TSP超前預報在新萬山寺隧道涌水災害防治中的應用

李維宏

(中鐵十八局集團有限公司,天津 300222)

1 工程概況

新萬山寺隧道為達州至成都線擴能改造工程三匯鎮(zhèn)(不含)至遂寧(含)站前工程 Z Q S G-6合同段的關(guān)鍵工程,也是本項目重點控制工程之一。該隧道為雙線隧道,全長3 410 m,位于大通車站和蓬溪車站之間,進口里程 D K 149+310,出口里程 D K 152+720。全隧道位于半徑4 000 m左偏曲線上,進口端1 752 m位于 4‰的上坡,出口端1 658 m位于 -4.9‰的下坡,洞內(nèi)按人字坡設置。

新萬山寺隧道于 2006年 7月 9日施工至掌子面里程 D K 150+934位置時發(fā)生涌水。地下水首先從掌子面 D K 150+934處的右下角的施工鉆孔處流出,呈泉眼狀涌水;接著,另一處從位于隧道中線左側(cè)距底板50 cm處,經(jīng)鉆孔向外噴水,噴射距離約 5.8 m左右。開始涌水水量較大,達到3 000 m3/d,具有一定的承壓性,但隨著時間的推移,涌水水量逐漸減小,最后穩(wěn)定在 500 m3/d,水壓逐漸減小,水質(zhì)清澈,無泥沙等物質(zhì)。涌水淹沒了掌子面的施工設備,造成隧道掘進暫時停工 1 d,見圖1。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

隧道穿越萬山寺深丘區(qū),為嘉陵江水系與涪江分水嶺。群丘連綿,呈東西向發(fā)展,線路與其大角度斜交通過。地面高程 330～450 m,相對高程約 120 m。丘陵圓緩平滑,局部為陡坎,支狀溝谷發(fā)育,坡面植被發(fā)育。

圖1 新萬山寺隧道發(fā)生涌水災害示意

1)地層巖性

隧道穿越侏羅上統(tǒng)遂寧組(J3s)紫紅色砂巖,偶夾少量的泥質(zhì)粉砂巖。丘陵表層覆蓋坡殘積土;丘陵頂部出露侏羅上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組泥巖夾砂巖。隧道進口溝槽中分布坡洪積粉質(zhì)黏土(含松散土);隧道進口段分布厚度不一的滑坡堆積層、坡崩積層。

2)地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)域距青川大斷裂約 200～250 m。青川大斷裂為龍門山后山斷裂的北延部分,受該斷裂帶影響,出口一帶巖體破碎 ～較破碎,產(chǎn)狀紊亂。隧址區(qū)內(nèi)穿越隧道的大型構(gòu)造主要是天星橋斷層,北東至南西向展布,伴生斷裂通過,洞身圍巖巖性中也有斷層構(gòu)造破碎帶。影響帶附近巖體破碎和極破碎,具良好的富水空間及運移逕流通道,基巖泉水點(井)出露較多,斷層具有一定的導水性強度和賦存水性,地下水較豐富。主要節(jié)理產(chǎn)狀 :N 40°E/90°,N 50°/85°S W。地震動峰值加速度 ＜0.05 g,地震動反應譜特征周期為 0.35 s。

3)水文地質(zhì)

根據(jù)隧道通過區(qū)出露的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造特征,結(jié)合含水介質(zhì)的不同,將隧道區(qū)地下水分為第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水和基巖裂隙水三大類。

4)不良地質(zhì)災害

①突涌水:由于隧道施工區(qū)位于降水量充沛的地區(qū),該地區(qū)地表水和地下水均十分發(fā)育,隧道區(qū)內(nèi)各種裂隙構(gòu)造十分發(fā)育。隧道地表水主要為季節(jié)性溝水,無常年流水,地表水不發(fā)育。隧道地表泄水條件較好,巖性多為泥巖(砂巖夾層的厚度一般為 3～5 m),為相對隔水層;巖層近于水平,發(fā)育蓄水構(gòu)造。本地層中局部含脈狀石膏,地下水對混凝土具硫酸巖侵蝕性。本隧道最大涌水量為4 000 m3/d。

②坡崩積堆積體:隧道進口處(D K 149+225～D K 149+345范圍)發(fā)育坡崩積體,沿線路長度 120 m,寬 90～130 m,厚度 2～5 m、3～15 m不等,主要由粉質(zhì)黏土、塊土及角礫土組成。1#斜井洞口段位于坡崩積堆積體中,主要由粉質(zhì)黏土夾碎塊石組成,粉質(zhì)黏土約占 60%,塊石約占 30%～40%,塊石直徑一般為 2～4 m,最大達 6 m,巖性為砂巖,厚度 2～5 m。2#斜井洞口段位于坡崩積堆積體中,主要由粉質(zhì)黏土夾碎塊石組成,粉質(zhì)黏土約占 50%～60%,塊石約占 30%～40%,塊石直徑一般為 1～3 m,最大達 10余 m,巖性為砂巖,厚度 2～5 m、3～8 m不等。

③危巖落石:1#、2#斜井、渣場均位于溝槽中,兩側(cè)山坡均有多種砂巖陡坎,砂巖呈“X”形節(jié)理裂隙發(fā)育,形成很多砂巖塊石,穩(wěn)定性差,溝槽隨處可見崩積砂巖塊。

3 涌水災害的成因和機制

新萬山寺隧道發(fā)生涌水事故段附近隧道圍巖中的大型構(gòu)造主要是天星橋斷層,涌水點距離天星橋斷層構(gòu)造僅僅 36 m左右(圖2)。新萬山寺隧道圍巖的構(gòu)造直接受到它的影響。天星橋斷層在地表露頭寬約 8 m,是一個由多條小斷裂組成的構(gòu)造破碎帶,在斷層帶內(nèi)的構(gòu)造巖表面可見壓性擦痕,初步推斷該斷裂構(gòu)造早期表現(xiàn)為壓性斷裂,在現(xiàn)代構(gòu)造應力場的作用下表現(xiàn)為張性斷裂,斷裂走向 N E 42°,傾向 N W95°,斷層面呈波狀起伏,傾角介于 76°～82°間,總體上近于直立,與隧道中軸線呈 75°角相交。斷裂帶內(nèi)巖石破碎,節(jié)理密集發(fā)育,節(jié)理裂隙面扭曲變形,由于它與地面相通,現(xiàn)在已成為隧道周圍地下水運移活動和賦存的重要通道。

發(fā)生涌水事故段隧道圍巖中的小型構(gòu)造主要是與天星橋斷層相伴生的,發(fā)育在天星橋斷層上盤靠近主斷層面的構(gòu)造伴生節(jié)理帶。地下水就賦存在其中,由于有一定的靜儲量,當隧道掘進開挖施工將隔水層鑿穿后,涌水隨之發(fā)生,使得涌水在一開始表現(xiàn)出一定的承壓性,但隨著裂隙水逐漸釋放,壓力也逐漸減小至零。

圖2 新萬山寺隧道發(fā)生涌水與天星橋斷層關(guān)系示意

4 防治措施

針對新萬山寺隧道涌水受到隧道圍巖中的地質(zhì)構(gòu)造的嚴格控制,其涌水也來源于賦存在圍巖構(gòu)造裂隙中的地下水,涌水帶巖石致密堅硬,不溶于水,透水性差,涌水裂隙延伸穩(wěn)定,在現(xiàn)場施工中采取了“地質(zhì)預報結(jié)合強排、注漿加固圍巖”的治理措施。

4.1 地質(zhì)超前預報

為了保證隧道的施工安全,在進行了現(xiàn)場踏勘和實地調(diào)查后,確定對于發(fā)生突涌水的掌子面進行 TSP超前預報探測,以查明涌水災害的成因和主要隱伏控制構(gòu)造,然后再輔以紅外探水和超前水平鉆驗證。

TSP-200超前地質(zhì)預報系統(tǒng)是專門為隧道和地下工程超前地質(zhì)預報研制開發(fā)的,目前世界上在此領(lǐng)域較先進的設備,采用的是回聲測量原理。

超前地質(zhì)預報能方便快捷地預報掌子面前方 100～150 m范圍內(nèi)的、與探測方向大角度相交的面狀地質(zhì)結(jié)構(gòu)面,對軟弱巖層、不整合接觸界面、風化殼等地質(zhì)情況反應最為準確,為隧道施工提供了一種有效的探測方法,為隧道變更施工工藝提供了依據(jù),大大減少了隧道施工坍方帶來的危險性,減少了人員和機械的損傷,經(jīng)濟效益明顯。

本次探測所采集的 TSP數(shù)據(jù),通過 TSP win軟件處理,獲得 P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面和反射層提取,以及巖石物性參數(shù)等成果。預報距離為 140 m(從掌子面起算,即 D K 150+934～D K 151+074)。

在成果解釋中,以 P波資料為主對巖層進行劃分,結(jié)合 S H波、S V波資料對地質(zhì)現(xiàn)象進行解譯,見圖3。圖3顯示,該段圍巖確實存在一個隱伏斷裂構(gòu)造,該斷裂也確實控制著這一段圍巖中的地下水和巖溶構(gòu)造的發(fā)育和分布情況。其發(fā)育的巖溶構(gòu)造由于這個斷裂構(gòu)造的存在而相互連通,為地下水運移和存儲提供了的空間。解譯成果如下:

圖3 新萬山寺隧道TSP探測成果解譯圖

①D K 150+934～D K 150+949(15 m):該段為Ⅲ級圍巖。圍巖中有發(fā)育的構(gòu)造裂隙,局部有巖溶發(fā)育,其地下水受到構(gòu)造的嚴格控制,其出水部位跟隧道揭露的構(gòu)造位置有關(guān)。

②D K 150+949～D K 150+974(25 m):該段為Ⅴ級圍巖。TSP探測中發(fā)現(xiàn),圍巖中有發(fā)育的巖溶構(gòu)造,影響范圍約為 15 m×20 m,P波速降低明顯,約達到10%,應在開挖中注意超前探水和排水。

③D K 150+974～D K 151+012(38 m):該段為Ⅲ級圍巖。圍巖中有發(fā)育的構(gòu)造裂隙,局部有巖溶發(fā)育,其地下水受到構(gòu)造的嚴格控制,其出水部位跟隧道揭露的構(gòu)造位置有關(guān)。

④D K 151+012～D K 151+044(32 m):該段為Ⅴ級圍巖。TSP探測中發(fā)現(xiàn),圍巖中有發(fā)育的巖溶構(gòu)造,影響范圍約為 19 m×25 m,P波速降低明顯,約達到16%,應在開挖中注意超前探水和排水。

⑤D K 151+044～D K 151+074(30 m):該段為Ⅲ級圍巖。圍巖中有發(fā)育的構(gòu)造裂隙,局部有巖溶發(fā)育,其地下水受到構(gòu)造的嚴格控制,其出水部位跟隧道揭露的構(gòu)造位置有關(guān)。

4.2 防治措施

隧址區(qū)受斷層和巖溶的影響,地下水發(fā)育,可能產(chǎn)生涌水、涌泥等事故,設計上考慮的措施如下:

1)采用地質(zhì)航拍判釋和物探手段,結(jié)合地表專項水文地質(zhì)調(diào)查,初步查明富水區(qū)段,掌握巖溶發(fā)育規(guī)律并預測洞內(nèi)可能的涌水位置。

2)施工時,根據(jù)隧道掌子面的地質(zhì)情況,采用物探和超前鉆孔等手段對前方進行地質(zhì)預報。

3)根據(jù)各探孔的探測和出水情況,綜合判定是否進行提前預注漿堵水和堵水方式。

4)預注漿方案,當預測前方存水體水量較大時,可進行洞內(nèi)深孔預注漿,提高圍巖的強度和降低其滲透系數(shù),災害性預防涌水突泥的發(fā)生并保護地下水環(huán)境。

5)后注漿方案,對于巖溶比較發(fā)育的地段,隧道開挖初支后應對洞周徑向掃描,若發(fā)現(xiàn)洞周 10 m左右范圍內(nèi)存在地下水補給通道,則應實施后注漿方案,以預防隧道開挖后涌水、突泥導致的風險。

6)排水施工方案,當預測前方水體靜貯量有限時,可揭開排水,采用抽水設備或順坡排水維持施工;當預測前方為暗河時,根據(jù)暗河原有排水通道情況制訂恢復原排水體系方案。

4.3 注漿堵水

根據(jù)隧道的實際地質(zhì)情況,注漿堵水方式采用預注漿和后注漿兩種相結(jié)合的綜合注漿手段。其中,預注漿包括全斷面帷幕超前預注漿、全斷面周邊超前預注漿和局部斷面超前預注漿等方式;后注漿包括徑向注漿、局部注漿和補充注漿等方式。其選用標準如表1。

表1 注漿方式選擇標準

5 結(jié)語

注漿技術(shù)是從實踐中總結(jié)出來的,不能一成不變,必須在施工實踐中不斷修正、補充、發(fā)展、完善、創(chuàng)新,根據(jù)地質(zhì)情況,及時調(diào)整各項參數(shù),以達到最佳的注漿效果。總之,合理的防排水措施,不僅關(guān)系到巖溶富水段落隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的問題,更與周邊生態(tài)環(huán)境息息相關(guān),是巖溶地區(qū)隧道安全施工的基礎(chǔ)。

注漿固結(jié)有效范圍可達 4 m左右,注漿后基本未發(fā)現(xiàn)流水呈線現(xiàn)象,整個斷層破碎帶總的堵水率正常。從開挖后掌子面的固結(jié)情況看,固結(jié)效果很明顯,漿液在巖體中充填密實,膠結(jié)牢固。掌子面開挖大部分均采用爆破方式進行,由于固結(jié)后整體性好,可取消原設計的超前小管棚,減少一部分格柵支撐,可大大加快了施工進度。

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