公路富水岩溶长大隧道排水系统优化设计探讨

陈建光 高向东

摘要：文章结合贵州六威高速公路鸡冠山隧道涌水治理工程实例，分析了隧道涌水过程及原因，优化设计了岩溶富水隧道排水系统，并提出了相应的涌水治理措施。

关键词：岩溶;涌水;反坡;注浆堵水;泄水洞;优化设计

中图分类号：U452.2 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.023

文章编号：1673-4874（2019）10-0077-03

0引言

长大隧道往往面临反坡施工，涌水、突水是公路富水岩溶隧道施工过程中最常见和突出的地质灾害之一，不仅威胁工人生命安全，而且严重影响隧道施工进度和运营安全质量。常见的富水岩溶隧道排水系统优化方案有洞内排水、注浆堵水、泄水洞截排等方式，传统反坡排水方案为“长距离管道配合小集水泵收集+接力大泵”排水方式。本文结合贵州六威高速公路鸡冠山隧道涌水治理的工程实例，对岩溶富水隧道排水系统进行优化设计，阐述岩溶富水隧道排水系统设计优化的重要性。

1概述

鸡冠山隧道位于贵州省六盘水市威宁县炉山镇乐溪村境内，穿越乐溪与箐沟之间中低山分水岭地带。鸡冠山隧道为分离式特长隧道，左线隧道长3772m，右线隧道长3800m。隧道分进出口两端掘进，进口段为顺坡施工，出口段为反坡施工。

隧道穿越段水文地质条件复杂，地下水发育，隧道洞身处岩溶水季节变动带范围内，掘进开挖渗水现象较为突出，遇岩溶管道或与上部洼地沟通的管道时，突水（突泥）的地质风险高。原设计按最大日降水量估算预测隧道涌水量为24988m/d，后经水文地质调查，雨洪期考虑按3倍安全系数计算为74964m/d。

2 隧道涌水过程及原因分析

2.1 2017年隧道涌水情况

（1）2017年6月14日19：00至15日02：00，出现持续5h的大面积强降雨，此次降雨導致鸡冠山隧道出口左洞积水274m约5358m，出口端右洞积水250m约4594m，造成掌子面停工4d。平均涌水量约995.2m/h，积水前5h内出口段合计涌水量达1995.8m/h，排水方式为隧道落水洞及中心排水沟，本次降雨总计排水量为104900m。

（2）2017-06-24，威宁地区又普降大雨，持续大面积强降雨导致鸡冠山隧道出口左洞积水134m约1380m，出口端右洞积水110m约930m，造成掌子面停工2d。主要为溶洞和裂隙水出水，左右洞涌水速率分别455.7m/h、388.8m/h，合计844.5m/h。排水方式为隧道内落水洞排水，本次降雨总计排水量为55000m。

（3）2017年7月6日23：00左右，持续大面积降雨导致项目鸡冠山隧道出口左洞积水291m约6012m，鸡冠山隧道出口右洞积水236m约4304m，左、右洞隧道涌水量分别为675m/h、483m/h。本次降雨总计排水量为86600m。

2.2 2018年隧道涌水情况

（1）2018-06-03，受暴雨影响掌子面发生积水，启动反坡排水方案后，6月5日早上8：00，洞内积水量约为3575m，本次共涌水14011m。<16659m/d（按最大日降水量估算最大涌水量），>10089m/d（按年均日降水量估算最大涌水量）。

（2）2018年6月20日0：00突降暴雨，鸡冠山隧道出口左右洞出现大面积淹水，左洞淹水长度为320m，洞内积水14325m，右洞淹水长度为143m，洞内积水7659m。

（3）2018年7月5日23：10开始，暴雨持续6h，鸡冠山隧道出口左右洞再度出现大面积淹水，截止到次日7：50，左洞淹水长度510m，洞内积水20000m，涌水速率达3077m/h。右洞内积水8033m，涌水速率为1236m/h。

（4）因隧道二衬内原设计排水系统排泄能力不足，出现多处贯通横向裂缝，局部二衬拱脚在水压力作用下出现涌水、射水，仰拱补勘钻孔后出现涌水。

3 隧道涌水、积水、渗水原因及风险分析

（1）鸡冠山隧道地处垂直循环带和水平循环带交叉范围，隧道岩溶极为发育，地表天坑汇水面积大，地下水较丰富，天坑通过岩溶管道下渗至隧道，造成隧道内涌水。

（2）隧道反坡排水方案排水量设计参数来源于“年均日降水量估算最大涌水量”，水文地质资料不准确导致反坡排水方案排水能力从设计上就不能满足隧道实际要求。

（3）每逢雨季隧道场区雨势大、持续时间长，洞内涌水速率高。隧道采用反坡施工，而传统反坡排水方案未应用智能化、自动化排水系统，未严格进行专项设计，积水瞬间倒灌掌子面，掌子面附近排水设施瞬间被淹来不及启动，造成洞内积水。

（4）二衬排水系统设计缺陷。利用弹簧半圆排水管引排初期支护渗水至纵向排水管，半圆管强度低易受混凝土挤压而变形，半打孔纵向排水管孔眼较小，需受到一定压力才能进水且难以满管排水，排泄能力有限，对二衬拱脚及接缝密闭性承压能力有一定要求。

（5）富水段排水系统未进行专项设计。富水段排水系统参照常规隧道排水系统设计，未充分考虑隧道涌水量，原设计排水系统排泄能力不足，造成二次衬砌背后承受水压超限，导致二次衬砌局部破坏，并从薄弱带泄水降压。

（6）施工风险。隧道本身排水不畅，施工中的人身安全和设备安全无保障，隧道衬砌受多次涌水压力反复作用（内、外水共同压力），结构强度降低，存在被压垮的风险，从而形成“关门”。

（7）运营风险。隧道存在再次涌水和漏水的风险，会造成行车困难，隧道衬砌受压掉块易造成行车安全事故，引发不良社会影响。

4 常见的涌水处治方法

4.1洞内排水方案（方案一）

通过隧道洞内的排水系统排出岩溶裂隙渗水，采用加大排水措施和引排措施的手段实现迅速消散衬砌背后水压、排出渗水的目的。洞内排水方案可以采取的措施有以下几种：

（1）左右洞中心水沟协同调配排水

通过人行横洞或车行横洞两端的高差控制，实现左右洞中心水沟的排水协同作用，并在横洞内设置排水控制阀、溢流墙对水沟内水的流向进行控制。利用隧道原有落水溶洞引流，加大隧道中心排水沟排水尺寸。

（2）隧道内路面两側增设排水暗沟

在隧道两侧增加排水暗沟，辅助隧道中心排水沟排水。

（3）保留隧道原落水洞泄水消压分流

在原隧道落水溶洞位置对隧道主洞衬砌进行局部扩大，并设置消能池兼作沉砂池。溶腔出水首先排入消能池内，然后流入路面两側排水暗沟或中心水沟。

（4）富水段二次衬砌脚部增设横向导水管

富水段二次衬砌区域内，在路面两側排水暗沟側壁打设横向导水管，利用横向导水管收集围岩中的岩溶裂隙水，以达到降低衬砌背后水压力的目的。

洞内排水方案不同措施的组合：

以上分析中给出了洞内排水方案的几种处置措施，其中措施（3）和措施（4）属于周边岩溶裂隙水的泄压措施，属于洞内排水方案必须实施的措施，措施（1）和措施（2）作为洞内排水方案均可以单独考虑。

组合A：措施（2）+措施（3）+措施（4），该组合方案以增加路边侧沟来达到增大洞内排水能力的目的。

组合B：措施（1）+措施（3）+措施（4），该组合方案以协同左右洞共同排水的方式达到增大洞内排水能力的目的。

4.2 注浆堵水方案（方案二）

采用限排的方式，对富水段周边围岩进行注浆封闭止水，以减少隧道内岩溶裂隙水的入渗量。鸡冠山隧道围岩加固圈厚度≥3.5m，打孔深度自衬砌表面按照4.5m设置，钻孔间距为1.5m× 1.5m梅花形布置。

4.3 泄水洞截排水方案（方案三）

增加泄水导洞引排施工过程发现岩溶管道及二衬渗漏水段出水，根据实际需求，鸡冠山隧道泄水洞总长度约为1390.17m，泄水洞通过支洞形式与岩溶管道联通，引水段衬砌打设φ200mm引水孔引排岩溶裂隙水。泄水洞断面尺寸拟定内净空采用3m× 2.8m的断面。

5 方案比选

综合以上分析，方案一排水能力有一定的保证，但是隧道内岩溶涌水量在隧道贯通后仍存在变化的可能，有一定的风险;方案二注浆堵水封堵段落有限，洞内既有的排水系统能力偏弱，结构安全性不确定性大;方案三泄水洞方案工期无法满足要求，工程造价相对较高。推荐鸡冠山隧道岩溶涌水处置采用方案一洞内排水组合B方案并结合方案三泄水洞方案。见表1。

6 富水岩溶隧道涌水治理措施

6.1前期准备

项目进场后，应结合设计文件做详细的地质水文调查，查清附近天坑、落水洞、地下暗河水流走向，理清隧道与附近河流、湖泊、水库水位之间的关系。

6.2 反坡排水方案专项设计

项目前期策划阶段，根据设计涌水量制定专项反坡排水方案。排水系统应采用智能化、信息化、自动化抽水系统（如图1-4所示），排水设施应进行精确计算，资源配置考虑1.5-2倍富余，雨洪期应考虑按3倍安全系数计算。

6.3 富水段排水系统专项设计

根据水文地质调查及地勘资料对隧道富水量明显偏高段内部排水系统应进行专项设计，隧道衬砌内部及洞内排水系统排水能力必须满足雨洪期2-3倍安全系数，确保隧道后期运营安全。

7 结语

通过对鸡冠山隧道排水系统设计过程优化并进行反坡排水方案专项设计，保证了隧道施工过程安全，如期完成了业主工期目标，也为隧道后期运营的安全和质量提供了保障。鸡冠山隧道已于2017年10月全幅贯通，为实现全线年底通车目标献上了一份坚实的厚礼。

长大富水岩溶隧道富水段排水系统及反坡排水方案应进行专项设计，公司应在前期介入进行优化设计，降低隧道施工、运营安全质量风险。随着地质勘探、物探技术快速发展，隧道岩性预测准确性将进一步提高，如何优化隧道排水系統及实现反坡排水系统智能化、信息化，充分保障隧道施工安全、质量、进度、效益及运营安全是下阶段重点研究内容。