高速公路隧道机电设施下一步计划（利万高速公路齐岳山隧道防排水系统优化）

冯升夏 齐勇湖北省交通规划设计院股份有限公司

摘 要：齐岳山隧道是利万高速公路上的一条岩溶区特长隧道，施工期间揭露岩溶极发育，地下水水头高、涌水量大，远远超过设计预测值，导致多次淹井并造成结构破坏。为保证施工安全和后期正常运营，对原防排水系统进行了优化设计，遵循“节源开流”的原则，采取了增设引水洞、洞内注浆堵水、优化排水沟、新增排水通道、左右洞分段互补排水等工程措施，达到了预期的效果。通过本次工程实践，得出岩溶区特长隧道防排水系统设计宜以堵为主，洞内明沟排水和洞外引水洞辅助排水相结合的结论，并提出“互补式排水”和“分段排水”的理念，可为类似工程防排水系统优化设计提供参考。

关键词：岩溶区特长隧道;互补排水;分段排水;防排水系统;优化设计;

受地下水影响，岩溶发育地区修建隧道具有风险高危害大、隐患持续时间长的特点。施工期间无预防揭露岩溶时常伴有不同程度的涌水突泥，给工程建设带来不利影响，如沪蓉西高速公路龙潭隧道ZK72 205～ZK71 940处于奥陶系下统南津关组强岩溶地层，自2006年11月份开挖至2009年7月份，该段先后发生了四次涌水突泥灾害，持续处理时间长达三年。运营隧道受岩溶水长期影响常常造成各种病害，影响行车安全，以喀斯特地貌为典型的贵州省为例，织金县元宝山隧道，2006年6月强降雨后地表水短时间通过溶管、溶隙、进入地下，造成二衬严重破损、开裂、渗漏;贵州省桐梓县洞湾隧道，运营后排水沟瘀堵严重，造成施工缝渗水、路面积水、检查井涌水。另外，以排水为主的隧道防排水设计理念导致隧道成为地下水主要的排水通道，导致地下水位下降，对地表生态环境造成破坏。

鄂西南齐岳山地区为碳酸盐岩分布区，岩溶和岩溶地貌十分发育，岩溶地下水也极为丰富，且旅游资源丰富，生态环境脆弱，利万高速公路齐岳山隧道是横穿齐岳山山脉的高风险岩溶特长隧道，建设期遇到大量的岩溶地质灾害，岩溶涌水量远远超过设计预测，本文主要就齐岳山隧道建设期间采取的防、排水优化措施做一总结。

1 工程概况

齐岳山隧道是利万高速公路的控制性工程，设计为分离式双向4车道隧道，设计速度80km/h，左幅全长3375m，右幅全长3386m，最大埋深543m。隧址区属构造溶蚀—剥蚀中山地貌，隧道横穿齐岳山背斜，南东翼产状为115°∠70°、北西翼产状320°∠60°，地表局部覆盖有第四系残坡积粉质粘土(Qhdl el)，下伏基岩为二叠系灰岩、硅质灰岩(夹煤层及页岩)和三叠系灰岩(局部夹薄层页岩)，岩溶极发育。区内地表水不发育，地下水极发育，以岩溶水为主，多储存于岩溶管道内，地下水主要靠大气降雨补给，通过地表岩溶洼地和落水洞进入到岩溶含水层中，通过溶蚀裂隙和管道径流，最终以岩溶泉(暗河)形式排泄。

受构造和地层控制，结合区域内地下水补给、径流、排泄特征，推断齐岳山隧道区域范围内存在三个岩溶水系统，德胜场-响水洞地下暗河系统(A-1)、五龙寺岩溶水系统(A-2)和碾房湾岩溶水系统(A-3)。(A-2)和(A-3)发育于齐岳山山脉东麓，主要影响齐岳山隧道进口段;(A-1)位于齐岳山背斜西侧岩溶槽谷中，在平面上与隧道出口段相交，且两者在高程上非常接近，存在较大突水突泥地质灾害的风险，三个岩溶水系统详细情况如表1所示。

2 设计防排水系统和施工实况2.1 原设计防排水系统2.1.1 防水措施

(1)二次衬砌采用防水混凝土，防水等级S8级;

(2)初期支护和二次衬砌之间设置300g/m2无纺土工布 EVA防水板;

(3)沉降缝、施工缝处设置背贴式止水带 中埋式止水条防水。

2.1.2 排水措施

(1)行车道两侧采用缝隙式排水沟引排路面水和清洁用水，行车道下方设置Φ30cm侧式排水盲沟引排地下水;

表1 隧址区内岩溶水系统一览表 下载原图

(2)初期支护与防水板之间按10m的纵向间距设置环向排水管，将地下水引入侧墙底部纵向排水管集水;

(3)检修道下方设置横向排水管连通纵向排水管和侧式排水盲沟，将地下水排出洞外。

另外洞身破碎带、富水地段设计了抗水压衬砌和超前帷幕注浆预固结堵水。

2.2 施工揭露岩溶和地下水状况

施工过程遇到大小溶洞61个，岩溶涌水16次，淹井8次，其中最大一次岩溶涌水105.2万m3/d，淹井长度810m，累计抽排830多万m3，典型溶洞、涌水及危害介绍如下。

(1)侧墙溶洞:溶洞位于1#车行横通道左侧侧墙，椭圆形垂直发育，季节性涌水，枯水期上部有滴水，水量较小，丰水期涌水量猛增，涌水呈瀑布状，幅宽约2m，涌水量120L/s。

(2)底板涌水:位于YK19 925右侧，距离隧道中心线约3m，为管道型常年涌水，水头高度1.3～2.0m，涌水点管径约40cm，降雨情况下涌水量猛增，平均涌水量40L/s。

(3)侧墙涌水:ZK20 130～ZK20 153段边墙大面积呈有压状涌水，出水面积约170.45 m2，枯水期水量较小，在外界降雨情况下水量猛增，个别出水点呈雾状喷射，推测涌水量54L/s。

(4)结构破坏:2016年6月30日8:00时许开始降雨，约13:00洞内涌水量猛增，排水沟满沟且溢出至路面漫流，晚19:00部分调平层起拱开裂、水沟侧壁压裂，出现线状和股状涌水，YK19 770二衬压溃崩塌伴有股状涌水。

3 防排水系统优化

通过工程类比法和渗透流速法，齐岳山隧道单洞预测涌水量为90058m3/d，施工期间右洞实测流量为276720m3/d，左洞实测流量约84709m3/d，实测流量远大于预测涌水量。且隧道岩溶水系统与地表连通性极强，降雨后洞内瞬时涌水量大，水压力高，对原设计防排水系统进行优化势在必行，遵循“节源开流”的原则，对隧道防排水系统进行优化。

3.1 防水优化措施

防水系统优化属“节源开流”中“节源”部分，即采取工程技术措施提前将地下水引流或阻挡于洞外，不使其进入隧道排水体系，齐岳山隧道防水优化措施体现在两个方面。

3.1.1 隧道出口增设引水洞

隧道出口段和(A-1)暗河系统在平面上相交，预测相交桩号在YK21 800～YK22 300之间，地下暗河流向由南向北，据此在隧道出口南侧增设510m泄水洞，泄水洞走向基本平行于主洞走向，与齐岳山隧道左洞平面间距30m，设计标高低于隧道设计标高5m。

引水洞作用主要体现在:

(1)提前引排德胜场-响水洞地下暗河系统地下水的作用;

(2)作为超前平导起超前地质预报的作用;

(3)引水洞标高低于主洞标高，起到降低地下水水位的作用。

3.1.2 隧道洞内注浆堵水

除了与隧道直接交叉的地下暗河外，隧道洞身还分布大小不一、形态各异的岩溶管道和溶槽，具有高频率发育、与地表水力联系密切的特点，其对隧道建设的影响如下。

图1 齐岳山隧道引水洞布置示意图 下载原图

(1)齐岳山地区旅游资源丰富，生态环境脆弱，隧道长期袭夺地下水将造成环境破坏且难以恢复;

(2)岩溶涌水无法得到有效的治理将影响隧道结构安全，且后期治理困难;

(3)隧道实测排水量已超过设计预测值，对岩溶涌水不进行有效封堵将造成运营期洞内排水不畅，影响运营安全;

(4)被动的反坡排水造成大量资源浪费，严重影响隧道施工安全以及施工进度;

综合考虑上述因素，设计采用控制注浆的措施对岩溶涌水进行封堵，控制注浆使用专用注浆泵和控制液，通过改变控制液的掺量，实现对混合液凝胶时间和注浆范围的控制，从而达到固结围岩、封堵地下水的目的。

图2 涌水注浆钻孔布置示意图 下载原图

如图2所示，坚持“先疏后密、由远及近、分批分序”的原则进行布孔设计。以涌水点为中心，呈辐射状逐次加大辐射半径，注浆固结圈半径2m，施工时先施工最外侧第一批注浆孔，同一批注浆孔细分三个序列，先第一序孔1-1、1-2、…;再第二序孔1-(1)、1-(2)、…;最后第三序孔1-Ⅰ、1-Ⅱ、…，第一批注浆孔完成后观察注浆效果，达到注浆止水目标可提前终止注浆，止水不理想则施工第二批注浆孔。

3.2 排水优化措施

排水系统优化属于“节源开流”中的“开流”部分，即在受限的隧道建筑空间内，采取可行的工程技术手段将进入隧道内的地下水引排出洞外，不使其影响隧道结构安全和运营安全。

3.2.1 优化排水沟型式和尺寸

齐岳山隧道岩溶水和地表水水力联系密切，地下水裹杂大量泥沙，导致排水盲沟易淤塞，采用明沟排水便于运营期清理养护，避免水沟淤塞，故将原设计Φ30cm侧式排水盲沟调整为侧式排水明沟，尺寸加大至40×60cm。

图3 优化前后排水沟设计图 下载原图

盲沟排水流量计算公式:

管沟排水流量计算公式:

通过公式(1)(2)计算得原设计排水盲沟排水流量Q0=0.0672×10-3 0.1304=0.1305 (m3/s)，优化后排水明沟排水流量Qn1=0.7029(m3/s)，排水能力增加432%。

3.2.2 新增排水通道

齐岳山地处亚热带大陆性湿润气候区，降水集中、降雨强度大，山区小气候特征明显，夏季雷阵雨-暴雨几乎天天出现。对此在隧道电缆沟下方增设Φ30cm钢波纹排水管，原设计横向排水管穿过其中引入侧式排水明沟。

图4 钢波纹排水管布置图 下载原图

通过公式(2)计算得Φ30cm钢波纹排水管排水流量Qn2=0.0579(m3/s)，钢波纹排水管旱季作为备用排水通道，雨季时即发挥排水作用，不影响路面行车，不增加运营期养护难度。

3.2.3 左右洞分段互补排水

根据施工期间实测数据，右洞排水量约为左洞排水量3倍，造成右洞排水系统能力不够而左洞排水系统不能完全发挥作用的状况。对此提出“互补排水”的理念，在车行横通道内增加排水暗涵，排水暗涵连通左、右洞排水沟。通过排水暗涵将右洞地下水引入左洞排水系统排出，左、右洞协同作业行成互补式排水，改变以往左、右洞排水系统相互独立的状况。

图5 车行横通道排水暗涵布置图 下载原图

齐岳山隧道为特长隧道，长距离流程造成排水沟内水流流速缓慢、摩阻力增大，特别是隧道出口段排水沟易满沟并造成路面积水。《公路隧道设计规范》规定车行横通道纵向间距一般取700～1000m，每个车行横通道内增加一道100×100cm排水暗涵，即以700～1000m作为一个排水区域形成“分段排水”，防止因排水管沟过长引起沟内水溢出影响行车安全。

4 实施效果

(1)引水洞达到预期效果。2013年7月29日引水洞掘进至LK0 463处掌子面左侧揭露大型溶腔，溶腔内有大量向四周发育的裂隙、孔洞，流水声明显，经地质工程师判断为德胜场-响水洞地下暗河顶部溶腔。

(2)注浆堵水达到预期目的。对施工期洞内涌水部位进行控制注浆堵水后，基本无水或仅有少量渗水，堵水率不低于80%，达到了限量排放的目的。

(3)排水沟排水能力满足要求。

排水系统优化后，左、右洞管沟总排水流量:

左、右洞实测流量为276720 84709=361429m3/d，注浆堵水后堵水率保守取值50%，推算最大排水量为:

排水能力满足要求。

(4)施工安全和运营安全得到保障。2017年12月利万高速正式通车，经过5年建设期和2年运营期的检验，建设期未发生一起安全事故，运营期未发生路面积水、结构破坏、封路限行等不良影响。

5 结论

(1)岩溶区隧道确实无法绕避的地下暗河，建议优先考虑引水洞引流地下水，可大大降低施工风险，并可作为超前平导起超前地质预报作用。

(2)生态环境脆弱的岩溶地区，隧道内地下水应“以堵为主，限量排放”，避免大量地下水流失造成环境破坏，限量排放至何种程度则可根据排水系统排水能力综合考虑。

(3)岩溶隧道排水沟宜采用明沟型式，排水明沟不宜堵塞，便于后期养护清理，且在隧道建筑空间受限的条件下能发挥最大排水能力。

(4)隧道电缆沟下空间往往闲置采用混凝土回填，在需要新增排水通道时可作为排水空间加以利用。

(5)“互补排水”的理念适用于左、右洞室排水量相差悬殊的隧道，通过排水暗涵可将排水量大的洞室内地下水引入另一侧洞室内排水系统排出，左、右洞协同作业行成互补式排水，改变以往左、右洞排水系统相互独立的状况。

(6)通过车行横通道内的左、右洞联系排水通道可实现700～1000m的“分段排水”，避免因排水流程过长引起管沟内水上溢造成路面湿滑、积水，影响行车安全。

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