雞鳴山巖溶隧道智能防排水研究

王閱章 李鳴 宿成智 張立爽 閆少澤

(中交路橋建設(shè)有限公司 北京 101121)

隨著我國(guó)GDP高速發(fā)展，人民對(duì)交通需求越發(fā)熱烈。在我國(guó)西南地區(qū)，大部分地層巖性為灰?guī)r，且地下水發(fā)育，由此產(chǎn)生許多巖溶區(qū)域。隧道開挖不可避免的改變巖溶區(qū)地下水流向，使得隧道出現(xiàn)不同程度的涌水災(zāi)害，同時(shí)影響居民用水。王秀英等[1]利用數(shù)值模擬的方法研究了具體該如何進(jìn)行防排水使用，才能達(dá)到最優(yōu)的解答。王建宇[2]得出了當(dāng)?shù)叵滤桓哂?0m時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行疏導(dǎo)排水，然后再進(jìn)行襯砌施工。李蒼松等[3]針對(duì)不同的隧道工況，提出了具體的地質(zhì)工程環(huán)境隧道排水措施，具有指導(dǎo)性意見。郭家[4]應(yīng)用理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬得出我們應(yīng)當(dāng)鋪設(shè)多道防水線進(jìn)行隧道防排水施工。Ponlawich Arjnoi[5]用數(shù)值仿真模擬得出雖然隧道采用全排水不防水措施能夠降低襯砌的動(dòng)力響應(yīng)，但是無法預(yù)測(cè)地下水位是否會(huì)重新改變，因此需要進(jìn)行更精確的防排水系統(tǒng)建設(shè)。

為研究雞鳴山隧道智能防排水，合理利用生態(tài)環(huán)境資源進(jìn)行整治，做到生態(tài)防護(hù)，智能防護(hù)[6]。如何構(gòu)建合理智能的防排水措施，是保障巖溶隧道安全施工的關(guān)鍵。當(dāng)設(shè)計(jì)好排水洞后應(yīng)當(dāng)對(duì)排出的水進(jìn)行合理的規(guī)劃，地下水出洞的位置要適宜，不能影響道路安全，最好的是排在小溪或者江河之中。或者引入到居民生活點(diǎn)，為居民供水，同時(shí)又保護(hù)了地質(zhì)環(huán)境。同時(shí)應(yīng)做好的隧道和排水洞的監(jiān)測(cè)措施，監(jiān)測(cè)涌水量、水壓力、地表水位，保證隧道安全，實(shí)時(shí)控制隧道防排水標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，智能防排水。

圖1 雞鳴山隧道衛(wèi)星圖

1 工程概況

重慶城口（陜渝界）至開州高速公路第B1合同段雞鳴山隧道隧址區(qū)屬高中山區(qū)構(gòu)造溶蝕、侵蝕地貌，巖層以碳酸鹽類等可溶巖為主，據(jù)探測(cè)，其長(zhǎng)度占到了隧道總長(zhǎng)的55%，隧址區(qū)約有130 km2的可溶巖，主要分布于K59+707～K60+820，K61+250～K61+650，K62+80 0～K63+230,K63+260～K64+66,K64+690～K65+050，K66+210～K66+950等路線段，其余路線均為透水性地層巖性發(fā)育。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、含水巖層的類型及富水狀況、水系分布、地下水補(bǔ)、徑、排特征建設(shè)。

隧址區(qū)區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有3條暗河，地下水靜儲(chǔ)量大，其流向主要為北東—南西。雞鳴隧道的建設(shè)將通過巖溶覆蓋區(qū)、筲箕凼—大埡口斷層、暗河W41、暗河W06、暗河W22，隧道建設(shè)會(huì)將地下水疏干，使得暗河泉眼水流減少，當(dāng)巖腔內(nèi)缺少水的支撐，就會(huì)形成巖溶漏斗塌陷災(zāi)害。地下水大量漏失不僅造成洞內(nèi)施工突水突泥、頂板塌落冒頂?shù)仁┕ぐ踩珕栴}，洞外也存在地面塌陷、地表水源枯竭、植被枯萎等自然環(huán)境問題，將較嚴(yán)重影響隧道進(jìn)口段寥子鄉(xiāng)梨坪村部分村民、出口段兩溪溝范圍內(nèi)居民(據(jù)統(tǒng)計(jì)約100戶，近400人)生產(chǎn)生活用水，給該地區(qū)居民日常生活、生命財(cái)產(chǎn)及施工安全帶來隱患。雞鳴隧道施工可能造成環(huán)流電站水量大幅減小，較嚴(yán)重影響其發(fā)電，還可能導(dǎo)致山頂仙女池巖溶湖消失，對(duì)區(qū)內(nèi)山頂旅游開發(fā)有部分影響。

在隧道施工過程中，我們應(yīng)當(dāng)盡量做好生態(tài)施工，保護(hù)好隧道穿越區(qū)生態(tài)的平衡。此外，對(duì)開挖出的棄渣盡可能利用，以作到挖填土石方就地就近平衡，做到少占農(nóng)田耕地，保護(hù)好土地資源。對(duì)不能利用的廢方堆場(chǎng)作好排水和攔擋工程。

2 智能防排水措施

雞鳴山隧道（見圖1）穿越大量暗河、地下水，同時(shí)地層巖性為透水巖層，易發(fā)生滲流。由于該隧道埋深過大，因此如果進(jìn)行排水措施必然會(huì)引起巖溶塌陷，隧道的排水會(huì)影響周圍地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定。地表水減少，影響地表人們的生活和生產(chǎn)。為了保護(hù)隧道周圍的地質(zhì)環(huán)境，施工時(shí)應(yīng)對(duì)排水量、排水方式及地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定進(jìn)行科學(xué)的判斷，采取動(dòng)態(tài)的處理措施。我們應(yīng)當(dāng)將排水和導(dǎo)水相結(jié)合，將排走的水合理收集，為居民供水。

通過對(duì)雞鳴隧道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，雞鳴山隧道穿越大量暗河、地下水，同時(shí)地層巖性為透水巖層，隧道開挖將導(dǎo)致地下水大量漏失，中交路橋南方工程有限公司應(yīng)設(shè)置專職人員監(jiān)測(cè)雞鳴隧道出水量大小及變化量、隧道圍巖應(yīng)力大小及變化量；對(duì)地下水影響區(qū)范圍內(nèi)地表進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)并輔以洞穴探測(cè)，物探、鉆探等工作，設(shè)置巖土體沉降觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)地面沉降量，建立群測(cè)群防體系；并統(tǒng)計(jì)隧道建設(shè)期間地面塌陷數(shù)量及其它次生不良地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量；利用上述統(tǒng)計(jì)資料，首先利用大氣降水滲入法、地下水徑流模數(shù)法及泉流量匯總法預(yù)測(cè)雞鳴隧道涌水量，為施工方提供隧道出水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施工；然后結(jié)合雞鳴隧道實(shí)際開挖方式、排水方式及統(tǒng)計(jì)得到的實(shí)際涌水量，利用數(shù)值模擬軟件揭示不同排水量、不同排水速率和不同開挖方式及開挖速度條件下隧道建設(shè)引起地表位移、地面塌陷（或其它次生不良地質(zhì)災(zāi)害）和圍巖應(yīng)力場(chǎng)及變形場(chǎng)的變化規(guī)律；最后構(gòu)建富水隧道排水量與地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定計(jì)算模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立富水隧道在排水過程中地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定的預(yù)測(cè)方法。

在進(jìn)行排水之后應(yīng)當(dāng)建立疏導(dǎo)水系統(tǒng)，將排走的水合理運(yùn)輸?shù)骄用裆铧c(diǎn)，保證居民用水不受影響，同時(shí)又保護(hù)了地質(zhì)環(huán)境。建立智能導(dǎo)排水系統(tǒng)需要通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，然后利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法算出最優(yōu)導(dǎo)排水方案，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境提出評(píng)價(jià)指標(biāo)，如何對(duì)最優(yōu)解提出方案是研究重點(diǎn)。

考慮對(duì)地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)，針對(duì)施工過程中遇到地下暗河、斷層、溶洞等可能產(chǎn)生的突水突泥（經(jīng)預(yù)測(cè)可能位于左線ZK6 0+394 ～ZK6 0+534、ZK66+927～ZK66+959、右線ZK60+400～ ZK60+540、ZK66+932～66+965等段）、巖溶塌陷、地面水資源枯竭等問題，中交路橋南方工程有限公司應(yīng)與協(xié)商提出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化處置方法（如超前探測(cè)預(yù)報(bào)、注漿堵水、封閉堵塞等）；基于地面塌陷、地裂縫演化機(jī)制、圍巖損傷機(jī)制和灰色系統(tǒng)理論，應(yīng)建立富水隧道智能防排水模型，提出雞鳴山巖溶隧道智能防排水施工指標(biāo)。

在進(jìn)行巖溶隧道智能防排水施工過程中，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行逐步施工，合理利用生態(tài)環(huán)境資源進(jìn)行整治，做到生態(tài)防護(hù)，智能防護(hù)。如何構(gòu)建合理智能的防排水措施，是保障巖溶隧道安全施工的關(guān)鍵。做好疏導(dǎo)水措施，將排走的水合理運(yùn)輸?shù)骄用裆铧c(diǎn)，保證居民用水不受影響，同時(shí)又保護(hù)了地質(zhì)環(huán)境。對(duì)于設(shè)計(jì)的巖溶隧道防排水措施，需要邊施工邊監(jiān)測(cè)，通過對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，看是否達(dá)到預(yù)期效果，對(duì)智能防排水措施進(jìn)行評(píng)價(jià)。

雞鳴山隧道所處圍巖埋深較大，遇到的高壓富水溶腔對(duì)隧道開挖危險(xiǎn)性大，需要及時(shí)治理。治理巖溶高壓富水區(qū)域，不能通過掌子面鉆孔排水，因?yàn)橛捎诟邏捍嬖冢荒苡行У目刂普谱用嫱凰荒嗟膹?qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，因此需要采用排水洞的方式進(jìn)行排水。泄水洞的位置選擇既要考慮洞長(zhǎng)與出水點(diǎn)的距離、洞外地形、造價(jià)等因素，同時(shí)也要考慮與隧道的聯(lián)系。

排水洞應(yīng)設(shè)在地下水流向面，同時(shí)要低于隧道標(biāo)高，減少對(duì)隧道的威脅。要考慮排水洞是否會(huì)受到暗河的影響，如何與暗河連接保證排水洞的安全，排水洞是永久治水隧洞，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮最大排水量，是否會(huì)對(duì)排水洞結(jié)構(gòu)造成破壞。當(dāng)設(shè)計(jì)好排水洞后應(yīng)當(dāng)對(duì)排出的水進(jìn)行合理的規(guī)劃，地下水出洞的位置要適宜，不能影響道路安全，最好的是排在小溪或者江河之中。或者引入到居民生活點(diǎn)，為居民供水。同時(shí)應(yīng)做好的隧道和排水洞的監(jiān)測(cè)措施，監(jiān)測(cè)涌水量、水壓力、地表水位，保證隧道安全，實(shí)時(shí)控制隧道防排水標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，智能防排水。

3 結(jié)語

（1）構(gòu)建富水隧道排水量與地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定計(jì)算模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立富水隧道在排水過程中地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定的預(yù)測(cè)方法。

（2）基于地面塌陷、地裂縫演化機(jī)制、圍巖損傷機(jī)制和灰色系統(tǒng)理論，應(yīng)建立富水隧道智能防排水模型，提出巖溶隧道施工過程智能防排水標(biāo)準(zhǔn)。

（3）合理利用生態(tài)環(huán)境資源進(jìn)行整治，做到生態(tài)防護(hù)，智能防護(hù)。如何構(gòu)建合理智能的防排水措施，是保障巖溶隧道安全施工的關(guān)鍵。對(duì)高壓富水溶腔，應(yīng)設(shè)好排水洞，做好疏導(dǎo)水措施，計(jì)好排水洞后應(yīng)當(dāng)對(duì)排出的水進(jìn)行合理的規(guī)劃，地下水出洞的位置要適宜，不能影響道路安全，最好的是排在小溪或者江河之中。或者引入到居民生活點(diǎn)，為居民供水。同時(shí)應(yīng)做好的隧道和排水洞的監(jiān)測(cè)措施，監(jiān)測(cè)涌水量、水壓力、地表水位，保證隧道安全，實(shí)時(shí)控制隧道防排水標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，智能防排水。對(duì)于設(shè)計(jì)的巖溶隧道防排水措施，需要邊施工邊監(jiān)測(cè)，通過對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，看是否達(dá)到預(yù)期效果，對(duì)智能防排水措施進(jìn)行評(píng)價(jià)。