杨林隧道岩溶涌水成因分析及处治设计方案研究

宋诗文

(中铁建云南交通建设管理有限公司 云南昆明 650000）

1 引言

中国西南地区面积约有1.36×106km2，占国土总面积的14%，该地区岩溶发育最为集中[1-4]。云南作为国家“一带一路”战略的东南亚、南亚中心的定位，在公路、铁路、水利等基础建设投资得到不断强化，在建设过程中长大隧道的施工也日益增多，面临的地质条件也复杂多样，其中在岩溶发育地区隧道施工面临的主要安全问题之一就是遭遇岩溶水，造成其原因有很多；本文依据杨林隧道对岩溶水成因分析并采取相应应对措施。

2 工程概况

杨林隧道地处昆明市嵩明、宜良境内，全长9.6 km，是亚洲目前双向6车道高速公路第一长隧；最大埋深约452 m，设计速度80 km/h，设计汽车荷载等级采用公路-Ⅰ级，隧道采用三心圆曲墙式断面。

杨林隧道范围内地层出露较齐全，从远古界～新生界第四系均有出露；断层、断裂段严重，岩溶区发育。隧道所在区域地下水十分丰富，全隧道最大涌水量预测103 980 m3/d。隧道沿线地下水为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶水三大类型；碳酸盐岩岩溶水占隧道沿线长度的比例89%，岩溶水所占比例较大；隧道穿越岩溶段发育段5 200 m左右。

3 岩溶地段涌水

3.1 涌水情况

杨林隧道施工期间多次发生涌水事件，最大一起带压涌水事件发生在杨林隧道右幅K19+903部位。

2017年11月26日晚，当出口右幅掌子面施工至K19+903时，在上台阶开挖(采用上下台阶法开挖）出渣完后，架立初支工字钢架前，隧道上台阶右侧(路线前进方向）拱脚外侧从21:25左右出现少量股状出水，到22:30时左右转变为大涌水，呈高压状射出，水流浑浊，水势凶猛，涌水时间持续约10 min，涌水量约120 000 m3；11月27日水流量2 900 m3/h，之后水量逐渐减小，见图1。

图1 涌水后现场情况

从涌水口冲出的碎块石包括大小卵石11个，其中直径3～9 cm不等，岩质大部分为灰质白云岩、白云质灰岩，次为钙质泥岩、泥岩，形呈卵石状，滚圆度为圆形、次圆形，系河流相产物，确定本次涌水为地下暗河涌水。

3.2 涌水成因分析

隧址区处于牛栏江流域与盘龙江流域分水岭地带，该所处地层可溶盐岩与非可溶盐地层均较多，加之断裂、褶皱构造行迹较为发育，隧道施工遭遇涌水的可能性较大，典型部位为隧道K19+903断面处，见图2。

图2 隧道K19+903段工程地质纵断面图

该处所处岩性主要为泥盆系中上统宰格组(D2-3）的白云岩和灰岩。岩溶发育以垂直方向为主，地表存在落水洞以及一些地层接触带溶隙等，节理裂隙、溶蚀裂隙发育；隧道穿越的地下水系统在南部和北部基岩裸露区接受大气降水补给后，向中部喷水洞以管道、暗河形式迳流、排泄，以喷水洞岩溶大泉为集中排泄。出水点距喷水洞落差达20 m，直线距离约4.5 km；隧道涌水后喷水洞水量明显减少，基本判断为同一径流。

隧道穿越K19+903地段符合分水岭岩溶地下水动力分带模型中的季节交替带，又称过渡带[5-7]；该带位于包气带与饱水带之间，统一地下水位升降波动会随不同季节降雨量大小发生。旱季地下水位下降，构成包气带的一部分；雨季地下水位升高，成为饱水带的一部分；岩溶水同时存在于由大小悬殊的孔隙、裂隙、洞穴和通道组成的同一含水系统中，以层流为主。

季节交替带主要特点枯水期涌水问题不突出，地下河在该地带有一定静储量，一旦发生涌水，水量大且水势急汹，但较短时间内排完，容易在此期间造成安全事故；此后水量较小趋于平稳，称为动储量；该处动储量约1 500 m3/h，丰水期间涌水量逐渐增大，该处最大涌水量约7 000 m3/h，远超过隧道设计排水能力，见图3。

图3 K19+903处涌水动态监测

3.3 涌水口开挖揭露情况

发生涌水后，对涌水点暂时不处理，观察涌水点涌水量变化，涌水点周围(K19+879～K19+921段）仅施作初期支护，继续进行隧道开挖施工，待标段范围内隧道施工完成后再进行涌水点处治。

首先采用超前地质预报地质雷达对涌水点进行超前地质预报，判断测试面前方0～40区段围岩以中～强风化灰岩、白云岩为主。岩体较破碎，软弱夹层发育，溶蚀裂隙发育；地下水较发育，多为淋雨状～涌流状出水。

源头控制——减少产生；过程控制——减少排放；生产工艺与设计改进（发酵床、粪坑局部通风等）；饲养管理（清粪方式、环境管理等）；生物过滤（生物过滤、生物洗涤装置等）；化学、生物制剂。

为进一步了解涌水处地质发育情况，做好下一步处治措施，决定对涌水点周围(K19+879～K19+921段）施作二衬后，向涌水点施作导洞向里开挖约36 m，见图4，揭露出6个溶腔，4个出水点；1号溶腔体积123 m3，2号溶腔体积9 055 m3，3号溶腔体积1 352 m3，4号溶腔和5号溶腔体积合计897 m3。各溶腔基本为空腔，其中，1号、2号、3号溶腔底存在松散堆积物，6号溶腔与开挖导洞交叉口处存在堆积物。根据揭露的溶腔均为封闭腔体，暂未发现与其他溶腔连通。现场还发现4处出水点(出水点1、2、3、4）；出水量最大的是出水点1，见图 5，其次为出水点2，出水点3水量较少、为小股状；出水点4刚揭露时大股状出水，2个月后基本不出水。现场采用3 m长钢筋斜向插入出水点2内部，未碰到周边岩壁，推测出水点2围岩内存在溶腔，在开挖过程中，出水点1沿岩体裂隙流向出水点2方向。

图4 开挖导洞

图5 出水点1

采取超前地质预报地质雷达对导洞开挖面前方100 m，左右各25 m，上下各20 m进行探测，探测范围内存在多处溶蚀发育带，其中0～40段右侧溶蚀最为发育，25～40段地下水丰富，多为股状涌水；推测隧道前方为地下暗河主通道，地下水通过岩体裂隙渗流溶洞内，隧道开挖造成原岩溶管壁过薄，管道内的高压管道水冲破管壁形成此次涌水；至此，隧道涌水成因及涌水点基本探明。

若导洞继续开挖将极有可能打通地下暗河主要通道，造成更大的涌水风险事件；决定停止导洞开挖，对涌水点现状进行处治。

4 处治设计

4.1 涌水处治方案确定

岩溶隧道施工不能仅局限如何顺利贯通，更要考虑到在下一运营阶段岩溶水对隧道结构的不良影响；由于地下水补给、地质构造、径流路径等多种因素共同影响隧道涌水，造成涌水规模、涌水压力、涌水点等表现均不同，处治措施应根据实际情况因地制宜[8-10]。

对于岩溶水的处理，一般采用堵水、排水、堵排结合等方式处理[11]。而对于K19+903岩溶水处理采取单一堵水措施主要分为两种:一是地表堵水、二是洞内注浆堵水。若采取地表堵水，岩溶洼地内分布较多落水洞以及地层接触带溶隙等，节理及溶蚀裂隙相互连通，无法确切找到K19+903处溶洞的进水补给口，且涌水点地表为一冲沟，无法对进水补给口进行封堵。若采取洞内注浆堵水，主要有三点理由分析不可行:(1）由于隧址处于白云岩和灰岩带，根据涌水口揭露情况分析，该处岩溶发育，多处溶腔之间均有水力联系，若注浆堵水必须对隧道周围溶腔体封堵，工程量巨大；(2）注浆浆液可能随地下暗河流失，达不到堵水效果；(3）破坏堵塞地下暗河原径流通道，造成隧道周围水位升高、水压增大，可能造成新的涌水点，对隧道结构形成新的破坏。2018年8月6日涌水点涌水量达到最大，造成涌水点至小里程方向部分二衬段落开裂、施工缝渗水、仰拱冒水。

若采取单一排水主要有两种方式，一是泄水洞排水，二是洞内排水。由于涌水点地表为荒山，且地下水来源主要为地表降雨，地表附近无村庄人畜用水，洞内排水汇流至隧道下方河流中，对周边环境影响不大；采取单一排水方式在技术环保方案上可行。采取泄水洞排水可以彻底解决排水问题，但面临工期延长、造价费用增加等问题。但是若采取单一洞内排水方式，隧道进口至出口单向纵坡设计且发生涌水时仅剩余557 m未开挖，洞内排水系统改造空间不大，会造成汛期期间道路经常中断，同样面临水压对隧道结构破坏的问题。

综合考虑涌水成因、施工现状及以上分析，本着“恢复涌水位置原地下水系水流路径、减小地下水对隧道结构安全影响”的原则；确定K19+903岩溶处理方法采取靠近隧道溶洞全部封堵、阻塞涌水通道，经设计计算封堵体长度须满足隧道与未回填溶洞及主要出水点之间的安全距离；远离隧道的溶洞及主要出水点采取保留地下暗河径流通道的指导思路。若地下河水量突增，隧道与地下暗河封堵距离可以缓冲稀释水压对隧道的能量；同时结合洞内排水泄压释放水压能量，极大降低汛期期间道路中断、水压对隧道结构的破坏发生概率。

4.2 处治主要设计措施

对靠近隧道范围内1、2、3、4、5号溶腔泵送 C25砼回填，对6号溶腔不封堵；揭露地质的开挖导洞采用C25砼封堵长度20 m，由于后期导洞封堵体承受较大水压力，预留导洞洞口8 m长度范围(靠近隧道侧）不封堵，以缓冲渗水水压能量。

封堵施工工序如下:首先对 1、2、3、4、5 号溶腔回填，导洞封堵体混凝土浇筑前设置块石反滤并埋设水压力监测点，导洞内设置排水管，浇筑导洞封堵体混凝土；安装排水管控制阀门及监测控制系统；排水管接至左右幅隧道电缆沟、水沟，见图6。

图6 K19+903处涌水封堵设计平面图

导洞内共埋设10根φ355×32.2 mm PE100级聚乙烯管作为引水管，压力等级1.6 MPa；每根排水管的最大允许流量为1 500 m3/h(相应管道内流速6.29 m/s）。若1～8号引水管打开到最大允许量，排水量可达12 000 m3/h，大于2018年观察的最大流量7 000 m3/h。其中1、2号引水管接入右幅右侧电缆沟，3号引水管接入右幅右侧水沟，5、6号引水管接入右幅左侧电缆沟，7号引水管接入右幅左侧水沟，8号引水管接入左幅右侧水沟，4号引水管接入左幅左侧水沟；剩余9、10号引水管作为应急排水管道不接入左右幅隧道电缆沟或水沟。

每根引水管在导洞洞口位置均设置阀门，用于控制管内水流量及外水压力。管道阀门及仪表工作流程见图7，图中“编号”与每根钢管编号一致，引水管阀门主要由压力调节阀、除污器、闸阀及现场压力表组成；压力调节阀通过现场压力表显示的水压，调节阀门的开启或关闭以及开启的程度，以控制管道内的水流量；闸阀用于对调节阀门维修(更换）时暂时切断管道内水流，也是开启与关闭的一种阀；除污器的作用是用来清除和过滤管道中的杂质和污垢，保持管道系统内水质的洁净，保护调节阀设备和防止管道堵塞。除污器内储存的杂质和污垢定时进行清理；阀门实现控制室远程手动和现场手动开启、关闭。

图7 管道阀门及仪表工作流程

对排水管阀门分两种工况进行控制，即双重控制；一是根据在隧道衬砌结构内埋设的监测传感器(渗压计、混凝土应变计和混凝土表面应变计）测得的衬砌外水压力或二衬混凝土应变达到隧道所能承受的极限水压力或二衬混凝土极限强度的安全系数；二是根据封堵导洞外埋设的渗压计和管道上阀门附近的取压点(水压力传感器）测得的水压力。按照设定的安全系数或水压力，分级调控管道数量及阀门，保证隧道结构的安全，达到限量排放的目的，具体限量排放控制措施见表1。

表1 限量排放控制措施

5 结束语

随着国家加大对西南地区经济建设开发，基础交通建设不断完善[12]，长大深埋隧道穿越富含地下水的岩溶地带所引起涌水问题逐渐增多，隧道岩溶水问题往往难以查明、目前探测手段仍有一定的局限，在施工过程中一堵了事，为后续道路运营埋下安全隐患，造成隧道出现涌水封闭交通的事件。

杨林隧道K19+903处涌水处治施工完成，岩溶水问题得到基本解决；通过在岩溶地带隧道建设总结得出:

(1）前期地质勘察要尽可能调查清楚隧道所处地质构造结构与地下水系统的关系以及补给来源。

(2）隧道施工发生地质灾害事故，特别在西南地区往往不是单一不良地质造成，而是多种地质共同造成的。

(3）隧道施工若岩溶发育复杂，涌水点无法探明；必要时可开挖进行揭露。

(4）施工期间出现涌水情况，不宜一味直接进行封堵，应重点分析判断地下水来源通道，判断隧道与地下水的相对位置；因地制宜地采取相应措施。

(5）根据施工现场实际情况可先对涌水点缓置，尽可能先查明地下水涨落变化规律，正确统计出最大涌水量是选取处治措施关键。