张 鹏

(中国铁路成都局集团有限公司，四川 成都 610082)

西南岩溶地区穿越水力连通型富水地层的运营铁路隧道,在连续和(或)高强度强降雨、隧道防排水系统具有设计和(或)施工缺陷、管维不当等不利因素单一或组合作用下,会有漏水、突涌水灾害导致供电中断、淹没轨道、隧底隆起、衬砌裂损,不仅中断行车、迫使降速运行冲击运输秩序甚至直接导致行车安全事故。

国内外学者关于隧道水害的研究成果颇多：张向礼等[1]借助超前地质预报等方法,开展了铁路隧道水害动态控制技术研究,提出了涌水量动态监测的反坡排水及其优化技术;代鸿明[2]以工程实践为基础,分析了水害造成隧底隆起及衬砌开裂的原因;李林毅等[3]、刘浩等[4]借助数值模拟技术,探讨了水害发生时隧道结构应力场及渗流场的变化特征,指出地表强降雨、不良地质条件及防排水系统失效是突涌水灾害产生的主要原因;张彦龙等[5]提出用降雨入渗法判断隧道的排水能力,并将数值计算与理论计算相结合确定了隧道水害的产生机理;郑波等[6]对运营高压富水铁路隧道的致灾机制进行了研究,提出了“畅排”的处治理念;王刚等[7]对运营高压富水铁路隧道在季节性岩溶水作用下的衬砌破坏进行了分析研究,指出设置足够的排水通道措施的重要性;李筠等[8]针对富水隧道(段)提出排水通道工后排水面高程应低于对应段落正洞开挖底面高程的建议。

已有研究大多关注隧道水害产生的机理及水害对已有设施造成的破坏原因,受限于应急抢险工作的侧重点和实施验证条件,对水害成因及其综合整治方案的研究有待进一步总结。本文依托西南地区某客专双线隧道水害案例,基于对突涌水灾害的长期多视角考察,分析了发生突涌水事故的主因,并提出了针对性的处治方案,以期为同类案例提供借鉴。

1 工程概况

设计时速350 km的某客专双线隧道全长4 480 m(D1K638+980-D1K643+460),最大埋深约230 m,全隧设25‰和18‰的单面下坡,采用线间距5.0 m的CRTS-Ⅰ型双块式无砟轨道。

隧址区以侵蚀构造中低山地貌为主,洞身穿越大岩寨向斜和观音阁背斜,地层局部岩体破碎、节理裂隙发育,岩质以页岩、灰岩和含煤夹层为主(见图1);地表径流以季节性流水为主,以松散土层孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水为主的地下水补给较充分,地下水运移赋存空间庞大且径流复杂。

图1 隧道进口段纵断面(单位：m)

隧道突涌水段D1K639+900-D1K640+320位于储水构造大岩寨向斜,该向斜轴向呈NS向展布,不对称翼、宽缓褶皱;西翼陡倾角40～50°、轴面倾向W,东翼缓倾角10～30°,核部地层为二叠系下统茅口组灰岩(P1m)。线路左侧地表高程1 170 m,附近为梁山组砂岩(P1l)、页岩地层,系相对隔水层。线路与构造大致平行,导致该段线路附近形成一个向斜储水盆地,深孔钻探揭示“盆地”内地下水位高程为1 151.75 m,天然情况下该处“盆地”水头高约84 m。

该隧道2010年10月开工,2015年3月竣工,6月18日开通运营。该段按Ⅲ级复合式衬砌施工,以防水板和土工布作为主要的防排水设施,并设置1#集水廊道引排岩溶水。该段初支参数(见表1)为拱部180°设置厚16 cm的钢架、相应喷射23 cm厚的砼以包裹拱架,边墙不设置拱架、喷射12 cm厚的砼;拱墙衬砌为厚40 cm的C35纤维砼,仰拱为厚50 cm的C30砼。

表1 初支参数

2 突涌水事故简况

该隧道运营期已发生两次涌突水灾害事故。

2.1 D1K640+145.8-+473.8段突涌水灾害

(1)降雨情况:2017年6月29～30日,隧址区经历连续暴雨,最大小时雨量为15.7 mm、日降雨量为67 mm,连续降雨量为132.6 mm。

(2)突涌水灾害发生：2017年6月30日4:50,辖域高铁工务段巡检发现洞内下行线D1K640+260左侧电缆沟内有射高约2.1 m的浑浊态涌水,泥沙含量较重并伴随大小不一的石块,此后沟槽内水流射高降至0.5 m,水流冲入左线道床与沟槽间流向出口方向;D1K640+260左侧沟槽涌水减弱的同时,上行线D1K640+239.8处拱腰突现目视较高水压射水,大量水流斜向喷射至左侧道床,射水已严重威胁接触网安全,被迫中断行车。

(3)灾害的发展和衍生:19:00洞内观测发现,突涌水灾害范围已大幅扩展,D1K640+145.8-+473.8段有不同程度、不同部位的射水、突涌水、渗漏水(见图2),D1K640+206.8右侧避车洞沿环向施工缝呈帘雨状的涌水,D1K640+227.8-+275.8段左边墙脚及拱部沿施工缝呈股状的突涌水、涌水,且目视水压较大,其余段落墙部及施工缝有多处不同程度的渗漏水。除衬砌表面水迹明显(见图3)外,隧道左侧沟槽底有沿线路方向长50 cm×宽20 cm×深30 cm的破损,仰拱局部破坏。

图2 D1K640+145.8处突涌水情况 图3 D1K640+228.8处突涌水情况

2.2 D1K640+204.8-+259.8段突涌水灾害

(1)降雨情况:2017年9月5日21:00～9月6日7:00,隧址区附近持续遭遇暴雨,通宵降雨量总计72 mm,泄水洞内水压较大,排水量急剧增加。

(2)突涌水灾害发生:2017年9月6日巡检发现D1K640+206.8-+220.8段左边墙拱腰处开裂并伴渗水,D1K640+239.8处右边墙开槽部位3处射水,最远射至右线侧沟盖板(见图4);D1K640+204.8-+259.8段左边墙减压孔出水,其中四孔出水量略大,出水面积约占孔径面积40%(见图5);D1K640+228.8-+239.8段右边墙部分减压孔出水,占孔径面积约10%。

图4 D1K640+239.8处右边墙射水状况 图5 D1K640+251处右边墙减压孔出水

3 突涌水灾害成因分析

3.1 地下水侵蚀

遵循《砼结构耐久性设计标准》(GB/T 50476-2019),对涌水水样简易分析试验表明:在化学侵蚀环境中,水样对砼结构具H1级硫酸盐型侵蚀。侵蚀型地下水的长期作用,会降低围岩及衬砌的稳定性,导致围岩孔洞、管道、罅隙的产生和扩大及衬砌罅隙、孔洞的产生,为渗漏水、涌水、突水创造地下水通道条件。

3.2 不良地质作用

隧址区可溶性碳酸盐岩类分布广泛、岩溶发育段占隧道穿越围岩纵长的95%以上,对隧道围岩稳定性影响较大,季节性丰富的岩溶水等不良地质对隧道的影响也较为明显。

2013年3月23日～6月18日施工期揭示,D1K640+206-+251段有多处溶洞且涌水量较大(图6)。另,洞身多次穿越可溶岩与非可溶岩接触界面具相对集中运移的特点和规律,界面附近存赋岩溶的概率较高,遭遇涌水、突水、突泥的风险较高。

图6 D1K640+224掌子面左拱腰溶洞

涌水灾害地质勘察报告表明:D1K639+900-+982段、D1K640+129-+265段深约2～17 m岩体溶蚀破碎、裂隙发育,多为强溶蚀或溶洞,其余段落溶蚀裂隙局部发育。

3.3 隧道防排水系统失效

建设期施工的1#集水廊道并未与正洞揭示的溶洞连通且设计底板高程高于对应地段正洞仰拱底板高程[8],且致使强降雨时管道排水不畅。水害发生后调研发现,1#集水廊道有较多碎石、含水量较高的薄层粉土充填物,致廊道排水不畅甚至堵塞,在强降雨时的岩溶水作用下水头急剧升高、水压增大,造成局部脱空、欠密实衬砌涌突涌水，局部破坏后出现涌突涌水灾害[6]。

4 突涌水灾害处治

4.1 增设3#排水廊道

抢险期间,自既有1#集水廊道增设了3#排水廊道(见图7)。3#排水廊道与既有1#集水廊道夹角50°0′23″,长42.2 m;3#排水廊道先期使用悬臂掘进机挖掘,遭遇破岩困难时采用数码雷管错相减振技术辅助破岩,按锚网喷格构支护。2017年7月24日,在3#排水廊道对应正洞约D1K640+243.6通过超前探水孔成功揭穿了岩溶水通道,与地质勘察报告结论相符。

4.2 增设左侧4#低位排水洞

为引排正洞左侧灾害段岩溶水,维护隧道结构安全,在3#排水廊道近末端按平行于隧道方向设置L=60 m(两段)的4#低位排水洞(见图7),并设置集水钻孔引排地下水,4#低位排水洞与正洞高程位置关系如图8和图9,其设置方案及施工要点如下:

图7 正洞、泄水洞、廊道及排水洞平面位置关系

图8 正洞D1K640+210处横断面(单位：m)

图9 正洞D1K640+243.6处横断面(单位：m)

(1)4#低位排水洞设于线路左侧,由D1K640+205-+243.6(38.6 m)和D1K640+243.6-+265(21.4 m)两段共60 m组成,自3#排水廊道分别向两个方向设25‰、3‰的上坡(见图10),从3#排水廊道引排地下水汇入既有1#集水廊道并经此引排至泄水洞排出洞外。

图10 4#左侧低位排水洞纵断面设计(单位:cm)

(2)4#低位排水洞内净空3.0 m×3.5 m(宽×高)(见图11),按Ⅲ级围岩锚网喷格构支护后,施作C35钢筋砼模筑衬砌,廊道端头设C20耐腐蚀砼挡头墙,顶厚0.5 m,胸坡1∶0.3,廊道支护参数如表2所示。

表2 4#排水洞支护参数

图11 4#排水洞Ⅲ级支护设计(单位:cm)

(3)在4#低位排水洞内靠近正洞边墙及拱部、垂直于线路方向钻设∅10 cm集水孔,以期为正洞小局域排水降压,集水孔长度以正洞初支外缘50 cm为控制标准,每处设2孔,仰角分别为30°(长4.6 m)、45°(长15 m)(见图12)。通过集水钻孔将正洞拱顶及左侧岩溶地下水引入廊道排走,施工时可据钻孔时的出水情况,适当调整集水孔数量和位置。

图12 4#低位排水洞集水钻孔典型横断面(单位：m)

4.3 增设右侧5#低位排水洞

为准确探明、验证、畅排隧道突涌水灾害段右侧岩体的岩溶、岩溶水发育范围、程度及其与隧道的位置关系,在泄水洞对应正洞D1K640+667处右侧增设5#下穿正洞顺坡低位排水洞(见图7),其终点里程对应正洞D1K640+200处,设置方案和施工要点如下:

(1)5#低位排水洞设于线路右侧,依次由坡度1‰、12‰和25‰单面上坡的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组成(见图13),排水洞在对应正洞D1K640+355处以拱顶距正洞仰拱底3 m净距下穿正洞(见图14)。

图13 5#左侧低位排水洞纵断面设计(单位：cm)

图14 5#低位排水洞下穿正洞(单位:m)

(2)排水洞按中小型无轨单车道设置断面,其净空为3.0 m×3.5 m(宽×高),并在洞内设置1处断面净空7.5 m×3.5 m(宽×高)的错车道。洞口段、下穿既有泄水洞和正洞段、集水廊道含煤地层段均按锚网喷格构支护后,施作钢筋砼模筑衬砌;其余地段均采用锚喷衬砌,并在两侧墙脚处设矮边墙,以防涌水冲刷;排水洞圬工均采用耐腐蚀砼。

(3)在5#低位排水洞D1K640+254-+200(PSD5K+514.2-+568.2)段内部靠近正洞侧边墙及拱部、垂直于线路方向钻设∅10 cm集水孔,集水孔长度以正洞初支外缘50 cm为控制标准,每处设3孔,仰角分别为10°(长6.5 m)、30°(长6.9 m)、45°(长15 m)(见图15)。通过集水孔将正洞拱顶及右侧地下水引入排水洞排走,施工时可据钻孔时的出水情况,适当调整集水孔数量和位置。

图15 5#低位排水洞集水钻孔典型横断(单位:m)

4.4 D1K640+237-+248段左侧衬砌背后溶腔处理

以涌水灾害地质勘察报告为基础,结合突涌水情况和水文地质分析,判断隧道D1K640+237-+248段衬砌背后有溶腔与竖向管道相通,系岩溶水通道,该通道在3#排水廊道端头附近。为保证衬砌结构安全,须先泄水降压,再于溶腔内设置护拱,密排埋管及钻孔,以畅排季节性岩溶水。

为截排正洞D1K640+237.3附近竖向岩溶管道水,自4#低位排水洞D1K640+237.3处向大里程设置4个∅20 cm集水钻孔,钻孔长L=6～7 m、纵向@1 m,确认钻孔接通竖向岩溶管道后,清理溶洞底板淤泥填充物,找平后做顺排水坡,再处理溶洞。沿D1K640+238.6-+243.6段正洞拱顶,在岩壁缝隙内按纵向@1 m预埋5根外裹无纺布的∅20 cm镀锌排水钢管,以保证溶缝排水通畅及结构安全;预埋排水管后,在溶腔段设置C35耐腐蚀钢筋砼护拱,护拱与正洞初支轮廓线相距50 cm,高度据溶腔几何尺寸调整。护拱完成后,检查各预埋管道的畅通性,对护拱外溶腔壁进行顺坡清理及施作锚网喷防护,以使溶腔岩溶水顺利排入3#排水廊道;在端头下部设胸坡0.3、顶宽0.5 m的封堵墙,封堵墙顶部与溶腔口顶部的出水口不小于100 cm,确保3#排水廊道端头溶腔出水口口径尺度。最后,设置两组溢浆管和注浆管,对裂缝充填注浆处理至浆液外溢。D1K640+239.2左侧衬砌后溶腔处理示意见图16。

图16 D1K640+239.2处左侧衬砌背后溶腔处理(单位:m)

对突涌水灾害采用上述处治后,隧道运营状态良好,至今未再发生明显水害,佐证了处治技术有效性。

4.5 其它处理措施

抢险施工中,对洞内施工缝掉块和衬砌开裂采取了格构法和现浇钢筋砼内衬两种方式加固;新的排水系统构建后,对洞内减压孔实施了封堵和管道引排至排水沟措施;在抢险工程竣工资料中,对运维单位提出了每年雨季前、中、后及例行秋检时,进行淤积检查和及时清淤的要求。

5 结束语

该隧道突涌水灾害发生后,基于现场调研、技术资料收集、涌水灾害地质勘察报告的综合分析,研判了相关具体发育溶蚀溶腔的位置,分析了突涌水灾害的主因,制定和实施针对性处治技术方案,消除了突涌水灾害的威胁。

(1)在地下水侵蚀、不良地质作用及防排水系统失(无)效等因素共同作用下,强降雨引起的季节性岩溶水聚集并形成短时较高压力岩溶水是该隧道突涌水灾害的主因。

(2)据该隧突涌水灾害的特征而制定和实施的“增设排水廊道和排水洞、衬砌背后溶腔处治”技术措施,经运营验证效果良好,可为类似隧道工程突涌水灾害处治提供借鉴和参考。

(3)施工期揭示的含水和可能含水溶洞溶腔均应构建直接连通的排水通道,系统性排水通道的排水面高程应适当低于响应段落正洞的最低开挖(结构)高程,永久性排水通道应及时清除淤积。

中南大学王立川教授、李林毅和杨喜锋博士及建设相关方的同侪,为本文所涉处治技术实践做出了贡献、对本研究提供了支持,在此一并致谢！