隧道涌水处理方案研究

尹 航

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

1 工程概况

某隧道位于贵州省湄潭至石阡高速公路MSTJ-7合同段，为分离式特长隧道，左幅隧道起讫桩号为ZK80+745～ZK84+738，长3993m，最大埋深约287m。右幅隧道起讫桩号为K80+737～K84+744，长4007m，最大埋深约270m。隧道湄潭端位于直线段上，曲线平面线位间距为20.7m，洞身处于圆曲线、缓和曲线及直线段上，石阡端位于直线段上，平面线位间距为25m，隧道最大平面线位间距位于洞身，为32.7m。左线洞身纵坡为1.45%、-0.9994%，右线洞身纵坡为1.45%、-1%[1]。

隧道于2018年开工建设，2021年贯通，在施工过程中及贯通之后，ZK83+200桩号附近均发生过涌水。在2020年9月施工期间，发现三处涌水点，桩号依次为ZK83+147、ZK83+210及ZK83+240；2021年5月，在5月10日特大暴雨后，隧道在ZK83+200～ZK83+205段再次发生涌水，由于该处位于人字坡变坡点附近(左幅隧道变坡点为ZK83+150)，水流向进出口两侧分流，整条隧道明水深度约10～35cm，部分水流进入电缆沟，横洞处联通有部分水流涌入右洞。该段仰拱破坏、路面隆起，部分卵砾石涌出至电缆槽、边沟及路面。

2 现场情况

隧道区域在2021年5月10日23时40分左右开始下雨并持续至早晨(经与当地气象站沟通此次降雨为典型特大暴雨)。

2021年5月11日上午7时20分现场巡查，沿路多处道路被堵(水害影响)，上午8时隧道左线出口，发现ZK84+700～ZK84+744段排水暗沟有水溢出，洞口路面约有20cm左右的明水漫过路面向路基左侧边沟汇流。

2021年5月11日上午9时左右施工单位将此事汇报相关单位，此时隧道出口左洞洞口向内约150～200m多段排水暗沟有水溢出(溢出处为两侧边沟与电缆槽侧壁接缝处)，路面约有20cm左右的明水漫过路面向路基左侧边沟汇流，涌水量约21×104m3/d(现场测量数据)。

2021年5月12日凌晨1时50分隧道出口左洞约有35cm左右的明水漫过路面向路基左侧边沟汇流；隧道进口左洞约有35cm左右的明水漫过路面通过老鹰沟大桥向路基右侧边沟及老鹰沟桥下排水水沟汇流。整条隧道在ZK83+200～ZK83+205段有一个涌水点，该处位于人字坡变坡点附近，水流向进出口两侧分流，整条隧道明水深度约10～35cm，部分水流进入电缆沟，横通道处联通有部分水流涌入右洞。隧道洞口出水情况见图1。

图1 隧道洞口出水情况

3 专项水文调查情况

(1)水文地质情况

根据隧道岩溶水文地质专题报告，隧道ZK82+210～ZK83+900段(1690m)，主要出露二叠系中统栖霞组、茅口组，二叠系上统吴家坪组、长兴组地层和三叠系下统飞仙关组地层。二叠系(P)主要为一套碳酸盐岩建造，局部夹碎屑岩，假整合于志留系之上，主要为中统栖霞组(P2q)和茅口组(P2m)，上统吴家坪组(P3w)和长兴组(P3c)。中统栖霞组(P2q)和茅口组(P2m)，上统吴家坪组(P3w)和长兴组(P3c)。栖霞组底部为泥岩及铝土矿，上部为厚层灰岩，夹泥岩；茅口组为厚层状灰岩含燧石结核或条带微晶灰岩；吴家坪组为厚层含燧石结核微晶灰岩、泥质条带灰岩，底部含炭质页岩夹煤层；长兴组中厚层生物碎屑灰岩，白云岩，含燧石团块。

据资料，本隧道段(ZK82+210～ZK83+900 段)主要穿越二叠系灰岩，属区域性强岩溶层段，且该隧道段发育的龙塘大型地下河系统，岩溶管道与隧道立交，隧道处于季节变动带。因此，本段隧道具备大型至特大型涌水涌泥要素。

(2)涌水量估算

由于本隧道段处于季节变动带，其涌水量Q主要考虑雨期动储量(Qf)。 雨期动储量(Qf)涌水是指雨季每一次降水过程，都会引起一次大的涌水。 采用大气降水入渗系数法估算，有关参数按《隧道岩溶涌水专家评判系统》，以及实测数据给出，公式如下：

Qf=N·α·A·F/T

式中：Qf为强降雨期引起的最大涌水量；N为涌入系数，取 1；α为入渗系数，最小取 0.75、最大取1；A为一个降雨过程的最大降雨量，取 275.2mm(五十年一遇，2014 年 6 月 3 日到 4 日清晨，贵州石阡县遭遇特大暴雨突袭，根据 6 月 4 日 7 时全市各地自动雨量站监测显示，汤山镇降雨量达 275.2mm，已突破该站有气象记录以来的历史极值) ；F为汇水面积，图上圈定约 3.8km2；T为降雨周期，取1d。

强降雨时，涌水点 ZK83+147 附近、ZK83+210 附近、ZK83+240 附近会发生季节性有压溶洞、溶隙涌水。雨季一个强降雨过程(24h降水 275.2mm 时)引起的涌水量可达78.43×104～104.58×104m3/d，即：约为 9.08～12.1m3/s；涌水部位外水最大压力约为 45.5m，约为 0.45MPa。

4 隧道涌水原因分析

根据隧道岩溶水文地质专题报告并结合前期隧道施工资料及现场调查情况，分析隧道涌水的原因如下：

(1)涌水发生在连续强降雨之后，且降雨停止不久就有所减小，说明涌水和降雨关系密切。

利用单倍体育种技术培育出来的DH系完全纯合，纯合度高达100%，在今后制种和繁殖过程中，不会出现分离现象，能够长期应用到玉米育种实践。

(2)隧道栖霞、茅口组灰岩大面积出露，地下溶洞与岩溶管道极为发育，串通性好，隧道开挖揭穿了岩溶管道，通过溶隙、洼地、落水洞沟通了与地表降雨联系，具备产生涌水条件。

(3)根据施工资料及探测结果，涌水点附近溶洞发育，多以黄泥充填、半充填，个别溶洞听到水流或有凉风。表明这些溶洞与地表联系密切，有流水的溶洞是主要的过水通道且与地下河有水力联系；有凉风的溶洞可能与地表的风面相通或与地下河相通。

(4)施工期间涌水点附近左右洞揭露溶洞均采用混凝土回填，预留管排水至中心沟。由于受到施工扰动和混凝土回填，部分洞渣和混凝土进入地下河管道，致使地下河管道部分堵塞，地下河水流动不畅，强降雨时地下暗河岩溶管道水位剧烈上涨，形成有压水，顶破仰拱溢出隧道，致使仰拱破坏、路面隆起。

5 泄水洞设计

(1)泄水洞轮廓断面

泄水洞衬砌内轮廓依据预测涌水量及可能不利涌水情况，并全面考虑施工期间材料运输和出渣运输车辆通行、施工通风、通水、通电管线、运营期间管养人员通行和作业所需空间要求综合计算研究拟定，采用“半圆拱+直边墙+底板”断面，净宽×净高=3.5m×4.5m，净空断面面积12.69m2。

为方便施工，泄水洞按160m平均间距设置错车道，错车道长12m，右侧加宽3m，以满足施工期间错车需求。泄水洞衬砌内轮廓见图2、图3。

图2 衬砌内轮廓

图3 锚车道衬砌内轮廓

根据计算，按照泄水洞断面直墙部分计算泄水洞排水能力为24.551m3/s(212.1×104m3/d)，满足预测最大涌水量78.43×104～104.58×104m3/d的排水要求。

泄水洞洞身支护衬砌设计以新奥法原理为指导，采用复合式衬砌，即以系统锚杆、钢筋网、喷射混凝土、工字型钢拱架作为初期支护，并根据不同的围岩级别辅以管棚、超前小导管等超前支护措施，采用模筑混凝土或锚喷支护[2]。隧道衬砌类型、衬砌断面型式、衬砌结构尺寸设计主要采用工程类比法，并对隧道结构进行必要的理论计算及校核，结合构造要求及经济技术比较。

Ⅴ级围岩洞口地段采用22cm厚锚喷支护，30cm厚C30钢筋混凝土结构；其余Ⅴ级围岩地段采用22cm厚锚喷支护结构，30cm厚C30素混凝土结构；错车道采用30cm厚C30钢筋混凝土结构。

Ⅳ级围岩下穿主洞加强地段衬砌采用20cm厚锚喷支护，35cm厚C30钢筋混凝土结构；其余Ⅳ级围岩地段采用10cm厚锚喷支护，30cm厚C30素混凝土结构；错车道采用20cm厚锚喷支护结构。

Ⅲ级围岩地段采用10cm厚锚喷支护，错车道采用20cm厚锚喷支护，均采用30cm厚C30素混凝土结构。

(3)泄水洞施工方案

暗洞均采用新奥法施工，主要工序采用机械化作业，隧道出渣采用无轨运输方式，二次衬砌浇注采用模板台车。采用全断面法施工。隧道初期支护喷射混凝土采用湿喷工艺，二次衬砌采用整体模筑混凝土。隧道二次衬砌采取先施作仰拱再施作边墙及拱顶部位二次衬砌的施工顺序。隧道的开挖、支护、二次衬砌施作及监控量测等都必须严格执行《公路隧道施工技术规范》[3](JTG/T 3660—2020)及相关规程，并参照《锚杆喷射混凝土支护技术规范》。

隧道施工开挖时应少扰动岩体，严格控制超、欠挖，钢支撑必须密贴围岩面，支撑紧密，若有空隙，须加混凝土预制垫块锲紧，使初期支护及时可靠。二次衬砌采用混凝土运输车、输送泵和衬砌模板台车的机械化配套施工方案，确保混凝土质量达到内实外光。

6 结束语

结合贵州省隧道涌突水治理的工程实例以及笔者方案设计经验，提出隧道泄水洞的设计原则，针对现场情况的分析过程以及设计要点，旨在为隧道处置涌突水方案提供合理选择的参考建议。