宜萬鐵路野三關隧道響水坪地下暗河發育特征及方案研究

苗德海

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 武漢 430063)

宜萬鐵路野三關隧道位于湖北省恩施州巴東縣野三關鎮碗口河和支井河之間, 屬構造剝蝕-溶蝕地貌,為臺原山地和深切峽谷地形,地勢北高南低,山頂高程在1 050～1 600 m,河谷切割深度200～700 m[1]。

隧道全長13 833 m,為宜萬鐵路最長隧道,進口軌面高程為757 m,出口軌面高程為815 m,洞身最大埋深684 m,設計為人字坡,進口段受巴東車站影響,設計為燕尾式連拱隧道,其余段為2條單線隧道、線間距30 m。為滿足施工組織需要,在隧道中部DK125+100左側設置長1 844.5 m的無軌運輸斜井。圖1為野三關隧道地質縱斷面圖。

圖1 野三關隧道地質縱斷面

1 地質背景

1.1 地層巖性

隧道主要穿越志留系、泥盆系、二疊系、三疊系等地層,其中志留系、泥盆系等碎屑巖長度為5 074 m,占隧道全長的36.7%,二疊系、三疊系等灰巖地層長度為8 759 m,占隧道全長的63.3%。灰巖段地表巖溶強烈發育,單管式、網絡式暗河系統發育。

1.2 地質構造

隧區屬新華夏系構造體系,主要構造形跡有斷層、構造節理、裂隙和褶皺等。

隧區內主要發育孫家埡斷層、大坪斷層、廟坪斷層等12條斷層,其中孫家埡斷層對隧道影響最大。孫家埡斷層以75°夾角在DK124+865附近與隧道相交,斷層破碎帶寬6～18 m,透水性好,斷層切割、連通3號暗河,易將暗河地下水引入隧道。圖2為野三關隧道工程地質構造綱要圖。

1.3 河流水系

隧區屬清江流域,隧道橫跨支井河、苦桃溪、二溪河3條清江支流,出口位于支井河東岸,主要穿越苦桃溪和二溪河。隧道附近支井河高程為810 m，苦桃溪高程為1 082 m，二溪河高程為960 m。地表水系分布控制了地下水系統的動力循環格局,對隧區內巖溶發育有明顯的控制作用[2-3]。

1.4 巖溶發育特征

隧道區內巖溶發育的主要形態有地下暗河、溶洞、落水洞、溶溝、漏斗、巖溶管道等,組合形態有溶丘淺谷、峰叢洼地等。

地表發育有較大型的巖溶洼地,形成規模較大的匯水區域,伴有漏斗、落水洞等,易通過巖溶裂隙、落水洞、管道等將暗河及洼地水導入隧道,引起重大突水突泥災害。

巖溶發育分帶性明顯,由上向下,表層巖溶帶厚度為4～31 m；垂向滲濾帶厚度一般為29～348 m,該巖溶帶為較強巖溶發育帶,主要發育垂向型巖溶、季節性單支巖溶管道流；主要接受雨季降水補給,當隧道穿越該巖溶帶時有可能直接造成突水突泥風險。水平徑流帶發育厚度100～200 m,以水平滲流型巖溶為主,如暗河等,當隧道經過該巖溶帶時存在突水突泥風險；深部循環帶位于飽水帶的下部,埋深在180～520 m之間,該帶水力循環差,巖溶發育較弱,巖溶形態主要以溶蝕孔縫為主,隧道洞身主要經過該帶；如隧道在該層遇到深層巖溶,考慮隧道埋深以及巖溶有可能與地表的水力聯系,施工過程中有高壓突水、突泥等地質問題[1-3]。

圖2 野三關隧道工程地質構造綱要

隧道區內發育6條較大規模的地下暗河,其分布及地下水流向見圖3[4]。

圖3 野三關隧道地區暗河分布及地下水流向

2 響水坪暗河系統

2.1 暗河系統基本情況

響水坪暗河為小流域控制性地下河,呈樹枝狀,位于支井河左側,小角度橫穿Ⅰ線、Ⅱ線隧道,為區內河間飽水帶地下水相對集中的主要排泄口。該地下暗河系統總體發育方向210°～240°,呈樹枝狀,總體水力坡度7%～10%,長度約10 539 m,匯水面積約8.37 km2。進水口主要位于響水坪一帶,

其間分布有6～8個巖溶洼地,14～16個串珠狀的落水洞等,地下暗河水由北東向南西匯集,最后流入支井河。

該段暗河位于地下水水平循環帶,主要接受大氣降水補給；中、大雨約2 d后,地下暗河水流量有明顯增大,約4 d后達到最大值,這表明地下暗河與地表徑流聯系通暢,地下暗河水系統補給條件良好。

2.2 與Ⅰ線、Ⅱ線隧道關系

綜合TSP、地質雷達、超前地質鉆孔的結果及旱季開挖揭示測繪資料可知,該暗河系統上跨Ⅱ線隧道,暗河底部距離隧道頂部厚度約10 m,在Ⅰ線隧道DK129+813.5處,地下暗河開始侵入Ⅰ線隧道正線,并沿Ⅰ線隧道前進方向發育；在DK129+813.5處時,地下暗河距離隧道拱頂以上2.8 m,至DK129+900處時,地下暗河已處于隧道左邊墻外,此后地下暗河與Ⅰ線隧道約呈45°向隧道左邊墻外發育；該段地下暗河管道直徑1.0～5.5 m。

2.3 巖性及管道的穩定性

響水坪暗河與隧道交叉段(DK129+800～+920)

隧道埋深約170～190 m,主要穿越三疊系下統大冶組灰巖,薄～中厚層狀,巖層產狀307°∠38°；該段暗河巖溶裂隙發育,暗河底部有少量淤泥和石塊沉積,管道壁圍巖整體性好,穩定,為Ⅳ級圍巖。

與隧道相交區段響水坪暗河系統支流段示意見圖4。

圖4 響水坪暗河系統支流示意

3 設計方案

根據響水坪暗河系統的平面展布、匯水面積、可能出現的最大排量、主要出水口及與Ⅰ、Ⅱ線隧道的空間關系等,遵照“確保安全、排堵結合、綜合治理”的原則[5-10],研究了排水洞方案、加深水溝方案和封堵方案。圖5為處治方案平面布置圖。

圖5 處治方案平面布置

3.1 排水洞方案

在Ⅰ線隧道左側DK129+813.5處增設長285 m排水洞,引排暗河巖溶水至支井河,排水洞與隧道中線夾角為30°。排水洞底部高于Ⅰ線隧道頂部2.8 m,坡度為3%,沿支井河方向下坡。

內凈空為2.6 m×3.4 m(寬×高),采用噴錨支護整體式襯砌。在DK129+813.5處下游采用混凝土封閉原暗河管道,確保暗河水流入排水洞。

由于I線隧道DK129+800～ DK129+920受地下暗河發育的影響,需要對該段隧道的初期支護結構和二次襯砌結構加強：初期支護采用內嵌格柵鋼架(1 m/榀)C20網噴混凝土,厚度為20 cm。二次襯砌采用C30模筑鋼筋混凝土,厚度為30 cm。

3.2 加深兩側部水溝方案

將DK129+812～DK129+814段隧道斷面擴大,在隧道結構外形成寬2 m的排水廊道引排暗河水至隧道底部,再通過設置隧底的橫向排水溝將暗河水引排至Ⅰ線、Ⅱ線隧道排水溝,通過加深的隧道排水溝引排至支井河。

Ⅰ線隧道DK129+800～DK129+920段受巖溶發育影響,其余Ⅰ、Ⅱ線隧道從排水廊道處至出口,因加深排水溝使隧道整體結構受力趨于不利,需要對該段隧道的初期支護結構和二次襯砌結構加強,具體加強措施同排水洞方案。圖6為加深兩側部水溝方案。

圖6 加深兩側部水溝方案(單位：cm)

3.3 封堵方案

在DK129+813.5隧道開挖輪廓線外3 ～5 m的暗河管道處設置混凝土封堵墻,廢棄該管道,迫使暗河水通過系統的其他支管道流向支井河。

由于該方案封閉了原有的暗河主管道,暗河系統排量變小,雨季時暗河系統地下水積聚、抬升,使得該水文單元內隧道結構需考慮水壓力作用,隧道結構采用加強型復合式襯砌：初期支護采用20 cm厚網噴混凝土(內嵌格柵鋼架、1 m/榀),二次襯砌采用75 cm厚防水鋼筋混凝土。

3.4 方案比較(表1)

表1 方案比選

綜合隧道工程長期運營安全、工程對周邊環境影響、施工干擾、工程投資等因素,推薦采用了增設排水洞的設計方案。

4 結語

野山關隧道穿越響水坪暗河段竣工已長達6年之久,經過數個雨季洪峰的考驗。排水洞方案的實施徹底解決了暗河水對隧道結構的影響,保障了隧道運營的安全,同時選擇與原暗河系統平面、高程相近的排水洞,維系了周邊環境的穩定,為隧道工程方案的設計與選擇提供了借鑒。通過全面的工程水文地質分析和多方案的優缺點比較,特別是多年雨季的考驗,對隧道穿越暗河系統有如下認識、體會。

(1)通過綜合的地質手段查明暗河系統的展布、匯水面積、靜儲量、最大流量及暗河管道與隧道的空間關系等是方案設計的基礎。

(2)考慮巖溶發育的多樣性、地下水的不確定性,設計方案宜考慮疏導為主的原則,以最大限度地減少雨季地下水的急劇抬升對隧道結構的破壞,一般不得采用將巖溶水引入隧道的排導方案,以防止淹沒道床,影響運營安全。

(3)穿越暗河段隧道的施工宜選擇在旱季,同時應優先施工排水洞工程,后施工隧道工程,以避免暗河水突出對隧道施工造成破壞,確保隧道施工的安全。

(4)排水洞與暗河管道銜接應順暢,必要時洞內應設置消能設施,同時做好洞口與河谷段的排水銜接,減少暗河水排放對岸坡的破壞。

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