左右出現(xiàn)少量股狀出水，到22:30時左右轉(zhuǎn)變?yōu)榇笥克?，呈高壓狀射出，水流渾濁，水勢兇猛，涌水時間持續(xù)約10 min，涌水量約120 000 m3；11月27日水流量2 900 m3/h，之后水量逐漸減小，見圖1。

圖1 涌水后現(xiàn)場情況

從涌水口沖出的碎塊石包括大小卵石11個，其中直徑3～9 cm不等，巖質(zhì)大部分為灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，次為鈣質(zhì)泥巖、泥巖，形呈卵石狀，滾圓度為圓形、次圓形，系河流相產(chǎn)物，確定本次涌水為地下暗河涌水。

3.2 涌水成因分析

隧址區(qū)處于牛欄江流域與盤龍江流域分水嶺地帶，該所處地層可溶鹽巖與非可溶鹽地層均較多，加之?dāng)嗔选Ⅰ薨櫂?gòu)造行跡較為發(fā)育，隧道施工遭遇涌水的可能性較大，典型部位為隧道K19+903斷面處，見圖2。

圖2 隧道K19+903段工程地質(zhì)縱斷面圖

該處所處巖性主要為泥盆系中上統(tǒng)宰格組(D2-3）的白云巖和灰?guī)r。巖溶發(fā)育以垂直方向為主，地表存在落水洞以及一些地層接觸帶溶隙等，節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙發(fā)育；隧道穿越的地下水系統(tǒng)在南部和北部基巖裸露區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給后，向中部噴水洞以管道、暗河形式逕流、排泄，以噴水洞巖溶大泉為集中排泄。出水點距噴水洞落差達(dá)20 m，直線距離約4.5 km；隧道涌水后噴水洞水量明顯減少，基本判斷為同一徑流。

隧道穿越K19+903地段符合分水嶺巖溶地下水動力分帶模型中的季節(jié)交替帶，又稱過渡帶[5-7]；該帶位于包氣帶與飽水帶之間，統(tǒng)一地下水位升降波動會隨不同季節(jié)降雨量大小發(fā)生。旱季地下水位下降，構(gòu)成包氣帶的一部分；雨季地下水位升高，成為飽水帶的一部分；巖溶水同時存在于由大小懸殊的孔隙、裂隙、洞穴和通道組成的同一含水系統(tǒng)中，以層流為主。

季節(jié)交替帶主要特點枯水期涌水問題不突出，地下河在該地帶有一定靜儲量，一旦發(fā)生涌水，水量大且水勢急洶，但較短時間內(nèi)排完，容易在此期間造成安全事故；此后水量較小趨于平穩(wěn)，稱為動儲量；該處動儲量約1 500 m3/h，豐水期間涌水量逐漸增大，該處最大涌水量約7 000 m3/h，遠(yuǎn)超過隧道設(shè)計排水能力，見圖3。

圖3 K19+903處涌水動態(tài)監(jiān)測

3.3 涌水口開挖揭露情況

發(fā)生涌水后，對涌水點暫時不處理，觀察涌水點涌水量變化，涌水點周圍(K19+879～K19+921段）僅施作初期支護(hù)，繼續(xù)進(jìn)行隧道開挖施工，待標(biāo)段范圍內(nèi)隧道施工完成后再進(jìn)行涌水點處治。

首先采用超前地質(zhì)預(yù)報地質(zhì)雷達(dá)對涌水點進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，判斷測試面前方0～40區(qū)段圍巖以中～強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、白云巖為主。巖體較破碎，軟弱夾層發(fā)育，溶蝕裂隙發(fā)育；地下水較發(fā)育，多為淋雨狀～涌流狀出水。

源頭控制——減少產(chǎn)生；過程控制——減少排放；生產(chǎn)工藝與設(shè)計改進(jìn)（發(fā)酵床、糞坑局部通風(fēng)等）；飼養(yǎng)管理（清糞方式、環(huán)境管理等）；生物過濾（生物過濾、生物洗滌裝置等）；化學(xué)、生物制劑。

為進(jìn)一步了解涌水處地質(zhì)發(fā)育情況，做好下一步處治措施，決定對涌水點周圍(K19+879～K19+921段）施作二襯后，向涌水點施作導(dǎo)洞向里開挖約36 m，見圖4，揭露出6個溶腔，4個出水點；1號溶腔體積123 m3，2號溶腔體積9 055 m3，3號溶腔體積1 352 m3，4號溶腔和5號溶腔體積合計897 m3。各溶腔基本為空腔，其中，1號、2號、3號溶腔底存在松散堆積物，6號溶腔與開挖導(dǎo)洞交叉口處存在堆積物。根據(jù)揭露的溶腔均為封閉腔體，暫未發(fā)現(xiàn)與其他溶腔連通。現(xiàn)場還發(fā)現(xiàn)4處出水點(出水點1、2、3、4）；出水量最大的是出水點1，見圖 5，其次為出水點2，出水點3水量較少、為小股狀；出水點4剛揭露時大股狀出水，2個月后基本不出水?，F(xiàn)場采用3 m長鋼筋斜向插入出水點2內(nèi)部，未碰到周邊巖壁，推測出水點2圍巖內(nèi)存在溶腔，在開挖過程中，出水點1沿巖體裂隙流向出水點2方向。

圖4 開挖導(dǎo)洞

圖5 出水點1

采取超前地質(zhì)預(yù)報地質(zhì)雷達(dá)對導(dǎo)洞開挖面前方100 m，左右各25 m，上下各20 m進(jìn)行探測，探測范圍內(nèi)存在多處溶蝕發(fā)育帶，其中0～40段右側(cè)溶蝕最為發(fā)育，25～40段地下水豐富，多為股狀涌水；推測隧道前方為地下暗河主通道，地下水通過巖體裂隙滲流溶洞內(nèi)，隧道開挖造成原巖溶管壁過薄，管道內(nèi)的高壓管道水沖破管壁形成此次涌水；至此，隧道涌水成因及涌水點基本探明。

若導(dǎo)洞繼續(xù)開挖將極有可能打通地下暗河主要通道，造成更大的涌水風(fēng)險事件；決定停止導(dǎo)洞開挖，對涌水點現(xiàn)狀進(jìn)行處治。

4 處治設(shè)計

4.1 涌水處治方案確定

巖溶隧道施工不能僅局限如何順利貫通，更要考慮到在下一運(yùn)營階段巖溶水對隧道結(jié)構(gòu)的不良影響；由于地下水補(bǔ)給、地質(zhì)構(gòu)造、徑流路徑等多種因素共同影響隧道涌水，造成涌水規(guī)模、涌水壓力、涌水點等表現(xiàn)均不同，處治措施應(yīng)根據(jù)實際情況因地制宜[8-10]。

對于巖溶水的處理，一般采用堵水、排水、堵排結(jié)合等方式處理[11]。而對于K19+903巖溶水處理采取單一堵水措施主要分為兩種:一是地表堵水、二是洞內(nèi)注漿堵水。若采取地表堵水，巖溶洼地內(nèi)分布較多落水洞以及地層接觸帶溶隙等，節(jié)理及溶蝕裂隙相互連通，無法確切找到K19+903處溶洞的進(jìn)水補(bǔ)給口，且涌水點地表為一沖溝，無法對進(jìn)水補(bǔ)給口進(jìn)行封堵。若采取洞內(nèi)注漿堵水，主要有三點理由分析不可行:(1）由于隧址處于白云巖和灰?guī)r帶，根據(jù)涌水口揭露情況分析，該處巖溶發(fā)育，多處溶腔之間均有水力聯(lián)系，若注漿堵水必須對隧道周圍溶腔體封堵，工程量巨大；(2）注漿漿液可能隨地下暗河流失，達(dá)不到堵水效果；(3）破壞堵塞地下暗河原徑流通道，造成隧道周圍水位升高、水壓增大，可能造成新的涌水點，對隧道結(jié)構(gòu)形成新的破壞。2018年8月6日涌水點涌水量達(dá)到最大，造成涌水點至小里程方向部分二襯段落開裂、施工縫滲水、仰拱冒水。

若采取單一排水主要有兩種方式，一是泄水洞排水，二是洞內(nèi)排水。由于涌水點地表為荒山，且地下水來源主要為地表降雨，地表附近無村莊人畜用水，洞內(nèi)排水匯流至隧道下方河流中，對周邊環(huán)境影響不大；采取單一排水方式在技術(shù)環(huán)保方案上可行。采取泄水洞排水可以徹底解決排水問題，但面臨工期延長、造價費(fèi)用增加等問題。但是若采取單一洞內(nèi)排水方式，隧道進(jìn)口至出口單向縱坡設(shè)計且發(fā)生涌水時僅剩余557 m未開挖，洞內(nèi)排水系統(tǒng)改造空間不大，會造成汛期期間道路經(jīng)常中斷，同樣面臨水壓對隧道結(jié)構(gòu)破壞的問題。

綜合考慮涌水成因、施工現(xiàn)狀及以上分析，本著“恢復(fù)涌水位置原地下水系水流路徑、減小地下水對隧道結(jié)構(gòu)安全影響”的原則；確定K19+903巖溶處理方法采取靠近隧道溶洞全部封堵、阻塞涌水通道，經(jīng)設(shè)計計算封堵體長度須滿足隧道與未回填溶洞及主要出水點之間的安全距離；遠(yuǎn)離隧道的溶洞及主要出水點采取保留地下暗河徑流通道的指導(dǎo)思路。若地下河水量突增，隧道與地下暗河封堵距離可以緩沖稀釋水壓對隧道的能量；同時結(jié)合洞內(nèi)排水泄壓釋放水壓能量，極大降低汛期期間道路中斷、水壓對隧道結(jié)構(gòu)的破壞發(fā)生概率。

4.2 處治主要設(shè)計措施

對靠近隧道范圍內(nèi)1、2、3、4、5號溶腔泵送 C25砼回填，對6號溶腔不封堵；揭露地質(zhì)的開挖導(dǎo)洞采用C25砼封堵長度20 m，由于后期導(dǎo)洞封堵體承受較大水壓力，預(yù)留導(dǎo)洞洞口8 m長度范圍(靠近隧道側(cè)）不封堵，以緩沖滲水水壓能量。

封堵施工工序如下:首先對 1、2、3、4、5 號溶腔回填，導(dǎo)洞封堵體混凝土澆筑前設(shè)置塊石反濾并埋設(shè)水壓力監(jiān)測點，導(dǎo)洞內(nèi)設(shè)置排水管，澆筑導(dǎo)洞封堵體混凝土；安裝排水管控制閥門及監(jiān)測控制系統(tǒng)；排水管接至左右幅隧道電纜溝、水溝，見圖6。

圖6 K19+903處涌水封堵設(shè)計平面圖

導(dǎo)洞內(nèi)共埋設(shè)10根φ355×32.2 mm PE100級聚乙烯管作為引水管，壓力等級1.6 MPa；每根排水管的最大允許流量為1 500 m3/h(相應(yīng)管道內(nèi)流速6.29 m/s）。若1～8號引水管打開到最大允許量，排水量可達(dá)12 000 m3/h，大于2018年觀察的最大流量7 000 m3/h。其中1、2號引水管接入右幅右側(cè)電纜溝，3號引水管接入右幅右側(cè)水溝，5、6號引水管接入右幅左側(cè)電纜溝，7號引水管接入右幅左側(cè)水溝，8號引水管接入左幅右側(cè)水溝，4號引水管接入左幅左側(cè)水溝；剩余9、10號引水管作為應(yīng)急排水管道不接入左右幅隧道電纜溝或水溝。

每根引水管在導(dǎo)洞洞口位置均設(shè)置閥門，用于控制管內(nèi)水流量及外水壓力。管道閥門及儀表工作流程見圖7，圖中“編號”與每根鋼管編號一致，引水管閥門主要由壓力調(diào)節(jié)閥、除污器、閘閥及現(xiàn)場壓力表組成；壓力調(diào)節(jié)閥通過現(xiàn)場壓力表顯示的水壓，調(diào)節(jié)閥門的開啟或關(guān)閉以及開啟的程度，以控制管道內(nèi)的水流量；閘閥用于對調(diào)節(jié)閥門維修(更換）時暫時切斷管道內(nèi)水流，也是開啟與關(guān)閉的一種閥；除污器的作用是用來清除和過濾管道中的雜質(zhì)和污垢，保持管道系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)的潔凈，保護(hù)調(diào)節(jié)閥設(shè)備和防止管道堵塞。除污器內(nèi)儲存的雜質(zhì)和污垢定時進(jìn)行清理；閥門實現(xiàn)控制室遠(yuǎn)程手動和現(xiàn)場手動開啟、關(guān)閉。

圖7 管道閥門及儀表工作流程

對排水管閥門分兩種工況進(jìn)行控制，即雙重控制；一是根據(jù)在隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)的監(jiān)測傳感器(滲壓計、混凝土應(yīng)變計和混凝土表面應(yīng)變計）測得的襯砌外水壓力或二襯混凝土應(yīng)變達(dá)到隧道所能承受的極限水壓力或二襯混凝土極限強(qiáng)度的安全系數(shù)；二是根據(jù)封堵導(dǎo)洞外埋設(shè)的滲壓計和管道上閥門附近的取壓點(水壓力傳感器）測得的水壓力。按照設(shè)定的安全系數(shù)或水壓力，分級調(diào)控管道數(shù)量及閥門，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全，達(dá)到限量排放的目的，具體限量排放控制措施見表1。

表1 限量排放控制措施

5 結(jié)束語

隨著國家加大對西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)開發(fā)，基礎(chǔ)交通建設(shè)不斷完善[12]，長大深埋隧道穿越富含地下水的巖溶地帶所引起涌水問題逐漸增多，隧道巖溶水問題往往難以查明、目前探測手段仍有一定的局限，在施工過程中一堵了事，為后續(xù)道路運(yùn)營埋下安全隱患，造成隧道出現(xiàn)涌水封閉交通的事件。

楊林隧道K19+903處涌水處治施工完成，巖溶水問題得到基本解決；通過在巖溶地帶隧道建設(shè)總結(jié)得出:

(1）前期地質(zhì)勘察要盡可能調(diào)查清楚隧道所處地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)與地下水系統(tǒng)的關(guān)系以及補(bǔ)給來源。

(2）隧道施工發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害事故，特別在西南地區(qū)往往不是單一不良地質(zhì)造成，而是多種地質(zhì)共同造成的。

(3）隧道施工若巖溶發(fā)育復(fù)雜，涌水點無法探明；必要時可開挖進(jìn)行揭露。

(4）施工期間出現(xiàn)涌水情況，不宜一味直接進(jìn)行封堵，應(yīng)重點分析判斷地下水來源通道，判斷隧道與地下水的相對位置；因地制宜地采取相應(yīng)措施。

(5）根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況可先對涌水點緩置，盡可能先查明地下水漲落變化規(guī)律，正確統(tǒng)計出最大涌水量是選取處治措施關(guān)鍵。