宜萬鐵路齊岳山隧道 DK363+629高壓充水溶腔處理技術

黃鴻健,張民慶

(鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000)

1 工程概況

齊岳山隧道是宜萬鐵路 8座Ⅰ級風險隧道之一,隧道全長10528m(DK361+255～DK371+783),隧道最大埋深 670m。隧道進口高程1126m,自進口至出口為單面下坡,坡度依次為 -13‰(345m)、-15.3‰(9300m)、-6‰(883m)。為保證隧道施工工期,設置貫通平行導坑(隧道左側 30m處)和斜井各 1座。

如圖1所示,齊岳山隧道穿越中、下侏羅統上、下沙溪廟組、新田溝組、自流井組、珍珠沖組和三疊系須家河組、巴東組、嘉陵江組、大冶組,以及二疊系長興組、吳家坪組、茅口組等地層,其中可溶巖長 4.7km,占全隧總長度的 45%,可溶巖均處在隧道進口端。

齊岳山隧道穿越區段可分為中山區(進口 ～DK364+900)、中山谷地 (DK364+900～ DK365+150)和低中山區(DK365+150～出口),3個區域分別對應齊岳山構造溶蝕地貌、中部得勝場溶蝕槽谷地貌、西部碎屑巖剝蝕地貌。

齊岳山隧道主要地質構造為齊岳山背斜、箭竹溪向斜,以及規模較大的斷層 15條,其主要不良地質有巖溶、巖溶水、斷層破碎帶、天然氣、煤系瓦斯、高地應力和地溫等,其中齊岳山背斜和得勝場槽谷區被稱為該隧道施工的兩大難題。地勘表明,隧道周圍主要發育得勝場地下暗河體系、大魚泉地下河系統、小魚泉地下河系統。預測隧道正常涌水量 17.6萬 m3/d,最大涌水量 74.2萬 m3/d。其中齊岳山背斜地段正常涌水量 3.7萬 m3/d,最大涌水量 17.7萬 m3/d。

2 溶腔探測

圖1 齊岳山隧道工程地質剖面

2006年 5月 25日,齊岳山隧道進口正洞施工至DK363+629里程,采用地質鉆機進行超前水平鉆探。當鉆至 DK363+631時,由鉆孔內射出高壓水,實測單孔最大涌水量 450m3/h,水壓力 0.68MPa。隨后加強超前鉆探,確定隧道前方發育大型高壓富水溶腔。溶腔由右上側向左下側發育,橫向寬度大于 80m,在隧道范圍內縱向發育長度約 12m。溶腔內充填介質主要為清水,含少量泥砂。溶腔形態見圖2。溶腔鉆孔涌水照片見圖3。

圖2 齊岳山隧道 629溶腔形態

圖3 齊岳山隧道 629溶腔探孔涌水

3 方案試驗

3.1 注漿試驗

遭遇溶腔后,對溶腔處理方案進行研究,考慮到隧道進口工期壓力大,同時,進口反坡施工,排水極其困難,因此,確定對溶腔進行注漿試驗。

采用普通水泥 -水玻璃雙液漿對溶腔進行充填注漿試驗。水泥-水玻璃雙液漿配比為:水泥漿水灰比0.6∶1～0.8∶1、水泥漿與水玻璃體積比 1∶0.3～1∶0.5、水玻璃濃度 35Be′。漿液凝膠時間控制在 15s～30min。

在現場注漿施工中,當注漿量達到1613m3時,鉆孔過程中仍有高壓水噴出,這表明,采取注漿措施,難以在短時間內達到有效堵水效果。同時,考慮到溶腔規模較大,采用大量的注漿材料填充富水溶腔造價高,且地下動水可能會對注漿效果產生較大的影響。因此,停止實施對該溶腔實施注漿堵水處理方案。

3.2 放水試驗

為進一步查明溶腔的水文地質條件,對該溶腔進行了放水試驗。

放水試驗從 2006年 9月 1日開始至 9月 10日結束,歷時 10d。放水試驗時,根據進口設置的大型泵站抽水能力,采用2000～3000m3/h的放水速度進行放水。監測放水試驗過程放水速度、水壓力、地表降雨量等水文參數,測試結果見表1。

表1 齊岳山隧道 629溶腔放水試驗測試結果

根據測試數據繪制放水試驗過程的水壓力變化曲線,如圖4所示。

圖4 齊岳山隧道放水試驗水壓力變化曲線

由水壓力變化曲線來看,放水試驗可分為 2個階段。

第 1階段:2006年 9月 1日至 9月 5日,通過鉆孔采取以3000m3/h的速度進行放水,在無降雨的條件下,水壓力由 0.43MPa降低到 0.18MPa,之后開始穩定。

第 2階段:2006年 9月 5日,地表降雨 33.1mm,在排水條件下,溶腔內水壓力處于緩慢上升。由此來看,溶腔內水量與地表降雨的關聯性較好,采取3000m3/h的速度進行放水,很難在短時間內將水壓力再繼續降下來。于是,9月 8日停止放水。停止放水后,水壓力迅速上升,隨著地表降雨 55.3mm,水壓力升高到 0.68MPa,隨后,水壓力下降至 0.52MPa。

通過放水試驗,說明溶腔規模較大,地下水補給量大?？紤]到進口處于反坡施工,抽水能力有限,溶腔水難以在短時間內排放完畢,并且,直接揭示溶腔存在淹井危險。為此,停止試驗,采用混凝土擋墻封閉掌子面,待進出口平導貫通后,利用順坡條件進行處理。

4 釋能降壓處理溶腔

4.1 判釋溶腔

4.1.1 工程地質特征

629溶腔位于齊岳山背斜西翼,該地段除發育溶腔外,地質條件為Ⅱ級二疊系長興組灰巖,圍巖完整,節理裂隙不發育。巖層產狀 310°∠45°,巖層走向近似垂直隧道。629溶腔處地表高程為1750m,隧道軌面高程約為1096m,隧道埋深約 646m。629溶腔地段工程地質縱剖面見圖5。

圖5 齊岳山隧道 629溶腔地段工程地質縱剖面

4.1.2 水文地質特征

溶腔地段水文地質如圖6。溶腔主要受地表槽谷洼地降雨補給,地表匯水面積 6.1km2。預測溶腔 50年一遇最大涌水量10189m3/h。

4.1.3 溶腔處理方案判釋

針對 629溶腔,通過注漿試驗,難以達到理想的注漿堵水效果。分析溶腔的工程地質及水文地質特征,溶腔處隧道埋深大,地表匯水面積有限,因此,適合于采取釋能降壓法處理該溶腔。在進出口平導貫通后,對該溶腔實施釋能降壓法處理。

4.2 鎖定溶腔

4.2.1 釋能降壓掌子面的選擇

如圖7,釋能降壓掌子面有 3個方案可以選擇,方案一是正洞反向掌子面,方案二是正洞正向掌子面,方案三是通過平導施作泄水支洞掌子面。

圖6 齊岳山隧道629溶腔地段水文地質

圖7 溶腔釋能降壓掌子面方案選擇

對 3個方案優缺點進行比較,見表2。

表2 釋能降壓掌子面方案比較

通過對 3個方案進行比選,考慮到溶腔處理是關鍵,并且通過平導增加泄水支洞工程量不大,因此,現場采取方案三對溶腔進行釋能降壓處理。

4.2.2 鎖定溶腔

通過平導實施橫向泄水支洞,加強超前探測,鎖定泄水支洞溶腔邊界如圖8所示。

圖8 溶腔邊界鎖定(單位:cm)

由鎖定的邊界來看,溶腔極不規則,掌子面前方溶腔整體發育偏左,掌子面左下方距離溶腔最近距離為2.35m。

4.3 打開溶腔

4.3.1 放水形成低水位

由于溶腔主要以充填水為主,為了減少釋能降壓時將溶腔壁附著的破碎巖體大量攜帶出來,因此,在進出口平導貫通后,通過鉆孔進行放水,形成低水位,然后再進行釋能降壓。

放水措施通過在正洞正向掌子面鉆 12個 φ108 mm孔,以最大放水能力3000m3/h進行控制排水,共放水 65萬 m3,水壓力逐漸下降,穩定在 0.01MPa。現場控制放水如圖9所示。

圖9 現場控制放水

4.3.2 修正爆破掌子面

由于溶腔的邊界極不均勻的,為了提高一次爆開溶腔的面積,按圖10依次進行①→②→③部位的局部爆破切塊,從而修正泄水支洞爆破掌子面。

圖10 修正爆破掌子面示意

4.3.3 爆破設計

根據鎖定的溶腔型態,利用修正后的爆破掌子面,對溶腔進行精確爆破設計。爆破設計如圖11所示。爆破參數見表3。

圖11 溶腔爆破設計(單位:cm)

表3 專項精確爆破裝藥參數

4.3.4 精確爆破

溶腔爆破揭示于 2009年 11月 25日實施,通過平導采用視頻監控現場釋能降壓如圖12所示。

圖12 629溶腔實施釋能降壓視頻監控

4.4 處治溶腔

實施釋能降壓后進入溶腔觀察,如圖13所示。

圖13 釋能降壓后進入溶腔觀察

針對該溶腔,采取如圖14處理措施。

圖14 溶腔結構處理示意(單位:cm)

(1)清除溶腔基底松散填充物,采用 C30混凝土換填。換填時,按 0.6～1m厚從下到上分層澆筑,每層底部縱向設置 I18型鋼,橫向間距 0.5m,并采用φ22mm鋼筋焊接,鋼筋間距 0.5m。

(2)在隧道右側邊墻外溶腔處施作 C25混凝土護墻,護墻頂寬 1.5m,底寬 4m。

(3)對隧道右側巖溶水,通過在換填混凝土層中埋設 5根 φ300mm鋼管,將水引排到左側。為防止鋼管堵塞,除在鋼管端頭設置濾網外,并在右側設置碎石過濾層。

(4)為保證左側邊墻穩定,在隧道左側設置 2m厚 C25混凝土護墻。

(5)在泄水支洞中設置厚 2m的 C25混凝土擋墻,在擋墻上安裝 12根 φ300mm鋼管,并設置閥門,對巖溶水實現限排,限排量為 500～1000m3/h。

(6)隧道結構按 1.0MPa抗水壓襯砌結構考慮。初期支護采用 20cm厚網噴混凝土,內置 I18鋼架,鋼架間距0.5m/榀。二次襯砌采用 50cm厚 C35防水鋼筋混凝土。

5 結語

(1)齊岳山隧道通過超前深孔鉆探發現溶腔,之后,相繼進行了注漿試驗和放水試驗,最后通過判釋溶腔,采取釋能降壓技術,從而很好地處理了該溶腔。這種“查找問題→分析問題→現場試驗→決策方案→準確實施”的施工模式是解決風險隧道施工難題的最佳模式,通過實施這種模式,解決了工程難題,避免了災害的發生,值得推廣應用。

(2)該工程試驗證明,針對較大規模的充水溶腔,采取注漿措施,注漿量難以確定,且會受地下動水影響,注漿法難以在短時間內達到注漿堵水效果,因此,該類工程不宜采取注漿法治理。

(3)針對高壓充水溶腔,采取釋能降壓法處理,處治速度快,安全有保證,且變暗為明,結構可靠,因此,釋能降壓法是處理類似高壓充水溶腔的合理方案。

[1] 張梅,張民慶,朱鵬飛,等.高壓富水充填溶腔釋能降壓技術[J].中國工程科學,2009(12).

[2] 朱鵬飛.宜萬鐵路巖溶隧道風險管理[J].中國工程科學,2009(12).

[3] 劉招偉,張民慶,王樹仁.巖溶隧道災變預測與處治技術[M].北京:科學出版社,2007.

[4] 何發亮,等.隧道地質超前預報[M].成都:西南交通大學出版社,2006.