公路富水巖溶長大隧道排水系統優化設計探討

陳建光 高向東

摘要：文章結合貴州六威高速公路雞冠山隧道涌水治理工程實例，分析了隧道涌水過程及原因，優化設計了巖溶富水隧道排水系統，并提出了相應的涌水治理措施。

關鍵詞：巖溶;涌水;反坡;注漿堵水;泄水洞;優化設計

中圖分類號：U452.2 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.023

文章編號：1673-4874（2019）10-0077-03

0引言

長大隧道往往面臨反坡施工，涌水、突水是公路富水巖溶隧道施工過程中最常見和突出的地質災害之一，不僅威脅工人生命安全，而且嚴重影響隧道施工進度和運營安全質量。常見的富水巖溶隧道排水系統優化方案有洞內排水、注漿堵水、泄水洞截排等方式，傳統反坡排水方案為“長距離管道配合小集水泵收集+接力大泵”排水方式。本文結合貴州六威高速公路雞冠山隧道涌水治理的工程實例，對巖溶富水隧道排水系統進行優化設計，闡述巖溶富水隧道排水系統設計優化的重要性。

1概述

雞冠山隧道位于貴州省六盤水市威寧縣爐山鎮樂溪村境內，穿越樂溪與箐溝之間中低山分水嶺地帶。雞冠山隧道為分離式特長隧道，左線隧道長3772m，右線隧道長3800m。隧道分進出口兩端掘進，進口段為順坡施工，出口段為反坡施工。

隧道穿越段水文地質條件復雜，地下水發育，隧道洞身處巖溶水季節變動帶范圍內，掘進開挖滲水現象較為突出，遇巖溶管道或與上部洼地溝通的管道時，突水（突泥）的地質風險高。原設計按最大日降水量估算預測隧道涌水量為24988m/d，后經水文地質調查，雨洪期考慮按3倍安全系數計算為74964m/d。

2 隧道涌水過程及原因分析

2.1 2017年隧道涌水情況

（1）2017年6月14日19：00至15日02：00，出現持續5h的大面積強降雨，此次降雨導致雞冠山隧道出口左洞積水274m約5358m，出口端右洞積水250m約4594m，造成掌子面停工4d。平均涌水量約995.2m/h，積水前5h內出口段合計涌水量達1995.8m/h，排水方式為隧道落水洞及中心排水溝，本次降雨總計排水量為104900m。

（2）2017-06-24，威寧地區又普降大雨，持續大面積強降雨導致雞冠山隧道出口左洞積水134m約1380m，出口端右洞積水110m約930m，造成掌子面停工2d。主要為溶洞和裂隙水出水，左右洞涌水速率分別455.7m/h、388.8m/h，合計844.5m/h。排水方式為隧道內落水洞排水，本次降雨總計排水量為55000m。

（3）2017年7月6日23：00左右，持續大面積降雨導致項目雞冠山隧道出口左洞積水291m約6012m，雞冠山隧道出口右洞積水236m約4304m，左、右洞隧道涌水量分別為675m/h、483m/h。本次降雨總計排水量為86600m。

2.2 2018年隧道涌水情況

（1）2018-06-03，受暴雨影響掌子面發生積水，啟動反坡排水方案后，6月5日早上8：00，洞內積水量約為3575m，本次共涌水14011m。<16659m/d（按最大日降水量估算最大涌水量），>10089m/d（按年均日降水量估算最大涌水量）。

（2）2018年6月20日0：00突降暴雨，雞冠山隧道出口左右洞出現大面積淹水，左洞淹水長度為320m，洞內積水14325m，右洞淹水長度為143m，洞內積水7659m。

（3）2018年7月5日23：10開始，暴雨持續6h，雞冠山隧道出口左右洞再度出現大面積淹水，截止到次日7：50，左洞淹水長度510m，洞內積水20000m，涌水速率達3077m/h。右洞內積水8033m，涌水速率為1236m/h。

（4）因隧道二襯內原設計排水系統排泄能力不足，出現多處貫通橫向裂縫，局部二襯拱腳在水壓力作用下出現涌水、射水，仰拱補勘鉆孔后出現涌水。

3 隧道涌水、積水、滲水原因及風險分析

（1）雞冠山隧道地處垂直循環帶和水平循環帶交叉范圍，隧道巖溶極為發育，地表天坑匯水面積大，地下水較豐富，天坑通過巖溶管道下滲至隧道，造成隧道內涌水。

（2）隧道反坡排水方案排水量設計參數來源于“年均日降水量估算最大涌水量”，水文地質資料不準確導致反坡排水方案排水能力從設計上就不能滿足隧道實際要求。

（3）每逢雨季隧道場區雨勢大、持續時間長，洞內涌水速率高。隧道采用反坡施工，而傳統反坡排水方案未應用智能化、自動化排水系統，未嚴格進行專項設計，積水瞬間倒灌掌子面，掌子面附近排水設施瞬間被淹來不及啟動，造成洞內積水。

（4）二襯排水系統設計缺陷。利用彈簧半圓排水管引排初期支護滲水至縱向排水管，半圓管強度低易受混凝土擠壓而變形，半打孔縱向排水管孔眼較小，需受到一定壓力才能進水且難以滿管排水，排泄能力有限，對二襯拱腳及接縫密閉性承壓能力有一定要求。

（5）富水段排水系統未進行專項設計。富水段排水系統參照常規隧道排水系統設計，未充分考慮隧道涌水量，原設計排水系統排泄能力不足，造成二次襯砌背后承受水壓超限，導致二次襯砌局部破壞，并從薄弱帶泄水降壓。

（6）施工風險。隧道本身排水不暢，施工中的人身安全和設備安全無保障，隧道襯砌受多次涌水壓力反復作用（內、外水共同壓力），結構強度降低，存在被壓垮的風險，從而形成“關門”。

（7）運營風險。隧道存在再次涌水和漏水的風險，會造成行車困難，隧道襯砌受壓掉塊易造成行車安全事故，引發不良社會影響。

4 常見的涌水處治方法

4.1洞內排水方案（方案一）

通過隧道洞內的排水系統排出巖溶裂隙滲水，采用加大排水措施和引排措施的手段實現迅速消散襯砌背后水壓、排出滲水的目的。洞內排水方案可以采取的措施有以下幾種：

（1）左右洞中心水溝協同調配排水

通過人行橫洞或車行橫洞兩端的高差控制，實現左右洞中心水溝的排水協同作用，并在橫洞內設置排水控制閥、溢流墻對水溝內水的流向進行控制。利用隧道原有落水溶洞引流，加大隧道中心排水溝排水尺寸。

（2）隧道內路面兩側增設排水暗溝

在隧道兩側增加排水暗溝，輔助隧道中心排水溝排水。

（3）保留隧道原落水洞泄水消壓分流

在原隧道落水溶洞位置對隧道主洞襯砌進行局部擴大，并設置消能池兼作沉砂池。溶腔出水首先排入消能池內，然后流入路面兩側排水暗溝或中心水溝。

（4）富水段二次襯砌腳部增設橫向導水管

富水段二次襯砌區域內，在路面兩側排水暗溝側壁打設橫向導水管，利用橫向導水管收集圍巖中的巖溶裂隙水，以達到降低襯砌背后水壓力的目的。

洞內排水方案不同措施的組合：

以上分析中給出了洞內排水方案的幾種處置措施，其中措施（3）和措施（4）屬于周邊巖溶裂隙水的泄壓措施，屬于洞內排水方案必須實施的措施，措施（1）和措施（2）作為洞內排水方案均可以單獨考慮。

組合A：措施（2）+措施（3）+措施（4），該組合方案以增加路邊側溝來達到增大洞內排水能力的目的。

組合B：措施（1）+措施（3）+措施（4），該組合方案以協同左右洞共同排水的方式達到增大洞內排水能力的目的。

4.2 注漿堵水方案（方案二）

采用限排的方式，對富水段周邊圍巖進行注漿封閉止水，以減少隧道內巖溶裂隙水的入滲量。雞冠山隧道圍巖加固圈厚度≥3.5m，打孔深度自襯砌表面按照4.5m設置，鉆孔間距為1.5m× 1.5m梅花形布置。

4.3 泄水洞截排水方案（方案三）

增加泄水導洞引排施工過程發現巖溶管道及二襯滲漏水段出水，根據實際需求，雞冠山隧道泄水洞總長度約為1390.17m，泄水洞通過支洞形式與巖溶管道聯通，引水段襯砌打設φ200mm引水孔引排巖溶裂隙水。泄水洞斷面尺寸擬定內凈空采用3m× 2.8m的斷面。

5 方案比選

綜合以上分析，方案一排水能力有一定的保證，但是隧道內巖溶涌水量在隧道貫通后仍存在變化的可能，有一定的風險;方案二注漿堵水封堵段落有限，洞內既有的排水系統能力偏弱，結構安全性不確定性大;方案三泄水洞方案工期無法滿足要求，工程造價相對較高。推薦雞冠山隧道巖溶涌水處置采用方案一洞內排水組合B方案并結合方案三泄水洞方案。見表1。

6 富水巖溶隧道涌水治理措施

6.1前期準備

項目進場后，應結合設計文件做詳細的地質水文調查，查清附近天坑、落水洞、地下暗河水流走向，理清隧道與附近河流、湖泊、水庫水位之間的關系。

6.2 反坡排水方案專項設計

項目前期策劃階段，根據設計涌水量制定專項反坡排水方案。排水系統應采用智能化、信息化、自動化抽水系統（如圖1-4所示），排水設施應進行精確計算，資源配置考慮1.5-2倍富余，雨洪期應考慮按3倍安全系數計算。

6.3 富水段排水系統專項設計

根據水文地質調查及地勘資料對隧道富水量明顯偏高段內部排水系統應進行專項設計，隧道襯砌內部及洞內排水系統排水能力必須滿足雨洪期2-3倍安全系數，確保隧道后期運營安全。

7 結語

通過對雞冠山隧道排水系統設計過程優化并進行反坡排水方案專項設計，保證了隧道施工過程安全，如期完成了業主工期目標，也為隧道后期運營的安全和質量提供了保障。雞冠山隧道已于2017年10月全幅貫通，為實現全線年底通車目標獻上了一份堅實的厚禮。

長大富水巖溶隧道富水段排水系統及反坡排水方案應進行專項設計，公司應在前期介入進行優化設計，降低隧道施工、運營安全質量風險。隨著地質勘探、物探技術快速發展，隧道巖性預測準確性將進一步提高，如何優化隧道排水系統及實現反坡排水系統智能化、信息化，充分保障隧道施工安全、質量、進度、效益及運營安全是下階段重點研究內容。