富水岩溶隧道仰拱沉淀池排水系统设计研究

熊志辉,冯 劲,周红升

(浙江数智交院科技股份有限公司,浙江 杭州 310030)

临建高速公路项目为浙江西部某山区高速公路,沿线以丘陵山区为主,走廊狭窄,平原稀少,全线桥隧占比高达66%,隧道共30座,隧道占比40%。可溶岩分布范围广,全线共有17段,长约17.8 km,占路线总长的21%,部分段落岩溶极强发育。在岩溶区修建隧道面临诸多挑战,而在富水岩溶区修建隧道成为了最棘手的问题,由于岩溶区地质复杂多变[1],根据目前的地质探测方法,可确定出岩溶发育的范围,但很难精准探测出溶腔具体的发育形态,从而在前期设计中无法实现准确设计[2]。需待富水溶腔揭示后,根据溶腔形态及涌水量情况,制定针对性处治方案。

目前,关于隧道岩溶水处理的方案相对单一[3-8],通常做法为设置独立泄水隧洞,或增加洞内排水管等,但方案存在局限性。泄水隧洞主要针对大型富水溶腔及地下暗河设置,虽排水能力强,不易堵管,但是造价高、工期长。而针对一般性富水溶腔,通常采用增加洞内排水管方案,造价低、工期短,但容易因岩溶水的长期沉淀结晶而发生堵管现象,运营期存在安全隐患[9]。结合临建高速虎溪台富水岩溶隧道工程实例,分析隧址区的岩溶水的特征;采用综合预测预报措施及针对性溶腔治理方案;并对隧道排水系统进行优化设计。

1 工程概况

1.1 隧道概况

临建高速公路虎溪台隧道位于浙江省杭州市桐庐县瑶琳镇,距瑶琳仙境岩溶自然风景区约2 km。隧道采用分离式双向四车道设计,时速100 km/h,左幅全长3 112 m,右幅全长3 125 m,最大埋深502 m。隧道纵坡采用双向坡,左右洞坡率为1.40%/-0.5%。隧道施工采用双向掘进,目前隧道已贯通,隧道进口K63+360～K63+660段300 m为承压裂隙水,出口K65+100～K65+320段220 m为岩溶发育区,隧址区的裂隙水及岩溶水,以沟水及泉水等排泄方式排出,总体流向分水江。

1.2 隧址区岩溶发育特征

隧址区前第四系地层由老至新依次为泥盆系上统西湖组(D3x)石英砂岩夹泥质粉砂岩、石炭系下统珠藏坞组(C1z)泥质粉砂岩夹石英砂岩、石炭系中统黄龙组(C2h)灰岩、石炭系上统船山组(C3c)灰岩。其中石英砂岩灰白色,中细粒结构,厚层状构造;泥质粉砂岩紫红色,质软,层状构造,多受构造挤压作用,节理裂隙极发育,局部挤压呈断层泥状,隧址区共发现断层3条。灰岩,深灰色,隐晶质结构,厚层-块状构造,总体较完整,岩溶管道极发育,灰岩段地表大部分基岩裸露,多为岩蚀洼地、溶槽、落水洞等,大气降雨通过地表溶槽、溶沟下渗至隧址区。

洞身K65+100～K65+320段灰岩岩溶较发育,灰岩段埋深200 m,钻孔ZKS407在孔深205.0～211.4 m段揭示一铅直厚度6.4 m的方解石脉,孔深213.5～213.8 m段揭示一溶洞,钻探无返水,粉细砂填充,有向孔内塌落流动现象。钻孔稳定水位埋深约52 m,向孔内进行了注水试验,采用120型潜水泵,泵量50 m3/h,连续注水2 h,水位未见抬升。表明该段岩溶管道连通性较好,岩溶水较为发育,水量较大,施工时发生涌水突泥的风险较大,隧道施工过程中,左右洞共揭露富水溶腔3处,且溶腔水泥沙含量较高。

1.3 水文地质条件

隧址区内的地下水根据其不同的赋存形式、埋藏条件、分布情况及不同的水动力性质,可分为三大类:松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水,其中孔隙水及裂隙水主要分布于洞身K63+360～K63+660段。洞身K65+100～K65+320岩溶段灰岩总体由南西向北东径流,隧址区总体处于地下水补给区,岩溶水通过落水洞以大型岩溶管道形成地下暗河向下游排泄。

经对K65+100～K65+320段洞身上方地表现场踏勘,发现落水洞,由于经过了农田改造,大部分小型落水洞已被填埋。由于岩溶管道淤塞,落水洞洞身表部的部分岩溶水在沟底以岩溶泉形式排泄。隧址周边的大坑水库距离隧道约355 m,库底标高约146 m,常水位标高约170 m,隧道岩溶区路面标高约137 m。经地质调查分析,大坑水库周边岩溶不发育,地下水系与隧道溶腔连通性不强,溶腔水受大坑水库补给小。

2 岩溶水分析及涌水量计算

2.1 涌水突泥情况及预防措施

隧道开挖期间,在K65+100～K65+320灰岩段共揭穿富水溶洞3处,其中右洞1处左洞2处。1#溶腔在打设炮眼时出现承压水,后采用潜孔钻打孔泄水;2#溶腔刚揭示时溶腔内为泥质填充物,后发生突泥涌水;3#溶腔在打设超前水平探孔时出现承压水。整体分析,隧道洞身段位于岩溶补给区的水平径流带上,隧址区的垂向落水洞及水平岩溶管道均较发育,揭示的3处溶洞规模及涌水情况见表1。

表1 溶洞特征及突泥涌水量情况分析

根据本工程隧道岩溶区发育特征,施工期间掌子面超前地质预报采用短距离与长距离相结合、超前探孔与物探相结合、炮眼钻探与锚杆钻探相结合的全方位探测方案,通过相互对比验证的方式,来提升超前地质预报的准确性[10]。

采用地质雷达法(GPR)测距30 m+地震波反射法(TSP)测距50 m相结合方案,相互验证对比,提高精确性;掌子面超前探孔深度为15 m,前后两次探孔前后搭接5 m,探孔数量可根据物探情况确定;利用加深掌子面的炮眼进行全方位探测,炮眼打设深度为5 m,但爆破开挖进尺需按要求控制,并利用环向锚杆打设的过程中进行探孔。打设钻孔过程中如发现异常情况,应停止施工,及时上报。

2.2 溶腔连通性分析及涌水量计算

通过水化学、同位素分析及隧道涌水分析[11],洞内岩溶水样中δD、δ18O、δ17O含量,均较隧顶地面上的暗河排泄口水体中的含量低,说明隧道涌水其综合补给来源点比地表暗河排泄口标高要高,同时由于洞内岩溶水和暗河排泄口水离子含量高度相似,确定隧道溶腔涌水来源主要为岩溶谷地内地下水垂直入渗补给,接受两侧砂岩侧向补给量极少,初步可按两侧山脊为界控制砂岩补给范围,流域面积按0.4 km2计,水源补给主要为大气降雨补给。依据水文分析法,预测隧道溶腔涌水量[12],入渗系数按0.8计,则年平均涌水量1 170 m3/d。由于该地区日均最大降雨量153.4 mm,暴雨工况下入渗系数按0.5计,则最大涌水量30 680 m3/d。计算公式如下[13]

Q=aFP

(1)

式中:Q为涌水量,m3/d;a为大气降水入渗系数,0.5;F为隧道影响带汇水面积,m2;P为大气降水量,mm/d。

根据2021年3月至12月隧道左右洞涌水量的观测资料,见图1,最大涌水量集中在8月份,其中左洞最大涌水量为6 680 m3/d,右洞最大涌水量为3 745 m3/d,全隧实测最大涌水量合计10 425 m3/d。通过图1与图2曲线图对比可知,隧道溶腔涌水量大小与大气降雨量成正比关系,证实了溶腔与地表的连通性及大气降雨为岩溶水主要补给源。且通过图2中2020年至2021年降雨分布可知,当地梅雨季集中在5月至8月。

图1 隧道总排水量实测统计曲线图

2.3 溶腔水质分析

通过对地表水样及洞内岩溶水样的离子成分进行对比分析,推断出洞内岩溶水主要来源于沟谷内表层农田的淋滤补给,岩溶水中的泥沙主要来源于地表土及地表农田土的渗流。3处溶腔被揭示后,对岩溶的水样收集,其中1#溶腔及2#溶腔不间断出水,3#溶腔随着降雨量变化间断性出水,且3处溶腔水中含有一定比例的泥沙,岩溶水量及泥沙含量随降雨量变化而变化见表2。

表2 隧道内溶腔水量与泥沙含量表

根据表2看出,洞内溶腔水泥沙含量随着涌水量的增加而增加,施工期间在洞内排水沟观测到有一定泥沙沉积,说明溶腔水在往洞外排泄的过程中,部分泥沙沉淀于洞内,所以单方面增设排水管,不能预防后期溶腔水沉淀堵管问题,需在洞内设置沉淀池,将岩溶水内泥沙沉淀一定比例后排水洞外。另外,通过观测3月至9月的水质,发现溶腔水的含泥量在逐渐减小,而9月至12月溶腔水的含泥量趋于稳定。

3 排水系统优化设计

3.1 溶腔治理方案

对岩溶水的治理遵循“宜疏不宜堵”的原则,应根据实际情况对岩溶水采取截、引、排等处理措施[12]。隧道灰岩区段共揭示富水溶腔3处,通过分析3处溶腔的发育特征及涌水情况,分别采取针对性的治理方案。1#溶腔与2#溶腔发育特征相似,周边岩体较完整,溶腔垂直管状发育,直径约3～4 m,溶腔上部持续有水,下部为泥质填充物。根据溶腔的特点,上部采用C30水下混凝土施做护拱墙,并预埋2根直径30 cm排水管引排溶腔水;下部泥质填充物采用混凝土换填,并设1 m厚钢筋混凝土搭板;溶腔周边采用小导管+超细水泥注浆封堵裂隙水。3#溶腔周边岩体完整,溶腔长12 m,宽7 m,高30 m,溶腔上部空腔无水,下部为淤泥水填充物,将下部溶腔水抽干后,发现溶腔下部持续有水涌出。根据溶腔的特点,上部采用C20混凝土回填,并埋设直径11 cm排水管引排裂隙水;由于腔体下部空间大,且淤泥层较深,下部先抛石挤淤,再浇筑6 m厚C30水下混凝土,并设1 m厚混凝土搭板,预埋直径20 cm排水管引排溶腔水;溶腔周边采用小导管+超细水泥注浆封堵裂隙水。

3.2 纵向矩形排水沟设计

根据上文对隧道的涌水量预测计算,得出隧道最大涌水量预测为30 680 m3/d,考虑隧道现有D400钢筋混凝土中央排水管能否满足排水能力,对隧道进行排水力计算。隧道共揭示的3处溶腔距出洞口约1 km,隧道出口段纵坡为0.5%,根据《建筑给排水设计规范》中的水力计算公式[13]为

qp=Av

(2)

(3)

(4)

式中:qp为设计流量,m3/s;A为过水断面面积,m2;ν为平均流速,m/s;R为水力半径,m;I为水力坡度,隧道纵坡0.5%;n为管壁的粗糙系数,混凝土明堰表面为0.001 5;w为过水断面面积,m2;x为湿周,水面以下的过水断面与固体边界交线长度,m。

经计算D400钢筋混凝土中央排水管,泄水能力为16 540 m3/d(双洞),小于预测的最大30 680 m3/d涌水量。因此在左侧行车道下方新建一道矩形排水沟,考虑到1#、2#、3#溶腔水的含泥量,为避免沉淀堵管,因此适当加大排水沟断面,排水沟净宽1.2 m,净高1.17～1.28 m,坡度同隧道纵坡。经计算,矩形排水沟的泄水能力为431 134 m3/d(双洞),远大于预测的最大涌水量,可以满足排水需求,富余的断面可以满足一定的泥沙淤积能力。

3.3 沉淀池方案比选

通过前面对溶腔水质分析结果,隧道内岩溶水内含有一定比例的泥沙含量,为预防后期泥沙沉淀堵管问题,考虑在溶腔位置的隧道仰拱内设置沉淀池,该方案具有造价低、工期短、不易堵管等特点。以1#溶腔水治理方案为例,沉淀池方案共分2种:方案1为单箱沉淀池,方案2为双箱沉淀池。沉淀池方案比选见表3。

表3 沉淀池方案比选

综上所述,单箱沉淀池方案中,中央排水管及矩形排水管为两套独立的排水系统,中央排水管排泄裂隙清水,矩形管排泄岩溶浑浊水,更有利于后期运营维护,最终采用单箱沉淀池方案。沉淀池宽3.75 m,高1.39～2.07 m,横截面积为6.5 m2,为预防后期水压对隧道主体结构影响,隧道采用加强衬砌支护。1#溶腔与2#溶腔沉淀池长度为40 m,3#溶腔沉淀池长度为20 m,2#溶腔与3#溶腔沉淀池通过矩形沟连通,每个沉淀池前后共设2处检修洞室,检修洞室净宽2 m,净高2.75 m,楼梯宽度1 m。

通过2021年3月至2022年3月的泥沙沉淀量观测,计算推测沉淀池一年的泥沙淤积厚度约为0.8 m。建议通车运营期间,隧道洞内沉淀池的检查频率为4次/年,其中,当地梅雨季期间检查2次,清淤频率为1次/年。且通过前期观测,岩溶水泥沙含量会逐年递减,运营期间的清淤频率可根据后期实际情况动态调整。

4 结 论

针对该隧道灰岩区的溶腔发育特征及岩溶水质特点,采用了综合预测预报措施及针对性溶腔治理方案;并对隧道排水系统进行了优化设计,得出以下结论。

(1)富水岩溶区隧道施工,采用探孔探测溶腔是必要的,不要寄希望于单一的预报手段,要制定综合预报体系进行分析,采用物探与探孔相结合的方式,通过相互对比验证,提升超前地质预报的准确性,并利用探孔对溶腔水泄压,降低富水岩溶区隧道施工的涌水突泥风险。对揭示出来的泥质填充型溶腔不能轻视,如发现腔体内持续掉块,且存在含水率逐渐升高迹象,应启动应急避险措施,避免涌水涌泥安全事故。

(2)岩溶水治理前,应对隧址岩溶区进行详细水文地质调查,探明隧址区岩溶发育规律,结合水化学及同位素分析,确定岩溶水补给范围及来源,根据当地的大气降雨量进行涌水量预测,同时通过采集不同时期的岩溶水样,分析水质情况。

(3)对于隧道岩溶水采用哪种方案排泄,主要按涌水量大小确定,对于水量较大的建议设立独立泄水隧洞,对于水量小的,可采用洞门增设排水管方案。考虑该隧道岩溶涌水量适中,但岩溶水泥沙含量大的特点,项目采用了洞内沉淀池+增设排水管方案,避免运营期间堵管问题。