某隧道涌水原因分析及泄水洞方案設(shè)計(jì)

■賓勝林

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，沈陽 110166）

在巖溶富水地層中進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)與施工是近年來的一大難題，特別是在我國西南地區(qū)，巖溶發(fā)育、極發(fā)育隧道數(shù)量繁多，工程難度更大、問題頻發(fā)。巖溶圍巖條件下的隧道不僅在施工過程中存在涌水、突泥的安全風(fēng)險(xiǎn)，還可能會(huì)因襯砌背后水壓急劇升高產(chǎn)生結(jié)構(gòu)開裂、隧道施工縫、墻面滲漏水及中心水溝排水能力不足等運(yùn)營期病害，嚴(yán)重影響公、鐵路隧道施工、運(yùn)營，給工程帶來極大的安全隱患和不確定性[1]。對隧道某一段落開展專項(xiàng)水文地質(zhì)調(diào)查并提出針對性的處置方案[2-3]能夠在前期設(shè)計(jì)階段避免病害問題，降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，保障其在后期的運(yùn)營安全。

1 工程背景

1.1 隧道概況

川硐隧道位于貴州省六枝特區(qū)郎岱鎮(zhèn)下轄折溪彝族鄉(xiāng)穿洞村至折溪村一帶，呈近南—北向展布，為“分離式+小凈距”的長隧道，左線2285 m，右線2274 m；六枝端、安龍端均采用削竹式洞門；縱坡為人字坡，坡度分別為2.3%、-0.8%，右線變坡點(diǎn)樁號(hào)為YK10+230，左線變坡點(diǎn)樁號(hào)為ZK10+220.710；該隧道左、右線不存在超高情況，路面橫坡為-2.00%。

1.2 現(xiàn)場涌水情況

2021 年12 月8 日，隧道出口右洞掌子面施工至YK10+445 時(shí)出現(xiàn)涌水，沿裂隙流出，出水點(diǎn)位于掌子面右線右側(cè)，距離右邊墻2.4 m，裂隙與隧道軸線成77°夾角，涌水量約0.006 m3/s。施工單位繼續(xù)掘進(jìn)施工后，出水點(diǎn)隨裂隙在掌子面范圍內(nèi)斜向移動(dòng)，2022 年4 月23 日隧道上臺(tái)階開挖至YK10+424.81 處，出水點(diǎn)移動(dòng)至掌子面右上方拱肩處，基本判斷該處為涌水的源頭位置。隨著5 月雨季的到來，涌水頻次及涌水量明顯增加，涌水量受天氣影響較大，雨后涌水量明顯增大，晴天涌水量減小，最大涌水量發(fā)生在6 月18 日，為8.7 萬m3/d。2022 年7 月19 日暴雨過后，YK10+424.81 處涌水量急劇增大，經(jīng)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)洞口用于收集排水?dāng)?shù)據(jù)的矩形溝已排滿并漫流至路面，出水口較之前觀測時(shí)大，且水壓較大，現(xiàn)場初步測量涌水量達(dá)24 萬m3/d，涌水發(fā)生時(shí)現(xiàn)場洞內(nèi)及洞外情況如圖1、2 所示。

圖1 隧道內(nèi)涌水情況

圖2 洞外水流排泄情況

1.3 施工方現(xiàn)場處置措施

（1）在出水點(diǎn)（YK10+424.81 處涌水點(diǎn)）初支位置采用鋼板支擋，預(yù)留出水槽，將水引至路側(cè)暗溝，并在出水位置安排觀察員及時(shí)匯報(bào)出水情況；（2）出水點(diǎn)前后各20 m 段落設(shè)置襯砌變形監(jiān)測點(diǎn)，如有異常，應(yīng)立即停止施工，撤離施工人員，通知參建各方，共同制定初支方案；（3）加強(qiáng)出水點(diǎn)前方超前預(yù)報(bào)，增加地質(zhì)超前鉆，避免掌子面在施工過程中發(fā)生涌水突泥事故；（4）在出水點(diǎn)及洞口排水匯流位置設(shè)排水流量監(jiān)測點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)，為制定下一步方案提供依據(jù)。

2 專項(xiàng)水文調(diào)查成果

（1）項(xiàng)目區(qū)屬珠江流域北盤江水系，由北西向南東以陳家小屯—大關(guān)口—新寨一帶構(gòu)成了木城河、納罵河分水嶺，木城河、納罵河均屬雨源型河流。（2）場區(qū)地下水徑流方向不受地表分水嶺控制，由地表水文網(wǎng)及相應(yīng)的地下暗河管道將區(qū)內(nèi)劃分為楊家大坡（Ⅰ區(qū)）、納罵（Ⅱ區(qū)）、折溪（Ⅲ區(qū)）3 個(gè)水文地質(zhì)區(qū)。楊家大坡水文地質(zhì)Ⅰ區(qū)按流場、含水巖層及隔水巖層的分布，劃分為劉家屋基水文地質(zhì)亞區(qū)（Ⅰ1）、筆架山水文地質(zhì)亞區(qū)（Ⅰ2）、上坪寨水文地質(zhì)亞區(qū) （Ⅰ3）3 個(gè)亞區(qū)。水文地質(zhì)分區(qū)如圖3 所示。（3）隧道YK9+800～YK10+989段屬劉家屋基水文地質(zhì)亞區(qū)（Ⅰ1），含水巖組主要為灰?guī)r，地下水以暗河管道形式排泄，富水性強(qiáng)；隧道YK9+178～YK9+800 段屬筆架山水文地質(zhì)亞區(qū)（Ⅰ2），含水巖組主要為灰?guī)r，地下水主要以高位涌出泉點(diǎn)排泄，富水性強(qiáng)，地下水易大量積水壅高，流量和水位變化劇烈，季節(jié)性交替極顯著；隧道YK8+705～YK9+178 段屬上坪寨水文地質(zhì)亞區(qū)（Ⅰ3），含水巖組主要為P21、P2c+d泥質(zhì)粉砂巖，富水性弱。（4）根據(jù)隧道施工涌水情況及勘察鉆探揭露地下水情況，涌水突泥變化均發(fā)生在降雨后，對降雨響應(yīng)非常敏感，當(dāng)沒有降水補(bǔ)給時(shí)，地下水位快速下降，具有暴漲暴落的特點(diǎn)。隧道涌水位置YK10+424.81 處于季節(jié)交替帶，大量涌水應(yīng)為豐水期暗河水暴漲上升至高處破碎帶所引起。（5）通過分段落采用比擬法及大氣降雨入滲法對涌水量進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測隧道最大涌水量約67.6 萬m3/d。

圖3 川硐隧道水文地質(zhì)分區(qū)圖

3 涌突水原因分析

4 涌水處置措施

4.1 泄水洞方案

根據(jù)專項(xiàng)水文調(diào)查及補(bǔ)充勘察成果，川硐隧道洞內(nèi)排水系統(tǒng)的排水能力無法滿足極端氣候的峰值水量，擬采用泄水洞方案，將各出水點(diǎn)涌水引入泄水洞。泄水洞出口標(biāo)高高于木城河，出口設(shè)置沉砂池，而后排入木城河。設(shè)計(jì)方案應(yīng)遵循少占基本農(nóng)田、節(jié)約耕地原則，采用平行隧道主洞的泄水洞布設(shè)方式，泄水洞布置于川硐隧道右洞右側(cè)，凈距30 m，泄水洞、主洞及洞外改河位置關(guān)系如圖4、5所示。

圖4 泄水洞平面布置圖

圖5 洞外泄水洞接入木城河改河

4.2 泄水洞平縱設(shè)計(jì)

泄水洞設(shè)置于川硐隧道安龍端右幅右側(cè)（巖溶管道來水方向），長545 m，泄水洞測設(shè)基線與主洞右幅測設(shè)基線線間距43.5 m，凈距約30 m，縱坡為-2.25%，最大埋深約105 m。泄水洞穿越的地層與主洞基本一致，主要為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第一段（T1yn1）中風(fēng)化灰?guī)r，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)。

4.3 泄水洞輪廓設(shè)計(jì)

泄水洞襯砌內(nèi)輪廓依據(jù)預(yù)測瞬時(shí)最大涌水量，綜合考慮施工期間機(jī)械開挖空間、工程材料運(yùn)入與碴料運(yùn)出車輛通行、施工通風(fēng)、通水、通電管線、運(yùn)營期間管養(yǎng)人員定期檢測及清淤等所需空間要求，采用“半圓拱+直邊墻+底板”起拱斷面，凈高×凈寬=4.5×3.5 m，凈空斷面面積14.44 m2，設(shè)置1 m 高矮邊墻，泄水洞內(nèi)輪廓如圖6 所示。經(jīng)驗(yàn)算，泄水洞斷面直墻部分排水能力為170.0 萬m3/d，滿足預(yù)測最大涌水量67.6 萬m3/d 的排水要求，安全系數(shù)2.5。

圖6 泄水洞內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)

4.4 泄水洞洞口設(shè)計(jì)

為便于施工組織及順接洞外改河排水系統(tǒng)，泄水洞洞口選擇在右洞右側(cè)溝谷內(nèi)，盡量降低洞口邊仰坡的開挖高度，以保證山體的穩(wěn)定。洞門型式主要考慮防護(hù)功能，采用“零開挖”進(jìn)洞，并在洞口設(shè)置欄柵門，方便后期檢修，防止人、畜誤入。

4.5 泄水洞支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泄水洞洞身襯砌設(shè)計(jì)以新奧法原理為指導(dǎo)，洞口地質(zhì)較差段采用復(fù)合式襯砌，其余圍巖段落采用錨噴支護(hù)。隧道襯砌類型、襯砌斷面型式、襯砌結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)主要采用工程類比法，結(jié)合構(gòu)造要求及經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，Ⅴ級(jí)圍巖洞口淺埋段采用20 cm 厚初支及30 cm 厚C30 鋼筋混凝土復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌設(shè)計(jì)如圖7 所示；Ⅴ級(jí)圍巖深埋段采用22 cm 厚錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)；Ⅳ級(jí)圍巖地段采用10 cm厚錨噴支護(hù)。

圖7 泄水洞典型斷面襯砌設(shè)計(jì)

4.6 泄水洞與主洞銜接設(shè)計(jì)

根據(jù)既有工程經(jīng)驗(yàn)，將集中涌水接入泄水洞是排水方案的關(guān)鍵部分，本工程采用設(shè)置集水廊道措施，先將涌水引入集水廊道，再順接入泄水洞，隨后排出洞外。設(shè)計(jì)集水廊道及泄水洞標(biāo)高均低于隧道主洞，設(shè)置在涌水的來水方向，增加涌水接入的容錯(cuò)度，保證涌水集中順利排出，避免水害影響主洞，保證隧道后期運(yùn)營安全。設(shè)置集水廊道情況如圖8所示。

圖8 主洞及泄水洞通過集水廊道連接示意圖

5 結(jié)語

結(jié)合巖溶發(fā)育隧道的涌水處置工程實(shí)例，通過對現(xiàn)場情況的具體分析，總結(jié)出泄水洞的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，得到結(jié)論如下：（1）西南地區(qū)巖溶發(fā)育，地下暗河錯(cuò)綜復(fù)雜，隧道涌突水原因繁多，有針對性的開展某一段落的專項(xiàng)水文調(diào)查，能夠?yàn)橛克蚍治黾爸贫ㄔO(shè)計(jì)方案提供依據(jù)，保障隧道施工及運(yùn)營安全；（2）對于集中、涌水量大的出水點(diǎn)采用泄水洞方案，能夠有效提高隧道排水能力，減小沉沙淤積影響，方便后期檢修。