高壓富水巖溶地層隧道施工技術(shù)

白 俊

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

1 前言

巖溶是地表水和地下水經(jīng)過不斷補(bǔ)給、徑流、滲透和循環(huán)對可溶性巖層進(jìn)行化學(xué)溶解作用和機(jī)械破壞作用的產(chǎn)物。巖溶地區(qū)因受其特殊的地質(zhì)構(gòu)造影響，往往具有高水壓、富水、溶洞及斷層的特征，因而，在巖溶地區(qū)修建隧道及地下工程，施工中極易誘導(dǎo)突發(fā)大規(guī)模的涌水、涌泥、涌砂等災(zāi)害。同時(shí)，由于隧道內(nèi)大量涌水、涌砂和涌泥，導(dǎo)致地層內(nèi)有效應(yīng)力改變，以及地下水滲流場和補(bǔ)排關(guān)系發(fā)生變化，繼而造成地下水資源的減少和枯竭，引起巖溶地區(qū)地表產(chǎn)生塌陷和沉降，導(dǎo)致地下水質(zhì)的污染和破壞。施工過程中，如果發(fā)生突泥突水，將造成人員傷亡，施工設(shè)備損壞，嚴(yán)重影響工期，大量增加工程費(fèi)用。由于巖溶問題的復(fù)雜性、多變性和不確定性，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低，目前仍是國內(nèi)外隧道施工地質(zhì)界尚未攻克的技術(shù)難題。本文結(jié)合貴廣鐵路三都隧道施工實(shí)踐，探索隧道巖溶及巖溶水的處理途徑和高壓富水巖溶隧道的施工技術(shù)，以便為同類工程提供施工借鑒。

2 工程概況

貴廣鐵路三都隧道全長14637m，是全線控制工期工程、Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道，地質(zhì)復(fù)雜，突泥、涌水風(fēng)險(xiǎn)極高。隧道進(jìn)口里程為DK124+943，出口里程為DK139+580。

在隧道出口段右側(cè)掌子面(DK135+508)底板處用鑿巖臺(tái)車施做加深炮孔時(shí)，當(dāng)鉆進(jìn)5.8m后探孔內(nèi)涌出股狀水，探孔出水噴出達(dá)15.5m遠(yuǎn)，水質(zhì)清澈無雜物，當(dāng)班鉆的四個(gè)加深探孔出水總流量達(dá)到2000m3/h，見圖1。

圖1 DK135+508掌子面噴出清水情景圖

3 施工過程中所采取的主要技術(shù)手段

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

三都隧道為可溶巖長大隧道，全隧采用長短距離相結(jié)合的預(yù)報(bào)手段，長距離預(yù)報(bào)宏觀控制，中短距離預(yù)報(bào)確保準(zhǔn)確性，做到預(yù)報(bào)結(jié)果及時(shí)指導(dǎo)隧道施工。針對三都隧道特點(diǎn)，專門編制《三都隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施方案》，TSP、加深炮孔全隧貫通探測，異常地段采用地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、超前水平鉆等手段驗(yàn)證。

TSP預(yù)報(bào)顯示:其中DK135+520～+470段節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部發(fā)育，圍巖較破碎，局部破碎，并有斷層影響帶或節(jié)理破碎帶發(fā)育其中，溶蝕裂隙較發(fā)育，局部發(fā)育有溶腔溶縫及充填型小溶洞，地下水較發(fā)育，穩(wěn)定性總體較差。其中DK135+495～+485段節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，沿層面或節(jié)理面發(fā)育溶腔溶槽或小型溶洞，穩(wěn)定性差，并伴有地下水出露。

根據(jù)TSP預(yù)報(bào)結(jié)果施作地質(zhì)雷達(dá)探測，預(yù)報(bào)范圍為DK135+511～+481，分析認(rèn)為:前方巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部發(fā)育，巖體總體較完整，局部破碎，自穩(wěn)能力總體一般至較差;測段巖溶發(fā)育，局部地段發(fā)育溶腔溶縫或溶蝕小空洞，地下水發(fā)育。其中DK135+504～+496段反射波異常，推測該段發(fā)育溶腔并有巖溶水發(fā)育其中，此段巖溶水發(fā)育。

掌子面地質(zhì)情況:掌子面巖性為灰色灰?guī)r，巖石以薄至中厚層狀產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀237∠28°，巖石中充填方解石細(xì)脈或團(tuán)塊，圍巖總體較破碎，局部破碎，自穩(wěn)能力總體一般。地下水從掌子面鉆孔中以股狀出露，地下水具有一定壓力，出水量約2000m3/h。

超前取芯鉆孔(ZK1)結(jié)合物探(TSP)分析結(jié)論:

(1)掌子面前方5m(對應(yīng)里程范圍 D3K135+508～D3K135+503)范圍內(nèi)巖性為灰色灰?guī)r，巖體總體較完整，未見明顯溶蝕裂隙發(fā)育，鉆孔中未見地下水出露。

(2)掌子面前方5～16m(對應(yīng)里程范圍D3K135+503～D3K135+492)段巖性為灰白色灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，巖體總體較破碎至破碎，本段溶蝕裂隙發(fā)育，推測本段為巖體破碎帶或斷層破碎帶。

(3)掌子面前方16～20m(對應(yīng)里程范圍D3K135+492～D3K135+488)段巖性為灰白色灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，巖體總體較完整至較破碎，發(fā)育溶蝕裂隙。

(4)掌子面前方20～30m(對應(yīng)里程范圍D3K135+488～D3K135+478)段巖性為灰白色灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，巖體總體較破碎至破碎，溶蝕裂隙發(fā)育，并有小型溶腔(寬0.3～1.8m)發(fā)育其中，本段推測為巖體破碎帶或斷層破碎帶。

對掌子面前方30m鉆孔分析，主要為溶蝕破碎帶，無大型溶洞，鉆孔地質(zhì)剖面見圖2:

3.2 技術(shù)處理方案

三都隧道出口D3K135+508涌水以來，近一個(gè)月的出水量和水壓變化不大、水流清澈、地表暫未發(fā)現(xiàn)失水的實(shí)際情況，并結(jié)合超前鉆探顯示前方主要為溶蝕破碎帶，并無大型溶洞，故確定本涌水段采用泄水平導(dǎo)引排正洞地下水，輔助正洞施工的方法。

采用泄水平導(dǎo)主要作用是引排正洞涌水，確保正洞施工安全，同時(shí)起著超前探明前方地質(zhì)的作用，在正洞施工進(jìn)度緩慢的情況下可以考慮平導(dǎo)超前增開工作面，確保進(jìn)度。在掌子面后方46m處，線左開口施作泄水平導(dǎo)。平導(dǎo)與正洞平面、橫斷面位置關(guān)系分別見圖3、圖4:

涌水段施工結(jié)束后，如果隧道水溝不能滿足排水要求，為確保隧道運(yùn)營安全，可以考慮從2#橫洞沿線路左側(cè)往小里程設(shè)置一泄水洞，如圖5所示:

圖5 泄水洞延長示意圖(單位:m)

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料顯示，前方主要為溶蝕破碎帶出水，并無大型溶洞、巖溶管道，且該段位于17.8‰縱坡，中心溝過水能力為2814m3/h(滿溝時(shí)為7565 m3/h)，遠(yuǎn)大于目前出水量1800m3/h。綜合考慮，采取如下處理方案:

(1)圍巖級(jí)別降低

前方巖體為受構(gòu)造擠壓(褶曲構(gòu)造的結(jié)合部位也受構(gòu)造擠壓作用)之后在節(jié)理密集帶發(fā)生過較明顯的方解石成分重新膠結(jié)現(xiàn)象;因方解石重結(jié)晶的作用，巖體完整性較差，圍巖穩(wěn)定性較差，建議前方30m范圍內(nèi)圍巖級(jí)別降為Ⅴ級(jí)。

(2)加強(qiáng)超前支護(hù)及初期支護(hù)

由于前方巖溶水量大，一旦發(fā)生塌方等事故后會(huì)有大量的泥水流出，故采用加強(qiáng)超前支護(hù)的措施，避免塌方導(dǎo)致大量泥水物質(zhì)涌入隧道內(nèi)。為防止前方破碎帶坍塌及大顆粒物質(zhì)被掏蝕，DK135+478～+508段設(shè)置φ108超前大管棚與I20b全環(huán)鋼架加強(qiáng)支護(hù)，φ108超前大管棚38根，每根長35m，環(huán)向間距0.4m;I20b全環(huán)鋼架0.6m/榀。該段初期支護(hù)按V級(jí)II型復(fù)合襯砌加強(qiáng)。

(3)采用導(dǎo)坑超前的分部開挖方法

為超前探明前方地質(zhì)，并緩解帶水作業(yè)壓力，該段開挖采用單側(cè)導(dǎo)坑超前臺(tái)階法的開挖方法。超前導(dǎo)坑設(shè)置在面向大里程方向左側(cè)正洞下部(地下水來源方向)，開挖高度、寬度參照單車道平導(dǎo)宜為4.7m*6m。

4 高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的體會(huì)

由于長大隧道特別是巖溶隧道地質(zhì)條件的復(fù)雜性及各種預(yù)報(bào)方法的適用性和局限性，單一的預(yù)報(bào)方法難以滿足預(yù)報(bào)的要求，因此在長大地質(zhì)復(fù)雜隧道，必須采用多層次、多手段的綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，這對于綜合預(yù)報(bào)方案及預(yù)報(bào)技術(shù)實(shí)施的研究具有重要意義。

(1)特長隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，必須把地質(zhì)預(yù)報(bào)工作納入施工工序管理，編制詳細(xì)的預(yù)報(bào)實(shí)施方案，實(shí)行預(yù)報(bào)分級(jí)，配備專業(yè)的人員、設(shè)備，以保證工程快速、安全、順利進(jìn)行，避免災(zāi)害產(chǎn)生。

(2)地質(zhì)預(yù)報(bào)要在詳細(xì)分析地勘資料和進(jìn)行必要補(bǔ)充調(diào)查的基礎(chǔ)上，合理確定預(yù)報(bào)方法，建立地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)及相應(yīng)的信息溝通機(jī)制，將各種預(yù)報(bào)方法手段有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各項(xiàng)預(yù)報(bào)方法的優(yōu)勢，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。巖溶地區(qū)的預(yù)報(bào)，應(yīng)擴(kuò)大探測的范圍，不僅要對隧道前方進(jìn)行探測，也要對巖溶發(fā)育段周邊地質(zhì)條件進(jìn)行探測，保證隧道施工安全。

(3)根據(jù)編制的《三都隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施方案》，三都隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)方案為TSP、加深炮孔全隧貫通探測，異常地段采用地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、超前水平鉆等手段驗(yàn)證。超前水平鉆孔和加深炮孔在本隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)中有大量成功應(yīng)用，探測成果直接、準(zhǔn)確，對于防止重大不良地質(zhì)災(zāi)害起到重要作用，是綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的核心。

(4)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)配合工作。三都隧道物探預(yù)報(bào)方法及掌子面地質(zhì)素描由中鐵西南院負(fù)責(zé)實(shí)施，施工單位配合;超前水平鉆及加深炮孔由施工單位負(fù)責(zé)實(shí)施，西南院對超前水平鉆施鉆過程做好旁站記錄并形成成果報(bào)告。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的配合質(zhì)量直接影響到預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性，尤其是TSP炮孔施做位置、角度、深度、注水量、炸藥用量、雷管質(zhì)量以及現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境等，地質(zhì)雷達(dá)施做時(shí)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境等。

5 結(jié)語

三都隧道涌水后，施工單位及時(shí)啟動(dòng)隧道風(fēng)險(xiǎn)處理應(yīng)急預(yù)案，成功避免了一次隧道地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)安全事故的發(fā)生。通過后續(xù)一系列積極有效的處理措施，已基本探明了隧道掌子面前方30米范圍內(nèi)巖溶發(fā)育形態(tài)，為隧道下一步施工措施的確定提供了充分依據(jù)。隧道巖溶處理方案主要取決于其發(fā)育形態(tài)、發(fā)育規(guī)律、充填物性質(zhì)、水量、水壓及與隧道的位置關(guān)系等，施工過程中必須不斷采集和完善各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以保證處理方案切實(shí)可行并富有成效。

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