沉砂橫洞處治巖溶隧道拱墻外側季節(jié)性涌水溶洞施工技術

李婧瑜 饒坤榮 伍錦智

摘要：為有效解決隧道施工中穿越涌水溶洞的問題，文章提出采用沉砂橫洞的處治方案，并介紹了其技術原理和施工要點。結果表明，處治后隧道排水迅速，對圍巖擾動小，能夠很大程度地提高隧道的結構耐久性，施工安全和施工質量得到了保證。

關鍵詞：巖溶隧道；沉砂橫洞；季節(jié)性涌水溶洞

中圖分類號：U456.3+2A130424

0引言

由于喀斯特地區(qū)山體巖溶、溶蝕裂隙發(fā)育，在該地區(qū)修建高速公路隧道，施工過程中經常出現(xiàn)隧道穿越涌水溶洞的情況，甚至要與山頂洼地落水洞連接，此類溶洞常年季節(jié)性涌水且水中含有粉細砂顆粒，如何經濟、有效地處治此類溶洞，是高速公路隧道施工所面臨的一大難題［1］。

處理隧道季節(jié)性涌水溶洞通常采取隧道溶洞回填后設置排水管引排到隧道中心水溝或在隧道側邊設置泄水洞的方案［2］。前者短期內排水效果較好，但是后期巖溶水帶來的泥和細砂沉積后對隧道排水系統(tǒng)影響較大，排水管堵塞后，在降雨較集中時期會使隧道襯砌背后產生較大水壓，導致隧道襯砌出現(xiàn)滲水、漏水的現(xiàn)象，嚴重時可能出現(xiàn)襯砌結構開裂甚至造成路面結構拱起破壞；后者可以很好地解決隧道溶洞涌水問題，但是溶洞發(fā)育規(guī)模和涌水量未達到一定規(guī)模時建設成本較高，一般不被采納，因為當溶洞發(fā)育規(guī)模和涌水量達到一定規(guī)模時，需要層層論證、經濟分析等，過程較長，對施工管理極為不利［3］。涌水溶洞處治施工期間既要考慮施工安全和施工質量，又要考慮結構在使用運營期間的永久性、安全性和維護成本等，給隧道溶洞處治提出了諸多要求。

為了解決上述兩種方案帶來的弊端，采用沉砂橫洞的處置方案，進行技術改進、工藝創(chuàng)新和現(xiàn)場實施，在溶洞涌水時有時間和空間進行轉換，排水迅速，保證隧道結構穩(wěn)定、運營安全、耐久性好，在季節(jié)性涌水溶洞的處置中有較高參考價值。

1技術原理

1.1沉砂橫洞技術

在隧道涌水溶洞段設置抗水壓襯砌，初期支護完成后，在溶洞端頭段襯砌各5 m范圍進行小導管環(huán)向注漿堵水（見圖1）。溶洞端頭段襯砌不設置防水層、環(huán)向盲管、縱向排水管。隧道輪廓邊上溶洞內從上往下預埋多根300 mm排水管，溶洞泵送混凝土回填，設置沉砂橫洞［4］。利用水的連通器原理，在橫洞底部沉砂池沉淀、沉砂池與隧道中心水溝接通可維護復合排水盲管過濾（管內安裝纖維多孔C型芯管，可更換過濾管），充分利用橫洞的有限空間進行集水和排水。沉砂橫洞避免隧道預埋的排水系統(tǒng)堵塞，減少巖溶水文復雜變化過程對隧道結構造成破壞。

1.2溶洞排水管安裝技術與波紋管安裝纖維多孔芯管過濾處理技術

1.2.1溶洞排水管安裝技術

因隧道側邊溶洞發(fā)育位置較高，溶洞頂部一般圍巖穩(wěn)定性較差，施工過程存在一定風險，預埋排水管成了施工難點。本文結合現(xiàn)場溶洞空間情況，巧妙利用支撐桿+定滑輪原理，在隧道內側邊溶洞回填至工作面后，在確定施工沉砂橫洞位置架立支撐桿到預定高度，灌注0.5 m厚混凝土固定支撐桿底座（3～5根桿），利用支撐桿起吊輕質300 mm波紋管（有一定強度，底部臨時封堵）至預定高度，然后可根據(jù)現(xiàn)場情況進行分層回填混凝土至拱頂2.5 m，下一步施工橫洞時將排水管揭露，最后完成剩余混凝土泵送，泵到預定高度從排水管處流出后停止泵送，達到回填加固溶洞的目的［5］。排水管完成后，可滿足雨季期間溶洞涌水時及時排泄；如隧底下有巖溶管道，可在施工隧底基礎時預留2根500 mm的排水管，作為溶洞消水或漲水的過水通道，避免了隧底側邊溶洞冒水時對隧道結構造成的影響。見圖2。

1.2.2可維護復合排水盲管+安裝纖維多孔芯管過濾處理技術

本處理技術應用一種可維護復合排水盲管（見圖3），其結構由波紋管及纖維多孔C型芯管組成，其中纖維多孔C型芯管嵌在水波紋管中。其基本工作原理是在巖土工程中，含礦物及其他微顆粒的地下水長期流經預埋的可維護復合排水盲管，便會在其中纖維多孔C型芯管內形成水垢。當管內水垢體積達到一定程度，并阻礙盲管排水時，通過更換纖維多孔C型芯管，除去管內水垢，從而保證盲管長期排水暢通。另外，被更換出來的纖維多孔C型芯管經過清洗除垢，仍可循環(huán)使用，達到一定使用年限后再更換新的纖維多孔C型芯管［6］。

2施工應用要點

2.1地質勘探和測量溶洞輪廓

調查隧道溶洞地質，并根據(jù)溶洞發(fā)育規(guī)模和形態(tài)等進行隧道巖溶地質勘探。地質勘探采用地質雷達和多功能地質鉆機結合進行超前地質預報，以提高隧道巖溶地質探測精度。如溶洞構造復雜，必要時進行詳細補勘，以保證溶洞的規(guī)模、形態(tài)、地質情況等資料準確清晰。因地質情況復雜，要結合溶洞發(fā)育情況對溶洞涌水斷面進行鉆探并測量溶洞輪廓與隧道的關系，具體溶洞處治方案、沉砂橫洞設置等需要參考地質勘探和溶洞輪廓測量結果確定。溶洞涌水段鉆孔探測布置見圖4。

2.2確定溶洞處治方案

隧道揭露巖溶地質及水文情況復雜，根據(jù)現(xiàn)場地質勘查及水文調查資料，溶洞處治方案一般設計為抗水壓襯砌結構，同時要提高初期支護等級、加深仰拱、加強襯砌鋼筋、提高防水混凝土等級等。進行巖溶地質處治施工時，如隧底拱腳承載力不滿足要求，需要按照方案進行基底處治。處治隧底基礎時，提前預埋500 mm排水管鋼管接通至沉砂橫洞，作為隧底溶洞漲水過水通道，避免工后溶洞涌水時隧底承受較大水壓，對隧道結構造成影響。預埋排水管時注意保護管口不被堵塞［7］。

2.3確定沉砂橫洞位置及參數(shù)

隧道溶洞季節(jié)性涌水變化較大，應結合隧道中心水溝排水能力合理估算溶洞涌水量，并根據(jù)溶洞涌水情況、隧道溶洞輪廓及溶洞穩(wěn)定性合理選擇沉砂橫洞型式和斷面。如溶洞規(guī)模較小，圍巖穩(wěn)定，可在隧道襯砌邊上設置幾個小型匯流槽引排即可滿足要求；如溶洞規(guī)模一般，但雨季突然性涌水量較大，應選擇設置沉砂橫洞，并設計合適斷面，以滿足施工、實際集水和排水需求；如施工期間發(fā)現(xiàn)溶洞確實存在較大水壓且涌水量較大，應充分結合溶洞穩(wěn)定性情況選擇沉砂橫洞斷面和位置，從側面繞開涌水溶洞，確保橫洞有更大的空間對水流進行釋壓和引排，確保隧道結構安全。

2.4溶洞內安裝排水管及溶洞內回填混凝土

若溶洞發(fā)育高度超出拱頂往上發(fā)育，則施工過程的擾動易導致溶洞與隧道輪廓交界處發(fā)生坍塌，危及施工安全。溶洞回填混凝土前，應根據(jù)溶洞發(fā)育情況確定排水管型號、直徑、數(shù)量、預埋高度，混凝土回填高度等。結合現(xiàn)場溶洞空間情況，巧妙利用旗桿升旗原理，通過精確測量后確定施工沉砂橫洞位置，然后在相對位置安裝溶洞內300 mm排水管，并注意封堵水管底部，避免混凝土堵住排水管，確保溶洞回填混凝土后溶洞頂上排水順暢［8］。在下一步施工橫洞時將排水管揭露，完成剩余混凝土泵送，混凝土回填到預定高度時從排水管處流出，此時停止泵送。混凝土強度達到80%后可進行下一步施工。

2.5按處治方案進行主洞開挖、支護施工

因溶洞段地質復雜，圍巖較破碎，施工應嚴格按照施工方案進行，確保施工質量和施工安全。

2.5.1溶洞襯砌端頭段環(huán)向注漿

施工中和施工后溶洞段有可能出現(xiàn)涌水，襯砌背后巖溶裂隙出現(xiàn)水壓，在水壓力作用下，水沿著隧道開挖輪廓面、初期支護噴射混凝土孔隙和無紡布等縫隙流至其他襯砌段，導致其他襯砌段出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。在溶洞段襯砌端頭段設置5 m隔水帶，采用全換注漿處理，采用L=600 cm、42 mm×4 mm、100@100小導管環(huán)向注漿堵水。注漿采用細水泥-水玻璃漿液，水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.5；水泥漿水灰比為1∶1。開始注漿壓力為0.6～1.0MPa，注漿終壓在1.0MPa左右，終壓狀態(tài)下注漿量應＜2 L/min，否則加密注漿孔。溶洞端頭段襯砌施工時不設置反水層、環(huán)向、縱向排水管等，使得襯砌防水混凝土和初期支護面粘結密實，起到防水和隔水的作用。

注漿參數(shù)見表1。注漿前應進行現(xiàn)場注漿試驗，根據(jù)實際情況調整注漿參數(shù)。

2.5.2施工深孔泄水孔

溶洞地質段水文情況復雜，初期支護施工完成后，在溶洞段襯砌邊墻至拱腰位置設置100 mm、深度＞10 m的深孔泄水孔，間距為200 cm（環(huán)）×300 cm（縱），泄水孔內安裝雙臂打孔波紋管，波紋管引至拱腳處與縱向排水管接通，引入隧道中心排水溝。

2.6隧道水壓實時監(jiān)測設備安裝

施工巖溶段初期支護和二襯施工期間，應對隧道溶洞段涌水位置斷面進行實時監(jiān)測，防治淤堵，并設置報警裝置，一旦在雨季期間出現(xiàn)排水管淤堵情況可及時發(fā)出預警信息，通知公路養(yǎng)護管理人員進行檢查和維護，確保設置的沉砂橫洞滿足排水功能，避免水壓對隧道結構造成破壞［9］。

2.6.1溶洞涌水處監(jiān)測

在隧道襯砌內每個涌水點處安裝3個改裝的小型滲壓計、3個鋼筋應力計、3個混凝土應變計。隧道斷面涌水點埋設傳感器位置如圖5所示。

2.6.2設置比對斷面監(jiān)測

比對斷面選擇距離溶洞涌水處200 m左右，在比對斷面的初支、二襯預埋傳感器進行實時監(jiān)測。

隧道比對斷面初期支護施工階段，在拱頂、拱肩、起拱線、拱腳位置分別埋設1個位移計和1個滲壓計，如圖6所示。

隧道比對斷面二襯施工階段，在拱頂、拱肩、起拱線、拱腳位置分別埋設1個土壓力盒、1個鋼筋應力計和1個混凝土應變計，如圖7所示。

2.7按方案進行沉砂橫洞開挖、支護施工

隧道現(xiàn)場有條件時可進行沉砂橫洞開挖支護施工，橫洞與主洞交叉口及洞身均設置加強段襯砌結構，保證交叉口安全穩(wěn)定。橫洞段采用弱爆破和小型挖機進行開挖，人工立架和噴射混凝土支護。施工橫洞過程注意接通橫洞頂預埋的300 mm排水管，保證溶洞排水順暢。橫洞初期支護施工完成后，可考慮對溶洞頂剩余高度泵送混凝土，直到排水管有混凝土流出即停止泵送。

2.8施工沉砂橫洞混凝土襯砌及底部沉砂池，安裝300 mm可維護復合排水盲管

現(xiàn)場具備施工條件后，可靈活開展橫洞混凝土襯砌施工和底部沉砂池施工，確保沉砂橫洞支護滿足設計要求。沉砂橫洞初支完成后，在下邊加深開挖位置并設置沉砂池，滿足橫洞積水和沉砂的功能。安裝橫洞沉砂池時，在中心水溝之間預埋安裝300 mm可維護復合排水盲管，設置3%的坡度，確保排水順暢，沉砂橫洞發(fā)揮集水和排水的作用。施工過程中應對管口反包3層土工布，保證預埋的排水管不被堵塞。

沉砂橫洞施工完成后，清理管口，安裝纖維多孔C型芯管，過濾巖溶水夾帶的泥和細砂，防止泥和細砂直接進入隧道中心水溝和沉砂池，長期積累后造成堵塞［10］。纖維多孔C型芯管可定期抽出進行清洗或更換。

2.9設置橫洞階梯、檢修通道、安裝流水測量設備

為了方便工后對沉砂橫洞進行檢修和維護，并保證安全，橫洞襯砌完成后可進行橫洞階梯、檢修通道和護欄施工，設置安全護欄；注意在橫洞口設置1∶1.5的階梯，每個臺階高0.25 m、寬1.50 m，方便安裝和更換纖維多孔C型芯管。

為了雨季期間溶洞涌水時可以監(jiān)測溶洞涌水量，在施工沉砂池時應考慮蓋板和檢修通道，避免檢修時發(fā)生意外事故。根據(jù)水表原理在沉砂池出水口位置安裝流量測量儀，對溶洞涌水量進行估測，并確保后期可根據(jù)收集的估測數(shù)據(jù)對該溶洞排水情況進行檢查和維護。

3結語

在處理巖溶隧道拱墻外側季節(jié)性涌水溶洞時，中長、特長隧道建議采用沉砂橫洞，與泄水洞施工方法相較，沉砂橫洞有較大的優(yōu)勢。該方法不僅施工便捷，且保障了施工安全和施工質量，對總體施工工期影響較小，而且在隧道施工的過程中，對隧道工作面周圍圍巖的干擾較小，與周圍環(huán)境適應性好，具有良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻［1］劉宗輝，關啟鈺，饒坤榮，等.基于能量理論的巖溶隧道超前鉆探精細預報方法［J］.公路，2021，66（11）：342-349.

［2］朱文心.干濕交替作用下泥質灰?guī)r巖溶隧道突涌水機理研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學，2018.

［3］于成博.季節(jié)性涌水隧道施工技術探討［J］.山西建筑，2011，37（2）：174-175.

［4］《中國公路學報》編輯部.中國隧道工程學術研究綜述·2015［J］.中國公路學報，2015，28（5）：1-65.

［5］葉英.巖溶隧道施工超前地質預報方法研究［D］.北京：北京交通大學，2006.

［6］劉招偉.圓梁山隧道巖溶突水機理及其防治對策［D］.武漢：中國地質大學，2004.

［7］楊艷娜.西南山區(qū)巖溶隧道涌突水災害危險性評價系統(tǒng)研究［D］.成都：成都理工大學，2009.

［8］王國斌.滬蓉西高速公路烏池壩巖溶隧道涌水成災機理研究［D］.武漢：中國地質大學，2012.

［9］李術才，許振浩，黃鑫，等.隧道突水突泥致災構造分類、地質判識、孕災模式與典型案例分析［J］.巖石力學與工程學報，2018，37（5）：1 041-1 069.

［10］鐘世航，孫宏志，李術才，等.隧道及地下工程施工中巖溶裂隙水及斷層、溶洞等隱患的探查、預報［J］.巖石力學與工程學報，2012，31（S1）：3 298-3 327.

作者簡介：李婧瑜（1998—），助理工程師，主要從事高速公路建設管理工作。