張 鵬

(中國鐵路成都局集團有限公司，四川 成都 610082)

西南巖溶地區(qū)穿越水力連通型富水地層的運營鐵路隧道,在連續(xù)和(或)高強度強降雨、隧道防排水系統(tǒng)具有設計和(或)施工缺陷、管維不當?shù)炔焕蛩貑我换蚪M合作用下,會有漏水、突涌水災害導致供電中斷、淹沒軌道、隧底隆起、襯砌裂損,不僅中斷行車、迫使降速運行沖擊運輸秩序甚至直接導致行車安全事故。

國內外學者關于隧道水害的研究成果頗多：張向禮等[1]借助超前地質預報等方法,開展了鐵路隧道水害動態(tài)控制技術研究,提出了涌水量動態(tài)監(jiān)測的反坡排水及其優(yōu)化技術;代鴻明[2]以工程實踐為基礎,分析了水害造成隧底隆起及襯砌開裂的原因;李林毅等[3]、劉浩等[4]借助數(shù)值模擬技術,探討了水害發(fā)生時隧道結構應力場及滲流場的變化特征,指出地表強降雨、不良地質條件及防排水系統(tǒng)失效是突涌水災害產生的主要原因;張彥龍等[5]提出用降雨入滲法判斷隧道的排水能力,并將數(shù)值計算與理論計算相結合確定了隧道水害的產生機理;鄭波等[6]對運營高壓富水鐵路隧道的致災機制進行了研究,提出了“暢排”的處治理念;王剛等[7]對運營高壓富水鐵路隧道在季節(jié)性巖溶水作用下的襯砌破壞進行了分析研究,指出設置足夠的排水通道措施的重要性;李筠等[8]針對富水隧道(段)提出排水通道工后排水面高程應低于對應段落正洞開挖底面高程的建議。

已有研究大多關注隧道水害產生的機理及水害對已有設施造成的破壞原因,受限于應急搶險工作的側重點和實施驗證條件,對水害成因及其綜合整治方案的研究有待進一步總結。本文依托西南地區(qū)某客專雙線隧道水害案例,基于對突涌水災害的長期多視角考察,分析了發(fā)生突涌水事故的主因,并提出了針對性的處治方案,以期為同類案例提供借鑒。

1 工程概況

設計時速350 km的某客專雙線隧道全長4 480 m(D1K638+980-D1K643+460),最大埋深約230 m,全隧設25‰和18‰的單面下坡,采用線間距5.0 m的CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟軌道。

隧址區(qū)以侵蝕構造中低山地貌為主,洞身穿越大巖寨向斜和觀音閣背斜,地層局部巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育,巖質以頁巖、灰?guī)r和含煤夾層為主(見圖1);地表徑流以季節(jié)性流水為主,以松散土層孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水為主的地下水補給較充分,地下水運移賦存空間龐大且徑流復雜。

圖1 隧道進口段縱斷面(單位：m)

隧道突涌水段D1K639+900-D1K640+320位于儲水構造大巖寨向斜,該向斜軸向呈NS向展布,不對稱翼、寬緩褶皺;西翼陡傾角40～50°、軸面傾向W,東翼緩傾角10～30°,核部地層為二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r(P1m)。線路左側地表高程1 170 m,附近為梁山組砂巖(P1l)、頁巖地層,系相對隔水層。線路與構造大致平行,導致該段線路附近形成一個向斜儲水盆地,深孔鉆探揭示“盆地”內地下水位高程為1 151.75 m,天然情況下該處“盆地”水頭高約84 m。

該隧道2010年10月開工,2015年3月竣工,6月18日開通運營。該段按Ⅲ級復合式襯砌施工,以防水板和土工布作為主要的防排水設施,并設置1#集水廊道引排巖溶水。該段初支參數(shù)(見表1)為拱部180°設置厚16 cm的鋼架、相應噴射23 cm厚的砼以包裹拱架,邊墻不設置拱架、噴射12 cm厚的砼;拱墻襯砌為厚40 cm的C35纖維砼,仰拱為厚50 cm的C30砼。

表1 初支參數(shù)

2 突涌水事故簡況

該隧道運營期已發(fā)生兩次涌突水災害事故。

2.1 D1K640+145.8-+473.8段突涌水災害

(1)降雨情況:2017年6月29～30日,隧址區(qū)經歷連續(xù)暴雨,最大小時雨量為15.7 mm、日降雨量為67 mm,連續(xù)降雨量為132.6 mm。

(2)突涌水災害發(fā)生：2017年6月30日4:50,轄域高鐵工務段巡檢發(fā)現(xiàn)洞內下行線D1K640+260左側電纜溝內有射高約2.1 m的渾濁態(tài)涌水,泥沙含量較重并伴隨大小不一的石塊,此后溝槽內水流射高降至0.5 m,水流沖入左線道床與溝槽間流向出口方向;D1K640+260左側溝槽涌水減弱的同時,上行線D1K640+239.8處拱腰突現(xiàn)目視較高水壓射水,大量水流斜向噴射至左側道床,射水已嚴重威脅接觸網(wǎng)安全,被迫中斷行車。

(3)災害的發(fā)展和衍生:19:00洞內觀測發(fā)現(xiàn),突涌水災害范圍已大幅擴展,D1K640+145.8-+473.8段有不同程度、不同部位的射水、突涌水、滲漏水(見圖2),D1K640+206.8右側避車洞沿環(huán)向施工縫呈簾雨狀的涌水,D1K640+227.8-+275.8段左邊墻腳及拱部沿施工縫呈股狀的突涌水、涌水,且目視水壓較大,其余段落墻部及施工縫有多處不同程度的滲漏水。除襯砌表面水跡明顯(見圖3)外,隧道左側溝槽底有沿線路方向長50 cm×寬20 cm×深30 cm的破損,仰拱局部破壞。

圖2 D1K640+145.8處突涌水情況 圖3 D1K640+228.8處突涌水情況

2.2 D1K640+204.8-+259.8段突涌水災害

(1)降雨情況:2017年9月5日21:00～9月6日7:00,隧址區(qū)附近持續(xù)遭遇暴雨,通宵降雨量總計72 mm,泄水洞內水壓較大,排水量急劇增加。

(2)突涌水災害發(fā)生:2017年9月6日巡檢發(fā)現(xiàn)D1K640+206.8-+220.8段左邊墻拱腰處開裂并伴滲水,D1K640+239.8處右邊墻開槽部位3處射水,最遠射至右線側溝蓋板(見圖4);D1K640+204.8-+259.8段左邊墻減壓孔出水,其中四孔出水量略大,出水面積約占孔徑面積40%(見圖5);D1K640+228.8-+239.8段右邊墻部分減壓孔出水,占孔徑面積約10%。

圖4 D1K640+239.8處右邊墻射水狀況 圖5 D1K640+251處右邊墻減壓孔出水

3 突涌水災害成因分析

3.1 地下水侵蝕

遵循《砼結構耐久性設計標準》(GB/T 50476-2019),對涌水水樣簡易分析試驗表明:在化學侵蝕環(huán)境中,水樣對砼結構具H1級硫酸鹽型侵蝕。侵蝕型地下水的長期作用,會降低圍巖及襯砌的穩(wěn)定性,導致圍巖孔洞、管道、罅隙的產生和擴大及襯砌罅隙、孔洞的產生,為滲漏水、涌水、突水創(chuàng)造地下水通道條件。

3.2 不良地質作用

隧址區(qū)可溶性碳酸鹽巖類分布廣泛、巖溶發(fā)育段占隧道穿越圍巖縱長的95%以上,對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大,季節(jié)性豐富的巖溶水等不良地質對隧道的影響也較為明顯。

2013年3月23日～6月18日施工期揭示,D1K640+206-+251段有多處溶洞且涌水量較大(圖6)。另,洞身多次穿越可溶巖與非可溶巖接觸界面具相對集中運移的特點和規(guī)律,界面附近存賦巖溶的概率較高,遭遇涌水、突水、突泥的風險較高。

圖6 D1K640+224掌子面左拱腰溶洞

涌水災害地質勘察報告表明:D1K639+900-+982段、D1K640+129-+265段深約2～17 m巖體溶蝕破碎、裂隙發(fā)育,多為強溶蝕或溶洞,其余段落溶蝕裂隙局部發(fā)育。

3.3 隧道防排水系統(tǒng)失效

建設期施工的1#集水廊道并未與正洞揭示的溶洞連通且設計底板高程高于對應地段正洞仰拱底板高程[8],且致使強降雨時管道排水不暢。水害發(fā)生后調研發(fā)現(xiàn),1#集水廊道有較多碎石、含水量較高的薄層粉土充填物,致廊道排水不暢甚至堵塞,在強降雨時的巖溶水作用下水頭急劇升高、水壓增大,造成局部脫空、欠密實襯砌涌突涌水，局部破壞后出現(xiàn)涌突涌水災害[6]。

4 突涌水災害處治

4.1 增設3#排水廊道

搶險期間,自既有1#集水廊道增設了3#排水廊道(見圖7)。3#排水廊道與既有1#集水廊道夾角50°0′23″,長42.2 m;3#排水廊道先期使用懸臂掘進機挖掘,遭遇破巖困難時采用數(shù)碼雷管錯相減振技術輔助破巖,按錨網(wǎng)噴格構支護。2017年7月24日,在3#排水廊道對應正洞約D1K640+243.6通過超前探水孔成功揭穿了巖溶水通道,與地質勘察報告結論相符。

4.2 增設左側4#低位排水洞

為引排正洞左側災害段巖溶水,維護隧道結構安全,在3#排水廊道近末端按平行于隧道方向設置L=60 m(兩段)的4#低位排水洞(見圖7),并設置集水鉆孔引排地下水,4#低位排水洞與正洞高程位置關系如圖8和圖9,其設置方案及施工要點如下:

圖7 正洞、泄水洞、廊道及排水洞平面位置關系

圖8 正洞D1K640+210處橫斷面(單位：m)

圖9 正洞D1K640+243.6處橫斷面(單位：m)

(1)4#低位排水洞設于線路左側,由D1K640+205-+243.6(38.6 m)和D1K640+243.6-+265(21.4 m)兩段共60 m組成,自3#排水廊道分別向兩個方向設25‰、3‰的上坡(見圖10),從3#排水廊道引排地下水匯入既有1#集水廊道并經此引排至泄水洞排出洞外。

圖10 4#左側低位排水洞縱斷面設計(單位:cm)

(2)4#低位排水洞內凈空3.0 m×3.5 m(寬×高)(見圖11),按Ⅲ級圍巖錨網(wǎng)噴格構支護后,施作C35鋼筋砼模筑襯砌,廊道端頭設C20耐腐蝕砼擋頭墻,頂厚0.5 m,胸坡1∶0.3,廊道支護參數(shù)如表2所示。

表2 4#排水洞支護參數(shù)

圖11 4#排水洞Ⅲ級支護設計(單位:cm)

(3)在4#低位排水洞內靠近正洞邊墻及拱部、垂直于線路方向鉆設?10 cm集水孔,以期為正洞小局域排水降壓,集水孔長度以正洞初支外緣50 cm為控制標準,每處設2孔,仰角分別為30°(長4.6 m)、45°(長15 m)(見圖12)。通過集水鉆孔將正洞拱頂及左側巖溶地下水引入廊道排走,施工時可據(jù)鉆孔時的出水情況,適當調整集水孔數(shù)量和位置。

圖12 4#低位排水洞集水鉆孔典型橫斷面(單位：m)

4.3 增設右側5#低位排水洞

為準確探明、驗證、暢排隧道突涌水災害段右側巖體的巖溶、巖溶水發(fā)育范圍、程度及其與隧道的位置關系,在泄水洞對應正洞D1K640+667處右側增設5#下穿正洞順坡低位排水洞(見圖7),其終點里程對應正洞D1K640+200處,設置方案和施工要點如下:

(1)5#低位排水洞設于線路右側,依次由坡度1‰、12‰和25‰單面上坡的D1K640+667-+331(PSD5K+000-+435.6)、D1K640+331-+254(PSD5K+435.6-+514.2)、D1K640+254-+200(PSD5K+514.2-+568.2)三段403.2 m+75 m+80 m共568.2 m組成(見圖13),排水洞在對應正洞D1K640+355處以拱頂距正洞仰拱底3 m凈距下穿正洞(見圖14)。

圖13 5#左側低位排水洞縱斷面設計(單位：cm)

圖14 5#低位排水洞下穿正洞(單位:m)

(2)排水洞按中小型無軌單車道設置斷面,其凈空為3.0 m×3.5 m(寬×高),并在洞內設置1處斷面凈空7.5 m×3.5 m(寬×高)的錯車道。洞口段、下穿既有泄水洞和正洞段、集水廊道含煤地層段均按錨網(wǎng)噴格構支護后,施作鋼筋砼模筑襯砌;其余地段均采用錨噴襯砌,并在兩側墻腳處設矮邊墻,以防涌水沖刷;排水洞圬工均采用耐腐蝕砼。

(3)在5#低位排水洞D1K640+254-+200(PSD5K+514.2-+568.2)段內部靠近正洞側邊墻及拱部、垂直于線路方向鉆設?10 cm集水孔,集水孔長度以正洞初支外緣50 cm為控制標準,每處設3孔,仰角分別為10°(長6.5 m)、30°(長6.9 m)、45°(長15 m)(見圖15)。通過集水孔將正洞拱頂及右側地下水引入排水洞排走,施工時可據(jù)鉆孔時的出水情況,適當調整集水孔數(shù)量和位置。

圖15 5#低位排水洞集水鉆孔典型橫斷(單位:m)

4.4 D1K640+237-+248段左側襯砌背后溶腔處理

以涌水災害地質勘察報告為基礎,結合突涌水情況和水文地質分析,判斷隧道D1K640+237-+248段襯砌背后有溶腔與豎向管道相通,系巖溶水通道,該通道在3#排水廊道端頭附近。為保證襯砌結構安全,須先泄水降壓,再于溶腔內設置護拱,密排埋管及鉆孔,以暢排季節(jié)性巖溶水。

為截排正洞D1K640+237.3附近豎向巖溶管道水,自4#低位排水洞D1K640+237.3處向大里程設置4個?20 cm集水鉆孔,鉆孔長L=6～7 m、縱向@1 m,確認鉆孔接通豎向巖溶管道后,清理溶洞底板淤泥填充物,找平后做順排水坡,再處理溶洞。沿D1K640+238.6-+243.6段正洞拱頂,在巖壁縫隙內按縱向@1 m預埋5根外裹無紡布的?20 cm鍍鋅排水鋼管,以保證溶縫排水通暢及結構安全;預埋排水管后,在溶腔段設置C35耐腐蝕鋼筋砼護拱,護拱與正洞初支輪廓線相距50 cm,高度據(jù)溶腔幾何尺寸調整。護拱完成后,檢查各預埋管道的暢通性,對護拱外溶腔壁進行順坡清理及施作錨網(wǎng)噴防護,以使溶腔巖溶水順利排入3#排水廊道;在端頭下部設胸坡0.3、頂寬0.5 m的封堵墻,封堵墻頂部與溶腔口頂部的出水口不小于100 cm,確保3#排水廊道端頭溶腔出水口口徑尺度。最后,設置兩組溢漿管和注漿管,對裂縫充填注漿處理至漿液外溢。D1K640+239.2左側襯砌后溶腔處理示意見圖16。

圖16 D1K640+239.2處左側襯砌背后溶腔處理(單位:m)

對突涌水災害采用上述處治后,隧道運營狀態(tài)良好,至今未再發(fā)生明顯水害,佐證了處治技術有效性。

4.5 其它處理措施

搶險施工中,對洞內施工縫掉塊和襯砌開裂采取了格構法和現(xiàn)澆鋼筋砼內襯兩種方式加固;新的排水系統(tǒng)構建后,對洞內減壓孔實施了封堵和管道引排至排水溝措施;在搶險工程竣工資料中,對運維單位提出了每年雨季前、中、后及例行秋檢時,進行淤積檢查和及時清淤的要求。

5 結束語

該隧道突涌水災害發(fā)生后,基于現(xiàn)場調研、技術資料收集、涌水災害地質勘察報告的綜合分析,研判了相關具體發(fā)育溶蝕溶腔的位置,分析了突涌水災害的主因,制定和實施針對性處治技術方案,消除了突涌水災害的威脅。

(1)在地下水侵蝕、不良地質作用及防排水系統(tǒng)失(無)效等因素共同作用下,強降雨引起的季節(jié)性巖溶水聚集并形成短時較高壓力巖溶水是該隧道突涌水災害的主因。

(2)據(jù)該隧突涌水災害的特征而制定和實施的“增設排水廊道和排水洞、襯砌背后溶腔處治”技術措施,經運營驗證效果良好,可為類似隧道工程突涌水災害處治提供借鑒和參考。

(3)施工期揭示的含水和可能含水溶洞溶腔均應構建直接連通的排水通道,系統(tǒng)性排水通道的排水面高程應適當?shù)陀陧憫温湔吹淖畹烷_挖(結構)高程,永久性排水通道應及時清除淤積。

中南大學王立川教授、李林毅和楊喜鋒博士及建設相關方的同儕,為本文所涉處治技術實踐做出了貢獻、對本研究提供了支持,在此一并致謝！