某隧道涌水原因分析及泄水洞方案设计.pdf

福建交通科技圆园23 年第 5 期在岩溶富水地层中进行隧道设计与施工是近年来的一大难题袁特别是在我国西南地区袁岩溶发育尧极发育隧道数量繁多袁工程难度更大尧问题频发遥 岩溶围岩条件下的隧道不仅在施工过程中存在涌水尧突泥的安全风险袁还可能会因衬砌背后水压急剧升高产生结构开裂尧隧道施工缝尧墙面渗漏水及中心水沟排水能力不足等运营期病害袁严重影响公尧铁路隧道施工尧运营袁给工程带来极大的安全隐患和不确定性1遥 对隧道某一段落开展专项水文地质调查并提出针对性的处置方案2-3能够在前期设计阶段避免病害问题袁降低隧道施工风险袁保障其在后期的运营安全遥1工程背景1.1隧道概况川硐隧道位于贵州省六枝特区郎岱镇下辖折溪彝族乡穿洞村至折溪村一带袁 呈近南要北向展布袁为野分离式+小净距冶 的长隧道袁左线 2285 m袁右线 2274 m曰六枝端尧安龙端均采用削竹式洞门曰纵坡为人字坡袁坡度分别为 2.3%尧-0.8%袁右线变坡点桩号 为 YK10+230袁 左 线 变 坡 点 桩 号 为 ZK10+220.710曰该隧道左尧右线不存在超高情况袁路面横坡为-2.00%遥1.2现场涌水情况2021 年 12 月 8 日袁 隧道出口右洞掌子面施工至 YK10+445 时出现涌水袁沿裂隙流出袁出水点位于掌子面右线右侧袁距离右边墙 2.4 m袁裂隙与隧道轴线成 77毅夹角袁涌水量约 0.006 m3/s遥 施工单位继续掘进施工后袁出水点随裂隙在掌子面范围内斜向移动袁2022 年 4 月 23 日隧道上台阶开挖至 YK10+424.81 处袁出水点移动至掌子面右上方拱肩处袁基本判断该处为涌水的源头位置遥 随着 5 月雨季的到来袁涌水频次及涌水量明显增加袁涌水量受天气影响较大袁雨后涌水量明显增大袁晴天涌水量减小袁最大涌水量发生在 6 月 18 日袁为 8.7 万 m3/d遥 2022 年7 月 19 日暴雨过后袁YK10+424.81 处涌水量急剧增大袁经现场踏勘发现洞口用于收集排水数据的矩形沟已排满并漫流至路面袁 出水口较之前观测时大袁且水压较大袁现场初步测量涌水量达 24 万 m3/d袁涌水发生时现场洞内及洞外情况如图 1尧2 所示遥图 1隧道内涌水情况图 2洞外水流排泄情况某隧道涌水原因分析及泄水洞方案设计姻 宾胜林（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，沈阳110166）摘要我国西南地区受各种不良地质作用的影响袁 修建隧道具有难度高尧 风险大的特点袁而岩溶地质是该地区中较为复杂且常见的地质类型之一遥以贵州省六安高速川硐隧道涌水处置为依托袁通过专项水文地质调查及补充勘察袁分析了隧道岩溶及涌水成因袁提出了隧道外侧新建泄水洞的方案袁从而提高了隧道的排水能力袁降低隧道运营期间的水害风险遥关键词山岭隧道岩溶发育涌水原因泄水洞方案中图分类号院U457.2文献标志码院A文章编号院1674-8581渊2023冤05-0075-0475FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技圆园23 年第 5 期1.3施工方现场处置措施渊1冤在出水点渊YK10+424.81 处涌水点冤初支位置采用钢板支挡袁预留出水槽袁将水引至路侧暗沟袁并在出水位置安排观察员及时汇报出水情况曰渊2冤出水点前后各 20 m 段落设置衬砌变形监测点袁如有异常袁应立即停止施工袁撤离施工人员袁通知参建各方袁共同制定初支方案曰渊3冤加强出水点前方超前预报袁增加地质超前钻袁避免掌子面在施工过程中发生涌水突泥事故曰渊4冤在出水点及洞口排水汇流位置设排水流量监测点袁采集数据袁为制定下一步方案提供依据遥2专项水文调查成果渊1冤项目区属珠江流域北盘江水系袁由北西向南东以陈家小屯要大关口要新寨一带构成了木城河尧纳骂河分水岭袁木城河尧纳骂河均属雨源型河流遥 渊2冤场区地下水径流方向不受地表分水岭控制袁 由地表水文网及相应的地下暗河管道将区内划分为杨家大坡渊玉区冤尧纳骂渊域区冤尧折溪渊芋区冤3 个水文地质区遥 杨家大坡水文地质玉区按流场尧含水岩层及隔水岩层的分布袁划分为刘家屋基水文地质亚区渊玉1冤尧笔架山水文地质亚区渊玉2冤尧上坪寨水文地质亚区 渊玉3冤3 个亚区遥水文地质分区如图 3 所示遥 渊3冤隧道 YK9+800YK10+989段属刘家屋基水文地质亚区渊玉1冤袁含水岩组主要为 T1yn1灰岩袁地下水以暗河管道形式排泄袁富水性强曰 隧道 YK9+178YK9+800 段属笔架山水文地质亚区渊玉2冤袁含水岩组主要为 T1yn1尧T1y3尧T1y5灰岩袁地下水主要以高位涌出泉点排泄袁富水性强袁地下水易大量积水壅高袁流量和水位变化剧烈袁季节性交替极显著曰隧道 YK8+705YK9+178 段属上坪寨水文地质亚区渊玉3冤袁含水岩组主要为 P21尧P2c+d泥质粉砂岩袁富水性弱遥 渊4冤根据隧道施工涌水情况及勘察钻探揭露地下水情况袁涌水突泥变化均发生在降雨后袁对降雨响应非常敏感袁当没有降水补给时袁地下水位快速下降袁具有暴涨暴落的特点遥隧道涌水位置 YK10+424.81 处于季节交替带袁大量涌水应为丰水期暗河水暴涨上升至高处破碎带所引起遥 渊5冤通过分段落采用比拟法及大气降雨入渗法对涌水量进行计算袁预测隧道最大涌水量约67.6 万 m3/d遥图 3川硐隧道水文地质分区图3涌突水原因分析隧道穿越地层为三迭系下统永宁镇组第一段渊T1yn1冤灰岩尧泥岩袁三迭系下统夜郎组渊T1y冤灰岩尧泥岩袁二迭系上统长兴组和大隆组渊P2c+d冤泥质粉砂岩袁二迭系上统龙潭组渊P21冤泥质粉砂岩遥 地表岩溶洼地尧落水洞等发育袁隧道洞身及其附近易存在较大岩溶裂隙尧管道尧溶洞袁并存在松散尧软弱充填物或充水遥 根据隧址地质条件尧气象条件尧隧道施工现场情况袁本隧道涌突水原因如下院渊1冤隧道位于岩溶发育带尧裂隙破碎带且物探揭示溶洞和低阻异常地段发生涌水突泥院T1y中灰岩由于两侧泥岩封隔作用袁水流受阻壅高上升袁形成夹持储水构造袁局部形成较大储水空间和强岩溶发育带袁当前隧道施工已穿越 T1yn1 段尧T1y6 泥岩尧P2c+d泥质粉砂岩袁进入 T1y5尧T1y1 灰岩袁由于隧道埋深较大袁施工扰动极易诱发涌水突泥袁安全风险高遥 场区物探异常段发育隐伏岩溶连通隧道的可能性大袁 开挖后涌水突泥风险高遥渊2冤隧道穿过暗河管道及破碎带诱发涌水突泥院现隧道涌水位置 YK10+424.81 附近存在岩溶管道袁项目区夏尧秋两季雨量充沛袁岩溶发育袁地表水径流和下渗容易转化为岩溶水袁尤其在暴雨期间袁地下水位迅速上升袁水压增大袁极易诱发涌水突泥遥 渊3冤可溶岩与非可溶岩接触面发生涌水突泥院T1yn1尧T1y存在灰岩与泥岩接触袁极易发生强烈溶蚀形成岩溶管道或溶洞袁并存在松散尧软弱充填物或充水袁造成施工涌水突泥遥 渊4冤隧道位于洼地落水洞及漏斗渊深坑冤下方发生涌水突泥院现隧道涌水位置 YK10+424.81右侧 30 m 有一落水洞袁致使该段涌水问题严重袁YK10+780YK10+860 段上方有落水洞袁虽隧道施工已穿越此区域袁通过落水洞急剧灌入地下袁落水洞内存在充填袁暴雨期仍存在涌水突泥风险遥 渊5冤隧道洞周岩溶发育袁隧道在施工过程中打通地下水运移桥隧工程76福建交通科技圆园23 年第 5 期通道袁导致富存在周围溶腔尧裂隙中的储存水瞬时涌出袁形成新的排水路径遥 渊6冤隧道开挖爆破振动破坏了山体既有的平衡状态袁导致山体裂隙状态改变袁形成集中排水通道袁径流补给压力增大袁大量水流压入隧道主洞袁造成涌水事故遥 渊7冤本隧道施工期间袁对地下水了解不够充分袁所揭露的溶洞尧岩溶管道存在施工单位擅自填埋封堵情况袁填埋过程中部分开挖洞渣及混凝土堵塞地下河袁且地下河下游主管道排水能力有限袁致使强降雨后地下水位剧烈上升袁隧道形成短时有压涌水状况遥4涌水处置措施4.1泄水洞方案根据专项水文调查及补充勘察成果袁川硐隧道洞内排水系统的排水能力无法满足极端气候的峰值水量袁拟采用泄水洞方案袁将各出水点涌水引入泄水洞遥 泄水洞出口标高高于木城河袁出口设置沉砂池袁而后排入木城河遥 设计方案应遵循少占基本农田尧节约耕地原则袁采用平行隧道主洞的泄水洞布设方式袁泄水洞布置于川硐隧道右洞右侧袁净距30 m袁 泄水洞尧 主洞及洞外改河位置关系如图 4尧5所示遥图 4泄水洞平面布置图图 5洞外泄水洞接入木城河改河4.2泄水洞平纵设计泄水洞设置于川硐隧道安龙端右幅右侧渊岩溶管道来水方向冤袁长 545 m袁泄水洞测设基线与主洞右幅测设基线线间距 43.5 m袁净距约 30 m袁纵坡为-2.25%袁最大埋深约 105 m遥 泄水洞穿越的地层与主洞基本一致袁主要为三叠系下统永宁镇组第一段渊T1yn1冤中风化灰岩袁围岩级别为郁级尧吁级遥4.3泄水洞轮廓设计泄水洞衬砌内轮廓依据预测瞬时最大涌水量袁综合考虑施工期间机械开挖空间尧工程材料运入与碴料运出车辆通行尧施工通风尧通水尧通电管线尧运营期间管养人员定期检测及清淤等所需空间要求袁采用野半圆拱+直边墙+底板冶起拱断面袁净高伊净宽=4.5伊3.5 m袁净空断面面积 14.44 m2袁设置 1 m 高矮边墙袁泄水洞内轮廓如图 6 所示遥 经验算袁泄水洞断面直墙部分排水能力为 170.0 万 m3/d袁满足预测最大涌水量 67.6 万 m3/d 的排水要求袁安全系数 2.5遥图 6泄水洞内轮廓设计4.4泄水洞洞口设计为便于施工组织及顺接洞外改河排水系统袁泄水洞洞口选择在右洞右侧沟谷内袁尽量降低洞口边仰坡的开挖高度袁以保证山体的稳定遥 洞门型式主要考虑防护功能袁采用野零开挖冶进洞袁并在洞口设置栏栅门袁方便后期检修袁防止人尧畜误入遥4.5泄水洞支护结构设计泄水洞洞身衬砌设计以新奥法原理为指导袁洞口地质较差段采用复合式衬砌袁其余围岩段落采用锚喷支护遥 隧道衬砌类型尧衬砌断面型式尧衬砌结构尺寸设计主要采用工程类比法袁结合构造要求及经济技术比较袁吁级围岩洞口浅埋段采用20 cm 厚初支及 30 cm 厚 C30 钢筋混凝土复合衬砌结构袁衬砌设计如图 7 所示曰吁级围岩深埋段采用 22 cm 厚锚喷支护结构曰郁级围岩地段采用 10 cm厚锚喷支护遥77FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技圆园23 年第 5 期图 7泄水洞典型断面衬砌设计4.6泄水洞与主洞衔接设计根据既有工程经验袁将集中涌水接入泄水洞是排水方案的关键部分袁本工程采用设置集水廊道措施袁先将涌水引入集水廊道袁再顺接入泄水洞袁随后排出洞外遥 设计集水廊道及泄水洞标高均低于隧道主洞袁设置在涌水的来水方向袁增加涌水接入的容错度袁保证涌水集中顺利排出袁避免水害影响主洞袁保证隧道后期运营安全遥 设置集水廊道情况如图 8所示遥5结语结合岩溶发育隧道的涌水处置工程实例袁通过对现场情况的具体分析袁总结出泄水洞的设计要点袁得到结论如下院渊1冤西南地区岩溶发育袁地下暗河错综复杂袁隧道涌突水原因繁多袁有针对性的开展某一段落的专项水文调查袁能够为涌水原因分析及制定设计方案提供依据袁保障隧道施工及运营安全曰渊2冤对于集中尧涌水量大的出水点采用泄水洞方案袁能够有效提高隧道排水能力袁 减小沉沙淤积影响袁方便后期检修遥参考文献1袁溢.深埋岩溶富水地层铁路隧道泄水洞设计J.地下空间与工程学报袁2021袁17渊3冤院834-839.2朱建伟袁朱建国.郑万高铁小三峡隧道溶洞综合处理技术J.隧道建设渊中英文冤袁2021袁41渊S1冤院401-406.3兰庆男袁许芃袁陶伟明袁等.隧道集水廊道底板型衬砌结构排水泄压能力研究J.人民长江袁2022袁53渊7冤院142-147.渊a冤平面图渊b冤剖面图图 8主洞及泄水洞通过集水廊道连接示意图桥隧工程78