某隧道涌水原因分析及泄水洞方案设计

■宾胜林

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，沈阳 110166）

在岩溶富水地层中进行隧道设计与施工是近年来的一大难题，特别是在我国西南地区，岩溶发育、极发育隧道数量繁多，工程难度更大、问题频发。岩溶围岩条件下的隧道不仅在施工过程中存在涌水、突泥的安全风险，还可能会因衬砌背后水压急剧升高产生结构开裂、隧道施工缝、墙面渗漏水及中心水沟排水能力不足等运营期病害，严重影响公、铁路隧道施工、运营，给工程带来极大的安全隐患和不确定性[1]。对隧道某一段落开展专项水文地质调查并提出针对性的处置方案[2-3]能够在前期设计阶段避免病害问题，降低隧道施工风险，保障其在后期的运营安全。

1 工程背景

1.1 隧道概况

川硐隧道位于贵州省六枝特区郎岱镇下辖折溪彝族乡穿洞村至折溪村一带，呈近南—北向展布，为“分离式+小净距”的长隧道，左线2285 m，右线2274 m；六枝端、安龙端均采用削竹式洞门；纵坡为人字坡，坡度分别为2.3%、-0.8%，右线变坡点桩号为YK10+230，左线变坡点桩号为ZK10+220.710；该隧道左、右线不存在超高情况，路面横坡为-2.00%。

1.2 现场涌水情况

2021 年12 月8 日，隧道出口右洞掌子面施工至YK10+445 时出现涌水，沿裂隙流出，出水点位于掌子面右线右侧，距离右边墙2.4 m，裂隙与隧道轴线成77°夹角，涌水量约0.006 m3/s。施工单位继续掘进施工后，出水点随裂隙在掌子面范围内斜向移动，2022 年4 月23 日隧道上台阶开挖至YK10+424.81 处，出水点移动至掌子面右上方拱肩处，基本判断该处为涌水的源头位置。随着5 月雨季的到来，涌水频次及涌水量明显增加，涌水量受天气影响较大，雨后涌水量明显增大，晴天涌水量减小，最大涌水量发生在6 月18 日，为8.7 万m3/d。2022 年7 月19 日暴雨过后，YK10+424.81 处涌水量急剧增大，经现场踏勘发现洞口用于收集排水数据的矩形沟已排满并漫流至路面，出水口较之前观测时大，且水压较大，现场初步测量涌水量达24 万m3/d，涌水发生时现场洞内及洞外情况如图1、2 所示。

图1 隧道内涌水情况

图2 洞外水流排泄情况

1.3 施工方现场处置措施

（1）在出水点（YK10+424.81 处涌水点）初支位置采用钢板支挡，预留出水槽，将水引至路侧暗沟，并在出水位置安排观察员及时汇报出水情况；（2）出水点前后各20 m 段落设置衬砌变形监测点，如有异常，应立即停止施工，撤离施工人员，通知参建各方，共同制定初支方案；（3）加强出水点前方超前预报，增加地质超前钻，避免掌子面在施工过程中发生涌水突泥事故；（4）在出水点及洞口排水汇流位置设排水流量监测点，采集数据，为制定下一步方案提供依据。

2 专项水文调查成果

（1）项目区属珠江流域北盘江水系，由北西向南东以陈家小屯—大关口—新寨一带构成了木城河、纳骂河分水岭，木城河、纳骂河均属雨源型河流。（2）场区地下水径流方向不受地表分水岭控制，由地表水文网及相应的地下暗河管道将区内划分为杨家大坡（Ⅰ区）、纳骂（Ⅱ区）、折溪（Ⅲ区）3 个水文地质区。杨家大坡水文地质Ⅰ区按流场、含水岩层及隔水岩层的分布，划分为刘家屋基水文地质亚区（Ⅰ1）、笔架山水文地质亚区（Ⅰ2）、上坪寨水文地质亚区 （Ⅰ3）3 个亚区。水文地质分区如图3 所示。（3）隧道YK9+800～YK10+989段属刘家屋基水文地质亚区（Ⅰ1），含水岩组主要为灰岩，地下水以暗河管道形式排泄，富水性强；隧道YK9+178～YK9+800 段属笔架山水文地质亚区（Ⅰ2），含水岩组主要为灰岩，地下水主要以高位涌出泉点排泄，富水性强，地下水易大量积水壅高，流量和水位变化剧烈，季节性交替极显著；隧道YK8+705～YK9+178 段属上坪寨水文地质亚区（Ⅰ3），含水岩组主要为P21、P2c+d泥质粉砂岩，富水性弱。（4）根据隧道施工涌水情况及勘察钻探揭露地下水情况，涌水突泥变化均发生在降雨后，对降雨响应非常敏感，当没有降水补给时，地下水位快速下降，具有暴涨暴落的特点。隧道涌水位置YK10+424.81 处于季节交替带，大量涌水应为丰水期暗河水暴涨上升至高处破碎带所引起。（5）通过分段落采用比拟法及大气降雨入渗法对涌水量进行计算，预测隧道最大涌水量约67.6 万m3/d。

图3 川硐隧道水文地质分区图

3 涌突水原因分析

4 涌水处置措施

4.1 泄水洞方案

根据专项水文调查及补充勘察成果，川硐隧道洞内排水系统的排水能力无法满足极端气候的峰值水量，拟采用泄水洞方案，将各出水点涌水引入泄水洞。泄水洞出口标高高于木城河，出口设置沉砂池，而后排入木城河。设计方案应遵循少占基本农田、节约耕地原则，采用平行隧道主洞的泄水洞布设方式，泄水洞布置于川硐隧道右洞右侧，净距30 m，泄水洞、主洞及洞外改河位置关系如图4、5所示。

图4 泄水洞平面布置图

图5 洞外泄水洞接入木城河改河

4.2 泄水洞平纵设计

泄水洞设置于川硐隧道安龙端右幅右侧（岩溶管道来水方向），长545 m，泄水洞测设基线与主洞右幅测设基线线间距43.5 m，净距约30 m，纵坡为-2.25%，最大埋深约105 m。泄水洞穿越的地层与主洞基本一致，主要为三叠系下统永宁镇组第一段（T1yn1）中风化灰岩，围岩级别为Ⅳ级、Ⅴ级。

4.3 泄水洞轮廓设计

泄水洞衬砌内轮廓依据预测瞬时最大涌水量，综合考虑施工期间机械开挖空间、工程材料运入与碴料运出车辆通行、施工通风、通水、通电管线、运营期间管养人员定期检测及清淤等所需空间要求，采用“半圆拱+直边墙+底板”起拱断面，净高×净宽=4.5×3.5 m，净空断面面积14.44 m2，设置1 m 高矮边墙，泄水洞内轮廓如图6 所示。经验算，泄水洞断面直墙部分排水能力为170.0 万m3/d，满足预测最大涌水量67.6 万m3/d 的排水要求，安全系数2.5。

图6 泄水洞内轮廓设计

4.4 泄水洞洞口设计

为便于施工组织及顺接洞外改河排水系统，泄水洞洞口选择在右洞右侧沟谷内，尽量降低洞口边仰坡的开挖高度，以保证山体的稳定。洞门型式主要考虑防护功能，采用“零开挖”进洞，并在洞口设置栏栅门，方便后期检修，防止人、畜误入。

4.5 泄水洞支护结构设计

泄水洞洞身衬砌设计以新奥法原理为指导，洞口地质较差段采用复合式衬砌，其余围岩段落采用锚喷支护。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，结合构造要求及经济技术比较，Ⅴ级围岩洞口浅埋段采用20 cm 厚初支及30 cm 厚C30 钢筋混凝土复合衬砌结构，衬砌设计如图7 所示；Ⅴ级围岩深埋段采用22 cm 厚锚喷支护结构；Ⅳ级围岩地段采用10 cm厚锚喷支护。

图7 泄水洞典型断面衬砌设计

4.6 泄水洞与主洞衔接设计

根据既有工程经验，将集中涌水接入泄水洞是排水方案的关键部分，本工程采用设置集水廊道措施，先将涌水引入集水廊道，再顺接入泄水洞，随后排出洞外。设计集水廊道及泄水洞标高均低于隧道主洞，设置在涌水的来水方向，增加涌水接入的容错度，保证涌水集中顺利排出，避免水害影响主洞，保证隧道后期运营安全。设置集水廊道情况如图8所示。

图8 主洞及泄水洞通过集水廊道连接示意图

5 结语

结合岩溶发育隧道的涌水处置工程实例，通过对现场情况的具体分析，总结出泄水洞的设计要点，得到结论如下：（1）西南地区岩溶发育，地下暗河错综复杂，隧道涌突水原因繁多，有针对性的开展某一段落的专项水文调查，能够为涌水原因分析及制定设计方案提供依据，保障隧道施工及运营安全；（2）对于集中、涌水量大的出水点采用泄水洞方案，能够有效提高隧道排水能力，减小沉沙淤积影响，方便后期检修。