《1 前言》

1 前言

宜萬鐵路十六標段大支坪隧道地處湖北省巴東縣境內,隧道全長 8 776 m,為宜萬鐵路 8 座 I 級高風險隧道最具典型和代表性的隧道之一,是全線地質最復雜的巖溶隧道。工程風險大,集山區鐵路“艱、難、險”之大成。其主要不良地質多呈現為巖溶發育強烈,地下水豐富,管道充填及暗河異常發育,極易發生突水突泥地質災害。隧道發育 5 條大斷層,斷層伴生巖溶影響帶寬。

《2 大支坪隧道水文及地質情況》

2 大支坪隧道水文及地質情況

大支坪隧道地處鄂西長江與清江分水嶺的巫山山脈南端八面山系的中山區,隧道斜穿山體,最大埋深為 700 m。巖溶極發育,主要有石牙、溶溝、溶洞、漏斗、落水洞、巖溶管道、溶蝕裂隙、暗河等,且地表水補給迅速,設計最大涌水量為 44 ×104 m3/d。圖1 所示為大支坪隧道地質剖面及隧道平面設計圖。

《圖1》

圖1 大支坪隧道地質剖面及隧道平面設計圖

Fig.1 Geological profile and plane surface design of Dazhiping Tunnel

大支坪隧道自 2004 年 8 月份開工以來,歷時3 年,施工中先后超前探測到溶腔 86 處,其中大規模突水、突泥溶腔 14 次,最大涌水量達 36.3 ×104 m3/d。

《3 復雜巖溶隧道水害防治綜合技術》

3 復雜巖溶隧道水害防治綜合技術

針對大支坪隧道復雜巖溶不良地質情況,為防范重大突水突泥地質災害及永久運營結構防水害安全,在施工過程中,主要采用了綜合超前地質預測預報、隧道圍巖預注漿、迂回繞行、泄水洞排泄、防災預警及救援等綜合施工技術。

《3.1 綜合超前地質預測預報地質分級及方法組合》

3.1 綜合超前地質預測預報地質分級及方法組合

3.1.1 不同地質風險級別劃分

1)A+ 級:可能發生大型 ~特大型突水突泥及重大物探異常段落。

2)A 級:可能存在較大地質災害的地段,如可能遭遇大型暗河系統,發育重大軟弱、富水、導水性良好的斷層;可能誘發環境地質災害的地段以及高地應力、瓦斯災害嚴重的地段。

3)B 級:可能發生中~小型突水突泥、存在較大物探異常、斷裂帶等地段。

3.1.2 不同地質分級實施方法組合及頻次

圖2 為不同地質分級實施方法組合及頻次。

《圖2》

圖2 不同地質分級實施方法組合及頻次

Fig.2 Combination of implement method and frequency on various geological classifications

3.1.3 綜合超前地質預測預報成果

大支坪隧道自 2004 年 8 月份開工以來,TSP203 預測預報累計完成 176 次;地質雷達 630 次;地質素描 13 900 m;紅外探水 9 960次;108 鉆孔  53 500 m;超長炮孔 125 000 m。采用綜合超前地質預測預報技術,成功規避了可能對施工安全造成重大威脅的地質異常體及高風險點 86 處。TSP 對隧道地質異常的準確預報達到 85 % 以上,采用綜合預報手段未遺漏可能引發地質災害的地質構造體,為工程正常進展提供了可靠的安全保障。

1)大支坪隧道Ⅰ線正洞 DK132 +291 涌水綜合探測實例:TSP203,地質雷達及超前鉆孔均探明前方富水,Ⅰ線正洞 DK132 +291 及時采取了止漿墻封閉。經進一步探測,探明前方為一大型充填溶腔,最大日涌水量 3 ×104 m3,水壓為 0.8 MPa,為正確選定 5 m 帷幕預注漿、管棚及 K1.0 抗水壓方案提供了可靠依據?,F經實際開挖已證明地質超前預報的準確性。

2)PDK132 +900 掌子面涌水探測實例:大支坪隧道平導 PDK132 +900 掌子面,3 個水平鉆孔未探到 TSP203 異常體,但掘進到 PDK132 +895 里程時,布設于掌子面右側拱腳的 5 m 超長炮孔鉆探到巖溶管道涌水。超長炮孔探測見圖 3。

《圖3》

圖3 超長炮孔探測

Fig.3 Exploring by super -long borehole

3.1.4 綜合超前地質預測預報小結

在隧道施工中,有效應用隧道綜合超前地質預測預報技術,不但規避化解了地質災害的發生,而且超前預報及臨近報警為提前制定合理施工預案提供了可靠依據,為隧道實現安全、快速、高效施工提供了可靠技術保障。

綜合超前預報技術的各種手段也存在其各自的局限性,各種手段其探測的側重點也不盡相同,更不能依賴單種預報方法,需采取多種手段、綜合探測、相互驗證、相互補充。而且綜合超前預報技術的應用需要大量工程實踐,需在施工中,不斷積累經驗,總結規律。

《3.2 隧道圍巖預注漿技術》

3.2 隧道圍巖預注漿技術

3.2.1 注漿方案選擇

注漿方案應根據隧道工程、水文地質情況初步選定,施工中根據超前地質預測預報成果調整完善,合理選擇注漿方案。

1)超前帷幕預注漿:對可溶巖與非可溶巖接觸帶、斷層破碎帶及向斜核部、物探異常區等,預測儲水量大、水壓高,直接揭示極可能產生嚴重突水突泥地段,采用超前帷幕預注漿方案。預注漿加固圈固結范圍:正洞為開挖輪廓線外 3 ~8 m;平導為開挖輪廓線外 2 ~5 m。超前帷幕預注漿方案實例見圖 4。

《圖4》

圖4 超前帷幕預注漿方案實例 (單位:cm)

Fig.4 Example of advanced curtain pre -grouting schedule (unit:cm)

2)全斷面徑向注漿:對巖體完整、其結構性能可保證開挖安全,但大面積淌水流量大于控制排水量,且預測地下水壓力較小時,實施開挖后全斷面徑向注漿,注漿加固固結范圍:正洞為開挖輪廓線外 3 ~5 m;平導為開挖輪廓線外 3 m。全斷面徑向注漿方案實例見圖 5。

《圖5》

圖5 全斷面徑向注漿方案實例(單位:cm)

Fig.5 Example of full -face radial grouting schedule (unit:cm)

3)局部注漿:巖體完整、其結構性能可保證開挖安全,但局部出水且流量大于控制排水量時,僅對出水處實施局部注漿。

4)補注漿:注漿后流量仍大于控制排水量、注漿固結圈綜合滲透系數大于設計控制值或仍有局部出水點時,實施補注漿。注漿加固范圍如圖 6 所示。

《圖6》

圖6 注漿加固范圍

Fig.6 Grouting range

3.2.2 注漿應用實例

大支坪隧道穿越 DK131 +155 ~DK131 +198,DK131 +618 ~DK131 +650,DK132 +290 ~DK132+320,DK132 +940 ~DK132 +970,DK133 +006 ~DK133 +036,ⅡDK132 +900 ~ⅡDK133 +020 等富水段,超前地質預測預報均探明巖溶極為發育,涌水量大,水壓 0.7 ~1.2 MPa,地表水和地下水連通,直接開挖極易發生重大突水突泥安全事故。經方案比選,采用了“以堵為主,限量排放” 的加固圈外 5 ~8 m 超前帷幕預注漿方案。截至目前,大支坪隧道已成功完成帷幕注漿 12 個循環,注漿效果良好,有效遏制了隧道涌水對施工及結構安全帶來的威脅,安全順利通過了不良地質段。下面為 Ⅰ 線正洞 DK132 +291 掌子面前方大型充填溶腔采用 5 m 帷幕預注漿、管棚及 K1.0 抗水壓方案成功通過實例?,F經實際開挖已證明帷幕注漿防水害的成功典例。

《3.3 迂回繞行》

3.3 迂回繞行

喀斯特地區巖溶發育明顯特征是巖溶發育的無規律性、孤立性、突發性和復雜性。在綜合超前地質預測預報精確探明前方地質情況下,遇災害性巖溶強烈發育地段時,考慮正面突破風險大、時間長、費用高等特點,需采用“迂回繞行,降低風險,快速突破,反向處理,向前開辟工作面”的技術方案。迂回繞行作用為:a. 發揮其超前地質探測的作用,為正洞施工提供更為準確的地質預報,規避施工風險,保障施工安全;b. 可超前正洞向前開辟工作面,加快施工進度;c. 有利于施工通風和排水,改善掌子面的工作條件;d. 有利于施工及運營期間的逃生及救援。

3.3.1 迂回繞行實例 1

大支坪隧道Ⅱ線平導施工中,分別在 PDK132+936 遇順層巖溶涌水、PDK132 +960 處遇巖溶管道水,特別是 9 月 29 日當Ⅱ線按平導斷面施工至PDK132 +990 時,拱頂突遇大型充填溶腔,造成較大突水突泥,水量約 1 ×104 m3/d,總突泥量約 1 ×104 m3。根據設計資料顯示,此大型異常區橫跨I,Ⅱ線及迂回導坑,影響區域寬 280 m,長約 440 m,異常區核心體積達 1.5 ×104 m以上,多為巖溶發育充填流塑性泥砂及高水壓。為早日實現安全突破,充分挖掘地質潛力,依靠技術手段,對地質進行精確探測,采取了“就地封堵 +迂回繞行”的方案,在平導右側 30 m 處設迂回導坑,見縫插針,利用巖溶發育較弱地帶迂回通過,取得了成功。迂回繞行方案見圖 7。

《圖7》

圖7 迂回繞行方案

Fig.7 By -pass construction schedule

3.3.2 迂回繞行實例 2

2005 年 5 月 24 日,TSP 及地質雷達探明平導 PDK131 +547 掌子面前方地質異常后,為了進一步探明其富水規模,沿開挖輪廓線均勻布設了 6 個水平鉆孔,掌子面右側探孔出現較大涌水,左側探孔均無水。據此及時確定了自掌子面左側繞行快速通過的掘進開挖方案,成功繞避(見圖 8)。

《圖8》

圖8 PDK131 +547 巖溶管道探測及迂回繞避

Fig.8 Exploring karst conduit and by –pass construction in PDK131 +547 section

《3.4 泄水洞排水降險》

3.4 泄水洞排水降險

大支坪隧道巖層破碎、巖溶極發育,多處為地下水匯集處,具有強烈富水性和透水性,隧道涌水點多與地表有較強的水力聯系,易形成較大規模突水、突泥。為防止只堵不排造成的水壓積聚風險,單由較強抗水壓支護結構抵抗外荷載,不僅費用高,施工難度大,而且易為今后運營水害埋下永久安全隱患。為了確保施工及今后運營安全,防止由于過量排水造成水環境過度改變,采用了“堵排結合,限量排放,增加泄水洞”的設計及技術方案,不僅保持了水環境,降低了抗水壓結構費用,而且可通過泄水支洞或暗涵與各高壓涌水點相通,將涌水由設置在平行于正洞的貫通泄水洞直接排泄降壓,以達到“堵排結合,綜合治理”的目的。

《4 結語》

4 結語

復雜巖溶隧道水害防治必須在綜合超前地質預測預報探明含水構造位置、結構大小、水壓、水量及充填物性質的前提下,綜合判釋及評估其對施工及結構安全的風險程度,堅持“堵排結合,綜合治理”的施工及設計原則。同時為防止或減輕重大突發性地質災害對施工人員及設備的重大傷害及損失,需完善防災預警及救援系統,并進行定期檢查及逃生演練。