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(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

近年來(lái),我國(guó)公路、鐵路施工過(guò)程中都遭遇了各種巖溶問(wèn)題,其中隧道的突泥、涌水問(wèn)題尤為突出,這直接威脅到隧道的施工安全和進(jìn)度[1]。造成以上問(wèn)題的原因,除了巖溶工程地質(zhì)條件本身比較復(fù)雜外,還有水文調(diào)查深度及方案選取合理性的問(wèn)題。其中水文調(diào)查方面主要體現(xiàn)在隧道巖溶涌水的勘察、評(píng)價(jià)理論和方法存在問(wèn)題,甚至相關(guān)的規(guī)范難以全面涵蓋實(shí)際情況,難以對(duì)巖溶區(qū)深大隧道的巖溶涌水、突泥問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)地定性定量評(píng)價(jià);研究處理方案方面,如何合理選取涌水量、充分發(fā)揮隧道排水能力、優(yōu)化襯砌支護(hù)參數(shù)、防淤等都是減少施工及運(yùn)營(yíng)水害的重點(diǎn)問(wèn)題。上述問(wèn)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(fèi),甚至導(dǎo)致難以預(yù)估的災(zāi)難性后果。因此針對(duì)特定隧道的專項(xiàng)水文調(diào)查及量身定做的處治方案[2-3]能夠提高設(shè)計(jì)工作的針對(duì)性,減小施工風(fēng)險(xiǎn)并保障隧道的后期運(yùn)營(yíng)安全。

1 工程背景

1.1 隧道概況

發(fā)生涌水隧道為分離式特長(zhǎng)隧道,其中左幅長(zhǎng)度3993m(ZK80+745～ZK84+738),右幅長(zhǎng)度4007m(K80+737～K84+744)。隧道圍巖巖溶極發(fā)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(diǎn)分別位于ZK83+150和K83+150處,左幅進(jìn)口方向縱坡為1.45%、出口方向?yàn)?.994%,右幅進(jìn)口方向縱坡為1.45%、出口方向?yàn)?.00%。

1.2 隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目采用三溝排水設(shè)計(jì),在隧道邊溝下部設(shè)置 40cm×60cm 和 45cm×65cm 側(cè)式排水暗溝,該側(cè)式暗溝與路面下部橫向排水盲管相連接,并每隔5m通過(guò)橫向?qū)芘c100cm×65cm中心排水溝相連接,具體排水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 隧道三溝排水系統(tǒng)(單位:cm)

1.3 現(xiàn)場(chǎng)涌水情況

從2020年9月17日凌晨5點(diǎn)左右,隧道出口端開(kāi)始涌水,涌水點(diǎn)為ZK83+250下導(dǎo)及ZK83+210下導(dǎo)處,初期涌水小,但隨時(shí)間推移涌水量逐漸增大;時(shí)至中午涌水量明顯變大,致使隧道中心排水溝及兩側(cè)排水暗溝的設(shè)計(jì)總體排泄水能力不能滿足排水流量要求。現(xiàn)場(chǎng)所見(jiàn)涌水點(diǎn)發(fā)生在ZK83+210處,并見(jiàn)右側(cè)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(nèi)路面被淹沒(méi),最深處水面高出路面約40cm,洞內(nèi)涌水情況如圖2、圖3所示。

圖2 出水點(diǎn)情況

圖3 隧道內(nèi)路面水漫流

2 專項(xiàng)水文調(diào)查

針對(duì)川巖壩隧道ZK83+145-ZK83+260涌水段落,在查明場(chǎng)區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上,對(duì)該隧道進(jìn)行專項(xiàng)水文地質(zhì)調(diào)查,以查清本次隧道涌水原因,為隧道設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1 隧道涌水原因分析

(1)場(chǎng)區(qū)溝谷、巖溶洼地等地形地貌條件易于匯水、集水。

(2)根據(jù)鉆探資料、水文地質(zhì)調(diào)繪、超前鉆探、雷達(dá)測(cè)線等資料證實(shí)隧洞涌水區(qū)間ZK83+145～ZK83+260為巖溶發(fā)育區(qū)且位于兩處巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)(物探異常區(qū))之間,該區(qū)間發(fā)育的溶隙、溶洞等為兩側(cè)巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)提供地下水運(yùn)移通道。

(3)隧道涌水前期降水量大,為地下水提供豐富補(bǔ)給。

(4)場(chǎng)區(qū)大氣降水通過(guò)節(jié)理裂隙、溶隙等各種形式滲入含水層進(jìn)行地下水循環(huán)。隧道發(fā)生涌水前,該地區(qū)連續(xù)多日降水,降水量較大,導(dǎo)致水壓力較大,且位于涌水段兩側(cè)的物探異常區(qū)由于其巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,儲(chǔ)備大量地下水,且地下水通過(guò)巖溶發(fā)育段ZK83+145～ZK83+260進(jìn)行運(yùn)移。隧道在施工過(guò)程中打通地下水運(yùn)移通道導(dǎo)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(qū)涌出。即本次隧道涌水集合“有效的匯水地貌、大量的降水補(bǔ)給、豐富的地下水通道及存儲(chǔ)空間”等因素于一體,由于施工過(guò)程中打通地下水運(yùn)移通道,導(dǎo)致富存積累的地下水“瞬時(shí)”涌出。

2.2 隧道涌水量預(yù)測(cè)

經(jīng)對(duì)隧址區(qū)水文地質(zhì)條件的調(diào)查、結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)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(bǔ)給來(lái)源。隧道穿越多個(gè)不同性質(zhì)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(chǎng)區(qū)內(nèi)60%以上為碳酸鹽巖分布,結(jié)合本次隧址場(chǎng)區(qū)地形地貌、地層巖性、構(gòu)造及水文地質(zhì)條件等進(jìn)行隧道涌水量預(yù)算時(shí),考慮隧道安全施工,選取場(chǎng)區(qū)內(nèi)日最大降水量(168.6mm)狀態(tài)下,按照?qǐng)鰠^(qū)水文地質(zhì)及地層巖性對(duì)隧道兩洞“人字坡”至涌水端一側(cè)隧道洞口范圍進(jìn)行預(yù)測(cè),“人字坡”至涌水端一側(cè)的隧道大樁號(hào)端口范圍,對(duì)應(yīng)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(jì)算)預(yù)測(cè)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(guò)含水體地段的涌水量,單位m3/d;2.74為換算系數(shù);α為大氣降水入滲系數(shù),根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB 10049—2004)表8.5.2 確定,本項(xiàng)目按隧道圍巖巖溶發(fā)育情況取α=0.15～0.5;w為日最大降水量(mm),按地區(qū)資料確定;A為集水面積,單位km2,根據(jù)隧道區(qū)實(shí)際地形地貌計(jì)算;根據(jù)收集當(dāng)?shù)亟?0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(hào)端口范圍的最大涌水量計(jì)算值為92787.32 m3/d。

3 綜合處治方案

根據(jù)專項(xiàng)水文地質(zhì)報(bào)告與涌水段落補(bǔ)充勘察資料分析,本次治理主要解決以下三方面問(wèn)題:一是隧道底下5～15m范圍內(nèi)巖溶發(fā)育,鉆探結(jié)論揭示有發(fā)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(wèn)題;二是最大涌水量為92787.32m3/d,涌水量較大,要充分發(fā)揮隧道既有的排水系統(tǒng),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(qiáng)涌水臨近段落支護(hù)參數(shù)

(1)增設(shè)仰拱,保證襯砌閉合成環(huán),使襯砌結(jié)構(gòu)受力合理。

(2)二襯調(diào)整為鋼筋混凝土,考慮到暴雨、急雨,隧道水壓力短期內(nèi)增大,涌水段落二次襯砌均優(yōu)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(duì)襯砌造成的負(fù)面影響。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)嚴(yán)格控制二次襯砌施工質(zhì)量,嚴(yán)禁發(fā)生鋼筋缺失、欠厚及混凝土強(qiáng)度不足情況發(fā)生。

3.2 涌水嚴(yán)重段落仰拱底打設(shè)鋼花管

根據(jù)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(xiàn)憋水上拱情況,對(duì)該處臨近段落ZK83+240～ZK83+180仰拱下采用打設(shè)Φ150鋼花管措施,鋼花管布置在中心水溝及暗溝兩側(cè),縱向間距3m,與豎直方向成45°斜向下打設(shè),打設(shè)長(zhǎng)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(jiàn)圖4。

圖4 仰拱底打設(shè)鋼管樁方案

3.3 增設(shè)涌水影響段落沉沙井

如圖5所示,三處出水點(diǎn)(ZK83+147、ZK83+210、ZK83+240)增設(shè)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?dāng)?shù)量,由間距50m優(yōu)化為間距20m,避免涌水導(dǎo)致的泥沙淤積,降低隧道排水能力。

圖5 增設(shè)沉沙井平面圖

3.4 集中出水點(diǎn)直接接入中心水溝

對(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的三處出水點(diǎn)(ZK83+147、ZK83+210、ZK83+240)根據(jù)出水量大小,分別埋設(shè)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(tǒng)加密

(1)對(duì)于滲水嚴(yán)重部位,按照隧道防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖,在圍巖與初支之間每處增設(shè)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(huán)向排水管及Φ100橫向?qū)?環(huán)向排水管加密至1.5m一道,橫向?qū)芗用苤?m一道,從而增加襯砌背后盲溝、兩側(cè)暗溝及中心水溝的聯(lián)通能力。

(3)縱、環(huán)向排水盲溝以及縱、橫向排水盲溝均采用三通連接,環(huán)、縱、橫向盲溝外均纏繞無(wú)紡?fù)凉げ?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(lián)通引排

考慮到隧道左右洞排水量不均衡,右洞出口側(cè)水量較小,在ZK83+303.178處車(chē)行橫洞預(yù)留100cm×50cm排水溝,排水溝為順坡,考慮到坡度較小,在車(chē)洞中點(diǎn)設(shè)一處沉沙井,并在排水溝兩側(cè)設(shè)閥門(mén),如發(fā)生左側(cè)水量急劇增大情況,開(kāi)啟閥門(mén)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(lián)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(lián)通引排示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)西南地區(qū)巖溶發(fā)育、水害嚴(yán)重的特點(diǎn),采用“三溝”(路面兩側(cè)增設(shè)排水暗溝)設(shè)計(jì)方案,能夠有效提高隧道排水能力且在后期運(yùn)營(yíng)階段中方便維修。

(2)洞內(nèi)排水系統(tǒng)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(wèn)題,保證隧道運(yùn)營(yíng)安全。