宜万铁路野三关隧道穿越 4号暗河段整治措施研究

李 强

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

地下暗河也叫暗河或“伏流”,指地面以下的河流,是地下岩溶地貌的一种。地面河潜入地下之后称伏流,常常形成干地壳上升、河流下切,河床纵向坡降较大的地方,在深切峡谷两岸及深切河谷的上源部分,伏流经常发生。地下暗河是由地下水汇集而成的地下河道,往往有出口而无入口,沿构造破裂面发育,是岩溶地貌的重要表现特征。

隧道遭遇到地下暗河时,可能会导致突发性突水突泥地质灾害,冲毁洞内、洞外设施,影响施工和诱发环境地质问题,严重时可能会导致人员伤亡,造成灾难性的后果。尽管已修建的地下工程遭遇暗河的工程实例较多,如宜万铁路五爪观暗河、二郎山隧道洞口处地下暗河等,但受暗河的规模、工程水文地质条件不同,其整治措施不尽相同,无法寻找标准的设计。

本文依托宜万铁路野三关隧道 4号暗河支管道的规模、工程水文地质条件,从工程投资、施工及长期运营安全、施工干扰方面对整治措施进行了深入细致的对比分析,提出了经济、合理、安全的处理措施,确保了施工及运营安全。

1 暗河揭示过程

2004年 9月 13日,野三关隧道出口Ⅰ线 DK129+912掌子面右下方揭示充填黄色黏土的岩溶管道,管道直径约 2～3m,随着掌子面的推进,暗河管道被进一步揭示,发现该暗河管道沿线路方向发育,在DK129+897处穿越隧道进入掌子面左侧,继续平行隧道向小里程方向延伸至 DK129+800处结束。在DK129+910、DK129+830处管道底部各揭示一积水潭,受降雨的影响,9月 20日、10月 1日、11月 13日,暗河管道大量涌水,最大涌水量达 220m3/h。图1为暗河揭示时的情况。

2 暗河规模及工程水文地质条件

DK129+797～DK129+920段位于石马坝背斜西翼,隧道穿越三叠系下统大冶组灰岩,深灰色,薄 ～中厚层状,岩层产状 NE307°∠38°,岩溶裂隙、管道发育,岩体破碎,围岩基本分级为Ⅳ级。

图1 野山关隧道揭示时暗河支管道情况

该段开挖揭示 4号暗河支管道,支管道基本上沿Ⅰ线线路前进方向发育,从Ⅰ线 DK129+813.5隧道拱顶以上 2.8m处发育至 DK129+900左边墙外后,与Ⅰ线线路呈 45°向隧道左边墙外发育,管道直径 1～5.5m,底部沉积少量溶洞充填物,周边围岩较完整、稳定性好。

该段位于地下水水平循环带,洞身与 4号暗河系统交叉,暗河支管道地下水主要接受大气降水补给,天旱时水量极小,雨季时大量涌水且泉水浑浊,最大涌水量达 17万 m3/d。岩溶水的流量动态与降雨关系密切,对降雨的反应较敏感,一般在中、大雨的第 2天,地下水流量明显增长,第 4天达到峰值,反应了岩溶水系统补给条件良好,径流途径较长,径流通畅。水流由线路小里程向大里程汇集、排入支井河。

4号暗河支管道平面、纵断面见图2。

图2 4号暗河支管道形态特征

3 方案研究

针对野三关隧道出口 DK129+797～DK129+920段揭示的 4号暗河支管道工程水文地质条件,以及雨季涌水量大、与地表水水力联系密切、处理难度大的特点,为确保施工及长期运营安全,进行了增设导流洞、增设排水廊道 +中心水沟、增设排水廊道 +加深侧沟、封堵 4个方案的研究,方案平面布置见图3。

3.1 方案一:增设导流洞

方案一典型横断面设计见图4。

(1)导流洞

图3 方案平面布置(单位:m)

图4 方案一典型横断面(单位:cm)

①平面位置

在Ⅰ线隧道 DK129+813.5处增设 1座长约 285 m的导流洞,引排 4号暗河支管道岩溶水至支井河排放,与Ⅰ线线路中线夹角为 30°。

②纵坡

导流洞起点坑底高程高于Ⅰ线正洞拱顶约 2.8m(与支管道底部齐平),向出口方向设置 3%的下坡。

③衬砌断面

导流洞内净空采用 2.6m×3.4m(宽 ×高)的喷锚整体式衬砌。

④管道处理

在 DK129+813.5处下游采用混凝土封闭原暗河管道,使暗河水改道进入导流洞;暗河底部及跌水部位采用混凝土或浆砌片石铺砌,防止暗河水冲刷。

(2)正洞结构

暗河影响段Ⅰ线隧道结构:初期支护为 20cm厚C20网喷混凝土(拱墙内嵌格栅钢架、0.8m/榀),二次衬砌采用 30cm厚 C30钢筋混凝土。

3.2 方案二:增设排水廊道 +中心水沟

方案二典型横断面设计见图5。

(1)排水廊道

DK129+812～DK129+814段溶洞侧拱墙外扩 3 m形成宽 2m、深 2m的排水廊道,将暗河地下水引排至中心水沟。

图5 方案二典型横断面(单位:cm)

(2)护拱

为确保结构安全,DK129+800～DK129+816段排水廊道侧拱墙外扩 1m施作混凝土护拱。

(3)中心水沟

①平面位置

DK129+810～DK130+038段隧底中部增设 1条长约 230m的中心水沟,引排 4号暗河支管道岩溶水引排至支井河排放,出口采用直径为 1.5m的钢筋混凝土管涵引排。

②纵坡

中心水沟底高程低于隧道水沟底约 2m,向出口方向设置 4‰的下坡。

③断面大小

中心水沟采用内净空为 1.5m×1.5m(宽 ×高)的钢筋混凝土框架结构,能够满足水深 0.8m的排水量大于 20万 m3/d的要求。

④管道处理

管道处理同方案一。

(4)正洞结构

暗河影响段正洞采用 20cm厚网喷混凝土 +30 cm厚钢筋混凝土结构,底板采用 50cm厚钢筋混凝土;DK129+810～DK130+038段正洞调整为底板结构,底板为 50cm厚钢筋混凝土。

3.3 方案三:增设排水廊道 +加深侧沟

方案三典型横断面设计见图6。

(1)排水廊道及护拱

排水廊道及护拱同方案二。

(2)加深侧沟

Ⅰ线DK129+810～DK130+038段隧道侧沟加深0.8m,满足单条侧沟排水量增加 5万 m3/d,Ⅱ线IIDK129+790～IIDK130+003段隧道侧沟加深 1.2 m、满足单条侧沟排水量增加 5万 m3/d,同时对路基段侧沟进行相应加深,确保排水畅通,共加深侧沟长度约430m,Ⅰ、Ⅱ线侧沟采用横向连接通道连通,引排 4号暗河支管道岩溶水至支井河排放。

图6 方案三典型横断面(单位:cm)

(3)管道处理

管道处理同方案一。

(4)正洞结构

暗河影响段正洞采用 20cm厚网喷混凝土 +30cm厚钢筋混凝土结构,底板采用 50cm厚钢筋混凝土;Ⅰ线DK129+810～DK130+038段隧道加高 0.8m、Ⅱ线IIDK129+790～IIDK130+003段隧道加高 1.2m。

3.4 方案四:封堵

开挖揭示的暗河支管道采用混凝土封闭,改变原有地下水排水通道,将地下水封堵在隧道开挖轮廓外一定范围;暗河影响段 DK129+790～DK129+920正洞采用加强型复合式衬砌,初期支护采用 25cm厚网喷混凝土(内嵌全环格栅钢架、1m/榀),二次衬砌采用 75cm厚防水钢筋混凝土。

3.5 方案比选

从工程投资、长期运营安全及维护、施工干扰方面进行了深入地对比分析。

(1)工程投资

方案一:增加工程量为 285m的导流洞、管道封堵、DK129+797～DK129+825段正洞结构调整为底板直墙钢筋混凝土结构,工程投资小。

方案二:增加工程量为 230m中心水沟、排水廊道、护拱、DK129+810～DK130+038段正洞调整为 50 cm厚钢筋混凝土底板结构(暗河影响段拱墙采用 35 cm厚钢筋混凝土),工程投资较小。

方案三:增加工程量为加深侧沟 430m、排水廊道、护拱、横向连接通道、Ⅰ线 DK129+810～DK130+038段隧道加高 0.8m、Ⅱ线 IIDK129+790～IIDK130+003段隧道加高 1.2m,工程投资较大。

方案四:增加工程量为暗河封堵、130m正洞结构需大幅提高,工程投资大。

(2)长期运营安全及维护

方案一:由于暗河水已通过再造管道引排,衬砌结构不承受水压力,结构安全;导流洞断面大,便于养护维修。

方案二:衬砌结构不承受水压力,结构安全;中心水沟断面小,不利于养护维修。

方案三:同方案二。

方案四:由于管道封堵的不确定性,可能会导致衬砌施工缝射水,影响隧道运营安全。

(3)施工干扰

方案一对隧道施工基本没有干扰,施工进度快;方案二对隧道施工干扰大,施工进度慢;方案三对隧道施工干扰较大,施工进度较慢;方案四工程量较大,施工进度慢。

根据以上的对比分析,考虑岩溶发育的异常复杂性和不确定性,为确保隧道施工及长期运营安全,节省工程投资,采用增设导流洞引排 4号暗河支管道岩溶水。

4 方案实施

根据暗河支管道规模、工程水文地质条件、补给量大小及与隧道空间关系,综合考虑Ⅰ、Ⅱ线隧道施工组织及长期运营安全,遵照“以排为主、加强结构、综合治理”的原则,隧道穿越 4号暗河支管道段采取如下处理方案及工程措施。

4.1 导流洞

导流洞断面见图7。

图7 导流洞断面(单位:cm)

(1)平面位置:为截排野三关隧道 4号暗河支管道岩溶水,在出口段左侧增设 1座长 285m的导流洞,与Ⅰ线隧道相交于 DK129+813.5处,交角为 30°,并在导流洞出口设置 30m的导流明渠,将暗河支管道岩溶水引排至支井河。

(2)纵坡:导流洞起点位于Ⅰ线隧道 DK129+813.5拱顶以上约 2.8m处,坑底高程与揭示的暗河支管道底部齐平,出口位于支井河边,向出口方向设置3%的下坡,导流洞出口约 50m范围设置 C20混凝土消能台阶(高 0.25m、宽 1m)、间距 10m一处。

(3)超前支护:出口段约 25m范围围岩破碎、风化严重,拱部采用 φ22mm超前锚杆预支护,环向间距0.4m、纵向 2.4m一环。

(4)结构:采用内净空为 2.6m×3.4m(宽 ×高)的喷锚整体式衬砌。

(5)钢架:Ⅳ级围岩局部设置格栅钢架加强、1m/榀,V级围岩拱墙设置格栅钢架加强、0.8m/榀,与正洞相交段 20m范围内导流洞采用格栅钢架加强、0.8 m/榀。

4.2 正洞支护结构

DK129+797～DK129+920段采用普通Ⅳ级围岩底板结构复合式衬砌,初期支护为 20cm厚网喷混凝土(内嵌格栅钢架、0.8m/榀),DK129+797～DK129+825暗河段二次衬砌采用 30cm厚钢筋混凝土结构加强,其他段二次衬砌为 30cm厚素混凝土结构。

4.3 管道处理

暗河管道处理见图8。

图8 暗河管道处理(单位:cm)

为使暗河水改道进入导流洞,采用 C15片石混凝土挡墙封闭原暗河通道,挡墙迎水面采用水泥砂浆等作好防渗处理;同时在溶腔大厅底部铺 50cm厚 C15片石混凝土保护层,并在暗河跌水处下方施作 M10浆砌片石跌水槽,以防暗河水冲刷、侵蚀隧道顶板围岩。

5 结语

(1)隧道遭遇到地下暗河时,首先应采用示踪试验、红外探水、地质雷达、TSP-203、超前钻孔、放水试验等综合超前预测预报手段,查明暗河发育规模、地下水补给情况等,再行研究处治措施。

(2)应逐个暗河逐个进行处理,不必寻找标准的设计,设计中的通用原则为确保隧道的衬砌结构有足够的安全度、在可预见期内暗河的稳定性有保证、方案比较经济适用。

(3)隧道穿越暗河的处理应首先选择连通方案,不改变地下水总的流动趋势,各类新建的排水通道应有一定的坡度,以防止泥砂淤积,影响隧道长期运营安全。

(4)野三关隧道 4号暗河设置导流洞后,暗河水主要通过导流洞排出,正洞未见渗漏水现象,处理效果良好。

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