旗杆山隧道大纵坡斜井溶洞处治设计及其对运营期风险分析

刘 罡，叶欣欣

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

1 引 言

在我国约1/3的国土面积上广泛的分布有岩溶，在西南地区分布尤为广泛。随着我国交通行业的快速发展，越来越多的公路隧道遭遇了岩溶。国内外学者、建设者对公路隧道岩溶进行了大量研究。王木群利用有限元软件分析了溶洞不同的分布形态时，隧道围岩的应力分布及变形特征；刘彦波利用数值分析手段，给出了白云隧道注浆圈的合理范围；王少辉等提出了采用一种组合处治结构与洞渣回填综合处治的方案；程邦富验证了高压充水溶洞释能减压处治技术的可行性；黄鑫提出了一种用于现场突水突泥的快速判识的方法；张文明针对摩天岭隧道斜井的2处溶洞提出了可行的施工方法。

目前国内外学者、建设者主要研究溶洞对隧道的力学影响、提出施工过程中的处理方案。大纵坡斜井穿越溶蚀带时，对施工及后期运营将带来极大的风险和隐患，亟待提出成套的的施工处治措施和运营管养要求。

1 工程概况

旗杆山隧道斜井全长1 860 m，最大纵坡7.25%，最大埋深超770 m，净空8.5 m，净宽6.6 m。斜井平水期出水量为7 045.92 m3/d，丰水期为21 137.76 m3/d。地貌属构造溶蚀中山地貌，围岩为灰岩，区内岩溶发育具有顺层岩溶化特性。斜井区地下水类型为碳酸盐岩类裂隙溶洞水，主要接受大气降雨补给，岩溶水动态变化幅度一般在6～12倍左右。施工过程中，在10余米范围内连续发现溶洞及次生岩溶通道，并出现突水涌泥现象。部分岩溶通道高度大于10 m，转折后不可见。岩溶通道均呈点滴状出水，偶尔有粘土夹碎石下落。溶腔四壁均为灰岩，中厚层状构造，岩体较完整，岩质较坚硬，岩壁表面光滑。溶洞底部清除洞渣后，下方被洞穴堆积的粘性土充填，下挖5 m均为黏性土。

根据揭露的溶洞岩溶形态特征、发育规律、空间位置关系、地层岩性和地质构造等因素综合分析，本次揭露溶洞位于同一岩溶发育带，并具有空间上、水力上的联系，溶蚀带与隧道走向斜交，交角约50°，推测宽度约为16 m。溶蚀带处标高约为1 067 m，埋深约200 m，该处地表位于河流左岸陡崖上方陡坡处，地表未见洼地、岩溶通道等大型岩溶形态。该段与地表河流最小水平距离约165 m，河底标高约1 100 m，溶蚀带处设计标高较河底标高低约33 m，施工时正处旱季，河流与溶洞之间水力联系及影响程度未知。

2 处治设计内容

针对此溶蚀带的主要处治方案如下：(1)清除斜井仰拱轴线底以下5.0 m范围内的溶洞内淤泥等充填物，采用级配良好洞渣分层压实换填至仰拱轴线底以下3.0 m；采用C20混凝土回填斜井衬砌基底至仰拱轴线底以下3.0 m范围。(2)采用C35泵送混凝土回填、封堵拱墙开挖轮廓线以外的溶腔、岩溶管道，其厚度(高度)为3.5 m，回填前需对回填范围溶腔内的淤泥等充填物进行清除。(3)斜井拱墙处的主要溶腔、岩溶管道内预留排水钢管，预埋管伸出或高于回填混凝土外不小于150 cm，对可能形成的积水进行泄压。排水管接入斜井排水系统，并在接口处设泄压阀进行水压监测及控制排放。泄压阀自动开启压力值为0.15 MPa，并每月手动开启排淤不小于3～4次。(4)因该段为岩溶发育的溶蚀带(推测宽度约16 m)，临近地面河流(水平距离约165 m)且低于河底标高约约33 m，需考虑斜井周边围岩进行系统注浆堵水、加固。(5)调整加强衬砌支护参数。(6)加强现场监测量测工作。在常规监控量测的基础上，加强水文观测，主要内容包括：溶腔处地下水水量变化、水压变化及是否出现突泥或淤塞的情况。(7)根据水文观测情况，统筹考虑斜井与主洞排水系统，确保排水顺畅。

3 监控量测

本段按照有水压溶洞的处治要求，加强监控量测工作。

3.1 隧道施工期间现场监控量测

(1)水文观测、量测：量测该段静水压力、水量、涌泥量等，观测记录溶腔处地下水水量、水压变化和突泥或淤塞的情况；(2)洞内观察；(3)周边位移量测；(4)拱顶下沉量测；(5)仰拱隆起量测；(6)围岩和初期支护间接触应力量测；(7)初期支护与二次衬砌间接触应力量测；(8)钢架内力、受力状态监测；(9)喷射混凝土及二次衬砌内的应力量测；(10)二次衬砌及路面开裂量测。

水文监测项目持续监测至交工验收。在1个水文年后，适当降低监控频率，但每隔1月至少监测3～4次，并在雨季增大监测频率。

除水文监测项目外，各项量测作业在持续到变形基本稳定后15～20 d可暂停测量，但在各年度雨季重启并加强量测。

3.2 营运阶段隧道结构长期监控方案

运营期是本溶蚀带一旦出现意外，将引起极其严重的后果，因此需建立长期监控制度。

(1)建立巡查制度：每隔半月派专人到该段巡视，并在雨季增大巡视频率；当观察发现该段结构出现较大变形、裂缝(发展)、新增渗漏水等异常情况时，及时上报并及时采取有效措施。(2)水文长期观测：溶腔处地下水水量变化、水压变化及是否出现突泥或淤塞的情况。每隔一月至少监测2～3次，并在雨季增大监测频率，如出现异常，应及时上报并及时采取有效措施。

4 应急预案

鉴于本斜井为反坡施工，且最大纵坡达7.25%，后期一旦出现突水涌泥会对施工阶段和运营阶段造成巨大的危害，甚至出现较大的人员伤亡。因此，施工中要制定经相关单位批准的应急预案，备足应急材料及机具，现场定点配置相关应急机械设备，并定期检修，保证设备完好率，需要时可以立即投入使用。

施工应急预案应包括但不限于以下内容：

(1)施工过程中隧道突发积水的反坡排水应急预案；(2)隧道突泥突水的应急处理预案；(3)隧道开挖中的坍方事故应急处理预案；(4)支护结构超过允许值或有失稳前兆的应急处理预案。

5 施工及运营管理注意事项

5.1 隧道施工注意事项

(1)在掌子面及隧道周边加密施作超前探孔进一步探明岩溶发育情况。(2)施工过程中应根据揭露岩溶及岩溶水情况，加强超前地质预报及超前钻探，加强施工安全措施，注意雨季施工安全。(3)施工期间在底部施作集水井，做好抽水措施。(4)基底为填充物段仰拱开挖后应对基底进行夯实后再施做仰拱初期支护。(5)为防止不均匀沉降造成的不利影响，该段应施作好变形缝。(6)观测溶腔处地下水水量和水压变化情况，观测周期不小于1个水文年，并做好记录，根据水文监测情况适时进行该段二村施做。(7)该段溶腔前后开挖应控制爆破规模，开挖进尺不大于1 m，开挖后及时立钢架喷混。(8)溶洞处治工程应遵循动态设计原则。

5.2 隧道运营管理注意事项

(1)应按《公路隧道养护技术规范》(JTG H12-2015)的规定和要求对该斜井隧道进行正常的检修、养护管理，加强隧道的沉降、变形观测，加强隧道二衬裂缝与渗水检查与修补。(2)该处溶洞规模较大，地下水压力大，运营阶段存在一定安全隐患，养护难度大。为及时准备掌握运营期隧道结构受力、变形情况和地下水变化情况，应结合施工阶段监控量测埋设监控量测断面成果，继续监控斜井隧道的水量、水压、初期支护及二次衬砌变形、受力情况，确保隧道营运安全。(3)建立巡查制度，及时发现风险隐患，并采取有效措施处理。(4)坚持该段的长期监控量测，及时发现风险隐患，并采取有效措施处理。(5)建立切实可行的应急预案，从而保证在该段出现破坏、大量溶岩水进入主洞时，能够有序的疏散车辆、组织救援，避免人员伤亡及减少财产损失。

6 结论与体会

(1)对于岩溶发育区大纵坡斜井应加强水文地质勘察和水文监测，查明岩溶发育情况及水力联系情况，为设计、施工和运营保驾护航。(2)应尽量避免大纵坡斜井成为岩溶区泄水通道，造成斜井反坡施工风险和主洞运营风险。(3)做好全过程的水文监测，建立巡查制度，及时发现风险隐患。(4)应制定完善的施工和运营阶段的应急处理预案，确保发生紧急情况时能减少人员财产伤亡。