沉砂横洞处治岩溶隧道拱墙外侧季节性涌水溶洞施工技术

李婧瑜 饶坤荣 伍锦智

摘要：为有效解决隧道施工中穿越涌水溶洞的问题，文章提出采用沉砂横洞的处治方案，并介绍了其技术原理和施工要点。结果表明，处治后隧道排水迅速，对围岩扰动小，能够很大程度地提高隧道的结构耐久性，施工安全和施工质量得到了保证。

关键词：岩溶隧道；沉砂横洞；季节性涌水溶洞

中图分类号：U456.3+2A130424

0引言

由于喀斯特地区山体岩溶、溶蚀裂隙发育，在该地区修建高速公路隧道，施工过程中经常出现隧道穿越涌水溶洞的情况，甚至要与山顶洼地落水洞连接，此类溶洞常年季节性涌水且水中含有粉细砂颗粒，如何经济、有效地处治此类溶洞，是高速公路隧道施工所面临的一大难题［1］。

处理隧道季节性涌水溶洞通常采取隧道溶洞回填后设置排水管引排到隧道中心水沟或在隧道侧边设置泄水洞的方案［2］。前者短期内排水效果较好，但是后期岩溶水带来的泥和细砂沉积后对隧道排水系统影响较大，排水管堵塞后，在降雨较集中时期会使隧道衬砌背后产生较大水压，导致隧道衬砌出现渗水、漏水的现象，严重时可能出现衬砌结构开裂甚至造成路面结构拱起破坏；后者可以很好地解决隧道溶洞涌水问题，但是溶洞发育规模和涌水量未达到一定规模时建设成本较高，一般不被采纳，因为当溶洞发育规模和涌水量达到一定规模时，需要层层论证、经济分析等，过程较长，对施工管理极为不利［3］。涌水溶洞处治施工期间既要考虑施工安全和施工质量，又要考虑结构在使用运营期间的永久性、安全性和维护成本等，给隧道溶洞处治提出了诸多要求。

为了解决上述两种方案带来的弊端，采用沉砂横洞的处置方案，进行技术改进、工艺创新和现场实施，在溶洞涌水时有时间和空间进行转换，排水迅速，保证隧道结构稳定、运营安全、耐久性好，在季节性涌水溶洞的处置中有较高参考价值。

1技术原理

1.1沉砂横洞技术

在隧道涌水溶洞段设置抗水压衬砌，初期支护完成后，在溶洞端头段衬砌各5 m范围进行小导管环向注浆堵水（见图1）。溶洞端头段衬砌不设置防水层、环向盲管、纵向排水管。隧道轮廓边上溶洞内从上往下预埋多根300 mm排水管，溶洞泵送混凝土回填，设置沉砂横洞［4］。利用水的连通器原理，在横洞底部沉砂池沉淀、沉砂池与隧道中心水沟接通可维护复合排水盲管过滤（管内安装纤维多孔C型芯管，可更换过滤管），充分利用横洞的有限空间进行集水和排水。沉砂横洞避免隧道预埋的排水系统堵塞，减少岩溶水文复杂变化过程对隧道结构造成破坏。

1.2溶洞排水管安装技术与波纹管安装纤维多孔芯管过滤处理技术

1.2.1溶洞排水管安装技术

因隧道侧边溶洞发育位置较高，溶洞顶部一般围岩稳定性较差，施工过程存在一定风险，预埋排水管成了施工难点。本文结合现场溶洞空间情况，巧妙利用支撑杆+定滑轮原理，在隧道内侧边溶洞回填至工作面后，在确定施工沉砂横洞位置架立支撑杆到预定高度，灌注0.5 m厚混凝土固定支撑杆底座（3～5根杆），利用支撑杆起吊轻质300 mm波纹管（有一定强度，底部临时封堵）至预定高度，然后可根据现场情况进行分层回填混凝土至拱顶2.5 m，下一步施工横洞时将排水管揭露，最后完成剩余混凝土泵送，泵到预定高度从排水管处流出后停止泵送，达到回填加固溶洞的目的［5］。排水管完成后，可满足雨季期间溶洞涌水时及时排泄；如隧底下有岩溶管道，可在施工隧底基础时预留2根500 mm的排水管，作为溶洞消水或涨水的过水通道，避免了隧底侧边溶洞冒水时对隧道结构造成的影响。见图2。

1.2.2可维护复合排水盲管+安装纤维多孔芯管过滤处理技术

本处理技术应用一种可维护复合排水盲管（见图3），其结构由波纹管及纤维多孔C型芯管组成，其中纤维多孔C型芯管嵌在水波纹管中。其基本工作原理是在岩土工程中，含矿物及其他微颗粒的地下水长期流经预埋的可维护复合排水盲管，便会在其中纤维多孔C型芯管内形成水垢。当管内水垢体积达到一定程度，并阻碍盲管排水时，通过更换纤维多孔C型芯管，除去管内水垢，从而保证盲管长期排水畅通。另外，被更换出来的纤维多孔C型芯管经过清洗除垢，仍可循环使用，达到一定使用年限后再更换新的纤维多孔C型芯管［6］。

2施工应用要点

2.1地质勘探和测量溶洞轮廓

调查隧道溶洞地质，并根据溶洞发育规模和形态等进行隧道岩溶地质勘探。地質勘探采用地质雷达和多功能地质钻机结合进行超前地质预报，以提高隧道岩溶地质探测精度。如溶洞构造复杂，必要时进行详细补勘，以保证溶洞的规模、形态、地质情况等资料准确清晰。因地质情况复杂，要结合溶洞发育情况对溶洞涌水断面进行钻探并测量溶洞轮廓与隧道的关系，具体溶洞处治方案、沉砂横洞设置等需要参考地质勘探和溶洞轮廓测量结果确定。溶洞涌水段钻孔探测布置见图4。

2.2确定溶洞处治方案

隧道揭露岩溶地质及水文情况复杂，根据现场地质勘查及水文调查资料，溶洞处治方案一般设计为抗水压衬砌结构，同时要提高初期支护等级、加深仰拱、加强衬砌钢筋、提高防水混凝土等级等。进行岩溶地质处治施工时，如隧底拱脚承载力不满足要求，需要按照方案进行基底处治。处治隧底基础时，提前预埋500 mm排水管钢管接通至沉砂横洞，作为隧底溶洞涨水过水通道，避免工后溶洞涌水时隧底承受较大水压，对隧道结构造成影响。预埋排水管时注意保护管口不被堵塞［7］。

2.3确定沉砂横洞位置及参数

隧道溶洞季节性涌水变化较大，应结合隧道中心水沟排水能力合理估算溶洞涌水量，并根据溶洞涌水情况、隧道溶洞轮廓及溶洞稳定性合理选择沉砂横洞型式和断面。如溶洞规模较小，围岩稳定，可在隧道衬砌边上设置几个小型汇流槽引排即可满足要求；如溶洞规模一般，但雨季突然性涌水量较大，应选择设置沉砂横洞，并设计合适断面，以满足施工、实际集水和排水需求；如施工期间发现溶洞确实存在较大水压且涌水量较大，应充分结合溶洞稳定性情况选择沉砂横洞断面和位置，从侧面绕开涌水溶洞，确保横洞有更大的空间对水流进行释压和引排，确保隧道结构安全。

2.4溶洞内安装排水管及溶洞内回填混凝土

若溶洞发育高度超出拱顶往上发育，则施工过程的扰动易导致溶洞与隧道轮廓交界处发生坍塌，危及施工安全。溶洞回填混凝土前，应根据溶洞发育情况确定排水管型号、直径、数量、预埋高度，混凝土回填高度等。结合现场溶洞空间情况，巧妙利用旗杆升旗原理，通过精确测量后确定施工沉砂横洞位置，然后在相对位置安装溶洞内300 mm排水管，并注意封堵水管底部，避免混凝土堵住排水管，确保溶洞回填混凝土后溶洞顶上排水顺畅［8］。在下一步施工横洞时将排水管揭露，完成剩余混凝土泵送，混凝土回填到预定高度时从排水管处流出，此时停止泵送。混凝土强度达到80%后可进行下一步施工。

2.5按处治方案进行主洞开挖、支护施工

因溶洞段地质复杂，围岩较破碎，施工应严格按照施工方案进行，确保施工质量和施工安全。

2.5.1溶洞衬砌端头段环向注浆

施工中和施工后溶洞段有可能出现涌水，衬砌背后岩溶裂隙出现水压，在水压力作用下，水沿着隧道开挖轮廓面、初期支护喷射混凝土孔隙和无纺布等缝隙流至其他衬砌段，导致其他衬砌段出现渗漏现象。在溶洞段衬砌端头段设置5 m隔水带，采用全换注浆处理，采用L=600 cm、42 mm×4 mm、100@100小导管环向注浆堵水。注浆采用细水泥-水玻璃浆液，水泥浆与水玻璃体积比为1∶0.5；水泥浆水灰比为1∶1。开始注浆压力为0.6～1.0MPa，注浆终压在1.0MPa左右，终压状态下注浆量应＜2 L/min，否则加密注浆孔。溶洞端头段衬砌施工时不设置反水层、环向、纵向排水管等，使得衬砌防水混凝土和初期支护面粘结密实，起到防水和隔水的作用。

注浆参数见表1。注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数。

2.5.2施工深孔泄水孔

溶洞地质段水文情况复杂，初期支护施工完成后，在溶洞段衬砌边墙至拱腰位置设置100 mm、深度＞10 m的深孔泄水孔，间距为200 cm（环）×300 cm（纵），泄水孔内安装双臂打孔波纹管，波纹管引至拱脚处与纵向排水管接通，引入隧道中心排水沟。

2.6隧道水压实时监测设备安装

施工岩溶段初期支护和二衬施工期间，应对隧道溶洞段涌水位置断面进行实时监测，防治淤堵，并设置报警装置，一旦在雨季期间出现排水管淤堵情况可及时发出预警信息，通知公路养护管理人员进行检查和维护，确保设置的沉砂横洞满足排水功能，避免水压对隧道结构造成破坏［9］。

2.6.1溶洞涌水处监测

在隧道衬砌内每个涌水点处安装3个改装的小型渗压计、3个钢筋应力计、3个混凝土应变计。隧道断面涌水点埋设传感器位置如图5所示。

2.6.2设置比对断面监测

比对断面选择距离溶洞涌水处200 m左右，在比对断面的初支、二衬预埋传感器进行实时监测。

隧道比对断面初期支护施工阶段，在拱顶、拱肩、起拱线、拱脚位置分别埋设1个位移计和1个渗压计，如图6所示。

隧道比对断面二衬施工阶段，在拱顶、拱肩、起拱线、拱脚位置分别埋设1个土压力盒、1个钢筋应力计和1个混凝土应变计，如图7所示。

2.7按方案进行沉砂横洞开挖、支护施工

隧道现场有条件时可进行沉砂横洞开挖支护施工，横洞与主洞交叉口及洞身均设置加强段衬砌结构，保证交叉口安全稳定。横洞段采用弱爆破和小型挖机进行开挖，人工立架和喷射混凝土支护。施工横洞过程注意接通横洞顶预埋的300 mm排水管，保证溶洞排水顺畅。横洞初期支护施工完成后，可考虑对溶洞顶剩余高度泵送混凝土，直到排水管有混凝土流出即停止泵送。

2.8施工沉砂横洞混凝土衬砌及底部沉砂池，安装300 mm可维护复合排水盲管

现场具备施工条件后，可灵活开展横洞混凝土衬砌施工和底部沉砂池施工，确保沉砂横洞支护满足设计要求。沉砂横洞初支完成后，在下边加深开挖位置并设置沉砂池，满足横洞积水和沉砂的功能。安装横洞沉砂池时，在中心水沟之间预埋安装300 mm可维护复合排水盲管，设置3%的坡度，确保排水顺畅，沉砂横洞发挥集水和排水的作用。施工过程中应对管口反包3层土工布，保证预埋的排水管不被堵塞。

沉砂横洞施工完成后，清理管口，安装纤维多孔C型芯管，过滤岩溶水夹带的泥和细砂，防止泥和细砂直接进入隧道中心水沟和沉砂池，长期积累后造成堵塞［10］。纤维多孔C型芯管可定期抽出进行清洗或更换。

2.9设置横洞阶梯、检修通道、安装流水测量设备

为了方便工后对沉砂横洞进行检修和维护，并保证安全，横洞衬砌完成后可进行横洞阶梯、检修通道和护栏施工，设置安全护栏；注意在横洞口设置1∶1.5的阶梯，每个台阶高0.25 m、宽1.50 m，方便安装和更换纤维多孔C型芯管。

为了雨季期间溶洞涌水时可以监测溶洞涌水量，在施工沉砂池时应考虑盖板和检修通道，避免检修时发生意外事故。根据水表原理在沉砂池出水口位置安装流量测量仪，对溶洞涌水量进行估测，并确保后期可根据收集的估测数据对该溶洞排水情况进行检查和维护。

3结语

在处理岩溶隧道拱墙外侧季节性涌水溶洞时，中长、特长隧道建议采用沉砂横洞，与泄水洞施工方法相较，沉砂横洞有较大的优势。该方法不仅施工便捷，且保障了施工安全和施工质量，对总体施工工期影响较小，而且在隧道施工的过程中，对隧道工作面周围围岩的干扰较小，与周围环境适应性好，具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献［1］刘宗辉，关启钰，饶坤荣，等.基于能量理论的岩溶隧道超前钻探精细预报方法［J］.公路，2021，66（11）：342-349.

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［10］钟世航，孙宏志，李术才，等.隧道及地下工程施工中岩溶裂隙水及断层、溶洞等隐患的探查、预报［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（S1）：3 298-3 327.

作者简介：李婧瑜（1998—），助理工程师，主要从事高速公路建设管理工作。