暴雨引发公路隧道岩溶涌水事故处治方案研究

1、    暴雨引发公路隧道岩溶涌水事故处治方案研究    念培红 王忠伟 摘要：本文根据某高速公路隧道工程因暴雨引发的出口段岩溶涌水病害处治实例，阐述了隧道施工期间属枯水季节，未见异常发生，但经过雨季暴雨洗礼，造成隧道二次衬砌开裂直至崩开，最终形成涌水突泥。结合复杂地质条件，通过不同方案比选，充分考虑隧道结构安全、运营安全、节约成本和施工的可行性，最终采用洞内引排加泄水洞方案。该隧道岩溶水整治设计方案实施成功，为以后类似隧道设计、施工提供借鉴和教训。abstract： according to an example of the treatment of

2、karst water inrush in the exit section caused by heavy rain in a highway tunnel project. there no abnormality occurs in the tunnel in the dry season， however， after the rainstorm in the rainy season， the secondary lining of the tunnel was cracked until it collapsed， eventually forming a water and mu

3、d. combined with complex geological conditions， through different schemes， the tunnel structure safety， operational safety， cost saving and construction feasibility are fully considered， and finally the cave drainage and drainage tunnel scheme was adopted. the tunnel karst water remediation design p

4、lan was successfully implemented， providing lessons for similar tunnel design and construction in the future.关键词：隧道;溶洞水;洞内引排;集水廊道;泄水洞key words： tunnel;cave water;drainage within the cave;water collection corridor;drainage tunnel中圖分类号：u455.49               

5、60;                   ：a                                  ：1006-4311（2019）18-0168-040  引言在我国西南地区石灰岩地区，广泛分布各种类型的溶洞，隧道穿越岩溶地区，经常会遭遇岩溶涌水事故。岩溶涌水不仅容易影响施工安全，导致人员伤亡事故的发生;一旦处

6、理不当，还会对工程进度、投资产生巨大的负面作用。本文以某西南山区公路隧道出口段暴雨季节的岩溶涌水事故处理为例，对岩溶涌水的情况进行了详尽的描述，介绍了相应的施工处治方案及取得的成效，对于今后类似工程事故的处理具有一定的参考价值。1  工程事故概况1.1 工程概况某山区高速公路隧道为双洞分修长隧道，左右路线设计线间距为23m，右洞起讫桩号为：yk22+032yk24+817，长2785m，左洞起讫桩号为：zk22+065zk24+819.2，长2754.2m，隧道位于四川盆地东南缘，属乌江侵蚀河谷发育的峡谷侵蚀、溶蚀中低山区，基岩多裸露。自然坡度约25°45°，区内

7、地形主要由陡峻的坡面山地和山间型沟谷构成，地表径流条件好。区内主要含水岩体以砂岩、页岩及灰岩为主，其含水性不均;采用半理论半经验法、大气降水入渗法对隧道涌水量进行分段估算，隧道涌水量估算值为：24720方/d。1.2 岩溶涌水事故概况自开工以来，隧道施工顺利，左右洞已贯通，未出现围岩变更。据施工单位开挖记录，k23+185+210段围岩破碎夹黄泥，时值旱季，施工该段时未见异常。隧道贯通后一个月左右，5月下旬突降大暴雨，暴雨持续了一晚，至第二日中午稍有减小，降雨量最高达210毫米。第三日中午隧道右线k23+199.5+187.5段右侧边墙衬砌爆裂3.5m高，推向隧道内60cm，突发大量涌水，隧道

8、内最大涌水深达0.6m。同时k23+130+221.5段衬砌可见多处裂纹、裂缝。涌水6小时后明显减弱，隧道路面堆积一定的粉粒沉淀物。一个月后又发生大雨天气，持续降雨三天后隧道右线k23+210+201段衬砌及支护被崩开一个高约4m、宽9m的大洞，大量泥浆及块石冲入隧道，隧道内最大水深达1.8m。涌水3小时后显著减弱，在突水处前后约二百余米范围内堆积大量淤泥及碎、块石，最大块径达1.5m，在突水口淤泥与块石厚约3m。涌水冲出隧道后，因水流分散流速降低，隧道里堆放的各种材料被携带到洞口后停积下来，部分仍被冲至山下，损毁严重。2  事故原因分析2.1 地质环境因素从施工揭示的实际地质条件来

9、看，受桃子坪断层的影响，涌水段围岩破碎。断层两盘岩层在错动过程中，受摩阻牵引作用，在断层影响带会产生岩层的层间滑脱、层间褶曲，使得岩层内部形成较多的穹隆空腔。加之断层两盘岩层陡立对倾形成一个类似向斜的储水构造，既有利于地表水的下渗赋存，也利于地下水的径流，破碎带中形成较多的溶隙。由于岩体总体上呈块石镶嵌骨架结构，抑止了大型溶洞的形成，否则将垮塌充填。在断层形成初期，地下水水位相对较低，携带泥砂的地表水以垂直下渗方式汇至水平循环带后，水平径流受空隙分布的控制，呈现网状的紊流，大量的泥砂沉淀充填在空隙中，或者因骨架结构的局部垮塌密实、或者因局部碎石的错动堵塞，使淤积增多，地下水位相应会抬升。经漫长

10、的年代，岩体空隙中沉淀物赋存量逐渐增大，填充于空隙中的泥砂因自重产生一定的固结作用，地下水的深部缓流使之固结弱化与潜蚀。在丰水与枯水的交替过程中，各种沉淀、固结、潜蚀相互转化，在正常情况下达到一种动态平衡。2.2 气候因素当年隧道所在地区发生大旱，地下水补给严重不足，孔隙中充填物得以固结。隧道在开挖该段时揭示围岩破碎夹黄泥，但未揭示溶洞也未见地下水出露。暴雨过后，大量地表水下渗汇集后地下水位急剧增加，地下水赋存后形成的静水压力对该区域的隧道结构形成巨大的高压水位，造成隧道右线k23+199.5+187.5段右侧边墙衬砌爆裂突水。突水后，二衬背后未大型空腔存在，仅见块石空隙。由于是该区域施工后的

11、第一次空隙性渗流突水，因地下水活动通道不畅通，二衬开裂后对洞口有阻挡作用，虽然降雨量很大，但涌水量却相对较小。次月继续降雨导致右线k23+210+201段衬砌及支护被突水冲开，其原因为：一是已开裂k23+199.5+187.5段裂缝泄水能力有限，形成一定水压;二是由于泄水时动水压力大，随地下水的径流排泄，使越来越多的充填土、岩屑、碎块石的潜流、冲流以及液化作用增强，一旦岩体局部骨架失稳，自稳能力瞬间丧失，产生巨大围岩自重压力;最终造成已有裂纹段的二衬崩开，导致大量的涌水、充填土、岩屑、碎块石涌入隧道。另一方面，赋存在空隙中的充填物具有一定的粘稠度，其活动具有间歇性，陣发性，所以隧道在无突水时仍

12、有少量突泥现象。随着涌水突泥量逐渐减少，围岩结构体形成稳定的块石镶嵌骨架结构，地下水径流通道逐渐畅通，隧道涌水量与降雨量渐趋合理，突发性涌水的可能性降低。3  岩溶涌水事故处治方案比选岩溶地区的地下水为岩溶暗河管道水及岩溶裂隙水，一般情况下，除对周边地表环境有特殊要求的采用堵水措施外，其它情况宜采用防、排、截等措施。这是由于岩溶及岩溶水的发育在宏观上有一定的规律性，但从微观上有许多不确定性，因此造成堵水困难、代价高、风险大、效益相对较差。本隧位于乌江峡谷侵蚀中低山区，对周边地表环境没有特殊要求，因此不采用堵水方案。根据本隧岩溶发育形态及岩溶水量大的特点，对岩溶水整治措施提出以下三种引

13、排方案：3.1 洞内增设矩形水沟仰拱（或底板）下增设矩形水沟方案，仰拱（或底板）下增设矩形水沟，如图1所示。在隧道仰拱及底板下增设矩形水沟，中心排水管按原设计施作。经检算水沟尺寸，水沟纵坡采用2.3%下坡，水沟尺寸采用150cm（宽）×150cm（高），排水能力要满足最大流水量145万方/d。但为保证人员进入矩形水沟中清淤，矩形水沟尺寸采用150cm（宽）×200cm（高）。为方便检修，洞内每隔200m设检查人孔井。仰拱（或底板）下增设矩形水沟方案改造水沟长度为1627米，其中有仰拱地段长度392m（含32m钢筋砼二衬），无仰拱地段长度为1235m。该隧道二次衬砌已施工完毕

14、，如采取该方案，首先拆除仰拱及填充，重新施作，拆除及重建工作量大。在拆除有仰拱地段前，在边墙底及仰拱两侧设置？准42锁脚锚管加固，锚管长4.5m，每侧设置2根。在涌水点前后10米范围内每隔5米埋设大管径引水管与仰拱底中心排水沟相连。对于引水处管头应采用钢筋网片将引水管封闭，防止泥沙将引水管堵塞。在仰拱底增设矩形沟范围段，特别是位于断层破碎带及填充物地段，由于地质较差，为防止颗粒物随水流失，引起隧道结构失稳，中心排水沟应整体灌注，不得设置泄水孔。该方案优点：在洞内施工，施工安全有一定保障，施工风险低，工程投资低。缺点：洞内开挖速度较慢，施工进度平均按80100m/月，施工工期较长。破坏了衬砌和路

15、面的完整性，影响隧道结构。清淤工作较难施作，对运营有一定的影响。3.2 增设中心排水管在原中心排水管两边增设6根？准70cm中心圆管。经检算该涵管最大排水能力为43.8万方/d，最大排水能力远远不能满足隧道的最大流水量145万方/d。剩余流量101.2万方/d排泄至路面上，最大侵入路面深度0.28m，如图2所示。该方案优点：在洞内施工，施工安全有一定保障，施工风险低。工程投资低。缺点：洞内开挖速度较慢，施工进度平均按80100m/月，施工工期较长。破坏了路面的完整性，影响隧道结构。暴雨季节容易造成交通安全事故，容易引起社会不良反应。清淤工作较难施作，对运营有一定的影响。3.3 增设泄水洞引排泄

16、水洞设置原则：泄水洞断面除满足排水量的要求，还须满足施工作业的要求;针对衬砌材料，还须满足抗冲刷的要求;对于含泥量大的岩溶水，尚应考虑防淤积的排水流速。泄水洞平面示意如图3所示。泄水洞衬砌净空断面尺寸采用3.8m（宽）×3.9m（高）。该方案可节约投资，估算工程预算为1020万。但存在以下不足，由于通车工期越来越近，工期要求压力较大，明年雨季来临之前应施工完毕。为方便施工作业要求，尽快在雨季前整治好病害，满足工期要求，泄水洞衬砌净空断面尺寸为4.5m（宽）×4.0m（高）。该方案投资大，估算工程预算为1225万，但施工工期压力小。该方案优缺点：该方案有效地解决了可溶岩段地下

17、水排放问题，施工工期影响较小。该方案施工风险较大，工程投资较高。3.4 洞内引排方案+泄水洞引排方案右线隧道k23+190k24+640段在洞内仰拱（底板）下增设矩形水沟;泄水洞起点桩号k24+640，泄水洞中线与右线隧道中线距离大于30m，设280m的泄水洞与线路呈28.4°交角，泄水洞纵坡采用2.3%下坡，泄水洞总长280m。该方案中心水沟改造长度1450m，泄水洞长度280m。估算工程预算为683万。该方案优缺点：该方案有效解决隧道进口段仰拱拆除及重建施作难题，仰拱拆除较少，对隧道结构安全影响较小。泄水洞较短，施工风险较低。洞内引排存在清淤工作对运营有一定影响。通过技术经济安全

18、及工期比较，最终方案确定采用洞内引排方案加泄水洞引排。4  岩溶涌水事故处治方案设计经方案比选，岩溶水整治采用洞内引排加泄水洞方案，具体措施如下：右线k23+182.5k23+965段采取洞内引排处理，在洞内仰拱（底板）下增设中心矩形水沟;岩溶水从k23+965处引排至泄水洞，在该处设置横向引水通道将洞内矩形水沟与泄水洞相连。泄水洞中线与右线隧道中线距离等于或大于30m，先设535m与中线平行，再设453m的泄水洞与线路呈27度交角，泄水洞k23+965k24+500段纵坡采用4.0%下坡，k24+500至出口段纵坡采用5.0%下坡，泄水洞总长988m。4.1 洞内引排设计集水廊道段

19、：在右线隧道右侧设一集水廊道，集水廊道中线距隧道中线15m，对应正洞里程为k23+180+200，长20m。于集水廊道面端头处施作集水钻孔，要求钻孔深度不小于30m。集水廊道、横向通道模筑拱部衬砌施作时应预留108泄水孔，形成筛网状，间距1m，梅花型布置。于k23+183、k23+190、k23+197处设置横向通道将集水廊道与正洞排水系统相连，并于横通道内设置集水钻孔引水。明挖段矩形沟尺寸采用1m（宽）×1m（高），暗挖段横向通道尺寸采用2m（宽）×2m（高）。二衬底部明挖段采用i20b钢架支撑，共设3榀;矩形沟两侧径向施作22锁脚锚杆，长2.5m，共4根。盖板施作后铺设

20、2根长2.0m的p43旧钢轨。k23+182.5k23+967段（正洞内）：由于该隧道仅有一个出水点，根据设计流量在洞内仰拱（底板）下增设矩形水沟，水沟尺寸为1.5m（宽）×2m（深）;于k23+190、+390、+590、+790处设置检查井，检查井采用c型检查井。于k23+966处设置横向通道与泄水洞相连，横向通道尺寸采用2m（宽）×2m（高）。有仰拱地段中心矩形沟采用耐腐蚀钢筋砼，并在仰拱与中心矩形沟处设置22锁脚锚杆，锚杆长3.5m，每延米设置2根，无仰拱地段中心矩形沟采用耐腐蚀砼。根据正洞对应里程范围内，地下水对混凝土弱强度侵蚀性，凡与地下水接触的工程均应考虑耐腐

21、蚀问题，耐腐蚀系数大于0.9。洞内施工组织及施工方法：采用砼切割机逐层将砼及钢筋砼切割后，在一定范围内搭设防护棚架，防止对既有衬砌及隧道结构造成危害，再采取控制爆破或砼破碎机将砼拆除，控制爆破需多钻炮眼并控制装药量。拆除有仰拱地段砼前，在边墙底及仰拱两侧设置42锁脚锚管加固，锚管长4.5m，每侧设置2根，纵向间距1m。钢筋砼仰拱地段将仰拱钢筋与中心矩形沟钢筋连接起来。普通砼仰拱地段新老砼连接采用钎钉或界面剂处理。加强隧道结构的变形稳定及爆破震动对隧道影响的监测。中心矩形沟开挖必须采用洞内控制爆破，每次爆破长度应控制在23m，钢筋砼衬砌范围爆破振速不大于5cm/s，一般砼范围爆破振速不大于3cm

22、/s控制。在仰拱底增设矩形沟范围段，特别是位于断层破碎带及填充物地段，由于地质较差，为防止颗粒物随水流失，引起隧道结构失稳，中心排水沟应整体灌注，不得设置泄水孔。4.2 泄水洞设计泄水洞衬砌净空断面经优化后，尺寸采用3.5m（宽）×3.7m（高），泄水洞起点对应右洞桩号k23+965，泄水洞中线与右线隧道中线距离大于或等于30m，先设535m泄水洞与线路平行，再设453m的泄水洞与线路呈27度交角。泄水洞k23+965k24+500段纵坡采用4.0%下坡，k24+500至出口段纵坡采用5.0%下坡，泄水洞总长988m。泄水洞v、iv级围岩采用模筑衬砌，iii级围岩采用锚喷衬砌。对应右

23、洞桩号k23+966处设一横穿隧道的引水通道，将洞内中心排水沟与泄水洞相连，把岩溶水引排出隧道。根据正洞对应里程范围内，地下水对混凝土弱强度侵蚀性，凡与地下水接触的工程均应考虑耐腐蚀问题，耐腐蚀系数大于0.9。在泄水洞设置错车洞，方便運碴车调头，错车洞每60m设置一个，错车洞长5m，宽1.6m，共设置15个，具体位置可在施工中相应调整。泄水洞施工风险及施工安全预防措施：泄水洞通过易突水、突泥地段，为防止岩溶涌突水造成施工灾害，一方面要通过左右线施工时的详细地质资料，有针对性加强超前地质预报工作，防止灾害发生;另一方面建立应急机制：针对施工过程中可能出现的意外，施工单位应编制好详尽的应急预案，并准备好应急设备、设施与资源，事故通告程序及指挥系统，做好应急预案的培训。通过易发生突水、突泥地段，采用tsp203、地质雷达、hy303红外探水仪等设备和超前地质钻探，针对岩溶问题开展超前地质预报工作。tsp203每150200m探测一次;地质雷达每2030m探测一次;hy303红外探水仪每3