某隧道涌水原因分析及泄水洞方案設計

■賓勝林

（遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，沈陽 110166）

在巖溶富水地層中進行隧道設計與施工是近年來的一大難題，特別是在我國西南地區，巖溶發育、極發育隧道數量繁多，工程難度更大、問題頻發。巖溶圍巖條件下的隧道不僅在施工過程中存在涌水、突泥的安全風險，還可能會因襯砌背后水壓急劇升高產生結構開裂、隧道施工縫、墻面滲漏水及中心水溝排水能力不足等運營期病害，嚴重影響公、鐵路隧道施工、運營，給工程帶來極大的安全隱患和不確定性[1]。對隧道某一段落開展專項水文地質調查并提出針對性的處置方案[2-3]能夠在前期設計階段避免病害問題，降低隧道施工風險，保障其在后期的運營安全。

1 工程背景

1.1 隧道概況

川硐隧道位于貴州省六枝特區郎岱鎮下轄折溪彝族鄉穿洞村至折溪村一帶，呈近南—北向展布，為“分離式+小凈距”的長隧道，左線2285 m，右線2274 m；六枝端、安龍端均采用削竹式洞門；縱坡為人字坡，坡度分別為2.3%、-0.8%，右線變坡點樁號為YK10+230，左線變坡點樁號為ZK10+220.710；該隧道左、右線不存在超高情況，路面橫坡為-2.00%。

1.2 現場涌水情況

2021 年12 月8 日，隧道出口右洞掌子面施工至YK10+445 時出現涌水，沿裂隙流出，出水點位于掌子面右線右側，距離右邊墻2.4 m，裂隙與隧道軸線成77°夾角，涌水量約0.006 m3/s。施工單位繼續掘進施工后，出水點隨裂隙在掌子面范圍內斜向移動，2022 年4 月23 日隧道上臺階開挖至YK10+424.81 處，出水點移動至掌子面右上方拱肩處，基本判斷該處為涌水的源頭位置。隨著5 月雨季的到來，涌水頻次及涌水量明顯增加，涌水量受天氣影響較大，雨后涌水量明顯增大，晴天涌水量減小，最大涌水量發生在6 月18 日，為8.7 萬m3/d。2022 年7 月19 日暴雨過后，YK10+424.81 處涌水量急劇增大，經現場踏勘發現洞口用于收集排水數據的矩形溝已排滿并漫流至路面，出水口較之前觀測時大，且水壓較大，現場初步測量涌水量達24 萬m3/d，涌水發生時現場洞內及洞外情況如圖1、2 所示。

圖1 隧道內涌水情況

圖2 洞外水流排泄情況

1.3 施工方現場處置措施

（1）在出水點（YK10+424.81 處涌水點）初支位置采用鋼板支擋，預留出水槽，將水引至路側暗溝，并在出水位置安排觀察員及時匯報出水情況；（2）出水點前后各20 m 段落設置襯砌變形監測點，如有異常，應立即停止施工，撤離施工人員，通知參建各方，共同制定初支方案；（3）加強出水點前方超前預報，增加地質超前鉆，避免掌子面在施工過程中發生涌水突泥事故；（4）在出水點及洞口排水匯流位置設排水流量監測點，采集數據，為制定下一步方案提供依據。

2 專項水文調查成果

（1）項目區屬珠江流域北盤江水系，由北西向南東以陳家小屯—大關口—新寨一帶構成了木城河、納罵河分水嶺，木城河、納罵河均屬雨源型河流。（2）場區地下水徑流方向不受地表分水嶺控制，由地表水文網及相應的地下暗河管道將區內劃分為楊家大坡（Ⅰ區）、納罵（Ⅱ區）、折溪（Ⅲ區）3 個水文地質區。楊家大坡水文地質Ⅰ區按流場、含水巖層及隔水巖層的分布，劃分為劉家屋基水文地質亞區（Ⅰ1）、筆架山水文地質亞區（Ⅰ2）、上坪寨水文地質亞區 （Ⅰ3）3 個亞區。水文地質分區如圖3 所示。（3）隧道YK9+800～YK10+989段屬劉家屋基水文地質亞區（Ⅰ1），含水巖組主要為灰巖，地下水以暗河管道形式排泄，富水性強；隧道YK9+178～YK9+800 段屬筆架山水文地質亞區（Ⅰ2），含水巖組主要為灰巖，地下水主要以高位涌出泉點排泄，富水性強，地下水易大量積水壅高，流量和水位變化劇烈，季節性交替極顯著；隧道YK8+705～YK9+178 段屬上坪寨水文地質亞區（Ⅰ3），含水巖組主要為P21、P2c+d泥質粉砂巖，富水性弱。（4）根據隧道施工涌水情況及勘察鉆探揭露地下水情況，涌水突泥變化均發生在降雨后，對降雨響應非常敏感，當沒有降水補給時，地下水位快速下降，具有暴漲暴落的特點。隧道涌水位置YK10+424.81 處于季節交替帶，大量涌水應為豐水期暗河水暴漲上升至高處破碎帶所引起。（5）通過分段落采用比擬法及大氣降雨入滲法對涌水量進行計算，預測隧道最大涌水量約67.6 萬m3/d。

圖3 川硐隧道水文地質分區圖

3 涌突水原因分析

4 涌水處置措施

4.1 泄水洞方案

根據專項水文調查及補充勘察成果，川硐隧道洞內排水系統的排水能力無法滿足極端氣候的峰值水量，擬采用泄水洞方案，將各出水點涌水引入泄水洞。泄水洞出口標高高于木城河，出口設置沉砂池，而后排入木城河。設計方案應遵循少占基本農田、節約耕地原則，采用平行隧道主洞的泄水洞布設方式，泄水洞布置于川硐隧道右洞右側，凈距30 m，泄水洞、主洞及洞外改河位置關系如圖4、5所示。

圖4 泄水洞平面布置圖

圖5 洞外泄水洞接入木城河改河

4.2 泄水洞平縱設計

泄水洞設置于川硐隧道安龍端右幅右側（巖溶管道來水方向），長545 m，泄水洞測設基線與主洞右幅測設基線線間距43.5 m，凈距約30 m，縱坡為-2.25%，最大埋深約105 m。泄水洞穿越的地層與主洞基本一致，主要為三疊系下統永寧鎮組第一段（T1yn1）中風化灰巖，圍巖級別為Ⅳ級、Ⅴ級。

4.3 泄水洞輪廓設計

泄水洞襯砌內輪廓依據預測瞬時最大涌水量，綜合考慮施工期間機械開挖空間、工程材料運入與碴料運出車輛通行、施工通風、通水、通電管線、運營期間管養人員定期檢測及清淤等所需空間要求，采用“半圓拱+直邊墻+底板”起拱斷面，凈高×凈寬=4.5×3.5 m，凈空斷面面積14.44 m2，設置1 m 高矮邊墻，泄水洞內輪廓如圖6 所示。經驗算，泄水洞斷面直墻部分排水能力為170.0 萬m3/d，滿足預測最大涌水量67.6 萬m3/d 的排水要求，安全系數2.5。

圖6 泄水洞內輪廓設計

4.4 泄水洞洞口設計

為便于施工組織及順接洞外改河排水系統，泄水洞洞口選擇在右洞右側溝谷內，盡量降低洞口邊仰坡的開挖高度，以保證山體的穩定。洞門型式主要考慮防護功能，采用“零開挖”進洞，并在洞口設置欄柵門，方便后期檢修，防止人、畜誤入。

4.5 泄水洞支護結構設計

泄水洞洞身襯砌設計以新奧法原理為指導，洞口地質較差段采用復合式襯砌，其余圍巖段落采用錨噴支護。隧道襯砌類型、襯砌斷面型式、襯砌結構尺寸設計主要采用工程類比法，結合構造要求及經濟技術比較，Ⅴ級圍巖洞口淺埋段采用20 cm 厚初支及30 cm 厚C30 鋼筋混凝土復合襯砌結構，襯砌設計如圖7 所示；Ⅴ級圍巖深埋段采用22 cm 厚錨噴支護結構；Ⅳ級圍巖地段采用10 cm厚錨噴支護。

圖7 泄水洞典型斷面襯砌設計

4.6 泄水洞與主洞銜接設計

根據既有工程經驗，將集中涌水接入泄水洞是排水方案的關鍵部分，本工程采用設置集水廊道措施，先將涌水引入集水廊道，再順接入泄水洞，隨后排出洞外。設計集水廊道及泄水洞標高均低于隧道主洞，設置在涌水的來水方向，增加涌水接入的容錯度，保證涌水集中順利排出，避免水害影響主洞，保證隧道后期運營安全。設置集水廊道情況如圖8所示。

圖8 主洞及泄水洞通過集水廊道連接示意圖

5 結語

結合巖溶發育隧道的涌水處置工程實例，通過對現場情況的具體分析，總結出泄水洞的設計要點，得到結論如下：（1）西南地區巖溶發育，地下暗河錯綜復雜，隧道涌突水原因繁多，有針對性的開展某一段落的專項水文調查，能夠為涌水原因分析及制定設計方案提供依據，保障隧道施工及運營安全；（2）對于集中、涌水量大的出水點采用泄水洞方案，能夠有效提高隧道排水能力，減小沉沙淤積影響，方便后期檢修。