教育岩溶隧道防排水概述

[教育]岩溶隧道防排水概述溶洞的概念溶洞的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果，石灰岩里不溶性的碳酸钙受水和二氧化碳的作用能转化为微溶性的碳酸氢钙。由于石灰岩层各部分含石灰质多少不同，被侵蚀的程度不同，就逐渐被溶解分割成互不相依、千姿百态、陡峭秀丽的山峰和奇异景观的溶洞。岩溶对隧道的影响1）隧道围岩中溶洞的存在使得围岩物理、力学性质发生变化，进而引起隧道地层刚度和应力场的变化；（2）在隧道施工过程中，溶洞将使得隧道的施工力学动态更为复杂，易造成围岩中应力的过度集中，隧道周边变形量增加，并可能引起隧道开挖过程中局部围岩的坍塌、掉块，影响隧道施工，直接危及施工人员和机械设备的安全；（3）隧道围岩范围内岩溶水的存在使得隧道工程地质和水文地质条件发生变化，造成围岩强度降低，渗透水压力增加；（4）岩溶水最直接的表现在于其易造成隧道的涌水、突泥等；（5）因岩溶水渗透、结晶问题导致的隧道运营病害。岩溶地下水对隧道工程的影响主要表现在以下几个方面：（1）由于大量岩溶水的存在，在隧道施工过程中可能出现涌水、突泥等灾害性事故；（2）隧道穿越岩溶区，隧道周围地下水很丰富，给隧道防排水带来困难；（3）岩溶地下水一般都具有侵蚀性，对隧道结构、防排水工程等的侵蚀作用不可忽视；（4）处理后的隧道衬砌背后往往可能存在空洞等不密实现象，给隧道防水防冻和结构安全埋下隐患。岩溶地下水的处理原则全封闭原则全封闭原则施工难度大，造价高，增大隧道外衬砌水压力，给隧道结构安全和防排水埋下隐患。全排放原则全排放原则改变地下水运动途径，隧道洞顶地表水位逐步流失，恶化生态环境，影响附近居民生产、生活等。限量排放原则所谓“限量排放”的原则，其核心是根据实际情况，按“以堵为主，防排结合”的原则来设计隧道防排水，排放流量根据具体的工程要求、水文地质特征、周边环境等因素加以控制。限量排放原则的优缺点限量排放原则相比其他两种原则，施工难度小，对隧道结构和防排水安全影响较小。同时又兼顾了隧道工程对自然环境和周边居民生产生活的影响。是目前常采用的岩溶隧道防排水原则。

但是，按“限量排放”原则来设计隧道，衬砌结构受力和围岩稳定性影响是否需要考虑以及如何考虑外水荷载的作用等问题，现行规范基本上尚无这方面的理论和依据可用。因而，排放水的流量控制和外水荷载大小规律是工程设计急需解决的问题，尤其是对于岩溶地区的隧道修建则更成为防排水技术的难点，需要进一步进行深入研究。

穿越岩溶区隧道防排水的处理方法“避、引、堵、越、绕”“避”是指设计中对那些穿越困难，工程量过大的溶洞区，应当避开，不能避开时，应以尽量大的角度穿越；“引”是指引流溶洞水，地下水给施工造成困难，溶洞水大量涌入坑道，会给施工带来危害，引离溶洞水，要注意岩溶地区生活、生产用水不受影响；“堵”是指对于停止发育、无水溶洞，根据其位置及填充情况，用浆砌片石、干砌片石等堵塞封闭，必要时需压浆或用混凝土填实；“越”是指对于不宜作堵塞处理的大溶洞，或者因溶洞充填松软，不宜在充填物上作道路路基，或线路穿越溶洞中暗河时，则需要修建桥梁工程跨越；“绕”是指处理难度极大，用迂回导坑绕过溶洞，可使处理溶洞工程与前方隧道工程平行作业，不致延误工期。概述在岩溶隧道施工中，当遭遇高压富水充填溶洞时，采用全断面帷幕注浆法进行注浆堵水加固。注浆法属于隐蔽型工法，受地层不均一性、材料选择、技术水平所影响，难免会出现注浆盲区，从而在注浆后隧道开挖过程中出现突水突泥，造成危害。释能降压法针对高压富水充填溶洞，采取有计划、有目的的精确爆破揭穿，对溶洞进行放水放泥放石，从而释放溶洞内所存储的能量，以降低施工及运营过程中水土压力对隧道形成影响，之后，通过配套处治措施完成溶洞处治，这种方法称为“释能降压法”。释能降压法是在隧道出口突水突泥灾害发生后，过进口钻孔放水、高位支洞放水、泄水洞放水等多个阶段试验基础上，研究溶洞的泄水机理，从而提出的一套新的施工方法。溶洞泄水机理（结合工程实例—本例为宜万铁路隧道）岩溶隧道溶洞泄水是由于受岩溶水压力作用，从而岩溶水通过钻孔或掌子面释放出来。岩溶水压力大小受地表降雨影响，与岩溶排泄基准面排泄水能力有关（如图1），其相关性可表达为：

P=f（Q+排,Q-排,Q

给)

式中：P为水压力；Q+排为隧道标高以上与隧道存在连系的排泄基准面排泄能力；Q-排为隧道标高以下与隧道存在连系的排泄基准面排泄能力；Q

给为地表降雨补给能力。溶洞泄水机理溶洞泄水机理隧道交叉岩溶时，揭穿岩溶后，隧道内涌水量在地表降雨一定时间后（称为T1）开始增大，经历峰值，然后开始衰减，直到经历一段时间后（到达T2

时间点）稳定为正常涌水量。在T1→T2

时间段内包络面积为降雨引起的洞内排水量。降雨量与洞内排水量应存在平衡关系。隧道内岩溶受地表降雨影响引起洞内涌水分突水型和正常型两种。溶洞泄水机理突水型曲线特征表现为：地表发生强降雨后，由于岩溶管道不畅通，溶洞内降雨响应后，首先表现为水压力积聚，当水压力达到临界压力时，溶洞内充填物无法抵抗水压力，从而造成突水突泥突石，瞬时水量达到峰值，短时间持续后，水量稳定，突水使岩溶管道得到逐渐疏通。突水型峰值流量大，持续时间短。正常型曲线特征表现为：地表发生强降雨后，由于岩溶管道已得到疏通，因此，涌水量逐渐持续增大，到达峰值涌水持续一段时间后水量稳定。正常型峰值流量不大，持续时间长。溶洞泄水机理工程实例分析工程概况宜万铁路马鹿箐隧道全长7879m。隧道为单面上坡，进口标高917.63m，出口标高1038.02m，坡度15.3‰。隧道最大埋深660m。在Ⅰ线左侧30m处设长7850m贯通平行导坑，复线阶段扩挖成Ⅱ线正洞。隧道位于鄂西新华夏构造金子山复向斜中四方洞向斜南东翼单斜地层，如图3。四方洞向斜呈宽缓型，岩层倾角平缓，一般5°～15°，轴线方向总体为NE30°～60°。隧道穿越地层主要有泥盆系碎屑岩，二叠系、三叠系下统大冶组和嘉陵江组灰岩。“978高压富水充填溶洞”穿越地层为T1d

灰色厚至中厚层状灰岩。经探测，溶洞沿隧道纵向发育长度约10m，溶洞内充填泥砂及块石。

2006年1月21日，隧道出口平导施工到PDK255+978遭遇高压富水充填溶洞，发生突水突泥灾害，峰值最大涌水量约300000m3/h，持续约10min后，涌水量减弱至300m3/h。突水造成正洞多名作业人员遇难，估算突水总量约180000m3。泄水过程及泄水机理分析马鹿箐隧道出口遭遇突水突泥灾害后，为确保隧道施工和运营安全，在隧道进口平导左侧20m处设置长4689m泄水洞（1.5‰上坡），泄出“978高压富水充填溶洞”的岩溶水。在实现泄水过程中，经历了钻孔泄水、泄水支洞泄水、泄水洞接通溶洞泄水、泄水洞接通溶洞后自泄水共4个泄水阶段。马鹿箐隧道Ⅰ线、Ⅱ线、泄水支洞、泄水洞位置关系纵剖面图：马鹿箐隧道Ⅰ线、Ⅱ线、泄水支洞、泄水洞位置关系平面图马鹿箐隧道4个泄水阶段统计表泄水阶段泄水方式泄水时间泄水措施泄水效果一钻孔泄水2007年6月30日～2008年1月11日在平导PDK225+886和泄水洞XDK225+900掌子面向溶洞内钻直径为200mm钻孔，通过钻孔泄水。溶洞水水位由1110m下降至1019m，但受暴雨期间地表水补给及钻孔堵塞的影响，水位出现多次反复。二高位支洞泄水2008年1月12日～2月22日增设隧道上方16.5m处高位泄水支洞，实现高位泄水。溶腔水压力仍保持在0.1～0.4MPa三泄水洞低位泄水2008年2月23日～4月10日开挖泄水洞（低于隧道3.8m）接通溶洞进行泄水。溶腔水压力仍保持在0.1～0.4MPa四自泄水2008年4月11日～目前受地表强降雨影响，泄水洞发生突水突泥突石，溶洞被逐渐疏通，实现自泄水功能。溶腔内水压力为0一、钻孔泄水泄水洞于2006年7月3日开始施工，在泄水洞施工至XDK255+900时，在泄水洞掌子面和平PDK255+886掌子面采取φ200mm钻孔泄水。

泄水洞掌子面设置泄水孔15个，平导掌子面设置泄水孔50个。泄水洞和平导掌子面泄水孔实施后，泄水期间，溶洞水水位由1110m下降至1019m，但受暴雨期间地表水补给及钻孔堵塞的影响，水位出现多次反复。结论a）钻孔泄水具有一定的泄水降压作用，但泄水能力有限。地表降雨引起溶洞水量、水压力增加，钻孔泄水对溶洞可以达到一定的泄水降压作用，但当发生强降雨时，钻孔泄水能力趋近于极值，很难满足快速泄水降压作用。同时，降雨总量与泄水峰值存在离散关系，因此，钻孔泄水能力受溶洞充填物堵塞所影响。b）降雨量叠加效应对水量和水压力产生影响。由于钻孔泄水能力有限，因此，通过钻孔泄水很难在较短的时间内将一次降雨所引起的水量、水压力增加值降低，从而使泄水持续时间长。c）岩溶水补给方式极其复杂。一方面，受降雨量观测点限制，难以准确确定各汇水区域的降雨量；另一方面，存在别的排泄通道，岩溶的畅通与堵塞，影响着岩溶水的流向与流量。d）钻孔泄水存在极限排水能力。降雨量小时，峰值流量低，随着降雨量的增大，峰值流量变大。e）采用钻孔泄水，溶洞内仍存在较大的水头压力。溶洞内水压力受地表降雨和洞内钻孔排水能力影响，由于钻孔排水的局限性，当强降雨后，尽管通过钻孔排水，但隧道拱顶以上仍有80～100m的水压力，弱降雨时，水压力为20～40m，施工风险仍然很大。二、高位支洞泄水

为满足溶洞处理需要，避免溶洞水位出现反复，确保隧道施工安全，在泄水洞XDK255+884横通道位置增设长89m的高位泄水支洞。泄水支洞起点里程XZDK255+877，坑底标高988m，终点里程XZDK255+960，坑底标高1016.8m（位于隧道拱顶以上16.5m），纵坡46%（61m）、5%（28m）。

2007年11月23日，泄水支洞施工至PDK255+960，揭示掌子面为软塑状黏土夹块石溶洞充填物，充填物厚度不明，块石直径约10～50cm，黏土为黄褐色，块石表面光滑，流水冲蚀痕迹明显，泄水支洞边墙及拱部为完整灰岩。12月31日，泄水支洞掌子面突发涌泥，涌泥量约75m3，涌泥长度10m。泄水支洞出现涌泥，考虑到泄水支洞坡度大，施工难度大，施工风险高，因而未继续向前施工。随即，对泄水支洞埋设12根φ200mm泄水管泄水，采取混凝土封堵墙封闭。结论

监测期间降雨量很小，泄水量也不大，由于高位泄水支洞受突泥影响采取了封堵预埋排水管措施进行处理，因此，泄水原理与钻孔泄水基本一致。泄水后，溶洞内水压力仍稳定在隧道拱顶以上40m。因此，同样具有施工风险。

马鹿箐隧道高位泄水支洞在一定程度上起到了泄水降压作用，但泄水方式只是过溶洞与充填物的层面进行排水，泄水能力难以达到完全释放溶洞水压力的作用，一般情况下水压力仍为0.1MPa以上，从而使隧道施工具有一定的风险。鉴于时处旱季，溶洞水源主要为动态补给水，水量小、水压低，在平导泄水孔和泄水支洞正常泄水保持排水减压条件下，结合现场实际情况，确保在雨季来临之前安全、快速进行泄水洞掘进，接通溶洞主管道，形成有效的排水能力，消除Ⅰ、Ⅱ线施工风险。三、泄水洞低位泄水泄水洞接近溶洞后，采取6m超长炮孔进行溶洞边界锁定，剩余2.5m时进行精确爆破揭开溶洞实现泄水。2008年3月31日进行爆破，揭示至里程XDK255+983，溶洞右下角出现涌水，4月2日晚在掌子面补炮揭示至里程XDK255+985。泄水洞接通溶洞低位泄水自2008年2月23日开始，到4月9日结束，共47d。泄水期间共降雨90.8mm，其中大暴雨0d、暴雨0d、大雨0d、中雨5d、小雨5d、晴天37d。

泄水洞接通溶洞期间，钻孔泄水、高位支洞泄水、泄水洞接通溶洞泄水共同作用，实现泄水功能。泄水洞接通溶洞后，溶洞并未达到很大的泄水能力，受降雨影响，峰值泄水量4000m3/h左右，隧道拱顶以上水压力仍维持在20～40m水头压力。

四、泄水洞接通溶洞后突水突泥突石自排水

马鹿箐隧道泄水洞2008年3月31日接通后，，4月10日～11日强降雨，溶洞内形成高水压积聚，诱发溶洞发生突水突泥突石，之后，伴随地表强降雨，泄水洞多次发生突水突泥突石响应。结论：a）可以将2008年4月11日发生突水突泥突石到泄水洞完全达到泄水目的时为止划分为两个阶段：突水突泥突石阶段和正常流水阶段。b）突水突泥突石时机具有不确定性。根据统计数据，26次突涌水过程中发生突水突泥突石7次，正常流水19次。分析发生的7次突水突泥突石，降雨后到达突水突泥突石峰值流量的响应时间为4～52h，离散性很大，因此，很难通过理论分析掌握突水突泥突石的时机，突水突泥突石时机具有不确定性。但根据马鹿箐隧道多次突水突泥突石情况来看，一次不会产生多个峰值。结论c）利用地表降雨完成溶洞疏通需要多次。对于溶洞是否疏通的判断既要对水文监测数据进行分析，又要选择安全时间进洞观察。d）降雨量是诱发突水突泥突石的动力。一般降雨量大于30mm才会诱发突水突泥突石。同时，降雨量越大，降雨强度越高，突水峰值流量也越大。e）突水突泥突石持续时间短。突水突泥持续时间短这主要是由于一旦溶洞被高压水击穿后造成突水突泥突石，将会在很短时间内完成能量释放。持续时间一般不超过30min。f）溶洞疏通后，正常流水阶段水文参数稳定，流水量与地表降雨直接产生响应关系。峰值到达时间和涌水持续时间与单位时间降雨强度有关。马鹿箐隧道溶洞处理工程实例的重要结论马鹿箐隧道遭遇“978高压富水充填溶洞”突水突泥后，经历了钻孔泄水、高位支洞泄水、泄水洞接通溶洞泄水、强降雨引起泄水洞突水突泥突石自排水四个泄水阶段。自2008年7月23日，泄水洞已完全疏通，保持正常泄水功能，同时也完成了溶洞的处理。分析马鹿箐隧道溶洞泄水过程，可以得出如下结论。（1）钻孔泄水在一定程度上具有泄水降压作用，但由于钻孔泄水仅仅是将溶洞层面水泄出，同时，受溶洞的不规则性影响很大，很难找到大的出水点，以满足强泄水功能，并且，受降雨影响，溶洞充填物极其容易将钻孔堵塞，使钻孔泄水功能失效。因此，钻孔泄水仅仅能在一定程度上满足泄水作用，很难达到泄水降压目的。高位泄水支洞坡度大，在短距离内接通隧道顶部溶洞，因此，一旦施工中遇到充填物，施工风险高，难以继续施工，不得不将泄水支洞泄水调整为管道排水，从而使泄水能力受限。马鹿箐隧道溶洞处理工程实例的重要结论泄水洞接通溶洞是释放溶洞能量，达到泄水降压最终目的的唯一途径。泄水洞接通溶洞后，若溶洞充填介质为粉质黏性土或砂层，将极易达到快速泄水目的，但若充填块石土或淤泥质黏性土时，必须经过地表强降雨来疏通岩溶管道。因此，建立溶洞水文监测系统极其重要。利用地表降雨疏通溶洞，发生突水突泥突石时机具有不确定性，并且需要多次，因此，应加强安全监控和监测水文数据分析。一般情况下，降雨量大于30mm时才会诱发突水突泥突石。同时，降雨量越大，降雨强度越高，突水峰值流量也越大。溶洞疏通后，水文参数稳定，流水量与地表降雨响应关系明显。概述在隧道施工中,以往对岩溶水的处理方式会造成大量地下水的流失。据统计,某些山岭隧道排水,导致居民、牲畜饮水紧张。特别是当岩溶水CO3-等含量增高时,水的流通将给隧道结构带来极大的侵蚀作用,影响隧道的使用寿命。岩溶堆积物因地下水的流动而坍塌下沉改变洞穴周边的应力分布形态,影响隧道的稳定。隧道中岩溶水的流失,使隧道顶部地面塌陷,造成隧道结构的不稳定。因此,必须对这种大涌水量的岩溶水进行防治。在以往隧道无论设计还是施工,对水的处理多是以排为主,排堵结合，遇水多以暗沟、管道、涵洞、泄水洞、明渠、渗沟、拱桥或增加辅助导坑等截流排除岩溶水。但对岩溶水采取以排为主的防水原则,造成地面和地下水大量漏失,可使隧道地区大量农田干旱,地下水漏失,造成森林枯死,严重影响当地的自然环境。因此可以采用以堵为主,排堵结合的原则。岩溶隧道涌水处治措施根据岩溶水对隧道的不同影响及具体施工条件,采取不同的防治措施。隧道内对岩溶水的处理,应视隧道所在的地质条件,岩溶发育带水的性质和流量大小,采取大疏,小堵,疏堵结合,以疏为主和地表地下综合治理的方法分别处理。

大概具体处理可分2种情况：隧道施工并未切断地下水的主天然通道。隧道施工切断天然主通道。岩溶隧道涌水处治措施隧道施工未切断地下水主通道

对于这种情况，如果采用排的方法可使地下水流失，影响周围环境,因此，可采用全堵的方法。

对于大股流的岩溶水可采用全断面超前帷幕注浆封堵法，注浆加固范围应为隧道开挖轮廓以外1~2倍洞径，注浆段长应取30m左右，注浆孔孔径应为90~108mm，注浆终止压力应为水压力的2~3倍，

浆液扩散半径为0.5~2.0m。隧道施工切断地下水主通道对于这种情况，如果采用堵的方法，会对施工和运营安全不利，增加施工成本，而且影响周围环境。因此必须采取引水的方法。如当暗河和溶洞有水流时,就应宜排不宜堵。在查明水源流向及其与隧道位置的关系后，用暗管、涵洞、小桥等设施，渲泄水流或开凿泄水洞将水排出洞外。当水流的位置在隧道上部或高于隧道时，应在适当距离外，开凿引水斜洞(或引水槽)将水位降低到隧道底部位置以下，再行引排。科洞隧道超前帷幕注浆施工科洞隧道位移湖南省永顺县内，是张花高速公路中最长的隧道，左线里程为Zk72+067~Zk74+230，右线里程为Yk72+087~Yk74+320。该隧道围岩以白云岩、灰岩为主，施工中岩溶极其发育，有溶洞、溶槽、溶蚀裂隙、岩溶管道等。隧道左线施工至Zk72+678里程时,出渣完成后,掌子面大部分区域为泥、砂、石及水泥浆的混合体结构,有少量水。据此情况,立即喷C20混凝土,封闭掌子面,在混凝土喷射作业快完成时左侧拱顶岩石突然被挤垮,泥浆水向外涌出,涌水量为1000m3/h。考虑到涌水量无减小的可能,且根据涌水及超前钻孔情况,判断前方为一比较宽的破碎带,而且富水性极强,有源源不断的补给源,且岩层较软弱,掌子面易被压垮。为了施工安全,采用了超前帷幕注浆的施工方案。

科洞隧道超前帷幕注浆施工

具体的施工过程如下：在涌水口埋设5根200排水管,并在出水口处堆码砂袋堵住涌水,将水引排至后方,沿隧道左侧堆码砂袋形成临时水沟排水,清理掌子面泥砂,堆码砂袋做混凝土堵头模型,建筑4m厚C25混凝土止浆墙。钻孔：钻孔总深度为30m,孔位布置和钻孔外插角见图。3)注浆:全断面超前预注浆的注浆压力取值为1.5~2.5MPa。注浆方式以分段前进式为主,第一循环钻至8m,进行注浆作业,之后每钻进3m,注一次浆,如此循环下去,直至钻到设计孔深。注浆顺序为先外圈后里圈,先上后下,间隔跳孔,每排注浆孔先施作奇(偶)数孔,后施作偶(奇)数孔,偶(奇)数孔同时作为检查孔。科洞隧道超前帷幕注浆施工4、注浆材料:注浆材料主要选用普通水泥单液浆、普通水泥—

水玻璃双液浆。青坪隧道岩溶涌水处治青坪隧道掘进至Yk43+611里程时,在隧道左侧拱腰发现一溶洞,洞内大股水流涌出,涌水量为6m3/min(其中含泥沙量约为25%);掌子面揭示围岩为白云质灰岩,较稳定,涌水图如图：青坪隧道岩溶涌水处治在治理涌水中,曾考虑以下3种治理方案:先排放洞内涌水,然后再进行隧道开挖。不过排水时带走大量泥砂,如果继续排放则容易造成隧道塌方。用水泥药卷封闭溶洞,堵住涌水口,再进行隧道开挖。此方案担心一旦堵住涌水口,则将会造成水压增大,从而影响前方隧道的开挖。限量排放溶洞水并进行隧道开挖,先在拱顶施做长管棚并注浆,随着隧道开挖喷射混凝土,及时封闭掌子面,同时在径向施做双液浆加固岩体,涌水量必然减少,这时再用药卷填充涌水口。此种方案既能保证隧道施工安全,又不至于严重影响原有山体的地下水环境,有利于保护周围山体生态。

最终，综合考虑各方面因素，选择了方案三对隧道涌水进行治理，具体的治理施工过程如下：青坪隧道岩溶涌水处治施做长管棚,管棚长9m,环向间距30c