宜万铁路野三关隧道响水坪地下暗河发育特征及方案研究

苗德海

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 武汉 430063)

宜万铁路野三关隧道位于湖北省恩施州巴东县野三关镇碗口河和支井河之间, 属构造剥蚀-溶蚀地貌,为台原山地和深切峡谷地形,地势北高南低,山顶高程在1 050～1 600 m,河谷切割深度200～700 m[1]。

隧道全长13 833 m,为宜万铁路最长隧道,进口轨面高程为757 m,出口轨面高程为815 m,洞身最大埋深684 m,设计为人字坡,进口段受巴东车站影响,设计为燕尾式连拱隧道,其余段为2条单线隧道、线间距30 m。为满足施工组织需要,在隧道中部DK125+100左侧设置长1 844.5 m的无轨运输斜井。图1为野三关隧道地质纵断面图。

图1 野三关隧道地质纵断面

1 地质背景

1.1 地层岩性

隧道主要穿越志留系、泥盆系、二叠系、三叠系等地层,其中志留系、泥盆系等碎屑岩长度为5 074 m,占隧道全长的36.7%,二叠系、三叠系等灰岩地层长度为8 759 m,占隧道全长的63.3%。灰岩段地表岩溶强烈发育,单管式、网络式暗河系统发育。

1.2 地质构造

隧区属新华夏系构造体系,主要构造形迹有断层、构造节理、裂隙和褶皱等。

隧区内主要发育孙家垭断层、大坪断层、庙坪断层等12条断层,其中孙家垭断层对隧道影响最大。孙家垭断层以75°夹角在DK124+865附近与隧道相交,断层破碎带宽6～18 m,透水性好,断层切割、连通3号暗河,易将暗河地下水引入隧道。图2为野三关隧道工程地质构造纲要图。

1.3 河流水系

隧区属清江流域,隧道横跨支井河、苦桃溪、二溪河3条清江支流,出口位于支井河东岸,主要穿越苦桃溪和二溪河。隧道附近支井河高程为810 m，苦桃溪高程为1 082 m，二溪河高程为960 m。地表水系分布控制了地下水系统的动力循环格局,对隧区内岩溶发育有明显的控制作用[2-3]。

1.4 岩溶发育特征

隧道区内岩溶发育的主要形态有地下暗河、溶洞、落水洞、溶沟、漏斗、岩溶管道等,组合形态有溶丘浅谷、峰丛洼地等。

地表发育有较大型的岩溶洼地,形成规模较大的汇水区域,伴有漏斗、落水洞等,易通过岩溶裂隙、落水洞、管道等将暗河及洼地水导入隧道,引起重大突水突泥灾害。

岩溶发育分带性明显,由上向下,表层岩溶带厚度为4～31 m；垂向渗滤带厚度一般为29～348 m,该岩溶带为较强岩溶发育带,主要发育垂向型岩溶、季节性单支岩溶管道流；主要接受雨季降水补给,当隧道穿越该岩溶带时有可能直接造成突水突泥风险。水平径流带发育厚度100～200 m,以水平渗流型岩溶为主,如暗河等,当隧道经过该岩溶带时存在突水突泥风险；深部循环带位于饱水带的下部,埋深在180～520 m之间,该带水力循环差,岩溶发育较弱,岩溶形态主要以溶蚀孔缝为主,隧道洞身主要经过该带；如隧道在该层遇到深层岩溶,考虑隧道埋深以及岩溶有可能与地表的水力联系,施工过程中有高压突水、突泥等地质问题[1-3]。

图2 野三关隧道工程地质构造纲要

隧道区内发育6条较大规模的地下暗河,其分布及地下水流向见图3[4]。

图3 野三关隧道地区暗河分布及地下水流向

2 响水坪暗河系统

2.1 暗河系统基本情况

响水坪暗河为小流域控制性地下河,呈树枝状,位于支井河左侧,小角度横穿Ⅰ线、Ⅱ线隧道,为区内河间饱水带地下水相对集中的主要排泄口。该地下暗河系统总体发育方向210°～240°,呈树枝状,总体水力坡度7%～10%,长度约10 539 m,汇水面积约8.37 km2。进水口主要位于响水坪一带,

其间分布有6～8个岩溶洼地,14～16个串珠状的落水洞等,地下暗河水由北东向南西汇集,最后流入支井河。

该段暗河位于地下水水平循环带,主要接受大气降水补给；中、大雨约2 d后,地下暗河水流量有明显增大,约4 d后达到最大值,这表明地下暗河与地表径流联系通畅,地下暗河水系统补给条件良好。

2.2 与Ⅰ线、Ⅱ线隧道关系

综合TSP、地质雷达、超前地质钻孔的结果及旱季开挖揭示测绘资料可知,该暗河系统上跨Ⅱ线隧道,暗河底部距离隧道顶部厚度约10 m,在Ⅰ线隧道DK129+813.5处,地下暗河开始侵入Ⅰ线隧道正线,并沿Ⅰ线隧道前进方向发育；在DK129+813.5处时,地下暗河距离隧道拱顶以上2.8 m,至DK129+900处时,地下暗河已处于隧道左边墙外,此后地下暗河与Ⅰ线隧道约呈45°向隧道左边墙外发育；该段地下暗河管道直径1.0～5.5 m。

2.3 岩性及管道的稳定性

响水坪暗河与隧道交叉段(DK129+800～+920)

隧道埋深约170～190 m,主要穿越三叠系下统大冶组灰岩,薄～中厚层状,岩层产状307°∠38°；该段暗河岩溶裂隙发育,暗河底部有少量淤泥和石块沉积,管道壁围岩整体性好,稳定,为Ⅳ级围岩。

与隧道相交区段响水坪暗河系统支流段示意见图4。

图4 响水坪暗河系统支流示意

3 设计方案

根据响水坪暗河系统的平面展布、汇水面积、可能出现的最大排量、主要出水口及与Ⅰ、Ⅱ线隧道的空间关系等,遵照“确保安全、排堵结合、综合治理”的原则[5-10],研究了排水洞方案、加深水沟方案和封堵方案。图5为处治方案平面布置图。

图5 处治方案平面布置

3.1 排水洞方案

在Ⅰ线隧道左侧DK129+813.5处增设长285 m排水洞,引排暗河岩溶水至支井河,排水洞与隧道中线夹角为30°。排水洞底部高于Ⅰ线隧道顶部2.8 m,坡度为3%,沿支井河方向下坡。

内净空为2.6 m×3.4 m(宽×高),采用喷锚支护整体式衬砌。在DK129+813.5处下游采用混凝土封闭原暗河管道,确保暗河水流入排水洞。

由于I线隧道DK129+800～ DK129+920受地下暗河发育的影响,需要对该段隧道的初期支护结构和二次衬砌结构加强：初期支护采用内嵌格栅钢架(1 m/榀)C20网喷混凝土,厚度为20 cm。二次衬砌采用C30模筑钢筋混凝土,厚度为30 cm。

3.2 加深两侧部水沟方案

将DK129+812～DK129+814段隧道断面扩大,在隧道结构外形成宽2 m的排水廊道引排暗河水至隧道底部,再通过设置隧底的横向排水沟将暗河水引排至Ⅰ线、Ⅱ线隧道排水沟,通过加深的隧道排水沟引排至支井河。

Ⅰ线隧道DK129+800～DK129+920段受岩溶发育影响,其余Ⅰ、Ⅱ线隧道从排水廊道处至出口,因加深排水沟使隧道整体结构受力趋于不利,需要对该段隧道的初期支护结构和二次衬砌结构加强,具体加强措施同排水洞方案。图6为加深两侧部水沟方案。

图6 加深两侧部水沟方案(单位：cm)

3.3 封堵方案

在DK129+813.5隧道开挖轮廓线外3 ～5 m的暗河管道处设置混凝土封堵墙,废弃该管道,迫使暗河水通过系统的其他支管道流向支井河。

由于该方案封闭了原有的暗河主管道,暗河系统排量变小,雨季时暗河系统地下水积聚、抬升,使得该水文单元内隧道结构需考虑水压力作用,隧道结构采用加强型复合式衬砌：初期支护采用20 cm厚网喷混凝土(内嵌格栅钢架、1 m/榀),二次衬砌采用75 cm厚防水钢筋混凝土。

3.4 方案比较(表1)

表1 方案比选

综合隧道工程长期运营安全、工程对周边环境影响、施工干扰、工程投资等因素,推荐采用了增设排水洞的设计方案。

4 结语

野山关隧道穿越响水坪暗河段竣工已长达6年之久,经过数个雨季洪峰的考验。排水洞方案的实施彻底解决了暗河水对隧道结构的影响,保障了隧道运营的安全,同时选择与原暗河系统平面、高程相近的排水洞,维系了周边环境的稳定,为隧道工程方案的设计与选择提供了借鉴。通过全面的工程水文地质分析和多方案的优缺点比较,特别是多年雨季的考验,对隧道穿越暗河系统有如下认识、体会。

(1)通过综合的地质手段查明暗河系统的展布、汇水面积、静储量、最大流量及暗河管道与隧道的空间关系等是方案设计的基础。

(2)考虑岩溶发育的多样性、地下水的不确定性,设计方案宜考虑疏导为主的原则,以最大限度地减少雨季地下水的急剧抬升对隧道结构的破坏,一般不得采用将岩溶水引入隧道的排导方案,以防止淹没道床,影响运营安全。

(3)穿越暗河段隧道的施工宜选择在旱季,同时应优先施工排水洞工程,后施工隧道工程,以避免暗河水突出对隧道施工造成破坏,确保隧道施工的安全。

(4)排水洞与暗河管道衔接应顺畅,必要时洞内应设置消能设施,同时做好洞口与河谷段的排水衔接,减少暗河水排放对岸坡的破坏。

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