燕子洞隧道特大涌水灾害处治措施的探讨

(成都华川公路建设集团有限公司, 四川 成都 610091)

0 前言

燕子洞隧道为双洞单向交通隧道，全长4.944 km，属特长隧道，最大埋深470.5 m，本项目2009年11月完成设计，2013年12月完成通车。围岩主要为弱-微风化薄-中厚状白云质灰岩、白云岩夹薄层紫色，受地质构造影响，溶蚀严重，溶洞、岩溶漏斗发育。隧道施工阶段，曾多处遭遇溶洞、突水等不良地质现象。隧道区域内主要发育Ⅰ号岩溶通道(见图1)，Ⅰ号岩溶通道总体走向北西，全长约3 200 m，在YK129+422左右斜穿隧道左、右洞(标高207 m左右)，Ⅰ号岩溶通道在右洞底板以下5～15 m发育。

图1 Ⅰ号岩溶通道

2011年8月，隧道施工过程中右洞YK129+422左右位置发育大型溶洞，溶洞形状类似U型，见图2。该段隧道采用抗水压衬砌(见图3)并保持原有水路排水通畅，使得岩溶水流从其自有通道流出。抗水压衬砌拱脚以上为3层衬砌，仰拱底部为双层衬砌。

1 主洞YK129+443位置涌水概况

2017年5月23日6点20分左右，燕子洞隧道YK129+443左右的位置发生大量涌水(见图4)，大量的岩溶地下水将隧道底板连同路面和混凝土基层顶托破坏，水流奔涌而出，并携带泥沙及卵石，道路面如汇集洪流的河道。由于隧道涌水水压很大，导致隧道底部出现大幅隆起，隆起最大高度约0.70 m，起讫桩号为YK129+415～YK129+465，长约50 m。针对该险情，隧道右线被迫封闭，停止运营。

图2 YK129+422位置溶洞发育

图3 YK129+422位置抗水压衬砌

涌水原因分析：I号岩溶通道源头为震旦系板岩分布区，隧道结构抗水压衬砌防水能力较强，使得岩溶水流从其自有通道流出，对隧道影响较小。不过，随着连续几年暴雨冲刷，以及水流通道从上游带来的大量的泥沙及卵石，将通道右侧自有排水通道堵塞，致使隧道附近水位急剧上升,见图5。YK129+410～YK129+443抗水压衬砌仰拱厚度为1 m左右，水流无法击穿隧道，致其水流从仰拱底下漫流，至YK129+443处无仰拱的薄弱衬砌结构处涌出，导致路面隆起形成了新的排水通道。

图4 右洞YK129+443位置涌水

图5 涌水分析

2 岩溶涌水处治措施

根据《溆怀高速公路燕子洞隧道YK129+443岩溶水害处治综合探测报告》流量检测表，2017年6月24日经测量隧道内短时间最大流量达到45万m3/d。由于原有隧道附近排水通道已经堵塞，采用原有抗水压衬砌结构以堵为主保持原有排水通道的方案已不太适应目前岩溶灾变后的地质情况。经过多次会议的商讨以及综合专家与各方的意见后，提出了“以排为主”的处治原则，决定在主线隧道左、右线之间设置引水隧道，排放Ⅰ号岩溶区域的水，从而减轻岩溶水对主线隧道的侵害，并在隧道右洞YK129+443位置设置集水井，避免下次连续暴雨再次引发涌水灾害。

2.1 引水隧道设计

1) 引水隧道平纵设计。

该隧道全长700 m，隧道区域内为Ⅳ级围岩，以灰岩为主，起点桩号为SK0+000，该点引水隧道中线至主洞左线测设线的距离为35 m，设计标高168.0 m，主线对应桩号为ZK130+060。终点桩号SK0+700对应主线YK129+370的位置，设计标高205.40 m，位于灰岩与板岩交界处，岩层交界处往往发育流水通道，引水隧道终点设在此处很有必要,隧道平面见图6。该引水隧道设计纵坡为4.4%(上坡)，隧道纵断面见图7。

图6 引水隧道平面

图7 引水隧道纵断面

引水隧道于SK0+647处设置引水横洞(对应于右洞YK129+443涌水位置)，横洞长25 m，设计纵坡为2.5%，并于主线隧道对应位置钻多排φ160 mm孔，以便出水孔与主线隧道的连接。

2) 引水隧道结构断面设计。

引水隧道结构按无压、低流速隧道设计，引水隧道主洞采用复合式衬砌结构(见图8a)，衬砌初期支护由系统锚杆、20 cm喷射混凝土以及14工字钢组成，30 cm模筑钢筋混凝土作为二次衬砌结构，该引水隧道最大排水能力可达200万m3/d。

横通道采用门型断面，内空2.0 m，高2.75 m，衬砌初期支护由系统锚杆、18 cm喷射混凝土组成，30 cm模筑混凝土作为二次衬砌结构(见8b)。横通道施做完成后，于相应位置向上施做φ160 mm钻孔，用以联通主线仰拱地板下的岩溶水。

图8 引水隧道(单位： cm)

2.2 集水井

2.2.1集水井设计

在主线右洞YK129+443处设置了集水井，集水井在引水隧道3#横洞正上方，根据现场情况，集水井设置为4口小井(井壁开孔)，井深1.6 m，略低于涌水口，铺设2块盖板，并新增1条矩形沟进行排水(矩形沟1)，且集水井与原有隧道中心水沟相连(矩形沟2)，集水井详细设计见图9。为了充分发挥引水洞的排水作用，并结合现场实际施工情况，在集水井底部设置了引水钻孔，并与3#横洞相通，引水钻孔的面积为1.89 m2，具体钻孔尺寸见图9b。在引水隧道及横洞施做完成之前，集水井内部水暂时通过2条矩形沟排至隧道洞口，后期集水井内部的水全部通过引水钻孔排至引水隧道，而2条矩形沟仅作为泄水安全储备。

图9 集水井(单位：cm)

2.2.2集水井引水钻孔泄水能力计算

根据已有设计资料，新增泄水孔泄水能力计算公式为：

Qc=vA

其中，流速计算公式为：

式中：Cd为孔流系数，其值约为0.61～0.62；g为重力加速度；h为两处高度差，按1.6 m计算。

各钻孔过水断面面积分别为：

Ac0.95=3.14×0.4752m2×2=1.42 m2;

Ac0.55=3.14×0.2752m2×1=0.47 m2。

总的断面面积：

Ac=Ac0.95+Ac0.55=1.89 m2。

因此，新增泄水钻孔泄水能力：

3 后期运行状况

引水隧道于2018年12月全部施做完成并投入使用，经历了2019年1个雨季的验证，引水隧道排水效果良好，主线右洞集水井内部的水位也能有效地排放至引水洞(没有形成高水位)。

4 结论

燕子洞隧道右洞YK129+443处发生特大涌水灾害，本文提出了“以排为主”的处治原则，在主线隧道左、右线之间设置引水隧道，排放Ⅰ号岩溶区域的水，从而减轻岩溶水对主线隧道的侵害；引水隧道长700 m，纵坡为4.4%，并在引水隧道SK0+647处设置引水横洞(对应于右洞YK129+443涌水位置)，且隧道右洞YK129+443处设置集水井，并在集水井底部设置引水钻孔与引水隧道横洞相通，避免下次连续暴雨再次引发涌水灾害，通过计算，集水井底部钻孔满足泄水要求。经实际工程验证，处治措施效果良好。