湘桂铁路山乾隧道岩溶涌水涌泥原因分析及治理措施

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

我国西南、华南、华中山区可溶岩分布广、厚度大[1]，由此带来的铁路隧道岩溶工程地质问题凸显。渝怀铁路圆梁山隧道[2]、黔桂铁路拉岜隧道[3]、宜万铁路高坪1#隧道[4]、兰渝铁路龙凤隧道[5]均遇到了大规模、连续分布、充填形态不一的溶洞。前人也对岩溶发育情况、水文地质特征进行了分析，并总结了地表引排、洞内排泄、注浆封堵、释能降压等施工方法[6-10]，对岩溶的治理起到了良好的效果。本文结合水文地质条件，分析湘桂铁路山乾隧道地下水补给径流条件和隧道涌水涌泥原因，并提出治理方案。

1 工程概况

山乾隧道是湘桂铁路永州至柳州段典型岩溶隧道。隧址区属低山岩溶峰丛地貌，地形起伏较大，丘包与槽谷相间分布，丘包最大高程约250 m，谷地高程140～150 m。下伏基岩为泥盆系上统佘田桥组中厚～巨厚层灰岩、白云质灰岩夹白云岩及泥质灰岩，岩溶中等～强烈发育。隧道进口及洞身段地层单斜，出口侧有山乾1#，2#断层通过，断层宽3～10 m。

隧道自进口至出口纵坡坡度为4.1‰，进口里程为DK204+170，出口里程为DK206+135，隧道全长 1 965 m，隧道最大埋深约70 m，属于单面上坡岩溶浅埋隧道。围岩级别以Ⅳ级、Ⅴ级为主，按进口工区、出口工区组织施工，隧区涌水涌泥主要发生在出口工区。

2 山乾隧道岩溶特征

2.1 地表岩溶特征

隧址区地处岩溶峰丛地带，岩溶发育。岩体整体破碎，节理裂隙发育，地表多见石芽、溶缝、溶孔、溶槽等，并且溶洞、落水洞、岩溶洼地发育。DK204+850—DK205+140段隧道顶部为两山谷间洼地，汇水面积约 242 230 m2。DK205+460—DK205+540段隧道顶部为岩溶洼地，洼地最低处标高192.1 m，汇水面积约 226 420 m2,雨季汇水量巨大。

2.2 施工揭示的岩溶情况

在山乾隧道施工开挖过程中，揭示出4个与隧道相交的岩溶发育段落。

图1 DK205+489—DK205+494段溶洞揭示情况(单位：cm)

1)DK205+489—DK205+494段。DK205+492处左侧拱脚处发现岩溶空洞，在台阶底测得溶洞环向长(隧道横断面方向)3.5 m，纵向宽(顺线路方向)1.8 m，示意如图1。溶洞内无松散填充物及地下水，但有明显流水冲刷痕迹，洞壁表面湿润，岩体完整，DK205+489掌子面拱顶处发现一岩溶管道，垂直向拱顶方向发育，已揭示部分溶洞口位于线路左侧拱顶，环向长约4.5 m，纵向宽1.0 m，溶槽内无松散填充物，但有明显流水溶蚀痕迹，可视高度5～6 m，向地表方向延伸，周边岩体完整。

2)DK205+480—DK205+483段。左侧拱腰处发育2个溶洞，分别位于DK205+480和DK205+483。DK205+480处溶洞为主溶洞，洞口直径约1.0 m，DK205+483处溶洞为主溶洞的分支溶洞，洞口直径约0.8 m，溶洞向线路外侧延伸，深度不可见，溶洞内填充黏土及泥浆，洞壁表面湿润，有流水冲刷痕迹。2个溶洞在DK205+482线路左侧拱腰处交汇为一个空溶洞，直径约5 m。示意如图2。

图2 DK205+480—DK205+483段溶洞揭示情况(单位：cm)

3)DK205+370—DK205+384段。多个溶槽于DK205+370—DK205+384段隧道拱部形成溶洞，环向长约15 m，纵向宽约14 m，可视高度8 m，溶洞顶部及两侧发育有多个溶槽。溶洞及部分小溶槽内填充有泥土，周边围岩破碎，夹黄泥。溶洞壁表面湿润并见少量流水。示意如图3。

图3 DK205+370—DK205+384段溶洞揭示情况(单位：cm)

4)隧道出口端在DK205+108左侧揭示一岩溶裂隙。该裂隙自DK205+102右侧至DK205+108左侧形成横向切割隧道的全环裂隙带，宽度3～5 cm(在隧底宽5～8 cm)，裂隙两侧局部围岩破碎，中间填充黄泥、褐色泥砂。DK205+108左侧起拱线附近有一股较大水流自裂隙内流出。示意如图4。

图4 DK205+102右侧—DK205+108左侧裂隙带(单位：cm)

2.3 隧底勘探揭示的岩溶情况

根据现场开挖情况，对山乾隧道实施隧底地质雷达物探检测及补充钻探。

物探检测结果显示：DK205+099—DK205+102段，DK205+104—DK205+114段隧道底面下部4～13 m 岩体破碎，节理裂隙发育，无溶洞。

钻探结果揭示：DK205+094—DK205+104段隧道底面下部4～14 m岩体破碎，溶蚀裂隙发育，未见大的溶洞，在DK205+103.70右侧6.50 m处灌注混凝土厚2.1 m，接触基岩部位岩体破碎，可见灰岩碎屑，隧道底面下部7 m处发现2个直径0.4～0.5 m的小空洞；DK205+103.00右侧4.10 m处灌注混凝土厚1.9 m，接触基岩部位未见异常，隧道底面下部12 m处发现1个直径1.5 m充填泥砂的溶洞。

3 隧道施工涌水涌泥情况及原因分析

3.1 施工涌水涌泥情况

山乾隧道出口工区自2010年12月初在开挖施工过程中多次出现隧道洞身涌水，尤其在2010年12月13日、2011年4月5日、2011年5月9日及2011年6月13日先后发生4次大的涌水、涌泥砂现象，经测算其平均涌水量分别达到 17 000,12 000,44 000,33 500 m3/d。大量的涌水携泥沙导致出口端施工掌子面被淹，仰拱及填充体被整体抬高甚至破坏，严重影响隧道施工和后期运营安全。

2011年6月25日、2011年6月28日，隧道内再次发生大量涌水，除隧道洞身左右侧涌水点外，大量涌水从隧底勘探钻孔中以承压性质涌出，冒出的水头高度最大可达1.5 m(见图5)。

图5 2011年6月28日隧底钻孔涌水情况

3.2 原因分析

山乾隧道在施工过程中导致线路右侧距线路中心线300 m处新铺里村2处饮用兼灌溉水井水位较往年严重下降，并有1处水井基本干涸。1处水井位于DK205+720.6线路右侧329.5 m处，为一自然形成岩溶涌水口，井口水面标高159.504 m；另1处水井位于DK205+810.0线路右侧382.8 m处，井口水面标高159.411 m。该段隧底开挖标高最低为153.4 m，分别比2处水井水面标高低6.104，6.011 m。说明隧址区附近岩溶通道十分发达，与这2处水井属于同一地下水系统，隧道开挖使该区部分岩溶通道疏通或堵塞，导致地下水径流条件发生变化，以致2处水井的水位有所下降。

DK205+102—DK205+108段隧道两侧和基底涌水主要由2部分组成：①地表降雨沿地表洼地下岩溶管道下渗，从岩溶裂隙涌出；②地下水从基底岩溶裂隙涌出。该段基底岩溶裂隙、溶蚀破碎带发育，集中降雨后，地下水位迅速上升，大量地下水从隧道底面下部7～14 m的小溶洞、裂隙中通过，来源较远，水源较复杂。由于水压力较大，加之基底混凝土仰拱已封闭，地下水的过水能力不足，只能通过岩溶裂隙、管道从施工缝或薄弱带涌出，且伴有泥砂，致使仰拱及填充体被整体抬高3～5 cm。

DK205+365—DK205+495段涌水主要在隧道两侧，基底基本无涌水。涌水主要来自该段隧道地表洼地雨季降雨的补给和远方少量水源的补给。由于连续降雨且雨量较大，沿地表洼地下岩溶裂隙、管道下渗补给地下水。地下水以岩溶裂隙水及管道水为主，大量雨水的集中下渗，疏通了岩溶裂隙、管道，改变了地下水径流条件，地下岩溶裂隙、管道与隧道内泄水孔连通，岩溶水沿泄水孔大量涌出。

综合上述分析可知：该隧道涌水属灰岩地区的岩溶水，岩溶管道(含暗河)、岩溶裂隙、溶洞、溶蚀破碎带、节理都是地下水运移的通道。隧址区地下水主要靠大气降水补给，枯水期无水，丰水期水量大，并具突发性，说明隧道处于地下水季节循环带内。每次涌水都是出现在连续降雨之后，洞内涌水量与外界降雨量成正比，且较大涌水集中在DK205+090—DK205+115 和DK205+365—DK205+495段，上述段落在开挖中也多次发现溶洞及夹层裂隙。DK205+090—DK205+115段的涌水主要是地表降雨的渗入和原储存于腔体及周边管道中的岩溶水，在集中降雨后地表水迅速下渗至拱顶排水管，加之远方山体静储的岩溶水补给，地下水水位抬高，水压力增大，自泄水孔突然大量涌出，同时基底突发性大量涌水、涌泥砂。说明该段含水腔体和远方补给源的连通性较好，可直接接受地表降雨补给并迅速提高流动性。DK205+365—DK205+495段山顶为岩溶洼地，该段的涌水主要是地表水大量汇集并通过山体的岩溶管道渗入隧道内所致。

4 治理措施

山乾隧道地下水主要问题为DK205+090—DK205+115段和DK205+365—DK205+495段雨季岩溶管道涌水量较大，导致全隧排水系统排水能力不足。在施工图设计阶段，考虑该隧道岩溶发育的原因，采用降雨入渗法，选取水文地质经验数值进行计算。预计该隧道平常涌水量为 11 860 m3/d，雨季最大涌水量为 25 000 m3/d。根据计算所得出的涌水量，设计隧道排水措施为：洞内设置双侧水沟加中心水沟，坡度4.1‰的单面坡采用中心水沟排水，设计最大排水量为 32 400 m3/d。

根据2010年和2011年雨季该隧道涌水量的观测资料，隧道涌水主要集中在DK205+090—DK205+115段和DK205+365—DK205+495段，涌水量分别为 16 000,38 311 m3/d，全隧实测最大涌水量为 61 111 m3/d。由于实测隧道最大涌水量尚不是该地区有记载以来的最大暴雨时的涌出量，且已经远远超出设计排水措施的最大排水量，故有必要对隧道涌水量进行重新计算，对排水措施进行重新设计。

4.1 涌水量计算

考虑到DK205+090—DK205+115段涌水除了隧道地表降雨的补给，还有来自远方水源的补给，涌水系数取1.5，其余段涌水主要来自隧道地表降雨的补给，涌水系数取1.2。计算得出雨季集中降雨时该隧道涌水量，见表1。

表1 隧道涌水量计算结果

4.2 排水方案

根据该隧道岩溶水情况，对隧道排水系统和结构进行核查，隧道中心水沟仅具有 32 000 m3/d的最大排水量。在不影响仰拱结构的前提下中心水沟可以加深20 cm，即过水断面由0.6 m×0.4 m改造为0.6 m×0.6 m，中心水沟最大排水量可达 53 000 m3/d，仍然难以达到 78 160 m3/d 的排水量。

为确保运营期间安全，结合本隧道地形、地质条件，提出2个方案，如图6所示。

图6 泄水洞平面示意(单位：m)

方案1：设置短泄水洞+地表截排水方案

由于DK205+450—DK205+550段地表洼地范围相对集中，隧道埋深25 m左右，且现场几次涌水均和地表降雨有直接关联，降雨为DK205+365—DK205+495段集中涌水的主要补给源，故对洼地进行封闭回填并设置网状排水沟引排，以减少地表水下渗，缓解洞内涌水量。

DK205+090—DK205+115段集中涌水补给水源为DK204+850—DK205+140段隧道顶部两山谷间洼地及远方补给，水源相对复杂，且洼地范围较广。于隧道左侧设长970 m的泄水洞作为引排岩溶水的主要通道，并于DK205+104处设置下穿涵洞，以引排底部岩溶水。方案见图6(a)。

方案2：设置长泄水洞+集水通道方案

该方案不考虑地表截排处理，在DK204+150—DK205+550段隧道左侧15 m处设置长 1 405 m 泄水洞，并于DK205+104处设置下穿涵洞，DK205+375,DK205+481,DK205+492处设置集水横通道截排地下水。方案见图6(b)。

4.3 排水方案比选

4.3.1 投资

方案1增加投资785.56万元，方案2增加投资848.77万元。方案2比方案1投资大63.21万元。

4.3.2 排水功能及效果

方案1主要是通过地表洼地截留地表水，一定程度上可缓解洞内涌水量，但是岩溶水发育无规律性，尤其时暴雨季节具有突发性，中心水沟可能存在短时间排水能力不够的问题(中心水沟最大排水量为 32 400 m3/d，而DK205+365—DK205+495段推测最大涌水量为 46 000 m3/d)，存在运营安全隐患。

方案2则是在隧道左侧设置泄水洞并通过集水横通道截排DK205+365—DK205+495段地下水，同时铁路运营期间该段若有其他集中出水点，亦可通过横通道将水引入泄水洞中。因此方案2在引排水方面比方案1具有较高的适应性和可靠度。

综上所述，以上方案各有优劣，综合投资、技术及运营安全，推荐采用方案2。

5 结论与建议

1)针对山乾隧道在施工开挖过程中遇到的涌水涌泥砂情况，在分析地下水补给、径流、排泄特征的基础上重新设计了2种排水方案，从投资、技术及运营安全方面综合考虑，最终采用了方案2(长泄水洞+集水通道方案)。经过后期施工及近几年运营，该隧道没有发生大规模涌水涌泥砂。实践证明，该治理方案效果显著。

2)对于岩溶隧道的设计和施工，存在诸多不确定的因素，由于地下岩溶管道的复杂性，很难在设计阶段充分考虑，且岩溶隧道涌水存在突发性，所以应充分结合施工过程中钻探、超前地质预报、地质雷达物探等手段。

3)结合施工过程中揭示的岩溶情况及涌水涌泥情况，选择合理的排水措施。

4)在可溶岩地区隧道施工应尽量顺坡施工，有利于施工过程中涌水的排泄。在选线过程中也应合理考虑，避免无辅助坑道的单坡长大岩溶隧道。

5)处于地下水季节循环带的岩溶浅埋隧道，在设计阶段合理估算其涌水量，避免考虑不足造成灾害或设计保守造成浪费。