宜萬鐵路野三關隧道施工防災預警及救援技術

李廣慧

(中鐵十六局集團第四工程有限公司,北京 101400)

1 概述

復雜巖溶隧道施工安全不確定性因素多,多表現為洞害、水害、洞穴填充物及塌陷 4個方面,但施工中可能遇到的高壓富水隱伏巖溶構造預測及處治不當常會突生大規模突水突泥、堵塞坑道等地質災害,給施工安全造成嚴重威脅。在隧道發生突水突泥等突發性地質災害時,為保證現場人員能夠安全快速躲避、撤離免受傷害和設施免受破壞,需建立風險隧道安全應急及預防快速響應機制。

結合風險源及風險表現及響應特點,巖溶隧道防災預警及救援技術主要包括 3方面內容。

(1)建立風險隧道安全等級管理體系。根據與隧道風險等級管理相關的地質預報、雨量、水量、水壓觀測及圍巖監控量測系統,制定風險隧道安全進洞施工條件。

(2)巖溶隧道合理設置可靠的防災報警、應急照明及逃生救援系統。

(3)完善與安全有關的進出洞一人一卡登記、安全教育培訓及定期防災逃生演練制度。

以上 3方面確保了高風險隧道快速反應及安全預防應急機制的有效運行。現以宜萬鐵路野三關隧道為例介紹復雜巖溶隧道防災預警及救援技術。

2 風險隧道安全等級管理體系

2.1 規范地質預報、降雨量、水量及水壓監測

2.1.1 地質預報

用于精確探明隧道開挖前突水突泥巖溶隱伏構造形態及規模,判釋成災類型,準確評估災害對施工的影響程度。一是通過地表和洞內掌子面地質調查及素描,判斷巖溶成災征兆;二是充分發揮物探儀器作用,通過物探掌握定性一手資料;三是利用長、中、短距離水平鉆孔及超長炮孔等直觀物理手段,對巖溶位置、涌水量、水壓、巖溶充填物性質及規模等定量探測;四是地質預測預報按地質風險分級管理。四者共同形成精確探測、規避突發性地質災害強有利的技術手段。

2.1.2 降雨量監測

降雨量采用 SRY-1雨量自動記錄儀進行監測。儀器設在控制隧道安全、極易發生重大突水突泥的富水溶腔,且受地表降雨影響的洞頂匯水區域內。SRY-1型容柵式雨量自動計錄儀是由上下電動閥控制進水和排水,通過容柵位移傳感器的數字化電路設計反算降雨量后,通過無線通信傳輸到網絡雨量查詢系統上,可實現實時查收。雨量查詢系統見圖1。

圖1 雨量查詢系統

2.1.3 涌水量監測

為了準確測定隧道內控制安全風險的各巖溶涌水點涌水量,采用鉆孔涌水及堰測法相結合的測定方法。水量較小時采用量桶法量測,水量較大時集水歸槽后采用堰測法量測;在集中匯水點設置“SONTEK Argonaut SW多普勒流速測量儀”24 h不間斷進行流量自動監測。

2.1.4 水壓力監測

選擇水量較大的鉆孔作為水壓測試孔,將水壓表安裝在預先安裝好的帶閘閥的孔口管上,安裝方法如圖2所示。關閉其他鉆孔孔口管閘閥,開始進行水壓測試,測試頻率為 30 min記錄 1次,待水壓力基本穩定后每 1h測 1次,直到水壓穩定 5 h后,繼續觀測水壓變化,觀測 48 h后水壓基本不變,即測得最終靜水壓。

每實施 1次超前鉆孔均布置不受開挖影響的水壓監測孔;每個溶腔布置不少于 1孔進行水壓監測且安裝雙水壓表互相校核。為防止溶腔充填物堵塞測壓表,在鉆孔內設置軟式透水管,水壓表前設置空氣室。采用注漿封閉孔口管與巖壁間空隙,避免孔口周邊透水,影響水壓測試效果。一般情況下,每天早上8:00及晚上 8:00各監測 1次水壓;降雨期間或雨后一定時間每 2 h監測 1次水壓。除監測流動狀態下的動水壓外,還要將所有出水點關閉,測定穩定水壓,水壓穩定時間不少于 2 h。需經常對壓力表進行檢查、維修,發現壓力表失效時,應及時更換,確保水壓力測試數據的準確性、連續性。

圖2 水壓測試示意

2.2 設定合理安全進洞施工條件,規范預警程序

2.2.1 安全進洞條件設定

野三關隧道“602”高壓富透水溶腔與 3號暗河連通,位于Ⅰ、Ⅱ線洞頂正前方。自 2007年 8月初遭遇重大突泥、突水以來,也先后 5次發生重大突水突泥,累計突泥突石約 20萬 m3,雨季涌水量為 13～16萬m3/d,最大瞬時涌水 76萬 m3/d,最高水壓 2.0 MPa。為確保雨季施工洞內作業人員的安全,隨時掌控洞內異常體的安全狀態是確保人員、設備安全的首要條件,為給現場安全管理人員準確、科學的決策提供定量的標準,研究進洞施工的量化指標成為保安全的必備手段。對控制隧道安全的高壓富水溶腔建立降雨量、水量、水壓觀測系統,是分析制定安全進洞施工條件可靠的依據。

(1)野三關隧道 602大型突水突泥溶腔降雨量、涌水量、水壓與時間關系見圖3、圖4。

圖3 野三關隧道 602溶腔降雨量與涌水量時間關系曲線

圖4 野三關隧道 602大型溶腔降雨量、涌水量時間關系曲線

根據野三關隧道 602大型溶腔降雨量、水量、水壓、時間關系曲線可以分析得出如下結論:一是降雨量與水壓、水量關系密切,一般降雨 43 h后水壓、水量變大;二是單日降雨量不超過 25 mm時水壓增加不明顯,且均小于 0.3 MPa;三是降雨量與涌水量影響明顯,排水降壓能力較強;四是連續強降雨與溶腔突水突泥原因極為密切,溶腔釋能降壓后安全風險大大降低。

(2)安全進洞條件設置

為確保巖溶隧道雨季施工洞內作業人員的安全,隨時掌控洞內異常體的安全狀態,及時可靠的為現場安全管理人員提供準確、科學的水壓、水量指標,降雨量與溶腔水量、水壓的關系具有重大意義。根據上述關系圖,總結出野三關隧道階段性安全進洞條件:

①野三關隧道日降雨量不超過 25 mm;

②野三關隧道 +602異常體水壓均不超過0.3 MPa;

③洞內水量未發生突然變化和顏色變化;

④應急逃生及聯動預警系統完善。

2.2.2 建立風險點快速反應機制

根據制定的安全進洞施工條件,建立風險點預警等級制定及可靠的專項安全應急預案,在洞口設置預警警示牌,施工人員配置風險源明白卡,并定期組織應急演練。

2.2.3 建立高風險地段開挖安全風險評審制度,及時評估及公布風險源

該制度是為保證高風險隧道的開挖安全,防止因草率鉆爆開挖而造成突泥突水事故發生。

(1)高風險地段每次鉆爆開挖前均必須根據綜合超前地質預報、超前預注漿、預支護、初支及監控量測等情況進行安全風險評審,決定能否進行開挖。未經評審或評審未通過的,不得進入下步鉆爆作業,評審以地質分析、作業質量、防范措施為依據。

(2)安全評審結論可選擇“同意開挖,繼續創造開挖條件或停工上報監理及業主”三種形式。安全評審結論為“同意開挖”的,應繼續按有關程序報監理和業主審批后進入下步鉆爆開挖作業。

(3)為保證評審依據的準確性,對風險地段的超前鉆孔、帷幕注漿、超前管棚等關鍵工序實行作業簽認和檢查簽認制度,即作業負責人和檢查人員及時填寫《風險地段開挖安全評審表》及《風險地段關鍵作業及檢查簽認表》。

3 防災報警、應急照明及逃生救援系統

3.1 巖溶部位臨近報警

從廣義上說,地質災害臨近警報也屬于超前地質預報范圍。針對長大隧道遇到的巖溶地質、突泥、突水等地質災害,超前預報的關鍵工作是前述的不良地質體的長期、短期超前地質預報,施工地質災害臨近警報是綜合判斷不良地質的重要內容。

3.1.1 判別準則

大支坪隧道巖溶水發育,一般在暗河附近、斷層帶附近、褶皺軸部、可溶巖與非可溶巖接觸帶等部位易于巖溶發育、巖溶水的儲存與運移,施工中易產生突水、突泥等地質災害。

3.1.2 發生突泥、突水可能性的判斷與警報

(1)臨近斷層水源體前兆

①各種臨近斷層的前兆。

②斷層破碎帶及影響帶、下盤泥巖、頁巖等隔水巖層明顯濕化、軟化或出現淋水現象。

③其他水流痕跡的出現。

(2)臨近大型溶洞水體前兆

①臨近各種水源體前出現較多的鐵銹染、溶垢或夾泥的裂隙。

②小溶洞出現的頻率增加。

(3)臨近暗河前兆

①出現大量鐵銹染、溶垢裂隙或小溶洞。

②大量出現的小溶洞含有河砂。

③鉆孔中的涌水量巨增,且夾有泥砂或小礫石。

3.1.3 施工地質災害臨近警報技術

施工地質災害臨近警報技術主要包括被隧洞掌子面初步揭露的可以造成涌水突泥巖溶構造圍巖環境的準確鑒別技術,臨近突水或大涌水水源體時的超前探水及突水規模的判斷。

一般情況下,突水規模可以用獨孔噴射距概略預測涌水級別來判斷:

(1)獨孔噴射距離 S≤5 m,相當涌水量小于 100 m3/h,為小 、中 、大股涌水 ;

(2)獨孔噴射距離 S=5～9 m,相當涌水量為 100～300 m3/h,為小型突水;

(3)獨孔噴射距離S=9～12m,相當涌水量為 300～400 m3/h,為中型突水;

(4)獨孔噴射距離 S＞12 m,相當涌水量大于 400 m3/h,為大型突水。

3.2 監控量測及觀測系統

(1)全面對初支及未襯砌段進行檢查,發現水壓變形及坍方隱患立即進行結構補強;

(2)成立監控量測專職小組,對已初支及未襯砌段變形監測(拱頂下沉、周邊收斂)按規范實施到位,并建立日報及預警制度;

(3)加強隧道被涌水浸泡墻腳部位的觀察,防止墻腳失穩;

(4)加強對施工區域內的雨量觀測,與當地氣象部門緊密合作,在施工區域周圍進行雨量觀測;

(5)加強洞內水位觀測,遇到異常情況通過報警系統及時撤離洞內施工人員。

3.3 防災報警系統

為防止突發事件發生后及時將災害信息發送到各作業面,按要求設置可靠的防災報警系統。

(1)電話報警

在洞內值班點安裝程控電話,遇到緊急情況洞內外相互聯絡。

(2)報警器報警

在各掌子面、施工作業點等危險地段,設置報警聯動裝置。遇到突發事件按響警報器向洞內人員示警及時撤離。

(3)對講機報警

為洞內外每個專職安全員和調度人員配發大功率對講機,在遇險情時通過對講系統告知洞內作業人員撤離。

(4)喇叭報警

當洞內作業人員較分散且洞內嘈雜時,通過洞內值班員配帶的小喇叭傳遞信息。

(5)口哨報警

通過洞內有軌運輸道岔值班員配帶的口哨傳遞信息。

(6)電視監控

在洞內主要作業區設置視頻監控系統,全方位全時段對洞內施工情況進行監控。

3.4 應急救援系統(圖5)

圖5 防災預警及救援設施布置(單位:cm)

(1)應急救援車

在洞內作業集中區設置救援馬槽車及梭礦車,作為專門救援值班車,24h待命。

(2)救生繩

在隧道已施工段邊墻兩側懸掛安全繩,安全繩貫通全洞。

(3)救生圈

在隧道洞內各工作面邊墻處每隔 30～50 m放置救生圈 1個。

(4)安全平臺

在隧道內主要作業區搭設安全平臺,并在平臺上配備部分救生器材。

(5)救生網

在隧道邊墻或洞頂布設救生網。

(6)救生衣

在隧道施工各掌子面均根據施工人員數量配置足救生衣,并易于獲取。在高風險作業面須隨身穿帶。

(7)救生爬梯

各風險作業面及人員集中地段均設置救生爬梯。爬梯長 3m,下端距離地面 1 m,且滿足對側每 50 m 1組,并涂彩色反光漆及配置應急燈,確保緊急情況下易于發現。

除上述所列救生設施外,遇緊急情況還可以利用洞內施工機具及設備進行自救,如襯砌臺車、施工臺架、木料及空油桶等。

3.5 應急照明系統

在隧道邊墻每隔 25m設置應急燈 1盞。

4 安全管理制度

4.1 嚴格執行進出洞一人一卡登記制度

洞口設值班室,所有進洞人員憑“卡”進洞,檢查人員使用“臨時卡”,各洞口設專人進行登記,并掛牌公布洞內人員動態。

4.2 配齊專職安全人員

每個作業區配置 2名專職安全員,并佩帶袖章,安全員必須對發生安全事故的前兆進行觀察,發現問題及時示警疏散作業人員。

4.3 健全安全教育培訓制度

對全員每周進行 1次安全教育,通過 VCD、小冊子、宣傳欄等形式對一線職工進行安全教育;堅持每天早點名安全技術交底制度;對全體人員進行隧道風險源、自救、逃生組識的培訓及演練,覆蓋到全體進洞人員;完善長效教育培訓制度(每月局指組織不少于 2次,處項目部 4次。操作層堅持每天早點名及崗前教育制度)。

4.4 完善防災逃生演練制度

每月進行 1次防災逃生演練;每星期一對應急報警及逃生系統檢查 1次,隨時更換損壞設施,確保報警及逃生系統有效。

5 結語

復雜巖溶隧道系統防災預警及救援技術是當隧道發生突水突泥等突發性地質災害時,現場人員能夠安全快速躲避、撤離免受傷害和設施免受破壞的安全應急保障系統。該技術是宜萬鐵路高風險巖溶隧道施工中的一次系統的總結及運用,是風險隧道地質災害中防止重大人員傷亡及財產損失筑牢安全預防的最后一道關口,具有明顯的經濟及社會意義。

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