隧道涌水溶洞施工处治研究及应用

饶坤荣 韦权 廖智德 卢振有

摘要：文章对隧道工程实例的涌水溶洞现场状况进行了研究，分析其溶洞构造及风险，制定了相应的处治对策。通过对溶洞处治段排水效果及监控量测进行跟踪观察可知，当降雨量较大时，该溶洞处治段及附近区域二衬无渗水现象，沉砂池内有部分淤泥，主要以清水为主，总体排水效果较好。

关键词：隧道；涌水溶洞；抗水压衬砌；预埋排水管

中图分类号：U456.3+2A150493

0引言

山区高速公路建设中隧道是关键性的工程，隧道能否顺利贯通关乎整条路线的通车问题。隧道施工会面临各种复杂的地质情况，其中最常遇到的就是溶洞，常规的空溶洞或者填充型溶洞相对容易处治，最复杂的就是涌水溶洞的处理，原则是不可轻易堵水，尽量以排水为主，辅以抗水压衬砌［1］。本文通过研究广西贺州至巴马高速公路（都安至巴马段）№1合同段弄莫隧道出口左洞（40 m）岩溶地质段和伏龙隧道右线溶洞处涌水病害处治，总结出一套隧道涌水溶洞施工处治技術。该段高速公路开通运营至今状况良好，证明了处治技术应用的成功，值得同类项目参考。

1伏龙隧道涌水溶洞处治

1.1涌水溶洞现场状况

伏龙隧道右洞上台阶进尺为542 m，埋深为160 m，设计为Ⅲ级围岩，围岩较好，左拱腰处有局部泥质充填，出现大量涌水，水量较大且急，水质较浑浊，将1.65 m×0.7 m的中心水沟满灌。随着开挖掘进，在上台阶右拱脚处揭露出一直径约2.5 m、高度未知的溶洞，该溶洞沿拱顶方向往上延伸，水流从岩溶裂隙流出，水质较清，流量约为1.200 L/s。预埋4根150 mm的PVC管（溶洞未回填混凝土），下雨后，该溶洞内涌水量明显增大，水体含泥量大，含有粉细砂颗粒。

1.2溶洞构造及风险分析

通过现场踏勘对伏龙隧道右洞溶洞涌水病害进行分析，得出三点判断：

（1）涌水段附近存在大溶腔。

（2）该溶洞涌水受地表降水补给明显，与地表连通。

（3）涌水含粉细砂，存在高风险。

1.3制定处治对策及实施

伏龙隧道涌水量大，泥、粉细砂含量较高，若处理不好则雨季或后期运营过程中可能出现水害，具有高风险，影响隧道安全。通过分析，此类病害处治应“以排为主，辅以抗水压衬砌”［2］。

通过分析溶洞地质和水文基础资料，再结合现场踏勘情况，确定处治方案如下：

（1）拆除伏龙隧道右线溶洞处边墙钢架，并对溶腔进行适当扩挖，通过埋设抽芯管将岩溶水经沉砂池沉淀后引排至中心排水沟。抽芯管采用土工布包裹。

（2）伏龙隧道右段设置抗水压衬砌。

（3）施工过程中加强监测，施工后期加强对排水效果的跟踪观测，进一步对地下水进行调查。

处治方案实施以来，对处治段排水效果及监控量测进行跟踪观察，降雨量较大时，处治段及附近区域二衬已无渗水现象，排水管也无填充物阻塞。

2弄莫隧道涌水溶洞处治

2.1溶洞现场状况

弄莫隧道出口左洞施工掌子面，进洞969 m，往前左洞位于低洼地F断层通过区域，隧道埋置深度处于125～150 m。原设计该溶洞地质段为Ⅴ级围岩，设计衬砌类型为S5-B，掌子面围岩局部白色方解石与灰岩充填胶结相对较好，溶蚀裂隙发育，局部夹泥，溶蚀裂隙发育，节理裂隙发育［3］。开挖揭露情况与原设计围岩地质情况基本相符。根据实际开挖与支护情况，围岩开挖过程稳定，初期支护按原设计施工。施工期间初期支护右侧拱脚涌水情况如下：

隧道区域遭遇大暴雨后，弄莫隧道出口左洞右侧（面对掌子面右侧）拱脚突然涌水，涌水量较大且夹带大量泥和少量砂。左洞右侧底部边墙初支渗水明显。短时间内（1～2 h）将隧道洞内施工区域淹没，水深0.3～1 m；1 h内最大水流量估算V=100 m×12 m×0.65 m/h=780 m3/h，实际水流量＞780 m3/h，部分水往洞口流出。溶洞涌水过程约带出5～8 m3红黏土泥，含少量砂。

2.2现场地质勘察情况

在左洞右侧边墙进行超前地质预报和超前地质钻探，结果如图1所示：左洞右侧隧底岩层较好，无隐伏溶洞地质。右侧边墙0～8 m处围岩总体较破碎，节理裂隙发育，局部溶隙和溶槽发育；右侧边墙8～20 m处围岩总体破碎，溶洞和溶槽密集发育，主要为小型溶槽和黏土夹石地质。在右侧边墙钻孔后，水从钻孔喷出，根据现场情况大概计算水流喷出速度V为2.3～2.5 m/s，推测右侧有过水通道。

2.3涌水段处治方案

弄莫隧道涌水量大，涌水夹带的泥、砂含量较高，对隧道结构及质量影响较大。分析研究后，制定右侧拱脚涌水处治方案如下：

（1）该溶洞段周边岩溶发育，隧道右侧涌水量较大，且含有红黏土和泥沙，应尽可能避免涌水过程将红黏土和泥沙带入中心排水沟，避免隧道中心排水沟堵塞［4］。

（2）对本段弄莫隧道左洞（长为2 459 m）右侧弱电电缆沟进行改造；对隧道洞内人字坡最高点进行导水，可利用右侧弱电电缆沟进行排水、沉砂。取消弄莫隧道左洞弱电电缆沟内的托架等相关设施，弱电电缆及通信管道可集中放在电缆沟顶部的电缆管箱内，加大管箱规格，加密托架的布设间距，消防管放在隧道检修道边墙一侧，集中利用电缆沟下部的空间作为排水及沉砂的空间。

（3）在本段隧道右侧设置面积≥7 m2的汇流槽，汇流槽底部采用混凝土封底，并留有涌水孔，上部采用锚喷支护。根据现场集中出水点情况设置4个汇流槽，在汇流池底部和拱脚设置纵向排水沟槽，将4个汇流槽连接［5］。

（4）结合现有净空条件适当加强二衬，二衬采用加深仰拱的钢筋混凝土结构。汇流槽处的二衬开250 cm×270 cm（宽×高）的孔洞，方便清沙及检修。汇流槽处的二衬开孔应设可开启的钢门。

（5）加密环向盲管及横向导水管，在隧道右侧及本段临近段落增设泄水孔，孔内设置外包无纺布的硬式透水管。

（6）溶洞涌水段两端设置端头段隔水，减小窜水的影响［6］。

弄莫隧道出口左洞溶洞段采用处治方案实施以来，对溶洞处治段排水效果及监控量测进行跟踪观察，降雨量较大时，该溶洞处治段及附近区域二衬无渗水现象，沉砂池内有部分淤泥，主要以清水为主，总体排水效果较好。

3经济效益分析

采用沉砂横洞处治岩溶隧道拱墙涌水溶洞施工方法进行处治施工，适应性强，处治效果显著，保证了涌水溶洞处治期间的施工安全，且质量满足设计及规范要求；避免了后期因隧道排水系统堵塞，溶洞段衬砌背后承受较大水压，造成隧道结构出现严重渗漏的现象；避免在运营期间封闭交通进行处治，降低了后期维护和检修的成本，有良好的社会效益和间接性经济效益［7-8］。

弄莫隧道出口左洞涌水溶洞采用“抗水压衬砌加强+预埋排水管”方案变更增加的总费用（以40 m计算），与采用“抗水压衬砌加强+沉砂横洞（8 m）”方案变更增加的总费用（以40 m+8 m沉砂横洞计算）对比如表1所示。

与“抗水压衬砌施工+预埋排水管引排”的方案相比，采用“抗水压衬砌加强+沉砂横洞（8 m）”方案需增加投资=1 121 275-1 075 272=46 003元。

與“抗水压衬砌施工+预埋排水管”相比，采用“抗水压衬砌加强+沉砂横洞（8 m）”方案成本增加率为=4.600 3÷107.527 2×100%=4.28%。

通过两种施工方案成本的对比，可以得出采用“抗水压衬砌加强+沉砂横洞（8 m）”方案的施工成本稍微高4%～5%，直接经济效益不明显，但溶洞处治后工程质量得到保障，避免了后期返工处理增加的成本，降低运营期间的维护成本，间接性经济效益和社会效益显著。

4结语

本文通过实际工程案例分析了隧道涌水溶洞施工处治方法。与传统的分层泵送混凝土回填隧道拱墙外侧溶洞、加密环向排水管和横向排水管、环向设置径向深孔泄水孔引排施工方法，以及在初支外侧提前预埋多根300 mm排水管后对隧道拱墙外侧溶洞回填混凝土到预定高度、将排水管接通至中心水沟、在中心水沟位置设置检查井和加深沉砂池的施工方法相比，本方法通过设置沉砂横洞结构，在溶洞内先预埋排水管，泵送混凝土回填溶洞，克服了隧道岩溶发育段围岩稳定性差、施工过程掌子面靠溶洞一侧易发生塌方的难题，保证了施工安全。同时，沉砂横洞起到集水、排水、沉砂、过滤的作用，延长了隧道中心排水沟和沉淀池工作时间；沉砂横洞底预埋多根500 mm排水管作为过水通道，隧底涌水时起到排水降压的作用，避免了岩溶水对隧道结构造成破坏，保证了隧道结构的安全耐久性。

参考文献［1］郑宗利，关惠军，苟想伟，等.岩溶隧道突涌水预警体系的建立［J］.灾害学，2022（1）：41-46.

［2］刘卓华，朱贵.在运营高速公路隧道涌水灾害应急抢险处治研究［J］.西部交通科技，2021（7）：126-129，185.

［3］邓书金，洪爱花，徐钟，等.岩溶隧道充填型隐伏溶洞涌突水持续时间特征试验研究［J］.水利水电技术（中英文），2021，52（5）：97-108.

［4］韩行瑞.岩溶隧道涌水及其专家评判系统［J］.中国岩溶，2004（3）：47-52.

［5］石少帅.深长隧道充填型致灾构造渗透失稳突涌水机理与风险控制及工程应用［D］.济南：山东大学，2014.

［6］王遇国.岩溶隧道突水灾害与防治研究［D］.北京：中国铁道科学研究院，2010.

［7］张庆松，李术才，韩宏伟，等.岩溶隧道施工风险评价与突水灾害防治技术研究［J］.山东大学学报（工学版），2009，39（3）：106-110.

［8］汪海滨.山岭隧道地下水规律及防治方法研究［D］.成都：西南交通大学，2002.

作者简介：饶坤荣（1984—），高级工程师，主要从事道路桥梁施工技术工作。