富水巖溶隧道仰拱沉淀池排水系統(tǒng)設計研究

熊志輝,馮 勁,周紅升

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司,浙江 杭州 310030)

臨建高速公路項目為浙江西部某山區(qū)高速公路,沿線以丘陵山區(qū)為主,走廊狹窄,平原稀少,全線橋隧占比高達66%,隧道共30座,隧道占比40%。可溶巖分布范圍廣,全線共有17段,長約17.8 km,占路線總長的21%,部分段落巖溶極強發(fā)育。在巖溶區(qū)修建隧道面臨諸多挑戰(zhàn),而在富水巖溶區(qū)修建隧道成為了最棘手的問題,由于巖溶區(qū)地質復雜多變[1],根據(jù)目前的地質探測方法,可確定出巖溶發(fā)育的范圍,但很難精準探測出溶腔具體的發(fā)育形態(tài),從而在前期設計中無法實現(xiàn)準確設計[2]。需待富水溶腔揭示后,根據(jù)溶腔形態(tài)及涌水量情況,制定針對性處治方案。

目前,關于隧道巖溶水處理的方案相對單一[3-8],通常做法為設置獨立泄水隧洞,或增加洞內(nèi)排水管等,但方案存在局限性。泄水隧洞主要針對大型富水溶腔及地下暗河設置,雖排水能力強,不易堵管,但是造價高、工期長。而針對一般性富水溶腔,通常采用增加洞內(nèi)排水管方案,造價低、工期短,但容易因巖溶水的長期沉淀結晶而發(fā)生堵管現(xiàn)象,運營期存在安全隱患[9]。結合臨建高速虎溪臺富水巖溶隧道工程實例,分析隧址區(qū)的巖溶水的特征;采用綜合預測預報措施及針對性溶腔治理方案;并對隧道排水系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。

1 工程概況

1.1 隧道概況

臨建高速公路虎溪臺隧道位于浙江省杭州市桐廬縣瑤琳鎮(zhèn),距瑤琳仙境巖溶自然風景區(qū)約2 km。隧道采用分離式雙向四車道設計,時速100 km/h,左幅全長3 112 m,右幅全長3 125 m,最大埋深502 m。隧道縱坡采用雙向坡,左右洞坡率為1.40%/-0.5%。隧道施工采用雙向掘進,目前隧道已貫通,隧道進口K63+360～K63+660段300 m為承壓裂隙水,出口K65+100～K65+320段220 m為巖溶發(fā)育區(qū),隧址區(qū)的裂隙水及巖溶水,以溝水及泉水等排泄方式排出,總體流向分水江。

1.2 隧址區(qū)巖溶發(fā)育特征

隧址區(qū)前第四系地層由老至新依次為泥盆系上統(tǒng)西湖組(D3x)石英砂巖夾泥質粉砂巖、石炭系下統(tǒng)珠藏塢組(C1z)泥質粉砂巖夾石英砂巖、石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2h)灰?guī)r、石炭系上統(tǒng)船山組(C3c)灰?guī)r。其中石英砂巖灰白色,中細粒結構,厚層狀構造;泥質粉砂巖紫紅色,質軟,層狀構造,多受構造擠壓作用,節(jié)理裂隙極發(fā)育,局部擠壓呈斷層泥狀,隧址區(qū)共發(fā)現(xiàn)斷層3條。灰?guī)r,深灰色,隱晶質結構,厚層-塊狀構造,總體較完整,巖溶管道極發(fā)育,灰?guī)r段地表大部分基巖裸露,多為巖蝕洼地、溶槽、落水洞等,大氣降雨通過地表溶槽、溶溝下滲至隧址區(qū)。

洞身K65+100～K65+320段灰?guī)r巖溶較發(fā)育,灰?guī)r段埋深200 m,鉆孔ZKS407在孔深205.0～211.4 m段揭示一鉛直厚度6.4 m的方解石脈,孔深213.5～213.8 m段揭示一溶洞,鉆探無返水,粉細砂填充,有向孔內(nèi)塌落流動現(xiàn)象。鉆孔穩(wěn)定水位埋深約52 m,向孔內(nèi)進行了注水試驗,采用120型潛水泵,泵量50 m3/h,連續(xù)注水2 h,水位未見抬升。表明該段巖溶管道連通性較好,巖溶水較為發(fā)育,水量較大,施工時發(fā)生涌水突泥的風險較大,隧道施工過程中,左右洞共揭露富水溶腔3處,且溶腔水泥沙含量較高。

1.3 水文地質條件

隧址區(qū)內(nèi)的地下水根據(jù)其不同的賦存形式、埋藏條件、分布情況及不同的水動力性質,可分為三大類:松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水,其中孔隙水及裂隙水主要分布于洞身K63+360～K63+660段。洞身K65+100～K65+320巖溶段灰?guī)r總體由南西向北東徑流,隧址區(qū)總體處于地下水補給區(qū),巖溶水通過落水洞以大型巖溶管道形成地下暗河向下游排泄。

經(jīng)對K65+100～K65+320段洞身上方地表現(xiàn)場踏勘,發(fā)現(xiàn)落水洞,由于經(jīng)過了農(nóng)田改造,大部分小型落水洞已被填埋。由于巖溶管道淤塞,落水洞洞身表部的部分巖溶水在溝底以巖溶泉形式排泄。隧址周邊的大坑水庫距離隧道約355 m,庫底標高約146 m,常水位標高約170 m,隧道巖溶區(qū)路面標高約137 m。經(jīng)地質調查分析,大坑水庫周邊巖溶不發(fā)育,地下水系與隧道溶腔連通性不強,溶腔水受大坑水庫補給小。

2 巖溶水分析及涌水量計算

2.1 涌水突泥情況及預防措施

隧道開挖期間,在K65+100～K65+320灰?guī)r段共揭穿富水溶洞3處,其中右洞1處左洞2處。1#溶腔在打設炮眼時出現(xiàn)承壓水,后采用潛孔鉆打孔泄水;2#溶腔剛揭示時溶腔內(nèi)為泥質填充物,后發(fā)生突泥涌水;3#溶腔在打設超前水平探孔時出現(xiàn)承壓水。整體分析,隧道洞身段位于巖溶補給區(qū)的水平徑流帶上,隧址區(qū)的垂向落水洞及水平巖溶管道均較發(fā)育,揭示的3處溶洞規(guī)模及涌水情況見表1。

表1 溶洞特征及突泥涌水量情況分析

根據(jù)本工程隧道巖溶區(qū)發(fā)育特征,施工期間掌子面超前地質預報采用短距離與長距離相結合、超前探孔與物探相結合、炮眼鉆探與錨桿鉆探相結合的全方位探測方案,通過相互對比驗證的方式,來提升超前地質預報的準確性[10]。

采用地質雷達法(GPR)測距30 m+地震波反射法(TSP)測距50 m相結合方案,相互驗證對比,提高精確性;掌子面超前探孔深度為15 m,前后兩次探孔前后搭接5 m,探孔數(shù)量可根據(jù)物探情況確定;利用加深掌子面的炮眼進行全方位探測,炮眼打設深度為5 m,但爆破開挖進尺需按要求控制,并利用環(huán)向錨桿打設的過程中進行探孔。打設鉆孔過程中如發(fā)現(xiàn)異常情況,應停止施工,及時上報。

2.2 溶腔連通性分析及涌水量計算

通過水化學、同位素分析及隧道涌水分析[11],洞內(nèi)巖溶水樣中δD、δ18O、δ17O含量,均較隧頂?shù)孛嫔系陌岛优判箍谒w中的含量低,說明隧道涌水其綜合補給來源點比地表暗河排泄口標高要高,同時由于洞內(nèi)巖溶水和暗河排泄口水離子含量高度相似,確定隧道溶腔涌水來源主要為巖溶谷地內(nèi)地下水垂直入滲補給,接受兩側砂巖側向補給量極少,初步可按兩側山脊為界控制砂巖補給范圍,流域面積按0.4 km2計,水源補給主要為大氣降雨補給。依據(jù)水文分析法,預測隧道溶腔涌水量[12],入滲系數(shù)按0.8計,則年平均涌水量1 170 m3/d。由于該地區(qū)日均最大降雨量153.4 mm,暴雨工況下入滲系數(shù)按0.5計,則最大涌水量30 680 m3/d。計算公式如下[13]

Q=aFP

(1)

式中:Q為涌水量,m3/d;a為大氣降水入滲系數(shù),0.5;F為隧道影響帶匯水面積,m2;P為大氣降水量,mm/d。

根據(jù)2021年3月至12月隧道左右洞涌水量的觀測資料,見圖1,最大涌水量集中在8月份,其中左洞最大涌水量為6 680 m3/d,右洞最大涌水量為3 745 m3/d,全隧實測最大涌水量合計10 425 m3/d。通過圖1與圖2曲線圖對比可知,隧道溶腔涌水量大小與大氣降雨量成正比關系,證實了溶腔與地表的連通性及大氣降雨為巖溶水主要補給源。且通過圖2中2020年至2021年降雨分布可知,當?shù)孛酚昙炯性?月至8月。

圖1 隧道總排水量實測統(tǒng)計曲線圖

2.3 溶腔水質分析

通過對地表水樣及洞內(nèi)巖溶水樣的離子成分進行對比分析,推斷出洞內(nèi)巖溶水主要來源于溝谷內(nèi)表層農(nóng)田的淋濾補給,巖溶水中的泥沙主要來源于地表土及地表農(nóng)田土的滲流。3處溶腔被揭示后,對巖溶的水樣收集,其中1#溶腔及2#溶腔不間斷出水,3#溶腔隨著降雨量變化間斷性出水,且3處溶腔水中含有一定比例的泥沙,巖溶水量及泥沙含量隨降雨量變化而變化見表2。

表2 隧道內(nèi)溶腔水量與泥沙含量表

根據(jù)表2看出,洞內(nèi)溶腔水泥沙含量隨著涌水量的增加而增加,施工期間在洞內(nèi)排水溝觀測到有一定泥沙沉積,說明溶腔水在往洞外排泄的過程中,部分泥沙沉淀于洞內(nèi),所以單方面增設排水管,不能預防后期溶腔水沉淀堵管問題,需在洞內(nèi)設置沉淀池,將巖溶水內(nèi)泥沙沉淀一定比例后排水洞外。另外,通過觀測3月至9月的水質,發(fā)現(xiàn)溶腔水的含泥量在逐漸減小,而9月至12月溶腔水的含泥量趨于穩(wěn)定。

3 排水系統(tǒng)優(yōu)化設計

3.1 溶腔治理方案

對巖溶水的治理遵循“宜疏不宜堵”的原則,應根據(jù)實際情況對巖溶水采取截、引、排等處理措施[12]。隧道灰?guī)r區(qū)段共揭示富水溶腔3處,通過分析3處溶腔的發(fā)育特征及涌水情況,分別采取針對性的治理方案。1#溶腔與2#溶腔發(fā)育特征相似,周邊巖體較完整,溶腔垂直管狀發(fā)育,直徑約3～4 m,溶腔上部持續(xù)有水,下部為泥質填充物。根據(jù)溶腔的特點,上部采用C30水下混凝土施做護拱墻,并預埋2根直徑30 cm排水管引排溶腔水;下部泥質填充物采用混凝土換填,并設1 m厚鋼筋混凝土搭板;溶腔周邊采用小導管+超細水泥注漿封堵裂隙水。3#溶腔周邊巖體完整,溶腔長12 m,寬7 m,高30 m,溶腔上部空腔無水,下部為淤泥水填充物,將下部溶腔水抽干后,發(fā)現(xiàn)溶腔下部持續(xù)有水涌出。根據(jù)溶腔的特點,上部采用C20混凝土回填,并埋設直徑11 cm排水管引排裂隙水;由于腔體下部空間大,且淤泥層較深,下部先拋石擠淤,再澆筑6 m厚C30水下混凝土,并設1 m厚混凝土搭板,預埋直徑20 cm排水管引排溶腔水;溶腔周邊采用小導管+超細水泥注漿封堵裂隙水。

3.2 縱向矩形排水溝設計

根據(jù)上文對隧道的涌水量預測計算,得出隧道最大涌水量預測為30 680 m3/d,考慮隧道現(xiàn)有D400鋼筋混凝土中央排水管能否滿足排水能力,對隧道進行排水力計算。隧道共揭示的3處溶腔距出洞口約1 km,隧道出口段縱坡為0.5%,根據(jù)《建筑給排水設計規(guī)范》中的水力計算公式[13]為

qp=Av

(2)

(3)

(4)

式中:qp為設計流量,m3/s;A為過水斷面面積,m2;ν為平均流速,m/s;R為水力半徑,m;I為水力坡度,隧道縱坡0.5%;n為管壁的粗糙系數(shù),混凝土明堰表面為0.001 5;w為過水斷面面積,m2;x為濕周,水面以下的過水斷面與固體邊界交線長度,m。

經(jīng)計算D400鋼筋混凝土中央排水管,泄水能力為16 540 m3/d(雙洞),小于預測的最大30 680 m3/d涌水量。因此在左側行車道下方新建一道矩形排水溝,考慮到1#、2#、3#溶腔水的含泥量,為避免沉淀堵管,因此適當加大排水溝斷面,排水溝凈寬1.2 m,凈高1.17～1.28 m,坡度同隧道縱坡。經(jīng)計算,矩形排水溝的泄水能力為431 134 m3/d(雙洞),遠大于預測的最大涌水量,可以滿足排水需求,富余的斷面可以滿足一定的泥沙淤積能力。

3.3 沉淀池方案比選

通過前面對溶腔水質分析結果,隧道內(nèi)巖溶水內(nèi)含有一定比例的泥沙含量,為預防后期泥沙沉淀堵管問題,考慮在溶腔位置的隧道仰拱內(nèi)設置沉淀池,該方案具有造價低、工期短、不易堵管等特點。以1#溶腔水治理方案為例,沉淀池方案共分2種:方案1為單箱沉淀池,方案2為雙箱沉淀池。沉淀池方案比選見表3。

表3 沉淀池方案比選

綜上所述,單箱沉淀池方案中,中央排水管及矩形排水管為兩套獨立的排水系統(tǒng),中央排水管排泄裂隙清水,矩形管排泄巖溶渾濁水,更有利于后期運營維護,最終采用單箱沉淀池方案。沉淀池寬3.75 m,高1.39～2.07 m,橫截面積為6.5 m2,為預防后期水壓對隧道主體結構影響,隧道采用加強襯砌支護。1#溶腔與2#溶腔沉淀池長度為40 m,3#溶腔沉淀池長度為20 m,2#溶腔與3#溶腔沉淀池通過矩形溝連通,每個沉淀池前后共設2處檢修洞室,檢修洞室凈寬2 m,凈高2.75 m,樓梯寬度1 m。

通過2021年3月至2022年3月的泥沙沉淀量觀測,計算推測沉淀池一年的泥沙淤積厚度約為0.8 m。建議通車運營期間,隧道洞內(nèi)沉淀池的檢查頻率為4次/年,其中,當?shù)孛酚昙酒陂g檢查2次,清淤頻率為1次/年。且通過前期觀測,巖溶水泥沙含量會逐年遞減,運營期間的清淤頻率可根據(jù)后期實際情況動態(tài)調整。

4 結 論

針對該隧道灰?guī)r區(qū)的溶腔發(fā)育特征及巖溶水質特點,采用了綜合預測預報措施及針對性溶腔治理方案;并對隧道排水系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計,得出以下結論。

(1)富水巖溶區(qū)隧道施工,采用探孔探測溶腔是必要的,不要寄希望于單一的預報手段,要制定綜合預報體系進行分析,采用物探與探孔相結合的方式,通過相互對比驗證,提升超前地質預報的準確性,并利用探孔對溶腔水泄壓,降低富水巖溶區(qū)隧道施工的涌水突泥風險。對揭示出來的泥質填充型溶腔不能輕視,如發(fā)現(xiàn)腔體內(nèi)持續(xù)掉塊,且存在含水率逐漸升高跡象,應啟動應急避險措施,避免涌水涌泥安全事故。

(2)巖溶水治理前,應對隧址巖溶區(qū)進行詳細水文地質調查,探明隧址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律,結合水化學及同位素分析,確定巖溶水補給范圍及來源,根據(jù)當?shù)氐拇髿饨涤炅窟M行涌水量預測,同時通過采集不同時期的巖溶水樣,分析水質情況。

(3)對于隧道巖溶水采用哪種方案排泄,主要按涌水量大小確定,對于水量較大的建議設立獨立泄水隧洞,對于水量小的,可采用洞門增設排水管方案?？紤]該隧道巖溶涌水量適中,但巖溶水泥沙含量大的特點,項目采用了洞內(nèi)沉淀池+增設排水管方案,避免運營期間堵管問題。