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武隆隧道岩溶暗河整治方案探讨
摘要
文章介绍了渝怀线武隆隧道施工中揭示的岩溶暗河及水文地质情况，结合岩溶暗河整治方案的研究，分析了岩溶对隧道工程的影响，并对隧道内岩溶暗河的整治及充填岩溶段的隧道施工方法进行了探讨。
关键词
隧道工程
岩溶暗河
整治
1引
言
随着生产建设的发展，岩溶地区工程建筑日益增多，所遇到的岩溶工程问题也日趋迫切，特别是在岩溶地区修建铁路，如果没有对岩溶发育特征进行研究，没有适当采取措施，往往在施工和运营时会发生许多事故，甚至严重危害铁路运营。岩溶对隧道工程的主要危害是：洞害(大型空溶洞影响隧道施工)；水害(危害施工安全及运营安全、地表失水影响生态环境)；岩溶充填物(隧道基底软弱，施工易突泥、坍塌等)；洞顶地表塌陷等。
在建的渝怀线武隆隧道，全长9 418 m，隧道中部穿过可溶岩地层长度达3 800m，在施工中先后揭示多处岩溶暗河，在雨洪期岩溶水涌人隧道，给施工造成极大损失和危害。本文将结合武隆隧道岩溶情况，对岩溶水调查及治理措施进行探讨。
2岩溶及水文地质情况
2．1岩
溶
武隆隧道位于乌江右岸，隧道洞身通过地层岩性多为三叠系T1j、T1f灰岩夹白云岩，以及二叠系P2c、P2w、P1m、P1q+l灰岩，地表岩溶形态十分丰富，并分布有溶沟溶槽、落水洞、漏斗、洼地等地质形态。乌江边出露四个主要岩溶泉点，岩溶地下水较为丰富。
隧道中部横洞工区向出口方向施工中，先后揭示4处较大规模岩溶地层。2#、3#暗河间210m隧道均在溶洞充填物中通过，充填物为碎石土、块石土，隧底以下充填深度一般为6～8 m，局部地段深度达20m。
2．2水文地质
隧道位于乌江右岸坡脚处，距乌江边1 000m左右。该段乌江为峡谷地段，乌江两岸多为陡崖。陡崖顶上线路左侧见两级岩溶平台，第一级岩溶平台高程为1100～1400m，第二级岩溶平台高程为1600～1800m。这两级岩溶平台面积较大，第一级平台面积为42km2，第二级平台面积为77km2，其上分布有众多的岩溶洼地、漏斗、落水洞等，是岩溶水的主要补给区。隧道位于第一级岩溶平台向乌江排泄的排泄区附近，隧道高程与地下水高程相近，因此隧道揭露多处暗河、充填溶洞，雨季时隧道涌水量较大。
洪雨季节隧道内2#、3#岩溶暗河发生多次涌水，且两溶洞之间隧道内存在多处涌水点，其中2002年6月20日的涌水量达138X104m3/d；经过一个雨季，随着岩溶管道的疏通，最大涌水量达718.6×104m3/d。1#溶洞常年有流水，洪雨季节流量显著增加，并漫入坑道内。岩溶对隧道工程的影响
3．1岩溶水的危害
在铁路和公路隧道建设中，由岩溶水引起的一系列灾害时有发生，对近年灰岩地层隧道统计分析表明，约有80％的隧道遇到不同程度的岩溶涌水问题。岩溶突水、涌泥会给隧道施工带来淹没坑道、毁坏机具等危害，甚至造成人员伤亡、中断施工、延误工期、增加造价，如南岭隧道、大瑶山隧道、梅花山隧道等施工期间都遭到了突、涌水灾害。
岩溶突水、涌泥砂，将造成地表塌陷、沉降变形，严重影响地面建筑物安全，使地下水位下降，影响周围生态环境。如大瑶山隧道从施工到运营，地面先后发生陷坑数百个，涉及范围大至几平方公里，甚至于运营期间隧道内涌砂，中断行车。
在建的武隆隧道施工揭示1#～3#岩溶暗河后，2002年雨季先后出现6次较大涌水，造成洞口施工场地被毁，施工风机、充电房被冲人乌江，洞内装碴设备受损，施工中断近两个月；2003年雨季以来，溶洞段多次涌水，其最大涌水量较上一个雨季时成倍增加，造成洞口场地再次被冲毁，矿车等设备被冲至乌江边，施工严重受阻，施工进度受到影响。
3．2充填溶洞对隧道工程的影响
由于充填溶洞的力学性能较差，在充填溶洞地层中施工时，极易造成坍塌，危及施工安全；对隧道结构而言，由于围岩自承能力差，衬砌及支护易开裂、破坏；隧道基底位于充填物中，可能产生沉降，造成结构物限界不足，危及行车安全。岩溶水整治方案
4．1岩溶水整治原则
按《隧规》要求，铁路隧道防排水必须遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则。而岩溶地区的地下水为岩溶暗河管道水及岩溶裂隙水，一般情况下，除对周边地表环境有特殊要求的采用堵水措施外，其它情况宜采用防、排、截等措施。这是由于岩溶及岩溶水的发育在宏观上有一定的规律性，但从微观上有许多不确定性，因此造成堵水困难、代价高、风险大、效益相对较差。岩溶暗河管道水具有自然的排泄通道，隧道施工揭示岩溶暗河管道水仅改变其排泄途径，对地表的影响甚微，笔者认为对揭示的暗河管道水应按引排或截堵的原则处理。根据武隆隧道揭示的1#～3#岩溶暗河的水文地质条件，其上源两极平台面积较大，采取截堵措施是不现实的，可采用以排为主的原则对其进行整治。
4．2岩溶水水量的调查
众所周知，地下岩溶及岩溶水发育规律极其复杂，按现有的手段和方法要查清楚是比较困难的。武隆隧道的历次涌水情况也证实了这一点，岩溶水量的变化相当大。采用排水方案，其隧道涌水量的大小，决定了相应的排水系统的规模、布置、过水结构的大小等，即决定着工程安全及工程投资。因此，在进行方案比选前，需仔细、详实地收集资料，调查岩溶水水量。针对武隆隧道工程，从以下几个方面进行了岩溶水调查。
(1)调查岩溶发育区范围及岩溶暗河的上下游情况。从上游两级岩溶平台的面积及下游乌江边岩溶的调查分析表明，武隆隧道的岩溶水是十分丰富的，且在乌江边有明显的岩溶通道，通过连通试验发现1#暗河与乌江直接相通。
(2)建立完善有效的洞内涌水观察记录。武隆隧道在揭示2#暗河后(2002年2月)开始建立起水量观察记录。在3#暗河揭示后，2002年雨季，降雨半天后洞内水量逐渐增大，最大水量达138×104m3/d；经过一个雨季后，降雨1-2h后洞内水量增大，且很快达到最大水量，其观测记录的最大涌水量为718.6×104m3/d。
(3)收集当地气象资料。当洞内水量达到718.6×104m3/d时，当地降雨量为189.4mm，通过对当地气象资料调查分析，该雨量为50年一遇；而百年一遇最大降雨量为211.7mm。
(4)在旱季时充分调查暗河的形态及断面大小，根据其过水断面痕迹，推算分析溶洞内可能的涌水量。
通过以上几方面的调查，2#、结合武隆隧道揭示的1#～3#暗河形态以及3#岩溶暗河涌水量应不于810×104m3/d。
4．3排水系统布置构思施工期间的涌水量调查及隧道的辅助坑道布置，对其暗河排水方案进行了比选。
4．3．
1利用暗河自然通道排水
1#岩溶暗河与隧道及平导基本正交，位于隧底以下3m左右，其特点是：暗河通道洞壁完整；溶洞底沉积物相对较少；岩溶地下水基本通过自然通道排泄；下游排泄距离短。通过连通试验，在乌江边发现了暗河口，距离约500m。基于此，采用清理疏通施工影响范围的岩溶管道、设涵恢复岩溶水排泄通道的方案。涵洞孔径按岩溶管道最小断面控制，采用3.5m并按有压涵管设计，暗河前后40m范围隧道衬砌结构进行相应加强。若出现排泄不畅、造成隧道病害时，可在乎导内开孔引排岩溶水。
4．3．
2新增人工通道排水
2#、3#岩溶暗河涌水量大(涌水量不小于810×104m3/d)、涌水点分散，根据历次涌水情况统计，2#、3#岩溶暗河具有一定的水力联系，两暗河之间210m范围隧道均通过溶洞充填物；涌水点多(两暗河之间有4～5个涌水点)；隧道内揭示的暗河无明显排泄通道，特别是2*暗河，向乌江侧发育后，逐渐变小成为溶缝。针对2#、3#岩溶暗河的特点，按照岩溶水采取“先汇集，再引排”的治理思路。
汇集岩溶水，目的是完善隧道内岩溶暗河段截水、集水、排水系统。可在隧道左侧(靠山侧)设置集水廊道，一方面汇集2#、3#岩溶暗河的地下水，另一方面截排岩溶水。集水廊道断面为满足施工需要其尺寸为3.5 m×3.65 m，钢筋混凝土衬砌，洞壁预留100mm泄水孔，间距0.8～1m，梅花形布置。集水廊道通过两孔涵洞与隧道右侧的行洪通道和3#溶洞暗河相连，将岩溶水汇集于3#溶洞内。右侧设泄洪通道目的是保证及时引排岩溶水，避免隧道范围岩溶水排泄不畅，影响隧道结构，甚至危及行车安全。行洪通道断面及衬砌同集水廊道，泄水涵洞采用孔径3.5 m的有压涵洞。
汇集后的岩溶水可通过增设的泄水洞引排至隧道外的乌江，形成完整的排水系统；也可利用已施工的平导作为排水通道，排至洞外。
针对武隆隧道的情况，利用平导排水存在的问题是：为施工方便，一般平导较正洞低0.2—0.4m，纵向坡度与正洞相同；受下穿涵洞影响，平导须降坡落底，落底深度达3.7m，已施工平导长约1100m，为满足3‰排水坡度，平导落底长需1100m；平导落底施工时，将影响隧道前方施工，造成对工期的影响；排水坡度小，虽然可能有利于防冲刷，但不利冲淤。而新建泄水洞长度约1000 m，且泄水洞与3#溶洞相接，其人口高程较线路高程低8m，设计排水坡度可达11‰～15‰，有利冲淤，结合结构的支护，也可较好地解决防冲刷问题。因此采用泄水洞方案集中引排岩溶水较利用平导排水合理。
4．4泄水洞断面的选择
泄水洞断面除满足排水量的要求外，还需满足施工作业的要求；在衬砌材料方面，还须满足抗冲刷的要求；对于含泥量大的岩溶水，尚应考虑防淤积的排水流速。
近年来的隧道施工总结资料显示：泄水洞长度大于500m时，满足小型机械施工要求，其断面不宜小于3.0m×3.0 m；一般选用的衬砌混凝土，其容许无冲刷流速示于表2；而其临界不淤积流速根据岩溶水中含泥量，其流速一般不小于3.5 m/s。
本泄水洞需满足810×104m3/d流量的要求，根据其地形条件，其排水 坡度为11‰～15‰，按
及水量计算公式反算，泄水洞断面可选用
4.7 m×4.8 m(高×宽)，衬砌材料采用C15混凝土，流速不大于10.0 m/s，且断面允许流量较调查流量有一定的安全储备(富余值大于50％)。充填溶洞段隧道施工
充填溶洞段，由于充填物松散，物理力学性质差，且往往有岩溶水活动，施工中极易造成坍塌，施工支护措施一般需加强，以保证施工安全。在对岩溶水进行有效处理的前提下，隧道衬砌结构及基底处理也需加强，以保证结构安全及运营安全。
针对武隆隧道通过2#、3#充填溶洞段及4#全充填溶洞的情况，揭示溶洞后，首先需按加大的隧道开挖轮廓(加高50cm、加宽40 cm)进行开挖，预留足够的沉降量及变形量，以避免衬砌施工时由于开挖断面净空不够而造成拆支护、重新扩挖的情况。其支护措施则采用超前导管注浆结合全环钢架加强支护，并配合锚网喷支护。钢架间距一般为0.6～0.8m，喷混凝土厚20cm，开挖后及时封闭成环，同时拱墙范围再辅以小导管注浆加固，一般加固深度按3m控制。通过历次涌水及一年的时间考验，武隆隧道溶洞段的支护措施是十分有效的，仅有局部段发生变形及两处集中出水点的部分支护被挤裂坍塌。
对于隧道衬砌结构，宜采用钢筋混凝土全封闭结构，全环设置复合防水板；另一方面，2#、3#溶洞间，大部充填物(碎石土)深度为6～8m，4#溶洞充填物(圆砾土)最深达17m，判断充填物不流失。采用复合地基加固(加固深度按8m控制)技术，通过采用钢管注浆固结(浆液为0.6～1：1的水泥砂浆)，以提高承载力；隧底采用钢筋混凝土整体基础，以避免不均匀沉降。对于地下水发育、充填物深且可能流失的地段，则宜采取跨越等办法进行处理。
6结
语
武隆隧道目前正在施工，其排水措施等还有待实践的检验。笔者认为在研究隧道岩溶整治方案时，需充分认识岩溶对隧道工程的影响，特别应注意以下几点：
(1)对于灰岩地区的隧道，施工中揭示出岩溶暗
河水后，宜按以防、排为主的原则进行处理，但由于随着暗河通道上游充填物的不断流失，管道被洗通，吸附影响范围加大，后期水量还可能增大，在利用人工构筑物引排及选择过水断面时，应考虑过水能力有足够的富余量，以作为安全储备。但岩溶水量调查的方法及合理的安全取值还有待进一步探讨、研究。
(2)采用恢复自然暗河通道排水的方案时，宜对暗河通道做仔细调查和观测，通道应具有完整洞壁、沉积物少、下游流程短等特点，同时宜预留排泄不畅时的补救条件。
(3)泄水洞过水断面、坡度等的确定，除考虑过水能力外，尚应充分考虑施工作业要求以及防冲刷、冲淤等的要求。
(4)施工中对于水害的防治，特别需强化洞口排水系统的处理，避免洞内涌水影响洞口场地及洞口其它建筑物，造成不必要的损失。
(5)在全充填岩溶段进行隧道开挖时，应预留足够的沉降量及变形量，并加强支护措施，以保证施工安全及衬砌结构的施作。
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