新趙家壩隧道巖溶地下水整治方案探討

黃道軍

（陜西西咸新區(qū)發(fā)展集團有限公司  陜西西安  710000）

     一、工程概況

新趙家壩隧道位于四川省萬源縣花樓鄉(xiāng)，為鐵路隧道，全長3200m，各級圍巖分布情況為：Ⅱ級圍巖1900m，Ⅲ級圍巖130m,Ⅳ級圍巖265m,Ⅴ級圍巖905m。屬亞熱帶濕潤氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，冬季嚴寒，夏季炎熱；具有春早夏長，秋雨連綿，冬暖多霧的特點，多年平均降雨量為1135.5mm，主要集中在5～9月份，占全年降雨量的70%，地表水較發(fā)育，洞身通過地層巖性多為三疊系T1j、T1f灰?guī)r夾白云巖，以及二疊系P2c、P2w、P1m、P1q+l灰?guī)r，地表巖溶形態(tài)十分豐富，并分布有溶溝溶槽、落水洞、漏斗等地質形態(tài)。隧道穿過可溶巖地層，先后揭示2處較大規(guī)模巖溶地層。在洪水期巖溶水涌入隧道，給施工造成極大損失和危害。

二、巖溶隧道涌水的原因分析及特征

    巖溶隧道涌水是因為隧道在地下揭露巖溶水系統(tǒng)通道（包括溶洞、溶隙等）并與巖溶地下水系統(tǒng)產(chǎn)生耦合碰撞的必然結果。巖溶區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)按其含水介質及水流特征，一般分為兩種類型，一是地下河系統(tǒng)，二是巖溶泉系統(tǒng)。巖溶地下河系統(tǒng)的特征為地下水流集中于地下通道或管道，具有紊流運動狀態(tài)，有時具有河流特征，其動態(tài)變化受當?shù)亟邓�影響明顯，具有河水快漲快落的特點。巖溶泉系統(tǒng)的特征為地下水分散于巖溶裂隙及小型管道之中，以層流運動為主，其動態(tài)變化較地下河平穩(wěn)，含水介質中可以發(fā)育成滲透性大的強徑流帶，但不具備地下河形狀。在巖溶隧道施工中時，應判斷水源是巖溶泉系統(tǒng)還是地下河系統(tǒng)，后者才是造成重大和特大涌突水的根源。

    三、巖溶水對隧道工程的影響

    隨著生產(chǎn)建設的發(fā)展，巖溶地區(qū)工程建筑日益增多，所遇到的巖溶工程問題也日趨迫切，特別是在巖溶地區(qū)修建鐵路，如果沒有對巖溶發(fā)育特征進行研究，沒有適當采取措施，往往在施工時會發(fā)生許多事故，甚至嚴重危害運營。

    巖溶地下水對隧道工程影響有以下幾個方面：

1、由于大量巖溶水的存在，在隧道施工過程中可能會出現(xiàn)涌水、突泥等災害性事故，會給隧道施工帶來淹沒坑道、毀壞機具等危害，造成人員傷亡、中斷施工，并會造成地表塌陷、沉降變形，嚴重影響地面建筑物安全，使地下水位下降，影響周圍生態(tài)環(huán)境。

2、隧道穿過巖溶區(qū)，隧道周圍地下水很豐富，給隧道防排水帶來困難；

3、巖溶地下水一般具有侵蝕性，對隧道結構、防排水工程等的侵蝕作用不可忽視；

4、隧道穿過巖溶區(qū)，需要采取“引、堵、越、繞、排”等處理措施，此外，處理后的隧道襯砌背后往往會存在空洞等不密實現(xiàn)象，給隧道防水防凍和結構安全埋下隱患。

    新趙家壩隧道施工中揭示1#、2#巖溶暗河后，雨季來臨后出現(xiàn)2次較大涌水，造成洞口施工場地被毀，洞內裝碴設備受損，施工中斷近兩個月，施工進度受到嚴重的影響。

    四、巖溶水整治方案

    1、巖溶水整治原則

    隧道防排水必須遵循“防、排、截、堵相結合，因地制宜，綜合治理”的原則。一般情況下，除對周邊地表環(huán)境有特殊要求的采用堵水措施外，其它情況宜采用防、排、截、堵等措施。由于巖溶及巖溶水的發(fā)育在宏觀上有一定的規(guī)律性，但從微觀上有許多不確定性，因此造成堵水困難、代價高、風險大、效益相對較差。由于巖溶地下河系統(tǒng)具有自然的排泄通道，隧道施工揭示巖溶暗河管道水僅需要改變其排泄途徑，對地表的影響甚微，筆者認為采用加強排水處理較為合適；對于巖溶泉系統(tǒng)類的地下水處理采用“以堵為主、排放結合、限量排放”較為合適。

    2、巖溶水水量的調查

    地下巖溶及巖溶水發(fā)育規(guī)律極其復雜，按現(xiàn)有的手段和方法要查清楚是比較困難的。新趙家壩隧道的歷次涌水情況也證實了這一點，巖溶水量的變化也相當大。其隧道涌水量的大小，決定了相應的排水系統(tǒng)的規(guī)模、布置、過水結構的大小等，即決定著工程的安全及工程投資。在進行方案比選前，應仔細、詳實地收集資料，調查巖溶水水量。針對新趙家壩隧道工程，從以下幾個方面進行了巖溶水調查：

   （1）調查巖溶發(fā)育區(qū)范圍及巖溶暗河的上下游情況。從上游兩級巖溶平臺的面積及下游河流巖溶的調查分析表明，新趙家壩隧道的巖溶水是十分豐富的，且在河邊有明顯的巖溶通道，通過連通試驗發(fā)現(xiàn)1#暗河與河流直接相通。

   （2）建立完善有效的洞內涌水觀察記錄。新趙家壩隧道在揭示1#暗河后開始建立起水量觀察記錄，雨季來臨后，降雨半天后洞內水量逐漸增大，經(jīng)過一個雨季后，降雨1-2小時后洞內很快達到較大涌水量。

   （3）與當?shù)貧庀蟛块T聯(lián)系，收集當?shù)貧庀筚Y料。

   （4）在旱季時充分調查暗河的形態(tài)及斷面大小，根據(jù)其過水斷面痕跡，推算分析溶洞內可能的涌水量。

    3 、排水系統(tǒng)布置

   （1）利用暗河自然通道排水

1#巖溶暗河與隧道基本正交，位于隧道底下3m左右，其特點是：暗河通道洞壁完整；溶洞底沉積物相對較少；巖溶地下水基本通過自然通道排泄；下游排泄距離短。通過連通試驗，在河邊發(fā)現(xiàn)了暗河口，距離約800米。基于此，采用清理疏通施工影響范圍的巖溶管道、設涵恢復巖溶水排泄通道的方案。涵洞孔徑按巖溶管道最小斷面控制，按有壓涵管設計，暗河前后50m范圍隧道襯砌結構進行相應加強。

   （2）新增人工通道排水

    2#巖溶暗河涌水量大、涌水點分散，根據(jù)歷次涌水情況統(tǒng)計，1#、2#巖溶暗河具有一定的水力聯(lián)系；涌水點多(兩暗河之間有2～3個涌水點)；隧道內揭示的暗河無明顯排泄通道，向河邊發(fā)育后，逐漸變小成為溶縫。針對2#巖溶暗河的特點，對巖溶地下水采取“先匯集，再引排”的治理思路。

    匯集巖溶水，目的是完善隧道內巖溶暗河段截水、集水、排水系統(tǒng)。在隧道左側設置集水廊道，一方面匯集2#巖溶暗河的地下水，另一方面截排巖溶水。集水廊道斷面尺寸為3.5 m×3.5 m，鋼筋混凝土襯砌，洞壁預留100mm泄水孔，間距1m，梅花形布置。集水廊道通過兩孔涵洞與隧道左側的泄洪通道和2#溶洞暗河相連，將巖溶水匯集于2#溶洞內。設泄洪通道目的是保證及時引排巖溶水，避免隧道范圍巖溶水排泄不暢，影響隧道結構，甚至危及施工安全。泄洪通道斷面及襯砌同集水廊道，泄水涵洞采用孔徑3.5 m的有壓涵洞。

    匯集后的巖溶水可通過增設的泄水涵洞引排至隧道外的河邊，形成完整的排水系統(tǒng)。

   （3 ）泄水涵洞斷面的選擇

    泄水涵洞斷面除滿足排水量的要求外，還需滿足施工作業(yè)的要求；在襯砌材料方面，還須滿足抗沖刷的要求；對于含泥量大的巖溶水，尚應考慮防淤積的排水流速。近年來的隧道施工總結資料顯示：泄水洞長度大于500m時，應滿足小型機械施工要求，其斷面不宜小于3.0m×3.0 m；一般選用的襯砌混凝土，其臨界不淤積流速根據(jù)巖溶水中含泥量，其流速一般不小于3.5 m/s。針對新趙家壩隧道的實際情況及水量計算公式反算，泄水涵洞斷面選用3.5 m×3.5 m，襯砌材料采用C20混凝土，流速不小于6.0 m/s，且斷面允許流量較調查流量有一定的安全儲備,滿足排水的要求。

    五、注意事項 　　

    隧道巖溶地下水整治時，特別應注意以下幾點：

    1、施工中揭示出巖溶暗河水后，宜按以防、排為主的原則進行處理，但由于隨著暗河通道上游充填物的不斷流失，管道被洗通，吸附影響范圍加大，后期水量還可能增大，在利用人工構筑物引排及選擇過水斷面時，應考慮過水能力有足夠的富余量，以作為安全儲備。

    2、采用恢復自然暗河通道排水的方案時，宜對暗河通道做仔細調查和觀測，通道應具有完整洞壁、沉積物少、下游流程短等特點，同時宜預留排泄不暢時的補救條件。

    3、泄水洞過水斷面、坡度等的確定，除考慮過水能力外，尚應充分考慮施工作業(yè)要求以及防沖刷、沖淤等的要求。

4、施工中對于水害的防治，特別需強化洞口排水系統(tǒng)的處理，避免洞內涌水影響洞口場地及洞口其它建筑物，造成不必要的損失。

 六、結束語

     新趙家壩隧道1#、2#暗河通過利用暗河自然通道排水和新增人工通道排水對巖溶地下水進行整治，在隧道施工過程中沒有出現(xiàn)涌水、突水等災害性安全事故，取得了較好的效果，達到了安全、快速、穩(wěn)妥的施工要求，為今后類似隧道的施工提供了寶貴經(jīng)驗和借鑒作用。

(本文來源：陜西省土木建筑學會    文徑網(wǎng)絡工程項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)