铁路隧道岩溶季节变动带整治技术研究

徐怀仁

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

0 引言

岩溶季节变动带是季节变化引起地下水位升降波动的地带,该区域岩溶受到地表降雨和地下径流的共同作用，发育情况复杂，溶蚀作用活跃，管道的垂直形态和水平形态犬牙交错，充填物时而沉积时而流失[1-4]。铁路隧道在岩溶季节变动带中施工雨季经常遭遇突水涌泥，旱季容易忽视岩溶影响。如何结合季节变动带岩溶发育的特点，研究增加泄水洞作为新的排泄通道和还建原有岩溶通道是非常必要的[5-7]。本文以小安隧道岩溶季节变动带整治工程为例，研究季节变动带泄水洞和还建原有岩溶通道的技术特点。

1 工程概况

小安隧道全长13 430 m。隧道位于广元市朝天区，是“八纵八横”主通道之一的西成高铁四川段控制性工程。隧道是双线隧道，纵断面设计为3‰和-15.3‰的人字坡。隧道地表为构造侵蚀低中山峡谷地貌，地面高程550 m～1 626 m，自然坡度20°～55°。隧道洞身最大埋深约808 m。主要岩性为飞仙关组四段T1f4泥岩、页岩、灰岩夹泥灰岩，三段T1f3灰岩、泥质灰岩夹泥岩，一二段T1f1+2页岩、泥质灰岩、泥灰岩夹灰岩，二叠系上统P2灰岩夹页岩、炭质灰岩、煤层(线)，下统P1灰岩、白云质灰岩夹炭质灰岩，志留系中上统S2+3页岩夹灰岩。隧区属于扬子准地台西北边缘地带，位于近东西向的米仓山台穹西缘，处于北东向与东西向两构造的结合部位，即龙门山褶皱带和大巴山褶皱带的交接地带。隧区发育褶皱3条，即明月峡背斜、五里村背斜、王家湾向斜，其两翼多发育次级褶皱及小挠曲；断层4条，即魏家坪逆断层、孙家沟逆断层、牛峰包逆断层及板凳垭逆断层。主要不良地质为岩溶。

2 岩溶发育情况

隧道地表切割剧烈，洞身发育小安河。隧道区域岩溶的侵蚀基准面为嘉陵江及其主要支流潜溪河和东沟河。岩溶水主要受大气降水补给，岩溶水根据地下的循环特征分为两种情况：一种为浅表循环岩溶水，大气降水在补给区渗入地下后主要在浅表循环，循环深度较浅，运移距离较短，在2 km～3 km的小安河等支沟附近排泄，排泄高程为700 m～900 m。一种为深部循环地下水，大气降水在补给区渗入地表后，经过深部循环，循环深度较深，运移距离较长，一直到10 km以外的嘉陵江排泄，排泄高程为480 m～500 m。根据含水岩组的划分，结合地形、地貌等地质特征，分别采用降水入渗法、地下水动力学法进行对比计算，施工图隧道正常突水量为61 932 m3/d，雨季最大突水量为92 898 m3/d。根据隧道距离嘉陵江约10 km，嘉陵江江面标高为490 m，区域地表岩溶地形为溶蚀台地的情况，水力坡度一般较缓为1‰～3‰，推算线路处水位线高程约为500 m～520 m，而隧道轨面高程为550 m左右，因此隧道主要处于岩溶季节变动带。季节变动带岩溶水既受地表降雨控制，又受深层地下水运移控制，岩溶水和充填物质的来源丰富，形成的岩溶形态最为复杂，是隧道突水涌泥的危险区。现场突水如图1所示。

2.1 突水涌泥特点

小安隧道在岩溶季节变动带遇到的突水涌泥，以2016年6月～7月施工中通过志留系页岩夹灰岩地层遭遇大规模突水、涌泥为代表。6月15日隧道D5K355+489处溶洞出现涌泥，并有大块石块涌出将初支压裂，至7月8日连续多次发生涌泥，淤泥平均高度约5 m，最高处距离拱顶1.5 m，涌泥段近700 m，涌泥量约10万m3。7月26日凌晨5:00，由于广元朝天区连日降雨，最大降雨量为74.85 mm，隧道D5K355+613处右侧溶洞出现突水，不到4 h淹没隧道近1 km，洞内积水最深处达5 m，最大突水量约4 900 m3/h。根据地质补勘突水、涌泥段为志留系页岩地层中的灰岩夹层，且岩溶不同程度发育，明显位于季节变动带，既有垂直的岩溶通道发育，又有水平的岩溶通道发育，以黏性土填充溶洞发育为主。灰岩层上下均为页岩，易风化剥落成为泥化物进入岩溶管道，溶洞填充物多为细颗粒固体。隧道突水受地表降雨和渗流通道长度的影响，垂直通道越多，降雨量越大，突水时间越短，突水量越大。隧道涌泥受充填溶洞和突水量的影响，水平通道越多，充填溶洞越发育，突水量越大，涌泥的规模就越大。

施工期间典型涌泥如图2所示。

2.2 溶洞发育特点

小安隧道在季节变动带穿越垂直和水平发育的岩溶管道，以2016年8月通过二叠系下统灰岩、白云质灰岩地层遭遇复杂岩溶管道为代表。施工揭示隧道D5K358+815～D5K358+848段有岩溶管道从隧道左侧不规则斜穿至隧道右侧，平面上岩溶管道与线路斜交，交角约23°。与隧道交叉段管道底部纵坡约24°，两端呈大角度分别向上、向下发育。在D5K358+822附近岩溶管道从左侧拱顶至拱腰间进入隧道轮廓线范围，管道由两个分支组成：一个分支来自上方，直径约为0.6 m，水量约为100 m3/d；另一个分支来自线路左侧，直径约2 m，向外侧较缓纵坡延伸约6 m后向上发育，尺寸变小，该分支水量约400 m3/d。D5K358+848附近岩溶管道部分位于隧道右侧拱腰至边墙部位，管道底部位于轮廓线3 m以外，轨面高程8.4 m以下；该处管道上宽约8 m，下宽1.1 m～3.3 m，高度约为17 m。溶洞发育如图3所示。岩溶管道内流水为清水，局部有黏性土填充。岩溶隧道位于季节变动带，溶洞发育极不规则，形成的溶洞可大可小，充填情况差异也非常大。

3 新建泄水洞技术

岩溶隧道季节变动带突水、涌泥形成向隧道的地下水和充填物流动通道后，不仅威胁施工安全，而且影响隧道运营期间的正常排水和衬砌结构安全。新建泄水洞方案建立远离隧道正洞的新的流动通道是非常重要的。在季节变动带采用泄水洞进行岩溶整治需要考虑隧道周边垂直和水平岩溶通道发育的情况、隧道建成后该通道内涌水和涌泥的情况、隧道二次衬砌在该区域可能承受水压的情况。

1)泄水洞的位置和平纵断面。

泄水洞位置的选择与平导位置的选择有一定相似之处，也有明显的区别。相似之处是二者均要求设置在隧道地下水来源的一侧，与隧道的净距为25 m～30 m，两者的坑底高程均低于隧道中心水沟底面以便排水。明显的区别是坑底高程低于隧道中心水沟底面的距离和排水坡度，这在季节变动带泄水洞的设计中尤为明显。季节变动带泄水洞面对的环境是既有近似垂直的岩溶通道又有近似水平的岩溶通道，地下水的来源方向多样。设计既要考虑隧道左侧的来源，又要考虑隧道右侧的来源，泄水洞坑底高程受下穿隧道结构的控制，一般低于隧道中心水沟底面3.5 m。兼顾排水功能的平导一般坑底高程低于隧道中心水沟底面1.5 m。季节变动带泄水洞的排水坡度既要考虑排水通畅，又要考虑排泥清淤，一般坡度向洞外逐渐加大，排水坡度与隧道坡度明显不同。而兼顾排水功能的平导坡度一般情况下与隧道坡度一致，设计思路是对隧道正洞排水能力的补充。小安隧道发生突水涌泥段正洞长2 386 m，拉通设计坡度为3‰。对应段落在线路左侧(靠山侧)设置泄水洞长度2 386 m，设计为1 600 m坡度5 ‰和786 m坡度10‰，从隧道内向洞外排水坡度逐渐增大。泄水洞坑底标高与隧道中心水沟底面标高相差最小为3.5 m，在泄水洞洞口处两者相差最大达11.3 m。

泄水洞示意图见图4。

2)泄水洞的断面尺寸和结构形式。

泄水洞断面尺寸的选择主要考虑过水能力，考虑到施工期间发生过突水、涌泥情况，对该段隧道的涌水量进行修正为6.4×104m3/d。由于季节变动带岩溶发育复杂，地下水涌水量的预测准确度较低，泄水洞断面既要考虑施工机械尺寸又要考虑充足的过水面积。小安隧道泄水洞采用4.5 m×5 m(宽×高)断面，5‰坡度下过水能力为13.4×104m3/d。泄水洞结构形式主要考虑铁路隧道运营期间长期安全的需要，要求不能出现洞内塌方堵塞排水断面，进而造成排水不畅的情况。季节变动带泄水洞水位和流量波动较大，泄水洞底部水压力和受到冲刷力度的变化就很大，需要加强结构和底部抗冲刷能力。小安隧道泄水洞Ⅲ级围岩地段采用锚喷衬砌，Ⅳ级围岩地段采用锚喷衬砌或模筑衬砌，Ⅴ级围岩地段采用模筑衬砌。底板厚度达30 cm。泄水洞施工完成后所有喷锚衬砌段施作套衬。泄水洞见图5，图6。

3)泄水洞引水支洞和地下水引排。

泄水洞功能的充分实现，不仅依靠泄水洞本身，还要依靠泄水洞末端接入突水、涌泥点的引水支洞以及对隧道周边地下水的引排。季节变动带的岩溶淤积、充填和流失周期性的重复进行，非常容易堵塞排水系统。为了保持畅通，需要采用支洞直接接入岩溶管道。季节变动带泄水洞末端引水支洞的设置主要有三类：一类是对垂直体系岩溶通道的直接接入，另一类是对水平体系岩溶通道的直接接入，最后一类是对隧道周边岩溶通道的直接接入。对垂直体系岩溶通道的接入一般通过高位支洞实现，高位支洞的选择考虑隧道上方岩溶发育，截断流向隧道方向的地下水，支洞接入溶洞的一端需要考虑落石冲击，需对支洞口进行结构加固。对水平体系岩溶通道的直接接入一般通过保留岩溶通道，在隧道底部设置涵洞将原有通道连接到泄水洞。对隧道周边岩溶通道的直接接入一般是在泄水洞内直接做平行支洞联通，靠近隧道时采用人孔接入。现场泄水洞支洞如图7，图8所示。

4 还建岩溶通道技术

季节变动带岩溶时而垂直发育，时而水平发育，通道内有缓坡段和陡降段(一般综合坡度大)，通道的断面大小受沉积充填的影响也很不规律。隧道穿越季节变动带不可避免的会破坏截断既有岩溶通道，施工中发现的岩溶通道其面积大小一般都比隧道中心水沟面积大得多，其过水能力远大于隧道本身。由于季节变动带旱季可能没有岩溶水通过，施工中容易忽视，随意回填岩溶通道的情况时有发生，给铁路隧道运营埋下安全隐患。既然岩溶通道是自然形成的地下水泄水洞，对隧道排除地下水是有利的，设计中应顺接利用原有通道，施工中如有侵占应还建疏通。还建的通道为了实现穿越铁路后与既有通道的连接，需要设置垂向过流通道、纵向过流通道和下穿铁路通道三部分。还建的过流通道如图9所示。

1)垂向过流通道。

垂向过流通道是在隧道外侧3 m靠近岩溶管道上游的围岩中开挖垂直涵洞，实现对岩溶管道的截断。避免岩溶水在运营期间通过隧道顶部过流，消除在拱顶对隧道二次衬砌造成的水压力，也可预防岩溶水从施工缝渗入隧道影响接触网供电。垂直过流通道断面尺寸一般比既有岩溶通道尺寸大约2倍，高度一般比隧道断面高3 m～4 m。采用在隧道侧壁拉槽开挖，同时采用工字钢钢架接长配合锚网喷支护，垂直涵洞采用钢筋混凝土结构，施工完后靠隧道侧采用混凝土回填封闭。垂直过流通道如图10所示。

2)纵向过流通道。

纵向过流通道是垂向过流通道和下穿铁路通道的连接部分，沿隧道纵向布置，由于垂向过流通道底部和下穿铁路通道底部高差较大，距离较短，一般纵向过流通道的坡度较大。通道内在靠近垂直涵洞位置和下穿涵洞位置设有两个消能池。纵向过流通道采用控制爆破的暗挖法施工，二次衬砌采用钢筋混凝土，断面尺寸为4 m×4 m(宽×高)。

3)下穿铁路通道。

下穿铁路通道是在隧道底部设置过水涵洞，并将其延伸接长到既有岩溶通道的下游。过水涵洞尺寸为2.6 m×2.4 m(宽×高)。为了防止过大的石块堵塞下游的岩溶通道，纵向过流通道与隧底涵洞之间设置一道栅栏门，起到排水挡渣的作用。同时为了使整个还建的通道具有可维护性，在隧道洞内设置检查洞室通过检查井向下联通隧底涵洞，用于运营期间相关设备管理单位对该岩溶管道的定期检查疏浚。下穿铁路的过流通道如图11所示。建成后的过流通道和检查洞室如图12所示。

5 结语

岩溶隧道季节变动带是岩溶发育情况复杂的区域，该区域岩溶管道垂直形态和水平形态犬牙交错，隧道通过该区域经常不可避免的会破坏截断既有岩溶通道，施工期间容易遭遇突水涌泥，运营期间也容易出现水害。在季节变动带根据施工期间揭示的岩溶管道形态、岩溶突水涌泥情况，及时进行岩溶整治是非常必要的，能彻底消除铁路运营期间的安全隐患。采用泄水洞新建排泄通道和还建利用原有岩溶通道是两种有效的整治措施。

在季节变动带新建泄水洞和排泄通道，应充分考虑地下水来源方向的多样性，泄水洞坑底高程一般低于隧道中心水沟底面3.5 m为宜，既能排泄隧道左侧来源的地下水，又能排泄隧道右侧来源的地下水。泄水洞的排水坡度既要考虑排水通畅，又要考虑排泥清淤，一般坡度向洞外逐渐加大。泄水洞断面尺寸的选择主要考虑过水能力，季节变动带涌水量的预测准确度较低，需要预留足够的空间。季节变动带水位和流量波动较大，需要加强泄水洞结构和底部抗冲刷能力，防止出现洞内塌方堵塞情况。泄水洞支洞的设置需要考虑季节变动带的岩溶淤积、充填和流失周期性的重复进行，非常容易堵塞排水系统，支洞应直接接入岩溶管道。对垂直体系岩溶通道的直接接入可采用高位支洞，对水平体系岩溶通道的直接接入可采用低位支洞，对隧道周边岩溶通道的直接接入可采用平行支洞。

在季节变动带还建原有岩溶通道，应充分结合岩溶管道的形态，顺接利用原有通道。利用垂向过流通道实现对岩溶管道的截断，避免岩溶水在运营期间通过隧道顶部过流。利用纵向过流通道绕避隧道，引排岩溶水至隧道底部。利用下穿通道越过铁路，引排岩溶水接回原有岩溶通道。垂直过流通道断面尺寸一般比既有岩溶通道尺寸大约2倍，高度一般比隧道断面高3 m～4 m。纵向过流通道的坡度较大，需要设置消能池。下穿通道是在隧道底部设置过水涵洞，在该位置隧道洞内设置检查洞室通过检查井向下联通涵洞，用于运营期间定期检查和维护。