苗德海

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

宜萬鐵路野三關(guān)隧道位于湖北省恩施州巴東縣野三關(guān)鎮(zhèn)碗口河和支井河之間, 屬構(gòu)造剝蝕-溶蝕地貌,為臺原山地和深切峽谷地形,地勢北高南低,山頂高程在1 050～1 600 m,河谷切割深度200～700 m[1]。

隧道全長13 833 m,為宜萬鐵路最長隧道,進(jìn)口軌面高程為757 m,出口軌面高程為815 m,洞身最大埋深684 m,設(shè)計(jì)為人字坡,進(jìn)口段受巴東車站影響,設(shè)計(jì)為燕尾式連拱隧道,其余段為2條單線隧道、線間距30 m。為滿足施工組織需要,在隧道中部DK125+100左側(cè)設(shè)置長1 844.5 m的無軌運(yùn)輸斜井。圖1為野三關(guān)隧道地質(zhì)縱斷面圖。

圖1 野三關(guān)隧道地質(zhì)縱斷面

1 地質(zhì)背景

1.1 地層巖性

隧道主要穿越志留系、泥盆系、二疊系、三疊系等地層,其中志留系、泥盆系等碎屑巖長度為5 074 m,占隧道全長的36.7%,二疊系、三疊系等灰?guī)r地層長度為8 759 m,占隧道全長的63.3%?；?guī)r段地表巖溶強(qiáng)烈發(fā)育,單管式、網(wǎng)絡(luò)式暗河系統(tǒng)發(fā)育。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧區(qū)屬新華夏系構(gòu)造體系,主要構(gòu)造形跡有斷層、構(gòu)造節(jié)理、裂隙和褶皺等。

隧區(qū)內(nèi)主要發(fā)育孫家埡斷層、大坪斷層、廟坪斷層等12條斷層,其中孫家埡斷層對隧道影響最大。孫家埡斷層以75°夾角在DK124+865附近與隧道相交,斷層破碎帶寬6～18 m,透水性好,斷層切割、連通3號暗河,易將暗河地下水引入隧道。圖2為野三關(guān)隧道工程地質(zhì)構(gòu)造綱要圖。

1.3 河流水系

隧區(qū)屬清江流域,隧道橫跨支井河、苦桃溪、二溪河3條清江支流,出口位于支井河?xùn)|岸,主要穿越苦桃溪和二溪河。隧道附近支井河高程為810 m，苦桃溪高程為1 082 m，二溪河高程為960 m。地表水系分布控制了地下水系統(tǒng)的動力循環(huán)格局,對隧區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育有明顯的控制作用[2-3]。

1.4 巖溶發(fā)育特征

隧道區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育的主要形態(tài)有地下暗河、溶洞、落水洞、溶溝、漏斗、巖溶管道等,組合形態(tài)有溶丘淺谷、峰叢洼地等。

地表發(fā)育有較大型的巖溶洼地,形成規(guī)模較大的匯水區(qū)域,伴有漏斗、落水洞等,易通過巖溶裂隙、落水洞、管道等將暗河及洼地水導(dǎo)入隧道,引起重大突水突泥災(zāi)害。

巖溶發(fā)育分帶性明顯,由上向下,表層巖溶帶厚度為4～31 m；垂向滲濾帶厚度一般為29～348 m,該巖溶帶為較強(qiáng)巖溶發(fā)育帶,主要發(fā)育垂向型巖溶、季節(jié)性單支巖溶管道流；主要接受雨季降水補(bǔ)給,當(dāng)隧道穿越該巖溶帶時有可能直接造成突水突泥風(fēng)險。水平徑流帶發(fā)育厚度100～200 m,以水平滲流型巖溶為主,如暗河等,當(dāng)隧道經(jīng)過該巖溶帶時存在突水突泥風(fēng)險；深部循環(huán)帶位于飽水帶的下部,埋深在180～520 m之間,該帶水力循環(huán)差,巖溶發(fā)育較弱,巖溶形態(tài)主要以溶蝕孔縫為主,隧道洞身主要經(jīng)過該帶；如隧道在該層遇到深層巖溶,考慮隧道埋深以及巖溶有可能與地表的水力聯(lián)系,施工過程中有高壓突水、突泥等地質(zhì)問題[1-3]。

圖2 野三關(guān)隧道工程地質(zhì)構(gòu)造綱要

隧道區(qū)內(nèi)發(fā)育6條較大規(guī)模的地下暗河,其分布及地下水流向見圖3[4]。

圖3 野三關(guān)隧道地區(qū)暗河分布及地下水流向

2 響水坪暗河系統(tǒng)

2.1 暗河系統(tǒng)基本情況

響水坪暗河為小流域控制性地下河,呈樹枝狀,位于支井河左側(cè),小角度橫穿Ⅰ線、Ⅱ線隧道,為區(qū)內(nèi)河間飽水帶地下水相對集中的主要排泄口。該地下暗河系統(tǒng)總體發(fā)育方向210°～240°,呈樹枝狀,總體水力坡度7%～10%,長度約10 539 m,匯水面積約8.37 km2。進(jìn)水口主要位于響水坪一帶,

其間分布有6～8個巖溶洼地,14～16個串珠狀的落水洞等,地下暗河水由北東向南西匯集,最后流入支井河。

該段暗河位于地下水水平循環(huán)帶,主要接受大氣降水補(bǔ)給；中、大雨約2 d后,地下暗河水流量有明顯增大,約4 d后達(dá)到最大值,這表明地下暗河與地表徑流聯(lián)系通暢,地下暗河水系統(tǒng)補(bǔ)給條件良好。

2.2 與Ⅰ線、Ⅱ線隧道關(guān)系

綜合TSP、地質(zhì)雷達(dá)、超前地質(zhì)鉆孔的結(jié)果及旱季開挖揭示測繪資料可知,該暗河系統(tǒng)上跨Ⅱ線隧道,暗河底部距離隧道頂部厚度約10 m,在Ⅰ線隧道DK129+813.5處,地下暗河開始侵入Ⅰ線隧道正線,并沿Ⅰ線隧道前進(jìn)方向發(fā)育；在DK129+813.5處時,地下暗河距離隧道拱頂以上2.8 m,至DK129+900處時,地下暗河已處于隧道左邊墻外,此后地下暗河與Ⅰ線隧道約呈45°向隧道左邊墻外發(fā)育；該段地下暗河管道直徑1.0～5.5 m。

2.3 巖性及管道的穩(wěn)定性

響水坪暗河與隧道交叉段(DK129+800～+920)

隧道埋深約170～190 m,主要穿越三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r,薄～中厚層狀,巖層產(chǎn)狀307°∠38°；該段暗河巖溶裂隙發(fā)育,暗河底部有少量淤泥和石塊沉積,管道壁圍巖整體性好,穩(wěn)定,為Ⅳ級圍巖。

與隧道相交區(qū)段響水坪暗河系統(tǒng)支流段示意見圖4。

圖4 響水坪暗河系統(tǒng)支流示意

3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)響水坪暗河系統(tǒng)的平面展布、匯水面積、可能出現(xiàn)的最大排量、主要出水口及與Ⅰ、Ⅱ線隧道的空間關(guān)系等,遵照“確保安全、排堵結(jié)合、綜合治理”的原則[5-10],研究了排水洞方案、加深水溝方案和封堵方案。圖5為處治方案平面布置圖。

圖5 處治方案平面布置

3.1 排水洞方案

在Ⅰ線隧道左側(cè)DK129+813.5處增設(shè)長285 m排水洞,引排暗河巖溶水至支井河,排水洞與隧道中線夾角為30°。排水洞底部高于Ⅰ線隧道頂部2.8 m,坡度為3%,沿支井河方向下坡。

內(nèi)凈空為2.6 m×3.4 m(寬×高),采用噴錨支護(hù)整體式襯砌。在DK129+813.5處下游采用混凝土封閉原暗河管道,確保暗河水流入排水洞。

由于I線隧道DK129+800～ DK129+920受地下暗河發(fā)育的影響,需要對該段隧道的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和二次襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)：初期支護(hù)采用內(nèi)嵌格柵鋼架(1 m/榀)C20網(wǎng)噴混凝土,厚度為20 cm。二次襯砌采用C30模筑鋼筋混凝土,厚度為30 cm。

3.2 加深兩側(cè)部水溝方案

將DK129+812～DK129+814段隧道斷面擴(kuò)大,在隧道結(jié)構(gòu)外形成寬2 m的排水廊道引排暗河水至隧道底部,再通過設(shè)置隧底的橫向排水溝將暗河水引排至Ⅰ線、Ⅱ線隧道排水溝,通過加深的隧道排水溝引排至支井河。

Ⅰ線隧道DK129+800～DK129+920段受巖溶發(fā)育影響,其余Ⅰ、Ⅱ線隧道從排水廊道處至出口,因加深排水溝使隧道整體結(jié)構(gòu)受力趨于不利,需要對該段隧道的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和二次襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng),具體加強(qiáng)措施同排水洞方案。圖6為加深兩側(cè)部水溝方案。

圖6 加深兩側(cè)部水溝方案(單位：cm)

3.3 封堵方案

在DK129+813.5隧道開挖輪廓線外3 ～5 m的暗河管道處設(shè)置混凝土封堵墻,廢棄該管道,迫使暗河水通過系統(tǒng)的其他支管道流向支井河。

由于該方案封閉了原有的暗河主管道,暗河系統(tǒng)排量變小,雨季時暗河系統(tǒng)地下水積聚、抬升,使得該水文單元內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)需考慮水壓力作用,隧道結(jié)構(gòu)采用加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌：初期支護(hù)采用20 cm厚網(wǎng)噴混凝土(內(nèi)嵌格柵鋼架、1 m/榀),二次襯砌采用75 cm厚防水鋼筋混凝土。

3.4 方案比較(表1)

表1 方案比選

綜合隧道工程長期運(yùn)營安全、工程對周邊環(huán)境影響、施工干擾、工程投資等因素,推薦采用了增設(shè)排水洞的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語

野山關(guān)隧道穿越響水坪暗河段竣工已長達(dá)6年之久,經(jīng)過數(shù)個雨季洪峰的考驗(yàn)。排水洞方案的實(shí)施徹底解決了暗河水對隧道結(jié)構(gòu)的影響,保障了隧道運(yùn)營的安全,同時選擇與原暗河系統(tǒng)平面、高程相近的排水洞,維系了周邊環(huán)境的穩(wěn)定,為隧道工程方案的設(shè)計(jì)與選擇提供了借鑒。通過全面的工程水文地質(zhì)分析和多方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較,特別是多年雨季的考驗(yàn),對隧道穿越暗河系統(tǒng)有如下認(rèn)識、體會。

(1)通過綜合的地質(zhì)手段查明暗河系統(tǒng)的展布、匯水面積、靜儲量、最大流量及暗河管道與隧道的空間關(guān)系等是方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

(2)考慮巖溶發(fā)育的多樣性、地下水的不確定性,設(shè)計(jì)方案宜考慮疏導(dǎo)為主的原則,以最大限度地減少雨季地下水的急劇抬升對隧道結(jié)構(gòu)的破壞,一般不得采用將巖溶水引入隧道的排導(dǎo)方案,以防止淹沒道床,影響運(yùn)營安全。

(3)穿越暗河段隧道的施工宜選擇在旱季,同時應(yīng)優(yōu)先施工排水洞工程,后施工隧道工程,以避免暗河水突出對隧道施工造成破壞,確保隧道施工的安全。

(4)排水洞與暗河管道銜接應(yīng)順暢,必要時洞內(nèi)應(yīng)設(shè)置消能設(shè)施,同時做好洞口與河谷段的排水銜接,減少暗河水排放對岸坡的破壞。

[1] 周啟霞.宜昌至萬州段長大巖溶隧道專項(xiàng)地質(zhì)勘察野三關(guān)隧道地質(zhì)勘察報告[R].武漢：鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院,2004．

[2] 夏日元,王廷. 新建鐵路宜萬線野三關(guān)、大支坪隧道區(qū)巖溶水文地質(zhì)調(diào)查報告[R].北京:中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,2002.

[3] 汪繼鋒.野三關(guān)隧道苦桃溪斜井工程地質(zhì)勘察報告[R].武漢:鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院,2004．

[4] 汪繼鋒，江培兵.野三關(guān)地下暗河分布及其對隧道的影響[J].土工基礎(chǔ),2007,21(5):21-23.

Wang Jifeng, Jiang Peibing. The distribution of submerged streams and their effects to tunnel construction in Yesanguan[J]. Soil Eng. and Foundation, 2007,21(5):21-23. (in chinese))

[5] 苗德海.宜萬鐵路巖溶隧道災(zāi)害及防治對策[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(7):96-99.

Miao Dehai. The karst tunnel disaster and control measures of Yichang to Wanzhou railway[J]. Railway Standard Design, 2007(7):96-99. (in Chinese))

[6] 王偉.宜萬鐵路五爪觀隧道大型暗河發(fā)育特征及綜合處理技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(8):115-118.

WANG Wei. Large underground river of development features and comprehensive treatment in Wuzhaoguan tunnel of Yichang to Wanzhou railway[J]. Railway Standard Design, 2010(8):115-118. (in Chinese))

[7] 陳紹林,李茂竹,陳忠恕,等.四川廣(安)——渝(重慶)高速公路華鎣山隧道巖溶突水的研究與整治[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2002,21(9):1344-1349.

Chen Shaolin, Li Maozhu, Chen Zhongshu, et al. Study and treatment on karst water outbust in Huayingshan tunnel from guangan of Sichuan to Chongqing[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002,21(9):1344-1349. (in Chinese))

[8] 林本濤.干溪溝隧道巖溶整治分析[J].鐵道工程學(xué)報,2006(7):54-58.

LIN Bentao. Analysis of Treatment of Karst in Ganxigou tunnel[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2006(7):54-58. (in Chinese)

[9] 關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社,2004．

[10] 中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2005.