某山区高速公路隧道岩溶涌水事故处治技术研究

念培红 王忠伟

摘要：本文根据某高速公路隧道工程岩溶涌水事故处治实例，阐述了岩溶隧道施工期间，开挖揭示各种岩溶管道涌水突泥，结合复杂地质条件，通过方案比选，考虑隧道结构安全、运营安全和施工的可行性，最终采用泄水洞引排方案。该隧道岩溶水整治设计方案实施成功，为以后类似隧道设计、施工提供借鉴和教训。

Abstract： Based on the example of treatment of karst water inrush accident in a highway tunnel project， this paper expounds that during the construction of karst tunnel， excavation reveals all kinds of karst pipeline water inrush. Combined with complex geological conditions， through scheme comparison， considering tunnel structure safety and operational safety and the feasibility of construction， finally the drainage hole drainage program is adopted. The tunnel karst water remediation design plan was successfully implemented， providing lessons and for similar tunnel design and construction in the future.

關键词：隧道;岩溶管道;涌水突泥;泄水洞

Key words： tunnel;karst pipeline;water inrush;drainage tunnel

中图分类号：U455.49                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）17-0117-04

0  引言

在我国西南地区石灰岩地区，广泛分布各种类型的溶洞，隧道穿越岩溶地区，经常会遭遇岩溶涌水事故。岩溶涌水不仅容易影响施工安全，导致人员伤亡事故的发生;一旦处理不当，还会对工程进度、投资产生巨大的负面作用。

本文以某西南山区公路隧道的岩溶涌水事故处理为例，对岩溶涌水的情况进行了详尽的描述，介绍了相应的施工处治方案及取得的成效，对于今后类似工程事故的处理具有一定的参考价值。

1  工程事故概况

1.1 工程概况

某山区高速公路隧道为双洞分修特长隧道;隧道进口位于曲线上，全隧路线纵坡为0.4%及-0.83%的人字坡。设计预测双洞涌水量为100000方/d。隧道涌水方式以滴水和涌流为主，局部可能产生突水，隧道涌水主要集中在可溶岩段。

1.2 岩溶涌水事故描述

隧道右洞出口段岩溶涌水情况：该处隧道埋深约30m，当隧道开挖至洞内月75米时，在右侧边墙脚揭示一空溶洞，揭示处溶洞高约5m，宽约2.5m，溶洞走向与隧道走向交角约为60°，倾角约45°，斜向上向小里程方向延伸。在下导坑开挖后，揭示溶洞于隧底出露，并继续向下延伸。经对隧底进行物探测试，溶洞未延伸至右侧边墙下方，且其余段落未有溶洞现象。最初揭示溶洞时，有小股清水流，小雨或晴天时，溶洞内水流和施工用水全部从隧底溶洞流走。其后一周左右的凌晨1时突降暴雨后，2小时左右从边墙溶洞内有大量地下水涌出，部分涌水从隧底溶洞流走，同时大量涌水从隧道内排走。经量测，在隧道内平均水深达0.21m。5月13日雨后，在隧道K56+110断面处平均水深达0.13m。

隧道左洞出口段岩溶涌水情况：该处隧道埋深约85m，5月9日凌晨1时突降暴雨后，3时左右在洞口段上导坑底部中心位置爆裂突水，由隧道向外排泄。凌晨5时降雨停止，涌水持续26小时后逐渐变小。经量测，在隧道洞口断面处平均水深达0.28m。突水减弱后，发现出水点呈一直径约0.8m的溶洞天窗。经对隧底进行物探测试，溶洞主要发育在隧底下方0～3m，溶洞底板埋深8～15m，基本横向下穿通过隧道，其余段落未有溶洞现象。与此对应的右洞段施工时并未揭示有溶洞。

隧道右洞洞身段岩溶涌水情况：隧道右洞已进洞1222m在掌子面处发生特大突水、突泥事故，将隧道内大部设备冲至隧道之外，且涌水（泥浆）由横通道灌入左洞，至8点时逐渐减小。8点48分发生第二次涌水，10分钟后水量逐渐减水。9点05分发生第三次涌水，之后逐渐削弱，大约一周后突水、突泥现象基本消失。经现场踏勘，在涌水突泥处向隧道外100m范围内残留痕迹高2～3m，溶洞基本发育于隧道左侧边墙之外，边墙处刚好揭穿溶洞，溶洞呈洞径约2～3m的管道状向隧道小里程端斜向上延伸，发育方向与岩层倾向基本一致，无法见其高度。围岩为中厚层灰岩，完整性好，溶洞壁较平整光滑，可视范围内洞壁稳定。通过对隧道洞周物探测试，在探测范围内溶洞向上发育与可视趋势一致，溶洞向下未延伸至右洞隧道底部，除此未见其他岩溶现象。从揭示的时间和突泥规模分析，早期岩溶管道畅通，地下岩溶水活跃，形成较为光滑完整的洞壁，由于后期局部堵塞淤积形成相当长的岩溶管道，造成巨大的地下水（泥浆）静储量，岩溶水被新发育的通道所袭夺。岩溶管道的发育受早期地层构造裂隙的控制，加之堵塞充填物呈泥浆状，开挖揭穿管道爆发突泥突水，隧道内平均水深达0.28m。突水减弱后，发现出水点呈一直径约0.8m的溶洞天窗。5月雨季开始后，降雨时该溶洞均会出现涌水，涌水大小受降雨控制，涌水过程中未见携带大的碎屑类物质。5月24日、7月30日暴雨后，隧道底板被涨开，该段附近横向盲管同时也向外喷水。

隧道右洞洞身段岩溶涌水情况：该处隧道埋深约900m，揭示围岩为灰岩，中厚层状，岩体完整4月25日，隧道掌子面在施钻下一循环的炮眼过程中，隧道右侧掌子面下部炮眼钻进约2m左右有地下水喷出，经探查在隧道右侧下部掌子面3平方米范围内有喷水现象，喷水距离约2米远，出水量约500方/h，水质清澈。经增加探水孔释放并结合地质雷达探测结果继续掘进之后，最终揭示涌水点位于K54+380右侧墙脚，地下水向上冒出，洞径约0.5m，经钎探7m未见底。平时水量较稳定，水质清澈，降雨后涌水剧增。

1.3 隧道最大涌水量预测

由于隧道涌水均出现在降雨后一定时间内，降雨大涌水则大，降雨小涌水则小，降雨量为隧道涌水的主要控制因素。隧道位于岩溶垂直循环带及水平循环带，地下水的补给来源于地表水下渗，在隧道已贯通的条件下，每次较大范围内降雨后，隧道出现的涌水一般具有同样的汇水面积，且具有一样的地质环境，由此可采用降水入渗法（运用水均衡原理的水力学统计法）预测隧道最大涌水量，公式如下： 式中：F——隧道开挖影响带的面积（km2）;X——当地多年平均降水量（mm）;λ——降水入渗系数;Q——地下水补给径流量（方/d）。由以上公式可以得出，在F、λ同样的条件下，隧道涌水量大小直接与降雨量呈线形关系。取用上述有关计算值和百年一遇降雨量可计算出隧道最大涌水量为：1584775（方/d）。

2  各出水点及溶洞变更设计情况

完成初支后，发现拱部有水流出，且每逢下雨之后流量加大，呈喷射状流出。經变更后采取措施加固，在该段拱部增设Φ22砂浆锚杆，二衬施作时，在每个出水点增设一环向盲管，将水排入中心排水沟。在突水、突泥段，经变更处理向小里程范围采用洞口加强衬砌施作，隧底及二衬待溶洞处理措施确定后再施做;对集中出水点打Φ100mm引水孔，孔深5m，并安装管头封闭的引水钢管，引水钢管端头1m范围内钻孔，以便于排出裂隙水。该段围岩级别由II级调整为IV级，衬砌类型按IV级复合（B）施工，径向施作Φ42小导管注浆补强措施。环向盲管加密每5m设置一道。

3  岩溶涌水处治方案比选

岩溶地区的地下水为岩溶暗河管道水及岩溶裂隙水，一般情况下，除对周边地表环境有特殊要求的采用堵水措施外，其它情况宜采用防、排、截等措施。这是由于岩溶及岩溶水的发育在宏观上有一定的规律性，但从微观上有许多不确定性，因此造成堵水困难、代价高、风险大、效益相对较差。

本隧位于乌江峡谷侵蚀中低山区，对周边地表环境没有特殊要求，因此不采用堵水方案。根据本隧岩溶发育形态及岩溶水量大的特点，对岩溶水整治措施提出以下两种引排方案：

3.1 洞内引排方案

仰拱（或底板）下增设矩形水沟方案，平面示意如图1所示。

在隧道仰拱及底板下增设矩形水沟，中心排水管按原设计施作。经检算水沟尺寸，水沟纵坡采用0.83%下坡，排水能力要满足最大流水量79万方/d，并且能保证人员进入矩形水沟中清淤，矩形水沟尺寸采用150cm（宽）×200cm（高）。为方便检修，洞内每隔500m设检查人孔井。该隧道二次衬砌已施工完毕，如采取该方案，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，在边墙底及仰拱两侧设置Φ42锁脚锚管加固，锚管长4.5m，每侧设置2根。在涌水点前后10米范围内每隔5米埋设大孔径引水管与仰拱底中心排水沟相连。对于引水处管头应采用钢筋网片将引水管封闭，防止泥沙将引水管堵塞。在仰拱底增设矩形沟范围段，特别是位于断层破碎带及填充物地段，由于地质较差，为防止颗粒物随水流失，引起隧道结构失稳，中心排水沟应整体灌注，不得设置泄水孔。加强隧道结构的变形稳定及爆破震动对隧道影响的量测。中心矩形沟开挖必须采用洞内控制爆破，每次爆破长度应控制在2～3m，钢筋砼衬砌范围爆破振速按5cm/s，一般砼范围爆破振速按3cm/s控制，并在一定范围内设防护棚架，防止对既有衬砌及隧道结构造成危害。

该方案优缺点如下：

优点：在洞内施工，施工安全有一定保障，施工风险低。工程投资低，方案投资1022万元。

缺点：洞内开挖速度较慢，施工进度平均按80～100m/月，施工工期较长;破坏了衬砌和路面的完整性，影响隧道结构;清淤工作较难施作，对运营有一定的影响。

3.2 泄水洞引排方案

泄水洞设置原则：泄水洞断面除满足排水量的要求，还须满足施工作业的要求;针对衬砌材料，还须满足抗冲刷的要求;对于含泥量大的岩溶水，尚应考虑防淤积的排水流速。

在左右线两线之间设置泄水洞，平面示意如图2所示。

该隧道出口接涵洞，为方便把岩溶水引排入涵洞，泄水洞衬砌净空断面受车行通道底板及涵洞入口标高控制，衬砌断面尺寸采用3.8m（宽）×3.9m（高）。

该方案优缺点：①该方案有效地解决了可溶岩段地下水排放问题，施工工期影响较小。②该方案施工风险较大，工程投资较高，方案投资1163万元。

4  岩溶水整治设计

经方案比选，岩溶水整治采用泄水洞方案，岩溶整治设计采用从两线之间设置泄水洞方案，具体措施如下：右线K53+890处涌水点设计流量为7.5万方/d，经验算采用中心排水沟可满足流量要求。该出水点设置横向通道引排至中心排水沟，于K54+380处中心排水沟设泄水孔与引水横通道相连，将岩溶水引排至泄水洞。泄水洞从K54+360起在两线隧道之间设置与线路平行，泄水洞纵坡按0.87%的下坡。为方便把岩溶水引排入涵洞，泄水洞衬砌净空断面受车行通道底板及涵洞入口标高控制，泄水洞衬砌净空断面尺寸采用3.5m（宽）×3.7m（高）。

4.1 右洞洞身岩溶水处理

K53+890处设置横向通道引排至中心排水沟，K54+380处中心排水沟设泄水孔与引水横通道相连，将岩溶水引排至泄水洞。在涌水点处衬砌边墙开口施作一个1.5m（宽）×1.5m（高）×2.2m（长）的通道，在衬砌外设置0.9m（宽）×1m（长）×1.4m（深）的集水井，防止水流直接进入中心排水沟，保证隧底结构安全。横向水沟与衬砌交接段，恢复二衬边墙时在衬砌底部铺设2根长1.5m的P43旧钢轨，保证衬砌结构安全。集水井采用C20砼，横向水沟连接盖板采用C35钢筋砼。引水横向通道剖面示意如图3所示。

横向通道（出水点左右各5m范围内）模筑拱部衬砌施作时应预留Φ108泄水孔，形成筛网状，间距1m，梅花型布置。隧道中心水沟正对引水通道拱部设0.5m×0.5m泄水孔一处。隧道范围内引水通道采用明挖法施工，拱墙采用钢筋砼衬砌，其余地段引水通道采用素砼衬砌。完工后拱部至衬砌铺底范围内回填C20砼。二衬边墙底部明挖段开挖后采用I20b钢架框架支撑，每边墙各设3榀，钢架边径向施作Φ22砂浆锚杆，长2.5m，共8根。视地下水的渗漏情况，必要时于引水通道暗挖段拱部设5～7m长的Φ108集水钻孔。

4.2 左洞岩溶水处理

于隧道底部设置引水横向通道，将岩溶水引排汇入泄水洞内。隧道中心水沟正对引水通道拱部设0.5m×0.5m泄水孔一处，正对溶洞引水通道底板处开设0.5m×0.5m孔一处。其余处理措施同右洞K54+380处岩溶水处理。横向通道（涌水点附近2m范围）模筑拱部衬砌施作时应预留Φ108泄水孔，形成筛网状，间距1m，梅花型布置。隧道中心水沟正对引水通道拱部设0.5m×0.5m泄水孔一处，正对溶洞引水通道拱部开设0.5m×0.5m孔一处。其余处理措施同右洞K54+380处岩溶水处理。在泄水洞设置错车洞，方便运碴车调头，错车洞每60m设置一个，错车洞长5m，宽2m，共设置30个，具体位置可在施工中相应调整。

4.3 洞口明洞段施工

泄水洞不设洞门，洞口三角区加强段采用特殊钢筋砼衬砌，其余明挖段采用明挖衬砌，拱墙采用钢筋混凝土。于涵洞边墙上开2个200cm×150cm（宽×高）排洪孔，排洪孔上设置两块尺寸为2.5m（宽）×0.4m（厚）×1.25m（长）的钢筋砼托梁，泄水洞内水经涵洞排出。泄水洞洞口与涵洞口相接，施工时对泄水洞三角区范围内涵洞盖板进行拆除。洞口段采用明挖法施工，泄水洞洞口处高程高于涵洞泄水面0.5m。该段采取13%的下坡开挖作为施工便道，K56+160～K55+407段施工完毕后，再反坡开挖洞口段，及时施作衬砌，再恢复涵洞边墙及盖板，明洞衬砌洞顶以上夯填土石。泄水洞通过人行横通道及变压器洞室段均采用明挖，衬砌加强，拱墙采用钢筋砼衬砌。于泄水洞K56+165处侧壁设检查井，以方便运营检修。洞口位置设C20砼导流墩，以免岩溶水直接冲击涵洞边墙。施工时应注意派专人看守，防止暴雨时地表水倒灌进入泄水洞。

4.4 施工组织方案

由于泄水洞与左右線隧道相邻，左右线隧道已施工完毕，地质情况已经完全探明，施工中可以充分利用左右线隧道的地质勘察预报等现有详细技术资料，指导泄水洞施工。另一方面，通过利用左右线隧道的横向通道及车行通道，可以大幅度缩短工期并解决施工中的通风难题。为加快施工进度，泄水洞施工应采取增加工作面的快速施工方案，即利用左右线隧道的车行通道作为泄水洞的辅助坑道，分三个工区进入泄水洞位置，同时每个工区展开两个作业面进行掘进，实现长洞短打。由于作业面同时工作，不可避免地造成了泄水洞内通风状况恶化。施工中泄水洞压入式通风输送新鲜空气，即在泄水洞建立通风管道，利用左右线隧道排出污浊空气。

泄水洞通过易突水、突泥地段，为防止岩溶涌突水造成施工灾害，一方面要通过左右线施工时的详细地质资料，有针对性加强超前地质预报工作，防止灾害发生;另一方面建立应急机制：针对施工过程中可能出现的意外，施工单位应编制好详尽的应急预案，并准备好应急设备、设施与资源，事故通告程序及指挥系统，做好应急预案的培训。通过易发生突水、突泥地段，采用TSP203、地质雷达、HY303红外探水仪等设备和超前地质钻探，针对岩溶问题开展超前地质预报工作。TSP203每150m～200m探测一次;地质雷达每20m～30m探测一次;HY303红外探水仪每30m探测一次;超前地质钻探一般每个断面设置三个钻孔，长25m，20m一循环，以掌握岩溶发育情况，以便采取相应的处理措施。煤层瓦斯：在通过志留系、二叠系上统吴家坪组（P2w）及二叠系下统梁山栖地层时开挖过程中可能有石油伴生气瓦斯溢出，施工通过加长炮眼进行探测，应加强通风，并加强超前瓦斯预测预报工作，施工固定设备及电气设备应采用防爆型，移动机具尽量采用防爆型或采取防爆措施。

5  结论

通过该隧道岩溶水整治工程实例，采用在左右线之间设泄水洞方案，解决了岩溶突水突泥对隧道造成安全隐患。总结该隧道岩溶处理经验，得出以下结论：

①为保证隧道结构及运营安全，岩溶地区隧道岩溶水整治应遵循一次整治、不留后患的处理原则。

②对于岩溶地区的隧道，岩溶处理时最好保留岩溶管道的排泄通道，其它堵水措施成功与否，都会引起新的水患，最终对隧道结构安全造成隐患。

③该隧道岩溶水整治采用泄水洞方案处理，经济合理，技术安全可靠。该隧道岩溶水整治设计方案实施成功，为以后类似隧道设计、施工提供借鉴和教训。

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作者简介：念培红（1974-），男，云南陆良人，高级工程师，本科，主要从事高速公路建设管理工作。