宜萬鐵路野三關隧道穿越 4號暗河段整治措施研究

李 強

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

地下暗河也叫暗河或“伏流”,指地面以下的河流,是地下巖溶地貌的一種。地面河潛入地下之后稱伏流,常常形成干地殼上升、河流下切,河床縱向坡降較大的地方,在深切峽谷兩岸及深切河谷的上源部分,伏流經常發生。地下暗河是由地下水匯集而成的地下河道,往往有出口而無入口,沿構造破裂面發育,是巖溶地貌的重要表現特征。

隧道遭遇到地下暗河時,可能會導致突發性突水突泥地質災害,沖毀洞內、洞外設施,影響施工和誘發環境地質問題,嚴重時可能會導致人員傷亡,造成災難性的后果。盡管已修建的地下工程遭遇暗河的工程實例較多,如宜萬鐵路五爪觀暗河、二郎山隧道洞口處地下暗河等,但受暗河的規模、工程水文地質條件不同,其整治措施不盡相同,無法尋找標準的設計。

本文依托宜萬鐵路野三關隧道 4號暗河支管道的規模、工程水文地質條件,從工程投資、施工及長期運營安全、施工干擾方面對整治措施進行了深入細致的對比分析,提出了經濟、合理、安全的處理措施,確保了施工及運營安全。

1 暗河揭示過程

2004年 9月 13日,野三關隧道出口Ⅰ線 DK129+912掌子面右下方揭示充填黃色黏土的巖溶管道,管道直徑約 2～3m,隨著掌子面的推進,暗河管道被進一步揭示,發現該暗河管道沿線路方向發育,在DK129+897處穿越隧道進入掌子面左側,繼續平行隧道向小里程方向延伸至 DK129+800處結束。在DK129+910、DK129+830處管道底部各揭示一積水潭,受降雨的影響,9月 20日、10月 1日、11月 13日,暗河管道大量涌水,最大涌水量達 220m3/h。圖1為暗河揭示時的情況。

2 暗河規模及工程水文地質條件

DK129+797～DK129+920段位于石馬壩背斜西翼,隧道穿越三疊系下統大冶組灰巖,深灰色,薄 ～中厚層狀,巖層產狀 NE307°∠38°,巖溶裂隙、管道發育,巖體破碎,圍巖基本分級為Ⅳ級。

圖1 野山關隧道揭示時暗河支管道情況

該段開挖揭示 4號暗河支管道,支管道基本上沿Ⅰ線線路前進方向發育,從Ⅰ線 DK129+813.5隧道拱頂以上 2.8m處發育至 DK129+900左邊墻外后,與Ⅰ線線路呈 45°向隧道左邊墻外發育,管道直徑 1～5.5m,底部沉積少量溶洞充填物,周邊圍巖較完整、穩定性好。

該段位于地下水水平循環帶,洞身與 4號暗河系統交叉,暗河支管道地下水主要接受大氣降水補給,天旱時水量極小,雨季時大量涌水且泉水渾濁,最大涌水量達 17萬 m3/d。巖溶水的流量動態與降雨關系密切,對降雨的反應較敏感,一般在中、大雨的第 2天,地下水流量明顯增長,第 4天達到峰值,反應了巖溶水系統補給條件良好,徑流途徑較長,徑流通暢。水流由線路小里程向大里程匯集、排入支井河。

4號暗河支管道平面、縱斷面見圖2。

圖2 4號暗河支管道形態特征

3 方案研究

針對野三關隧道出口 DK129+797～DK129+920段揭示的 4號暗河支管道工程水文地質條件,以及雨季涌水量大、與地表水水力聯系密切、處理難度大的特點,為確保施工及長期運營安全,進行了增設導流洞、增設排水廊道 +中心水溝、增設排水廊道 +加深側溝、封堵 4個方案的研究,方案平面布置見圖3。

3.1 方案一:增設導流洞

方案一典型橫斷面設計見圖4。

(1)導流洞

圖3 方案平面布置(單位:m)

圖4 方案一典型橫斷面(單位:cm)

①平面位置

在Ⅰ線隧道 DK129+813.5處增設 1座長約 285 m的導流洞,引排 4號暗河支管道巖溶水至支井河排放,與Ⅰ線線路中線夾角為 30°。

②縱坡

導流洞起點坑底高程高于Ⅰ線正洞拱頂約 2.8m(與支管道底部齊平),向出口方向設置 3%的下坡。

③襯砌斷面

導流洞內凈空采用 2.6m×3.4m(寬 ×高)的噴錨整體式襯砌。

④管道處理

在 DK129+813.5處下游采用混凝土封閉原暗河管道,使暗河水改道進入導流洞;暗河底部及跌水部位采用混凝土或漿砌片石鋪砌,防止暗河水沖刷。

(2)正洞結構

暗河影響段Ⅰ線隧道結構:初期支護為 20cm厚C20網噴混凝土(拱墻內嵌格柵鋼架、0.8m/榀),二次襯砌采用 30cm厚 C30鋼筋混凝土。

3.2 方案二:增設排水廊道 +中心水溝

方案二典型橫斷面設計見圖5。

(1)排水廊道

DK129+812～DK129+814段溶洞側拱墻外擴 3 m形成寬 2m、深 2m的排水廊道,將暗河地下水引排至中心水溝。

圖5 方案二典型橫斷面(單位:cm)

(2)護拱

為確保結構安全,DK129+800～DK129+816段排水廊道側拱墻外擴 1m施作混凝土護拱。

(3)中心水溝

①平面位置

DK129+810～DK130+038段隧底中部增設 1條長約 230m的中心水溝,引排 4號暗河支管道巖溶水引排至支井河排放,出口采用直徑為 1.5m的鋼筋混凝土管涵引排。

②縱坡

中心水溝底高程低于隧道水溝底約 2m,向出口方向設置 4‰的下坡。

③斷面大小

中心水溝采用內凈空為 1.5m×1.5m(寬 ×高)的鋼筋混凝土框架結構,能夠滿足水深 0.8m的排水量大于 20萬 m3/d的要求。

④管道處理

管道處理同方案一。

(4)正洞結構

暗河影響段正洞采用 20cm厚網噴混凝土 +30 cm厚鋼筋混凝土結構,底板采用 50cm厚鋼筋混凝土;DK129+810～DK130+038段正洞調整為底板結構,底板為 50cm厚鋼筋混凝土。

3.3 方案三:增設排水廊道 +加深側溝

方案三典型橫斷面設計見圖6。

(1)排水廊道及護拱

排水廊道及護拱同方案二。

(2)加深側溝

Ⅰ線DK129+810～DK130+038段隧道側溝加深0.8m,滿足單條側溝排水量增加 5萬 m3/d,Ⅱ線IIDK129+790～IIDK130+003段隧道側溝加深 1.2 m、滿足單條側溝排水量增加 5萬 m3/d,同時對路基段側溝進行相應加深,確保排水暢通,共加深側溝長度約430m,Ⅰ、Ⅱ線側溝采用橫向連接通道連通,引排 4號暗河支管道巖溶水至支井河排放。

圖6 方案三典型橫斷面(單位:cm)

(3)管道處理

管道處理同方案一。

(4)正洞結構

暗河影響段正洞采用 20cm厚網噴混凝土 +30cm厚鋼筋混凝土結構,底板采用 50cm厚鋼筋混凝土;Ⅰ線DK129+810～DK130+038段隧道加高 0.8m、Ⅱ線IIDK129+790～IIDK130+003段隧道加高 1.2m。

3.4 方案四:封堵

開挖揭示的暗河支管道采用混凝土封閉,改變原有地下水排水通道,將地下水封堵在隧道開挖輪廓外一定范圍;暗河影響段 DK129+790～DK129+920正洞采用加強型復合式襯砌,初期支護采用 25cm厚網噴混凝土(內嵌全環格柵鋼架、1m/榀),二次襯砌采用 75cm厚防水鋼筋混凝土。

3.5 方案比選

從工程投資、長期運營安全及維護、施工干擾方面進行了深入地對比分析。

(1)工程投資

方案一:增加工程量為 285m的導流洞、管道封堵、DK129+797～DK129+825段正洞結構調整為底板直墻鋼筋混凝土結構,工程投資小。

方案二:增加工程量為 230m中心水溝、排水廊道、護拱、DK129+810～DK130+038段正洞調整為 50 cm厚鋼筋混凝土底板結構(暗河影響段拱墻采用 35 cm厚鋼筋混凝土),工程投資較小。

方案三:增加工程量為加深側溝 430m、排水廊道、護拱、橫向連接通道、Ⅰ線 DK129+810～DK130+038段隧道加高 0.8m、Ⅱ線 IIDK129+790～IIDK130+003段隧道加高 1.2m,工程投資較大。

方案四:增加工程量為暗河封堵、130m正洞結構需大幅提高,工程投資大。

(2)長期運營安全及維護

方案一:由于暗河水已通過再造管道引排,襯砌結構不承受水壓力,結構安全;導流洞斷面大,便于養護維修。

方案二:襯砌結構不承受水壓力,結構安全;中心水溝斷面小,不利于養護維修。

方案三:同方案二。

方案四:由于管道封堵的不確定性,可能會導致襯砌施工縫射水,影響隧道運營安全。

(3)施工干擾

方案一對隧道施工基本沒有干擾,施工進度快;方案二對隧道施工干擾大,施工進度慢;方案三對隧道施工干擾較大,施工進度較慢;方案四工程量較大,施工進度慢。

根據以上的對比分析,考慮巖溶發育的異常復雜性和不確定性,為確保隧道施工及長期運營安全,節省工程投資,采用增設導流洞引排 4號暗河支管道巖溶水。

4 方案實施

根據暗河支管道規模、工程水文地質條件、補給量大小及與隧道空間關系,綜合考慮Ⅰ、Ⅱ線隧道施工組織及長期運營安全,遵照“以排為主、加強結構、綜合治理”的原則,隧道穿越 4號暗河支管道段采取如下處理方案及工程措施。

4.1 導流洞

導流洞斷面見圖7。

圖7 導流洞斷面(單位:cm)

(1)平面位置:為截排野三關隧道 4號暗河支管道巖溶水,在出口段左側增設 1座長 285m的導流洞,與Ⅰ線隧道相交于 DK129+813.5處,交角為 30°,并在導流洞出口設置 30m的導流明渠,將暗河支管道巖溶水引排至支井河。

(2)縱坡:導流洞起點位于Ⅰ線隧道 DK129+813.5拱頂以上約 2.8m處,坑底高程與揭示的暗河支管道底部齊平,出口位于支井河邊,向出口方向設置3%的下坡,導流洞出口約 50m范圍設置 C20混凝土消能臺階(高 0.25m、寬 1m)、間距 10m一處。

(3)超前支護:出口段約 25m范圍圍巖破碎、風化嚴重,拱部采用 φ22mm超前錨桿預支護,環向間距0.4m、縱向 2.4m一環。

(4)結構:采用內凈空為 2.6m×3.4m(寬 ×高)的噴錨整體式襯砌。

(5)鋼架:Ⅳ級圍巖局部設置格柵鋼架加強、1m/榀,V級圍巖拱墻設置格柵鋼架加強、0.8m/榀,與正洞相交段 20m范圍內導流洞采用格柵鋼架加強、0.8 m/榀。

4.2 正洞支護結構

DK129+797～DK129+920段采用普通Ⅳ級圍巖底板結構復合式襯砌,初期支護為 20cm厚網噴混凝土(內嵌格柵鋼架、0.8m/榀),DK129+797～DK129+825暗河段二次襯砌采用 30cm厚鋼筋混凝土結構加強,其他段二次襯砌為 30cm厚素混凝土結構。

4.3 管道處理

暗河管道處理見圖8。

圖8 暗河管道處理(單位:cm)

為使暗河水改道進入導流洞,采用 C15片石混凝土擋墻封閉原暗河通道,擋墻迎水面采用水泥砂漿等作好防滲處理;同時在溶腔大廳底部鋪 50cm厚 C15片石混凝土保護層,并在暗河跌水處下方施作 M10漿砌片石跌水槽,以防暗河水沖刷、侵蝕隧道頂板圍巖。

5 結語

(1)隧道遭遇到地下暗河時,首先應采用示蹤試驗、紅外探水、地質雷達、TSP-203、超前鉆孔、放水試驗等綜合超前預測預報手段,查明暗河發育規模、地下水補給情況等,再行研究處治措施。

(2)應逐個暗河逐個進行處理,不必尋找標準的設計,設計中的通用原則為確保隧道的襯砌結構有足夠的安全度、在可預見期內暗河的穩定性有保證、方案比較經濟適用。

(3)隧道穿越暗河的處理應首先選擇連通方案,不改變地下水總的流動趨勢,各類新建的排水通道應有一定的坡度,以防止泥砂淤積,影響隧道長期運營安全。

(4)野三關隧道 4號暗河設置導流洞后,暗河水主要通過導流洞排出,正洞未見滲漏水現象,處理效果良好。

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