李 強(qiáng)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

地下暗河也叫暗河或“伏流”,指地面以下的河流,是地下巖溶地貌的一種。地面河潛入地下之后稱伏流,常常形成干地殼上升、河流下切,河床縱向坡降較大的地方,在深切峽谷兩岸及深切河谷的上源部分,伏流經(jīng)常發(fā)生。地下暗河是由地下水匯集而成的地下河道,往往有出口而無入口,沿構(gòu)造破裂面發(fā)育,是巖溶地貌的重要表現(xiàn)特征。

隧道遭遇到地下暗河時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性突水突泥地質(zhì)災(zāi)害,沖毀洞內(nèi)、洞外設(shè)施,影響施工和誘發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致人員傷亡,造成災(zāi)難性的后果。盡管已修建的地下工程遭遇暗河的工程實(shí)例較多,如宜萬鐵路五爪觀暗河、二郎山隧道洞口處地下暗河等,但受暗河的規(guī)模、工程水文地質(zhì)條件不同,其整治措施不盡相同,無法尋找標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。

本文依托宜萬鐵路野三關(guān)隧道 4號(hào)暗河支管道的規(guī)模、工程水文地質(zhì)條件,從工程投資、施工及長期運(yùn)營安全、施工干擾方面對(duì)整治措施進(jìn)行了深入細(xì)致的對(duì)比分析,提出了經(jīng)濟(jì)、合理、安全的處理措施,確保了施工及運(yùn)營安全。

1 暗河揭示過程

2004年 9月 13日,野三關(guān)隧道出口Ⅰ線 DK129+912掌子面右下方揭示充填黃色黏土的巖溶管道,管道直徑約 2～3m,隨著掌子面的推進(jìn),暗河管道被進(jìn)一步揭示,發(fā)現(xiàn)該暗河管道沿線路方向發(fā)育,在DK129+897處穿越隧道進(jìn)入掌子面左側(cè),繼續(xù)平行隧道向小里程方向延伸至 DK129+800處結(jié)束。在DK129+910、DK129+830處管道底部各揭示一積水潭,受降雨的影響,9月 20日、10月 1日、11月 13日,暗河管道大量涌水,最大涌水量達(dá) 220m3/h。圖1為暗河揭示時(shí)的情況。

2 暗河規(guī)模及工程水文地質(zhì)條件

DK129+797～DK129+920段位于石馬壩背斜西翼,隧道穿越三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r,深灰色,薄 ～中厚層狀,巖層產(chǎn)狀 NE307°∠38°,巖溶裂隙、管道發(fā)育,巖體破碎,圍巖基本分級(jí)為Ⅳ級(jí)。

圖1 野山關(guān)隧道揭示時(shí)暗河支管道情況

該段開挖揭示 4號(hào)暗河支管道,支管道基本上沿Ⅰ線線路前進(jìn)方向發(fā)育,從Ⅰ線 DK129+813.5隧道拱頂以上 2.8m處發(fā)育至 DK129+900左邊墻外后,與Ⅰ線線路呈 45°向隧道左邊墻外發(fā)育,管道直徑 1～5.5m,底部沉積少量溶洞充填物,周邊圍巖較完整、穩(wěn)定性好。

該段位于地下水水平循環(huán)帶,洞身與 4號(hào)暗河系統(tǒng)交叉,暗河支管道地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給,天旱時(shí)水量極小,雨季時(shí)大量涌水且泉水渾濁,最大涌水量達(dá) 17萬 m3/d。巖溶水的流量動(dòng)態(tài)與降雨關(guān)系密切,對(duì)降雨的反應(yīng)較敏感,一般在中、大雨的第 2天,地下水流量明顯增長,第 4天達(dá)到峰值,反應(yīng)了巖溶水系統(tǒng)補(bǔ)給條件良好,徑流途徑較長,徑流通暢。水流由線路小里程向大里程匯集、排入支井河。

4號(hào)暗河支管道平面、縱斷面見圖2。

圖2 4號(hào)暗河支管道形態(tài)特征

3 方案研究

針對(duì)野三關(guān)隧道出口 DK129+797～DK129+920段揭示的 4號(hào)暗河支管道工程水文地質(zhì)條件,以及雨季涌水量大、與地表水水力聯(lián)系密切、處理難度大的特點(diǎn),為確保施工及長期運(yùn)營安全,進(jìn)行了增設(shè)導(dǎo)流洞、增設(shè)排水廊道 +中心水溝、增設(shè)排水廊道 +加深側(cè)溝、封堵 4個(gè)方案的研究,方案平面布置見圖3。

3.1 方案一:增設(shè)導(dǎo)流洞

方案一典型橫斷面設(shè)計(jì)見圖4。

(1)導(dǎo)流洞

圖3 方案平面布置(單位:m)

圖4 方案一典型橫斷面(單位:cm)

①平面位置

在Ⅰ線隧道 DK129+813.5處增設(shè) 1座長約 285 m的導(dǎo)流洞,引排 4號(hào)暗河支管道巖溶水至支井河排放,與Ⅰ線線路中線夾角為 30°。

②縱坡

導(dǎo)流洞起點(diǎn)坑底高程高于Ⅰ線正洞拱頂約 2.8m(與支管道底部齊平),向出口方向設(shè)置 3%的下坡。

③襯砌斷面

導(dǎo)流洞內(nèi)凈空采用 2.6m×3.4m(寬 ×高)的噴錨整體式襯砌。

④管道處理

在 DK129+813.5處下游采用混凝土封閉原暗河管道,使暗河水改道進(jìn)入導(dǎo)流洞;暗河底部及跌水部位采用混凝土或漿砌片石鋪砌,防止暗河水沖刷。

(2)正洞結(jié)構(gòu)

暗河影響段Ⅰ線隧道結(jié)構(gòu):初期支護(hù)為 20cm厚C20網(wǎng)噴混凝土(拱墻內(nèi)嵌格柵鋼架、0.8m/榀),二次襯砌采用 30cm厚 C30鋼筋混凝土。

3.2 方案二:增設(shè)排水廊道 +中心水溝

方案二典型橫斷面設(shè)計(jì)見圖5。

(1)排水廊道

DK129+812～DK129+814段溶洞側(cè)拱墻外擴(kuò) 3 m形成寬 2m、深 2m的排水廊道,將暗河地下水引排至中心水溝。

圖5 方案二典型橫斷面(單位:cm)

(2)護(hù)拱

為確保結(jié)構(gòu)安全,DK129+800～DK129+816段排水廊道側(cè)拱墻外擴(kuò) 1m施作混凝土護(hù)拱。

(3)中心水溝

①平面位置

DK129+810～DK130+038段隧底中部增設(shè) 1條長約 230m的中心水溝,引排 4號(hào)暗河支管道巖溶水引排至支井河排放,出口采用直徑為 1.5m的鋼筋混凝土管涵引排。

②縱坡

中心水溝底高程低于隧道水溝底約 2m,向出口方向設(shè)置 4‰的下坡。

③斷面大小

中心水溝采用內(nèi)凈空為 1.5m×1.5m(寬 ×高)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),能夠滿足水深 0.8m的排水量大于 20萬 m3/d的要求。

④管道處理

管道處理同方案一。

(4)正洞結(jié)構(gòu)

暗河影響段正洞采用 20cm厚網(wǎng)噴混凝土 +30 cm厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),底板采用 50cm厚鋼筋混凝土;DK129+810～DK130+038段正洞調(diào)整為底板結(jié)構(gòu),底板為 50cm厚鋼筋混凝土。

3.3 方案三:增設(shè)排水廊道 +加深側(cè)溝

方案三典型橫斷面設(shè)計(jì)見圖6。

(1)排水廊道及護(hù)拱

排水廊道及護(hù)拱同方案二。

(2)加深側(cè)溝

Ⅰ線DK129+810～DK130+038段隧道側(cè)溝加深0.8m,滿足單條側(cè)溝排水量增加 5萬 m3/d,Ⅱ線IIDK129+790～I(xiàn)IDK130+003段隧道側(cè)溝加深 1.2 m、滿足單條側(cè)溝排水量增加 5萬 m3/d,同時(shí)對(duì)路基段側(cè)溝進(jìn)行相應(yīng)加深,確保排水暢通,共加深側(cè)溝長度約430m,Ⅰ、Ⅱ線側(cè)溝采用橫向連接通道連通,引排 4號(hào)暗河支管道巖溶水至支井河排放。

圖6 方案三典型橫斷面(單位:cm)

(3)管道處理

管道處理同方案一。

(4)正洞結(jié)構(gòu)

暗河影響段正洞采用 20cm厚網(wǎng)噴混凝土 +30cm厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),底板采用 50cm厚鋼筋混凝土;Ⅰ線DK129+810～DK130+038段隧道加高 0.8m、Ⅱ線IIDK129+790～I(xiàn)IDK130+003段隧道加高 1.2m。

3.4 方案四:封堵

開挖揭示的暗河支管道采用混凝土封閉,改變?cè)械叵滤潘ǖ?將地下水封堵在隧道開挖輪廓外一定范圍;暗河影響段 DK129+790～DK129+920正洞采用加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌,初期支護(hù)采用 25cm厚網(wǎng)噴混凝土(內(nèi)嵌全環(huán)格柵鋼架、1m/榀),二次襯砌采用 75cm厚防水鋼筋混凝土。

3.5 方案比選

從工程投資、長期運(yùn)營安全及維護(hù)、施工干擾方面進(jìn)行了深入地對(duì)比分析。

(1)工程投資

方案一:增加工程量為 285m的導(dǎo)流洞、管道封堵、DK129+797～DK129+825段正洞結(jié)構(gòu)調(diào)整為底板直墻鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),工程投資小。

方案二:增加工程量為 230m中心水溝、排水廊道、護(hù)拱、DK129+810～DK130+038段正洞調(diào)整為 50 cm厚鋼筋混凝土底板結(jié)構(gòu)(暗河影響段拱墻采用 35 cm厚鋼筋混凝土),工程投資較小。

方案三:增加工程量為加深側(cè)溝 430m、排水廊道、護(hù)拱、橫向連接通道、Ⅰ線 DK129+810～DK130+038段隧道加高 0.8m、Ⅱ線 IIDK129+790～I(xiàn)IDK130+003段隧道加高 1.2m,工程投資較大。

方案四:增加工程量為暗河封堵、130m正洞結(jié)構(gòu)需大幅提高,工程投資大。

(2)長期運(yùn)營安全及維護(hù)

方案一:由于暗河水已通過再造管道引排,襯砌結(jié)構(gòu)不承受水壓力,結(jié)構(gòu)安全;導(dǎo)流洞斷面大,便于養(yǎng)護(hù)維修。

方案二:襯砌結(jié)構(gòu)不承受水壓力,結(jié)構(gòu)安全;中心水溝斷面小,不利于養(yǎng)護(hù)維修。

方案三:同方案二。

方案四:由于管道封堵的不確定性,可能會(huì)導(dǎo)致襯砌施工縫射水,影響隧道運(yùn)營安全。

(3)施工干擾

方案一對(duì)隧道施工基本沒有干擾,施工進(jìn)度快;方案二對(duì)隧道施工干擾大,施工進(jìn)度慢;方案三對(duì)隧道施工干擾較大,施工進(jìn)度較慢;方案四工程量較大,施工進(jìn)度慢。

根據(jù)以上的對(duì)比分析,考慮巖溶發(fā)育的異常復(fù)雜性和不確定性,為確保隧道施工及長期運(yùn)營安全,節(jié)省工程投資,采用增設(shè)導(dǎo)流洞引排 4號(hào)暗河支管道巖溶水。

4 方案實(shí)施

根據(jù)暗河支管道規(guī)模、工程水文地質(zhì)條件、補(bǔ)給量大小及與隧道空間關(guān)系,綜合考慮Ⅰ、Ⅱ線隧道施工組織及長期運(yùn)營安全,遵照“以排為主、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、綜合治理”的原則,隧道穿越 4號(hào)暗河支管道段采取如下處理方案及工程措施。

4.1 導(dǎo)流洞

導(dǎo)流洞斷面見圖7。

圖7 導(dǎo)流洞斷面(單位:cm)

(1)平面位置:為截排野三關(guān)隧道 4號(hào)暗河支管道巖溶水,在出口段左側(cè)增設(shè) 1座長 285m的導(dǎo)流洞,與Ⅰ線隧道相交于 DK129+813.5處,交角為 30°,并在導(dǎo)流洞出口設(shè)置 30m的導(dǎo)流明渠,將暗河支管道巖溶水引排至支井河。

(2)縱坡:導(dǎo)流洞起點(diǎn)位于Ⅰ線隧道 DK129+813.5拱頂以上約 2.8m處,坑底高程與揭示的暗河支管道底部齊平,出口位于支井河邊,向出口方向設(shè)置3%的下坡,導(dǎo)流洞出口約 50m范圍設(shè)置 C20混凝土消能臺(tái)階(高 0.25m、寬 1m)、間距 10m一處。

(3)超前支護(hù):出口段約 25m范圍圍巖破碎、風(fēng)化嚴(yán)重,拱部采用 φ22mm超前錨桿預(yù)支護(hù),環(huán)向間距0.4m、縱向 2.4m一環(huán)。

(4)結(jié)構(gòu):采用內(nèi)凈空為 2.6m×3.4m(寬 ×高)的噴錨整體式襯砌。

(5)鋼架:Ⅳ級(jí)圍巖局部設(shè)置格柵鋼架加強(qiáng)、1m/榀,V級(jí)圍巖拱墻設(shè)置格柵鋼架加強(qiáng)、0.8m/榀,與正洞相交段 20m范圍內(nèi)導(dǎo)流洞采用格柵鋼架加強(qiáng)、0.8 m/榀。

4.2 正洞支護(hù)結(jié)構(gòu)

DK129+797～DK129+920段采用普通Ⅳ級(jí)圍巖底板結(jié)構(gòu)復(fù)合式襯砌,初期支護(hù)為 20cm厚網(wǎng)噴混凝土(內(nèi)嵌格柵鋼架、0.8m/榀),DK129+797～DK129+825暗河段二次襯砌采用 30cm厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加強(qiáng),其他段二次襯砌為 30cm厚素混凝土結(jié)構(gòu)。

4.3 管道處理

暗河管道處理見圖8。

圖8 暗河管道處理(單位:cm)

為使暗河水改道進(jìn)入導(dǎo)流洞,采用 C15片石混凝土擋墻封閉原暗河通道,擋墻迎水面采用水泥砂漿等作好防滲處理;同時(shí)在溶腔大廳底部鋪 50cm厚 C15片石混凝土保護(hù)層,并在暗河跌水處下方施作 M10漿砌片石跌水槽,以防暗河水沖刷、侵蝕隧道頂板圍巖。

5 結(jié)語

(1)隧道遭遇到地下暗河時(shí),首先應(yīng)采用示蹤試驗(yàn)、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)、TSP-203、超前鉆孔、放水試驗(yàn)等綜合超前預(yù)測預(yù)報(bào)手段,查明暗河發(fā)育規(guī)模、地下水補(bǔ)給情況等,再行研究處治措施。

(2)應(yīng)逐個(gè)暗河逐個(gè)進(jìn)行處理,不必尋找標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)中的通用原則為確保隧道的襯砌結(jié)構(gòu)有足夠的安全度、在可預(yù)見期內(nèi)暗河的穩(wěn)定性有保證、方案比較經(jīng)濟(jì)適用。

(3)隧道穿越暗河的處理應(yīng)首先選擇連通方案,不改變地下水總的流動(dòng)趨勢,各類新建的排水通道應(yīng)有一定的坡度,以防止泥砂淤積,影響隧道長期運(yùn)營安全。

(4)野三關(guān)隧道 4號(hào)暗河設(shè)置導(dǎo)流洞后,暗河水主要通過導(dǎo)流洞排出,正洞未見滲漏水現(xiàn)象,處理效果良好。

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