隧道涌水溶洞施工處治研究及應用

饒坤榮 韋權(quán) 廖智德 盧振有

摘要：文章對隧道工程實例的涌水溶洞現(xiàn)場狀況進行了研究，分析其溶洞構(gòu)造及風險，制定了相應的處治對策。通過對溶洞處治段排水效果及監(jiān)控量測進行跟蹤觀察可知，當降雨量較大時，該溶洞處治段及附近區(qū)域二襯無滲水現(xiàn)象，沉砂池內(nèi)有部分淤泥，主要以清水為主，總體排水效果較好。

關(guān)鍵詞：隧道；涌水溶洞；抗水壓襯砌；預埋排水管

中圖分類號：U456.3+2A150493

0引言

山區(qū)高速公路建設中隧道是關(guān)鍵性的工程，隧道能否順利貫通關(guān)乎整條路線的通車問題。隧道施工會面臨各種復雜的地質(zhì)情況，其中最常遇到的就是溶洞，常規(guī)的空溶洞或者填充型溶洞相對容易處治，最復雜的就是涌水溶洞的處理，原則是不可輕易堵水，盡量以排水為主，輔以抗水壓襯砌［1］。本文通過研究廣西賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）№1合同段弄莫隧道出口左洞（40 m）巖溶地質(zhì)段和伏龍隧道右線溶洞處涌水病害處治，總結(jié)出一套隧道涌水溶洞施工處治技術(shù)。該段高速公路開通運營至今狀況良好，證明了處治技術(shù)應用的成功，值得同類項目參考。

1伏龍隧道涌水溶洞處治

1.1涌水溶洞現(xiàn)場狀況

伏龍隧道右洞上臺階進尺為542 m，埋深為160 m，設計為Ⅲ級圍巖，圍巖較好，左拱腰處有局部泥質(zhì)充填，出現(xiàn)大量涌水，水量較大且急，水質(zhì)較渾濁，將1.65 m×0.7 m的中心水溝滿灌。隨著開挖掘進，在上臺階右拱腳處揭露出一直徑約2.5 m、高度未知的溶洞，該溶洞沿拱頂方向往上延伸，水流從巖溶裂隙流出，水質(zhì)較清，流量約為1.200 L/s。預埋4根150 mm的PVC管（溶洞未回填混凝土），下雨后，該溶洞內(nèi)涌水量明顯增大，水體含泥量大，含有粉細砂顆粒。

1.2溶洞構(gòu)造及風險分析

通過現(xiàn)場踏勘對伏龍隧道右洞溶洞涌水病害進行分析，得出三點判斷：

（1）涌水段附近存在大溶腔。

（2）該溶洞涌水受地表降水補給明顯，與地表連通。

（3）涌水含粉細砂，存在高風險。

1.3制定處治對策及實施

伏龍隧道涌水量大，泥、粉細砂含量較高，若處理不好則雨季或后期運營過程中可能出現(xiàn)水害，具有高風險，影響隧道安全。通過分析，此類病害處治應“以排為主，輔以抗水壓襯砌”［2］。

通過分析溶洞地質(zhì)和水文基礎資料，再結(jié)合現(xiàn)場踏勘情況，確定處治方案如下：

（1）拆除伏龍隧道右線溶洞處邊墻鋼架，并對溶腔進行適當擴挖，通過埋設抽芯管將巖溶水經(jīng)沉砂池沉淀后引排至中心排水溝。抽芯管采用土工布包裹。

（2）伏龍隧道右段設置抗水壓襯砌。

（3）施工過程中加強監(jiān)測，施工后期加強對排水效果的跟蹤觀測，進一步對地下水進行調(diào)查。

處治方案實施以來，對處治段排水效果及監(jiān)控量測進行跟蹤觀察，降雨量較大時，處治段及附近區(qū)域二襯已無滲水現(xiàn)象，排水管也無填充物阻塞。

2弄莫隧道涌水溶洞處治

2.1溶洞現(xiàn)場狀況

弄莫隧道出口左洞施工掌子面，進洞969 m，往前左洞位于低洼地F斷層通過區(qū)域，隧道埋置深度處于125～150 m。原設計該溶洞地質(zhì)段為Ⅴ級圍巖，設計襯砌類型為S5-B，掌子面圍巖局部白色方解石與灰?guī)r充填膠結(jié)相對較好，溶蝕裂隙發(fā)育，局部夾泥，溶蝕裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育［3］。開挖揭露情況與原設計圍巖地質(zhì)情況基本相符。根據(jù)實際開挖與支護情況，圍巖開挖過程穩(wěn)定，初期支護按原設計施工。施工期間初期支護右側(cè)拱腳涌水情況如下：

隧道區(qū)域遭遇大暴雨后，弄莫隧道出口左洞右側(cè)（面對掌子面右側(cè)）拱腳突然涌水，涌水量較大且夾帶大量泥和少量砂。左洞右側(cè)底部邊墻初支滲水明顯。短時間內(nèi)（1～2 h）將隧道洞內(nèi)施工區(qū)域淹沒，水深0.3～1 m；1 h內(nèi)最大水流量估算V=100 m×12 m×0.65 m/h=780 m3/h，實際水流量＞780 m3/h，部分水往洞口流出。溶洞涌水過程約帶出5～8 m3紅黏土泥，含少量砂。

2.2現(xiàn)場地質(zhì)勘察情況

在左洞右側(cè)邊墻進行超前地質(zhì)預報和超前地質(zhì)鉆探，結(jié)果如圖1所示：左洞右側(cè)隧底巖層較好，無隱伏溶洞地質(zhì)。右側(cè)邊墻0～8 m處圍巖總體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部溶隙和溶槽發(fā)育；右側(cè)邊墻8～20 m處圍巖總體破碎，溶洞和溶槽密集發(fā)育，主要為小型溶槽和黏土夾石地質(zhì)。在右側(cè)邊墻鉆孔后，水從鉆孔噴出，根據(jù)現(xiàn)場情況大概計算水流噴出速度V為2.3～2.5 m/s，推測右側(cè)有過水通道。

2.3涌水段處治方案

弄莫隧道涌水量大，涌水夾帶的泥、砂含量較高，對隧道結(jié)構(gòu)及質(zhì)量影響較大。分析研究后，制定右側(cè)拱腳涌水處治方案如下：

（1）該溶洞段周邊巖溶發(fā)育，隧道右側(cè)涌水量較大，且含有紅黏土和泥沙，應盡可能避免涌水過程將紅黏土和泥沙帶入中心排水溝，避免隧道中心排水溝堵塞［4］。

（2）對本段弄莫隧道左洞（長為2 459 m）右側(cè)弱電電纜溝進行改造；對隧道洞內(nèi)人字坡最高點進行導水，可利用右側(cè)弱電電纜溝進行排水、沉砂。取消弄莫隧道左洞弱電電纜溝內(nèi)的托架等相關(guān)設施，弱電電纜及通信管道可集中放在電纜溝頂部的電纜管箱內(nèi)，加大管箱規(guī)格，加密托架的布設間距，消防管放在隧道檢修道邊墻一側(cè)，集中利用電纜溝下部的空間作為排水及沉砂的空間。

（3）在本段隧道右側(cè)設置面積≥7 m2的匯流槽，匯流槽底部采用混凝土封底，并留有涌水孔，上部采用錨噴支護。根據(jù)現(xiàn)場集中出水點情況設置4個匯流槽，在匯流池底部和拱腳設置縱向排水溝槽，將4個匯流槽連接［5］。

（4）結(jié)合現(xiàn)有凈空條件適當加強二襯，二襯采用加深仰拱的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。匯流槽處的二襯開250 cm×270 cm（寬×高）的孔洞，方便清沙及檢修。匯流槽處的二襯開孔應設可開啟的鋼門。

（5）加密環(huán)向盲管及橫向?qū)?，在隧道右?cè)及本段臨近段落增設泄水孔，孔內(nèi)設置外包無紡布的硬式透水管。

（6）溶洞涌水段兩端設置端頭段隔水，減小竄水的影響［6］。

弄莫隧道出口左洞溶洞段采用處治方案實施以來，對溶洞處治段排水效果及監(jiān)控量測進行跟蹤觀察，降雨量較大時，該溶洞處治段及附近區(qū)域二襯無滲水現(xiàn)象，沉砂池內(nèi)有部分淤泥，主要以清水為主，總體排水效果較好。

3經(jīng)濟效益分析

采用沉砂橫洞處治巖溶隧道拱墻涌水溶洞施工方法進行處治施工，適應性強，處治效果顯著，保證了涌水溶洞處治期間的施工安全，且質(zhì)量滿足設計及規(guī)范要求；避免了后期因隧道排水系統(tǒng)堵塞，溶洞段襯砌背后承受較大水壓，造成隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重滲漏的現(xiàn)象；避免在運營期間封閉交通進行處治，降低了后期維護和檢修的成本，有良好的社會效益和間接性經(jīng)濟效益［7-8］。

弄莫隧道出口左洞涌水溶洞采用“抗水壓襯砌加強+預埋排水管”方案變更增加的總費用（以40 m計算），與采用“抗水壓襯砌加強+沉砂橫洞（8 m）”方案變更增加的總費用（以40 m+8 m沉砂橫洞計算）對比如表1所示。

與“抗水壓襯砌施工+預埋排水管引排”的方案相比，采用“抗水壓襯砌加強+沉砂橫洞（8 m）”方案需增加投資=1 121 275-1 075 272=46 003元。

與“抗水壓襯砌施工+預埋排水管”相比，采用“抗水壓襯砌加強+沉砂橫洞（8 m）”方案成本增加率為=4.600 3÷107.527 2×100%=4.28%。

通過兩種施工方案成本的對比，可以得出采用“抗水壓襯砌加強+沉砂橫洞（8 m）”方案的施工成本稍微高4%～5%，直接經(jīng)濟效益不明顯，但溶洞處治后工程質(zhì)量得到保障，避免了后期返工處理增加的成本，降低運營期間的維護成本，間接性經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

4結(jié)語

本文通過實際工程案例分析了隧道涌水溶洞施工處治方法。與傳統(tǒng)的分層泵送混凝土回填隧道拱墻外側(cè)溶洞、加密環(huán)向排水管和橫向排水管、環(huán)向設置徑向深孔泄水孔引排施工方法，以及在初支外側(cè)提前預埋多根300 mm排水管后對隧道拱墻外側(cè)溶洞回填混凝土到預定高度、將排水管接通至中心水溝、在中心水溝位置設置檢查井和加深沉砂池的施工方法相比，本方法通過設置沉砂橫洞結(jié)構(gòu)，在溶洞內(nèi)先預埋排水管，泵送混凝土回填溶洞，克服了隧道巖溶發(fā)育段圍巖穩(wěn)定性差、施工過程掌子面靠溶洞一側(cè)易發(fā)生塌方的難題，保證了施工安全。同時，沉砂橫洞起到集水、排水、沉砂、過濾的作用，延長了隧道中心排水溝和沉淀池工作時間；沉砂橫洞底預埋多根500 mm排水管作為過水通道，隧底涌水時起到排水降壓的作用，避免了巖溶水對隧道結(jié)構(gòu)造成破壞，保證了隧道結(jié)構(gòu)的安全耐久性。

參考文獻［1］鄭宗利，關(guān)惠軍，茍想偉，等.巖溶隧道突涌水預警體系的建立［J］.災害學，2022（1）：41-46.

［2］劉卓華，朱貴.在運營高速公路隧道涌水災害應急搶險處治研究［J］.西部交通科技，2021（7）：126-129，185.

［3］鄧書金，洪愛花，徐鐘，等.巖溶隧道充填型隱伏溶洞涌突水持續(xù)時間特征試驗研究［J］.水利水電技術(shù)（中英文），2021，52（5）：97-108.

［4］韓行瑞.巖溶隧道涌水及其專家評判系統(tǒng)［J］.中國巖溶，2004（3）：47-52.

［5］石少帥.深長隧道充填型致災構(gòu)造滲透失穩(wěn)突涌水機理與風險控制及工程應用［D］.濟南：山東大學，2014.

［6］王遇國.巖溶隧道突水災害與防治研究［D］.北京：中國鐵道科學研究院，2010.

［7］張慶松，李術(shù)才，韓宏偉，等.巖溶隧道施工風險評價與突水災害防治技術(shù)研究［J］.山東大學學報（工學版），2009，39（3）：106-110.

［8］汪海濱.山嶺隧道地下水規(guī)律及防治方法研究［D］.成都：西南交通大學，2002.

作者簡介：饒坤榮（1984—），高級工程師，主要從事道路橋梁施工技術(shù)工作。