暴雨引發(fā)公路隧道巖溶涌水事故處治方案研究

1、    暴雨引發(fā)公路隧道巖溶涌水事故處治方案研究    念培紅 王忠偉 摘要：本文根據(jù)某高速公路隧道工程因暴雨引發(fā)的出口段巖溶涌水病害處治實(shí)例，闡述了隧道施工期間屬枯水季節(jié)，未見(jiàn)異常發(fā)生，但經(jīng)過(guò)雨季暴雨洗禮，造成隧道二次襯砌開(kāi)裂直至崩開(kāi)，最終形成涌水突泥。結(jié)合復(fù)雜地質(zhì)條件，通過(guò)不同方案比選，充分考慮隧道結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營(yíng)安全、節(jié)約成本和施工的可行性，最終采用洞內(nèi)引排加泄水洞方案。該隧道巖溶水整治設(shè)計(jì)方案實(shí)施成功，為以后類(lèi)似隧道設(shè)計(jì)、施工提供借鑒和教訓(xùn)。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.關(guān)鍵詞：隧道;溶洞水;洞內(nèi)引排;集水廊道;泄水洞key words： tunnel;cave water;drainage within the cave;water collection corridor;drainage tunnel中圖分類(lèi)號(hào)：u455.49               

5、60;                   ：a                                  ：1006-4311（2019）18-0168-040  引言在我國(guó)西南地區(qū)石灰?guī)r地區(qū)，廣泛分布各種類(lèi)型的溶洞，隧道穿越巖溶地區(qū)，經(jīng)常會(huì)遭遇巖溶涌水事故。巖溶涌水不僅容易影響施工安全，導(dǎo)致人員傷亡事故的發(fā)生;一旦處

6、理不當(dāng)，還會(huì)對(duì)工程進(jìn)度、投資產(chǎn)生巨大的負(fù)面作用。本文以某西南山區(qū)公路隧道出口段暴雨季節(jié)的巖溶涌水事故處理為例，對(duì)巖溶涌水的情況進(jìn)行了詳盡的描述，介紹了相應(yīng)的施工處治方案及取得的成效，對(duì)于今后類(lèi)似工程事故的處理具有一定的參考價(jià)值。1  工程事故概況1.1 工程概況某山區(qū)高速公路隧道為雙洞分修長(zhǎng)隧道，左右路線設(shè)計(jì)線間距為23m，右洞起訖樁號(hào)為：yk22+032yk24+817，長(zhǎng)2785m，左洞起訖樁號(hào)為：zk22+065zk24+819.2，長(zhǎng)2754.2m，隧道位于四川盆地東南緣，屬烏江侵蝕河谷發(fā)育的峽谷侵蝕、溶蝕中低山區(qū)，基巖多裸露。自然坡度約25°45°，區(qū)內(nèi)

7、地形主要由陡峻的坡面山地和山間型溝谷構(gòu)成，地表徑流條件好。區(qū)內(nèi)主要含水巖體以砂巖、頁(yè)巖及灰?guī)r為主，其含水性不均;采用半理論半經(jīng)驗(yàn)法、大氣降水入滲法對(duì)隧道涌水量進(jìn)行分段估算，隧道涌水量估算值為：24720方/d。1.2 巖溶涌水事故概況自開(kāi)工以來(lái)，隧道施工順利，左右洞已貫通，未出現(xiàn)圍巖變更。據(jù)施工單位開(kāi)挖記錄，k23+185+210段圍巖破碎夾黃泥，時(shí)值旱季，施工該段時(shí)未見(jiàn)異常。隧道貫通后一個(gè)月左右，5月下旬突降大暴雨，暴雨持續(xù)了一晚，至第二日中午稍有減小，降雨量最高達(dá)210毫米。第三日中午隧道右線k23+199.5+187.5段右側(cè)邊墻襯砌爆裂3.5m高，推向隧道內(nèi)60cm，突發(fā)大量涌水，隧道

8、內(nèi)最大涌水深達(dá)0.6m。同時(shí)k23+130+221.5段襯砌可見(jiàn)多處裂紋、裂縫。涌水6小時(shí)后明顯減弱，隧道路面堆積一定的粉粒沉淀物。一個(gè)月后又發(fā)生大雨天氣，持續(xù)降雨三天后隧道右線k23+210+201段襯砌及支護(hù)被崩開(kāi)一個(gè)高約4m、寬9m的大洞，大量泥漿及塊石沖入隧道，隧道內(nèi)最大水深達(dá)1.8m。涌水3小時(shí)后顯著減弱，在突水處前后約二百余米范圍內(nèi)堆積大量淤泥及碎、塊石，最大塊徑達(dá)1.5m，在突水口淤泥與塊石厚約3m。涌水沖出隧道后，因水流分散流速降低，隧道里堆放的各種材料被攜帶到洞口后停積下來(lái)，部分仍被沖至山下，損毀嚴(yán)重。2  事故原因分析2.1 地質(zhì)環(huán)境因素從施工揭示的實(shí)際地質(zhì)條件來(lái)

9、看，受桃子坪斷層的影響，涌水段圍巖破碎。斷層兩盤(pán)巖層在錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中，受摩阻牽引作用，在斷層影響帶會(huì)產(chǎn)生巖層的層間滑脫、層間褶曲，使得巖層內(nèi)部形成較多的穹隆空腔。加之?dāng)鄬觾杀P(pán)巖層陡立對(duì)傾形成一個(gè)類(lèi)似向斜的儲(chǔ)水構(gòu)造，既有利于地表水的下滲賦存，也利于地下水的徑流，破碎帶中形成較多的溶隙。由于巖體總體上呈塊石鑲嵌骨架結(jié)構(gòu)，抑止了大型溶洞的形成，否則將垮塌充填。在斷層形成初期，地下水水位相對(duì)較低，攜帶泥砂的地表水以垂直下滲方式匯至水平循環(huán)帶后，水平徑流受空隙分布的控制，呈現(xiàn)網(wǎng)狀的紊流，大量的泥砂沉淀充填在空隙中，或者因骨架結(jié)構(gòu)的局部垮塌密實(shí)、或者因局部碎石的錯(cuò)動(dòng)堵塞，使淤積增多，地下水位相應(yīng)會(huì)抬升。經(jīng)漫長(zhǎng)

10、的年代，巖體空隙中沉淀物賦存量逐漸增大，填充于空隙中的泥砂因自重產(chǎn)生一定的固結(jié)作用，地下水的深部緩流使之固結(jié)弱化與潛蝕。在豐水與枯水的交替過(guò)程中，各種沉淀、固結(jié)、潛蝕相互轉(zhuǎn)化，在正常情況下達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。2.2 氣候因素當(dāng)年隧道所在地區(qū)發(fā)生大旱，地下水補(bǔ)給嚴(yán)重不足，孔隙中充填物得以固結(jié)。隧道在開(kāi)挖該段時(shí)揭示圍巖破碎夾黃泥，但未揭示溶洞也未見(jiàn)地下水出露。暴雨過(guò)后，大量地表水下滲匯集后地下水位急劇增加，地下水賦存后形成的靜水壓力對(duì)該區(qū)域的隧道結(jié)構(gòu)形成巨大的高壓水位，造成隧道右線k23+199.5+187.5段右側(cè)邊墻襯砌爆裂突水。突水后，二襯背后未大型空腔存在，僅見(jiàn)塊石空隙。由于是該區(qū)域施工后的

11、第一次空隙性滲流突水，因地下水活動(dòng)通道不暢通，二襯開(kāi)裂后對(duì)洞口有阻擋作用，雖然降雨量很大，但涌水量卻相對(duì)較小。次月繼續(xù)降雨導(dǎo)致右線k23+210+201段襯砌及支護(hù)被突水沖開(kāi)，其原因?yàn)椋阂皇且验_(kāi)裂k23+199.5+187.5段裂縫泄水能力有限，形成一定水壓;二是由于泄水時(shí)動(dòng)水壓力大，隨地下水的徑流排泄，使越來(lái)越多的充填土、巖屑、碎塊石的潛流、沖流以及液化作用增強(qiáng)，一旦巖體局部骨架失穩(wěn)，自穩(wěn)能力瞬間喪失，產(chǎn)生巨大圍巖自重壓力;最終造成已有裂紋段的二襯崩開(kāi)，導(dǎo)致大量的涌水、充填土、巖屑、碎塊石涌入隧道。另一方面，賦存在空隙中的充填物具有一定的粘稠度，其活動(dòng)具有間歇性，陣發(fā)性，所以隧道在無(wú)突水時(shí)仍

12、有少量突泥現(xiàn)象。隨著涌水突泥量逐漸減少，圍巖結(jié)構(gòu)體形成穩(wěn)定的塊石鑲嵌骨架結(jié)構(gòu)，地下水徑流通道逐漸暢通，隧道涌水量與降雨量漸趨合理，突發(fā)性涌水的可能性降低。3  巖溶涌水事故處治方案比選巖溶地區(qū)的地下水為巖溶暗河管道水及巖溶裂隙水，一般情況下，除對(duì)周邊地表環(huán)境有特殊要求的采用堵水措施外，其它情況宜采用防、排、截等措施。這是由于巖溶及巖溶水的發(fā)育在宏觀上有一定的規(guī)律性，但從微觀上有許多不確定性，因此造成堵水困難、代價(jià)高、風(fēng)險(xiǎn)大、效益相對(duì)較差。本隧位于烏江峽谷侵蝕中低山區(qū)，對(duì)周邊地表環(huán)境沒(méi)有特殊要求，因此不采用堵水方案。根據(jù)本隧巖溶發(fā)育形態(tài)及巖溶水量大的特點(diǎn)，對(duì)巖溶水整治措施提出以下三種引

13、排方案：3.1 洞內(nèi)增設(shè)矩形水溝仰拱（或底板）下增設(shè)矩形水溝方案，仰拱（或底板）下增設(shè)矩形水溝，如圖1所示。在隧道仰拱及底板下增設(shè)矩形水溝，中心排水管按原設(shè)計(jì)施作。經(jīng)檢算水溝尺寸，水溝縱坡采用2.3%下坡，水溝尺寸采用150cm（寬）×150cm（高），排水能力要滿(mǎn)足最大流水量145萬(wàn)方/d。但為保證人員進(jìn)入矩形水溝中清淤，矩形水溝尺寸采用150cm（寬）×200cm（高）。為方便檢修，洞內(nèi)每隔200m設(shè)檢查人孔井。仰拱（或底板）下增設(shè)矩形水溝方案改造水溝長(zhǎng)度為1627米，其中有仰拱地段長(zhǎng)度392m（含32m鋼筋砼二襯），無(wú)仰拱地段長(zhǎng)度為1235m。該隧道二次襯砌已施工完畢

14、，如采取該方案，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，在邊墻底及仰拱兩側(cè)設(shè)置？準(zhǔn)42鎖腳錨管加固，錨管長(zhǎng)4.5m，每側(cè)設(shè)置2根。在涌水點(diǎn)前后10米范圍內(nèi)每隔5米埋設(shè)大管徑引水管與仰拱底中心排水溝相連。對(duì)于引水處管頭應(yīng)采用鋼筋網(wǎng)片將引水管封閉，防止泥沙將引水管堵塞。在仰拱底增設(shè)矩形溝范圍段，特別是位于斷層破碎帶及填充物地段，由于地質(zhì)較差，為防止顆粒物隨水流失，引起隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，中心排水溝應(yīng)整體灌注，不得設(shè)置泄水孔。該方案優(yōu)點(diǎn)：在洞內(nèi)施工，施工安全有一定保障，施工風(fēng)險(xiǎn)低，工程投資低。缺點(diǎn)：洞內(nèi)開(kāi)挖速度較慢，施工進(jìn)度平均按80100m/月，施工工期較長(zhǎng)。破壞了襯砌和路

15、面的完整性，影響隧道結(jié)構(gòu)。清淤工作較難施作，對(duì)運(yùn)營(yíng)有一定的影響。3.2 增設(shè)中心排水管在原中心排水管兩邊增設(shè)6根？準(zhǔn)70cm中心圓管。經(jīng)檢算該涵管最大排水能力為43.8萬(wàn)方/d，最大排水能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足隧道的最大流水量145萬(wàn)方/d。剩余流量101.2萬(wàn)方/d排泄至路面上，最大侵入路面深度0.28m，如圖2所示。該方案優(yōu)點(diǎn)：在洞內(nèi)施工，施工安全有一定保障，施工風(fēng)險(xiǎn)低。工程投資低。缺點(diǎn)：洞內(nèi)開(kāi)挖速度較慢，施工進(jìn)度平均按80100m/月，施工工期較長(zhǎng)。破壞了路面的完整性，影響隧道結(jié)構(gòu)。暴雨季節(jié)容易造成交通安全事故，容易引起社會(huì)不良反應(yīng)。清淤工作較難施作，對(duì)運(yùn)營(yíng)有一定的影響。3.3 增設(shè)泄水洞引排泄

16、水洞設(shè)置原則：泄水洞斷面除滿(mǎn)足排水量的要求，還須滿(mǎn)足施工作業(yè)的要求;針對(duì)襯砌材料，還須滿(mǎn)足抗沖刷的要求;對(duì)于含泥量大的巖溶水，尚應(yīng)考慮防淤積的排水流速。泄水洞平面示意如圖3所示。泄水洞襯砌凈空斷面尺寸采用3.8m（寬）×3.9m（高）。該方案可節(jié)約投資，估算工程預(yù)算為1020萬(wàn)。但存在以下不足，由于通車(chē)工期越來(lái)越近，工期要求壓力較大，明年雨季來(lái)臨之前應(yīng)施工完畢。為方便施工作業(yè)要求，盡快在雨季前整治好病害，滿(mǎn)足工期要求，泄水洞襯砌凈空斷面尺寸為4.5m（寬）×4.0m（高）。該方案投資大，估算工程預(yù)算為1225萬(wàn)，但施工工期壓力小。該方案優(yōu)缺點(diǎn)：該方案有效地解決了可溶巖段地下

17、水排放問(wèn)題，施工工期影響較小。該方案施工風(fēng)險(xiǎn)較大，工程投資較高。3.4 洞內(nèi)引排方案+泄水洞引排方案右線隧道k23+190k24+640段在洞內(nèi)仰拱（底板）下增設(shè)矩形水溝;泄水洞起點(diǎn)樁號(hào)k24+640，泄水洞中線與右線隧道中線距離大于30m，設(shè)280m的泄水洞與線路呈28.4°交角，泄水洞縱坡采用2.3%下坡，泄水洞總長(zhǎng)280m。該方案中心水溝改造長(zhǎng)度1450m，泄水洞長(zhǎng)度280m。估算工程預(yù)算為683萬(wàn)。該方案優(yōu)缺點(diǎn)：該方案有效解決隧道進(jìn)口段仰拱拆除及重建施作難題，仰拱拆除較少，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全影響較小。泄水洞較短，施工風(fēng)險(xiǎn)較低。洞內(nèi)引排存在清淤工作對(duì)運(yùn)營(yíng)有一定影響。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)安全

18、及工期比較，最終方案確定采用洞內(nèi)引排方案加泄水洞引排。4  巖溶涌水事故處治方案設(shè)計(jì)經(jīng)方案比選，巖溶水整治采用洞內(nèi)引排加泄水洞方案，具體措施如下：右線k23+182.5k23+965段采取洞內(nèi)引排處理，在洞內(nèi)仰拱（底板）下增設(shè)中心矩形水溝;巖溶水從k23+965處引排至泄水洞，在該處設(shè)置橫向引水通道將洞內(nèi)矩形水溝與泄水洞相連。泄水洞中線與右線隧道中線距離等于或大于30m，先設(shè)535m與中線平行，再設(shè)453m的泄水洞與線路呈27度交角，泄水洞k23+965k24+500段縱坡采用4.0%下坡，k24+500至出口段縱坡采用5.0%下坡，泄水洞總長(zhǎng)988m。4.1 洞內(nèi)引排設(shè)計(jì)集水廊道段

19、：在右線隧道右側(cè)設(shè)一集水廊道，集水廊道中線距隧道中線15m，對(duì)應(yīng)正洞里程為k23+180+200，長(zhǎng)20m。于集水廊道面端頭處施作集水鉆孔，要求鉆孔深度不小于30m。集水廊道、橫向通道模筑拱部襯砌施作時(shí)應(yīng)預(yù)留108泄水孔，形成篩網(wǎng)狀，間距1m，梅花型布置。于k23+183、k23+190、k23+197處設(shè)置橫向通道將集水廊道與正洞排水系統(tǒng)相連，并于橫通道內(nèi)設(shè)置集水鉆孔引水。明挖段矩形溝尺寸采用1m（寬）×1m（高），暗挖段橫向通道尺寸采用2m（寬）×2m（高）。二襯底部明挖段采用i20b鋼架支撐，共設(shè)3榀;矩形溝兩側(cè)徑向施作22鎖腳錨桿，長(zhǎng)2.5m，共4根。蓋板施作后鋪設(shè)

20、2根長(zhǎng)2.0m的p43舊鋼軌。k23+182.5k23+967段（正洞內(nèi)）：由于該隧道僅有一個(gè)出水點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)流量在洞內(nèi)仰拱（底板）下增設(shè)矩形水溝，水溝尺寸為1.5m（寬）×2m（深）;于k23+190、+390、+590、+790處設(shè)置檢查井，檢查井采用c型檢查井。于k23+966處設(shè)置橫向通道與泄水洞相連，橫向通道尺寸采用2m（寬）×2m（高）。有仰拱地段中心矩形溝采用耐腐蝕鋼筋砼，并在仰拱與中心矩形溝處設(shè)置22鎖腳錨桿，錨桿長(zhǎng)3.5m，每延米設(shè)置2根，無(wú)仰拱地段中心矩形溝采用耐腐蝕砼。根據(jù)正洞對(duì)應(yīng)里程范圍內(nèi)，地下水對(duì)混凝土弱強(qiáng)度侵蝕性，凡與地下水接觸的工程均應(yīng)考慮耐腐

21、蝕問(wèn)題，耐腐蝕系數(shù)大于0.9。洞內(nèi)施工組織及施工方法：采用砼切割機(jī)逐層將砼及鋼筋砼切割后，在一定范圍內(nèi)搭設(shè)防護(hù)棚架，防止對(duì)既有襯砌及隧道結(jié)構(gòu)造成危害，再采取控制爆破或砼破碎機(jī)將砼拆除，控制爆破需多鉆炮眼并控制裝藥量。拆除有仰拱地段砼前，在邊墻底及仰拱兩側(cè)設(shè)置42鎖腳錨管加固，錨管長(zhǎng)4.5m，每側(cè)設(shè)置2根，縱向間距1m。鋼筋砼仰拱地段將仰拱鋼筋與中心矩形溝鋼筋連接起來(lái)。普通砼仰拱地段新老砼連接采用釬釘或界面劑處理。加強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定及爆破震動(dòng)對(duì)隧道影響的監(jiān)測(cè)。中心矩形溝開(kāi)挖必須采用洞內(nèi)控制爆破，每次爆破長(zhǎng)度應(yīng)控制在23m，鋼筋砼襯砌范圍爆破振速不大于5cm/s，一般砼范圍爆破振速不大于3cm

22、/s控制。在仰拱底增設(shè)矩形溝范圍段，特別是位于斷層破碎帶及填充物地段，由于地質(zhì)較差，為防止顆粒物隨水流失，引起隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，中心排水溝應(yīng)整體灌注，不得設(shè)置泄水孔。4.2 泄水洞設(shè)計(jì)泄水洞襯砌凈空斷面經(jīng)優(yōu)化后，尺寸采用3.5m（寬）×3.7m（高），泄水洞起點(diǎn)對(duì)應(yīng)右洞樁號(hào)k23+965，泄水洞中線與右線隧道中線距離大于或等于30m，先設(shè)535m泄水洞與線路平行，再設(shè)453m的泄水洞與線路呈27度交角。泄水洞k23+965k24+500段縱坡采用4.0%下坡，k24+500至出口段縱坡采用5.0%下坡，泄水洞總長(zhǎng)988m。泄水洞v、iv級(jí)圍巖采用模筑襯砌，iii級(jí)圍巖采用錨噴襯砌。對(duì)應(yīng)右

23、洞樁號(hào)k23+966處設(shè)一橫穿隧道的引水通道，將洞內(nèi)中心排水溝與泄水洞相連，把巖溶水引排出隧道。根據(jù)正洞對(duì)應(yīng)里程范圍內(nèi)，地下水對(duì)混凝土弱強(qiáng)度侵蝕性，凡與地下水接觸的工程均應(yīng)考慮耐腐蝕問(wèn)題，耐腐蝕系數(shù)大于0.9。在泄水洞設(shè)置錯(cuò)車(chē)洞，方便運(yùn)碴車(chē)調(diào)頭，錯(cuò)車(chē)洞每60m設(shè)置一個(gè)，錯(cuò)車(chē)洞長(zhǎng)5m，寬1.6m，共設(shè)置15個(gè)，具體位置可在施工中相應(yīng)調(diào)整。泄水洞施工風(fēng)險(xiǎn)及施工安全預(yù)防措施：泄水洞通過(guò)易突水、突泥地段，為防止巖溶涌突水造成施工災(zāi)害，一方面要通過(guò)左右線施工時(shí)的詳細(xì)地質(zhì)資料，有針對(duì)性加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，防止災(zāi)害發(fā)生;另一方面建立應(yīng)急機(jī)制：針對(duì)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的意外，施工單位應(yīng)編制好詳盡的應(yīng)急預(yù)案，并準(zhǔn)備好應(yīng)急設(shè)備、設(shè)施與資源，事故通告程序及指揮系統(tǒng)，做好應(yīng)急預(yù)案的培訓(xùn)。通過(guò)易發(fā)生突水、突泥地段，采用tsp203、地質(zhì)雷達(dá)、hy303紅外探水儀等設(shè)備和超前地質(zhì)鉆探，針對(duì)巖溶問(wèn)題開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。tsp203每150200m探測(cè)一次;地質(zhì)雷達(dá)每2030m探測(cè)一次;hy303紅外探水儀每3