燕子洞隧道特大涌水災害處治措施的探討

(成都華川公路建設集團有限公司, 四川 成都 610091)

0 前言

燕子洞隧道為雙洞單向交通隧道，全長4.944 km，屬特長隧道，最大埋深470.5 m，本項目2009年11月完成設計，2013年12月完成通車。圍巖主要為弱-微風化薄-中厚狀白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖夾薄層紫色，受地質(zhì)構(gòu)造影響，溶蝕嚴重，溶洞、巖溶漏斗發(fā)育。隧道施工階段，曾多處遭遇溶洞、突水等不良地質(zhì)現(xiàn)象。隧道區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育Ⅰ號巖溶通道(見圖1)，Ⅰ號巖溶通道總體走向北西，全長約3 200 m，在YK129+422左右斜穿隧道左、右洞(標高207 m左右)，Ⅰ號巖溶通道在右洞底板以下5～15 m發(fā)育。

圖1 Ⅰ號巖溶通道

2011年8月，隧道施工過程中右洞YK129+422左右位置發(fā)育大型溶洞，溶洞形狀類似U型，見圖2。該段隧道采用抗水壓襯砌(見圖3)并保持原有水路排水通暢，使得巖溶水流從其自有通道流出?？顾畨阂r砌拱腳以上為3層襯砌，仰拱底部為雙層襯砌。

1 主洞YK129+443位置涌水概況

2017年5月23日6點20分左右，燕子洞隧道YK129+443左右的位置發(fā)生大量涌水(見圖4)，大量的巖溶地下水將隧道底板連同路面和混凝土基層頂托破壞，水流奔涌而出，并攜帶泥沙及卵石，道路面如匯集洪流的河道。由于隧道涌水水壓很大，導致隧道底部出現(xiàn)大幅隆起，隆起最大高度約0.70 m，起訖樁號為YK129+415～YK129+465，長約50 m。針對該險情，隧道右線被迫封閉，停止運營。

圖2 YK129+422位置溶洞發(fā)育

圖3 YK129+422位置抗水壓襯砌

涌水原因分析：I號巖溶通道源頭為震旦系板巖分布區(qū)，隧道結(jié)構(gòu)抗水壓襯砌防水能力較強，使得巖溶水流從其自有通道流出，對隧道影響較小。不過，隨著連續(xù)幾年暴雨沖刷，以及水流通道從上游帶來的大量的泥沙及卵石，將通道右側(cè)自有排水通道堵塞，致使隧道附近水位急劇上升,見圖5。YK129+410～YK129+443抗水壓襯砌仰拱厚度為1 m左右，水流無法擊穿隧道，致其水流從仰拱底下漫流，至YK129+443處無仰拱的薄弱襯砌結(jié)構(gòu)處涌出，導致路面隆起形成了新的排水通道。

圖4 右洞YK129+443位置涌水

圖5 涌水分析

2 巖溶涌水處治措施

根據(jù)《溆懷高速公路燕子洞隧道YK129+443巖溶水害處治綜合探測報告》流量檢測表，2017年6月24日經(jīng)測量隧道內(nèi)短時間最大流量達到45萬m3/d。由于原有隧道附近排水通道已經(jīng)堵塞，采用原有抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)以堵為主保持原有排水通道的方案已不太適應目前巖溶災變后的地質(zhì)情況。經(jīng)過多次會議的商討以及綜合專家與各方的意見后，提出了“以排為主”的處治原則，決定在主線隧道左、右線之間設置引水隧道，排放Ⅰ號巖溶區(qū)域的水，從而減輕巖溶水對主線隧道的侵害，并在隧道右洞YK129+443位置設置集水井，避免下次連續(xù)暴雨再次引發(fā)涌水災害。

2.1 引水隧道設計

1) 引水隧道平縱設計。

該隧道全長700 m，隧道區(qū)域內(nèi)為Ⅳ級圍巖，以灰?guī)r為主，起點樁號為SK0+000，該點引水隧道中線至主洞左線測設線的距離為35 m，設計標高168.0 m，主線對應樁號為ZK130+060。終點樁號SK0+700對應主線YK129+370的位置，設計標高205.40 m，位于灰?guī)r與板巖交界處，巖層交界處往往發(fā)育流水通道，引水隧道終點設在此處很有必要,隧道平面見圖6。該引水隧道設計縱坡為4.4%(上坡)，隧道縱斷面見圖7。

圖6 引水隧道平面

圖7 引水隧道縱斷面

引水隧道于SK0+647處設置引水橫洞(對應于右洞YK129+443涌水位置)，橫洞長25 m，設計縱坡為2.5%，并于主線隧道對應位置鉆多排φ160 mm孔，以便出水孔與主線隧道的連接。

2) 引水隧道結(jié)構(gòu)斷面設計。

引水隧道結(jié)構(gòu)按無壓、低流速隧道設計，引水隧道主洞采用復合式襯砌結(jié)構(gòu)(見圖8a)，襯砌初期支護由系統(tǒng)錨桿、20 cm噴射混凝土以及14工字鋼組成，30 cm模筑鋼筋混凝土作為二次襯砌結(jié)構(gòu)，該引水隧道最大排水能力可達200萬m3/d。

橫通道采用門型斷面，內(nèi)空2.0 m，高2.75 m，襯砌初期支護由系統(tǒng)錨桿、18 cm噴射混凝土組成，30 cm模筑混凝土作為二次襯砌結(jié)構(gòu)(見8b)。橫通道施做完成后，于相應位置向上施做φ160 mm鉆孔，用以聯(lián)通主線仰拱地板下的巖溶水。

圖8 引水隧道(單位： cm)

2.2 集水井

2.2.1集水井設計

在主線右洞YK129+443處設置了集水井，集水井在引水隧道3#橫洞正上方，根據(jù)現(xiàn)場情況，集水井設置為4口小井(井壁開孔)，井深1.6 m，略低于涌水口，鋪設2塊蓋板，并新增1條矩形溝進行排水(矩形溝1)，且集水井與原有隧道中心水溝相連(矩形溝2)，集水井詳細設計見圖9。為了充分發(fā)揮引水洞的排水作用，并結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況，在集水井底部設置了引水鉆孔，并與3#橫洞相通，引水鉆孔的面積為1.89 m2，具體鉆孔尺寸見圖9b。在引水隧道及橫洞施做完成之前，集水井內(nèi)部水暫時通過2條矩形溝排至隧道洞口，后期集水井內(nèi)部的水全部通過引水鉆孔排至引水隧道，而2條矩形溝僅作為泄水安全儲備。

圖9 集水井(單位：cm)

2.2.2集水井引水鉆孔泄水能力計算

根據(jù)已有設計資料，新增泄水孔泄水能力計算公式為：

Qc=vA

其中，流速計算公式為：

式中：Cd為孔流系數(shù)，其值約為0.61～0.62；g為重力加速度；h為兩處高度差，按1.6 m計算。

各鉆孔過水斷面面積分別為：

Ac0.95=3.14×0.4752m2×2=1.42 m2;

Ac0.55=3.14×0.2752m2×1=0.47 m2。

總的斷面面積：

Ac=Ac0.95+Ac0.55=1.89 m2。

因此，新增泄水鉆孔泄水能力：

3 后期運行狀況

引水隧道于2018年12月全部施做完成并投入使用，經(jīng)歷了2019年1個雨季的驗證，引水隧道排水效果良好，主線右洞集水井內(nèi)部的水位也能有效地排放至引水洞(沒有形成高水位)。

4 結(jié)論

燕子洞隧道右洞YK129+443處發(fā)生特大涌水災害，本文提出了“以排為主”的處治原則，在主線隧道左、右線之間設置引水隧道，排放Ⅰ號巖溶區(qū)域的水，從而減輕巖溶水對主線隧道的侵害；引水隧道長700 m，縱坡為4.4%，并在引水隧道SK0+647處設置引水橫洞(對應于右洞YK129+443涌水位置)，且隧道右洞YK129+443處設置集水井，并在集水井底部設置引水鉆孔與引水隧道橫洞相通，避免下次連續(xù)暴雨再次引發(fā)涌水災害，通過計算，集水井底部鉆孔滿足泄水要求。經(jīng)實際工程驗證，處治措施效果良好。