李庚許

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司,北京 101400)

宜萬鐵路大支坪隧道大型突水突泥溶腔迂回繞行施工技術(shù)

李庚許

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司,北京 101400)

主要介紹根據(jù)宜萬鐵路大支坪巖溶隧道突水突泥溶腔及暗河形成的水文地質(zhì)條件不同所表現(xiàn)出的巖溶發(fā)育程度、發(fā)育強(qiáng)弱及規(guī)模不同的原理,利用綜合超前地報(bào)預(yù)測預(yù)報(bào)精確探測技術(shù),在充分探明高壓富水溶腔或暗河及巖溶發(fā)育規(guī)律后進(jìn)行躲避、迂回繞行大型突水突泥溶腔的一項(xiàng)巖溶處治技術(shù)。

巖溶隧道;突水突泥;溶腔;施工

1 概述

巖溶是地表水和地下水對可溶性巖層(碳酸巖類、硫酸巖類、鹵鹽類等)進(jìn)行化學(xué)侵蝕、崩解和機(jī)械破壞、搬運(yùn)、沉積等作用所形成的各種地表和地下溶蝕現(xiàn)象的總稱。巖溶產(chǎn)生主要有3個條件:第一,可溶性巖石是巖溶產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ),例如,隧道穿越石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、石膏、芒硝、巖鹽等地層時,受地下水作用可能出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象,石灰?guī)r以溶解作用為主,白云巖則主要通過滲透—溶蝕—分解—淋濾—崩解作用發(fā)生破壞;第二,地質(zhì)構(gòu)造與地層結(jié)構(gòu)的千差萬別決定了巖溶類型的多樣性、復(fù)雜性,巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及巖層產(chǎn)狀、接觸關(guān)系、層厚、斷裂、褶皺、節(jié)理、裂隙、軟弱夾層、風(fēng)化程度等地質(zhì)特征決定了巖溶發(fā)育程度、發(fā)育強(qiáng)弱和規(guī)模的不同;一般情況下,向斜構(gòu)造比背斜構(gòu)造巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,向斜構(gòu)造的核部巖溶發(fā)育比兩翼強(qiáng)烈,背斜構(gòu)造的兩翼比核部巖溶發(fā)育強(qiáng)烈;當(dāng)隧道穿越可溶巖地層的節(jié)理、裂隙、斷層等結(jié)構(gòu)為不連續(xù)面時,易遇到溶隙、溶管、溶洞、溶腔或暗河;第三,地表水和地下水補(bǔ)給、徑流、滲透和循環(huán)是巖溶形成和發(fā)育的必要條件;山谷、洼地、巖溶盆地、豎井、漏斗、落水洞部位,地表水匯集、下滲,容易在地層中形成水平徑流帶、垂直滲流帶和深部滯留帶,從而造成地下水補(bǔ)給和循環(huán),給巖溶形成創(chuàng)造了必要條件,當(dāng)?shù)叵滤杏坞x或侵蝕性的CO2、SO4

2-等含量較大時,巖溶發(fā)育增強(qiáng)。綜上所述:巖溶是地表水和地下水對可溶性巖層經(jīng)化學(xué)溶解作用和機(jī)械破壞作用而形成的。巖石的可溶性和裂隙性以及水的侵蝕性和流動性是巖溶形成的條件,同時地形、降水量、覆蓋表土等因素與溶巖發(fā)育亦有密切關(guān)系,水文地質(zhì)條件不同所表現(xiàn)出的巖溶形態(tài)、發(fā)育程度則各不相同。由于巖溶發(fā)育的多樣性、復(fù)雜性、各異性,隧道施工遇大型高壓富水溶腔或暗河可采取躲避、迂回、繞行的方案。

2 巖溶發(fā)育規(guī)律研究

巖溶隧道大型突水突泥溶腔迂回繞行技術(shù)必須依托綜合超前地質(zhì)精確探測、洞內(nèi)地質(zhì)素描、洞外水文地質(zhì)調(diào)查等工作,總結(jié)隧道巖溶發(fā)育規(guī)律?，F(xiàn)以宜萬鐵路8座Ⅰ級巖溶高風(fēng)險(xiǎn)隧道之一的大支坪隧道為例進(jìn)行巖溶發(fā)育規(guī)律研究。

2.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)精確探測

綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)精確探測采用物探-鉆探相結(jié)合,長距離-短距離探測相結(jié)合、勘探-地質(zhì)資料的綜合分析的綜合探測方法。在施工中,嚴(yán)格將巖溶超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)工作納入工序管理,采用地震波法,地質(zhì)雷達(dá),地質(zhì)素描及長、中、短距離鉆探等多種長、中、短期預(yù)報(bào)手段有機(jī)合理結(jié)合,綜合探測,取長補(bǔ)短,相互驗(yàn)證,不斷總結(jié)巖溶發(fā)育規(guī)律。

2.2 洞外水文及地質(zhì)調(diào)查

大支坪隧道地處鄂西南喀斯特高原,在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上位于華夏系東西向構(gòu)造與新華夏系北東向構(gòu)造的復(fù)合部位,受其影響,區(qū)內(nèi)不僅發(fā)育有多期次、不同規(guī)模的褶皺與斷裂,同時還發(fā)育眾多小型的變形構(gòu)造,如層內(nèi)、層間剪切錯動帶、多期節(jié)理、裂隙等。

隧道主要發(fā)育志留系、泥盆系的碎屑巖和石炭系、二迭系、三迭系碳酸鹽巖。大支坪隧道工程地質(zhì)剖面 及隧道平面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 大支坪隧道工程地質(zhì)

區(qū)內(nèi)與隧道有關(guān)的主要斷裂有8條,斷層帶附近為三疊系下統(tǒng)大冶組地層,破碎帶寬度大,揉皺發(fā)育。大支坪隧道地質(zhì)構(gòu)造如圖2所示。

圖2 大支坪隧道地質(zhì)構(gòu)造

隧道區(qū)發(fā)育6號、7號和水洞坪三條暗河及管道流和S54大泉。大支坪隧道暗河發(fā)育如圖3所示。

圖3 大支坪隧道暗河發(fā)育示意

2.3 巖溶發(fā)育規(guī)律總結(jié)

大支坪隧道地處典型的喀斯特巖溶地貌,地表巖溶形態(tài)主要有峰叢、溶隙、溶縫、溶槽、溶洼、豎井、落水洞以及地下河等。隧道區(qū)巖溶發(fā)育程度極不均勻,控制因素較多,總結(jié)有如下規(guī)律:

(1)隧道沿線路方向左側(cè)巖溶發(fā)育明顯強(qiáng)于右側(cè);

(2)三迭系嘉陵江組灰?guī)r巖溶發(fā)育程度最強(qiáng),其次為二迭系長興組灰?guī)r與茅口棲霞組灰?guī)r;

(3)可溶巖與非可溶巖接觸帶,溶蝕作用增強(qiáng),巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,易存在高壓富水溶腔;

(4)背斜軸部與斷層破碎帶巖溶發(fā)育;壓性斷層的一側(cè)巖溶發(fā)育;巖溶多沿層面裂隙形成溶隙、溶溝、溶槽,在裂隙與裂隙交匯處有發(fā)育較大的溶洞;

(5)巖溶發(fā)育程度與地下水活動關(guān)系密切。在地下水垂直循環(huán)帶,巖溶以垂直形態(tài)為主,多發(fā)育落水洞、溶溝、溶槽等;在地下水季節(jié)變化帶巖溶發(fā)育最強(qiáng)烈,主要有溶洞與暗河,在地下水水平循環(huán)帶,發(fā)育有巖溶水平管道;

(6)地形坡度較緩地帶,有利于降水入滲,巖溶發(fā)育強(qiáng),陡坡地帶發(fā)育相對較弱。

3 迂回繞行技術(shù)

3.1 定義

該技術(shù)是當(dāng)隧道掌子面掘進(jìn)遇大型易發(fā)生突水突泥高壓富水溶腔或暗河后,考慮正面突破難度大、時間長、風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn),在掌子面左右側(cè)或后方擴(kuò)大范圍超前精確探明巖溶發(fā)育規(guī)律后,利用巖溶發(fā)育較弱地帶,見縫插針、設(shè)置迂回導(dǎo)坑繞行通過的一項(xiàng)巖溶處理技術(shù)。

3.2 技術(shù)原理

該技術(shù)是根據(jù)巖溶突水突泥溶腔及暗河形成的水文地質(zhì)條件不同所表現(xiàn)出的巖溶發(fā)育的多樣性、復(fù)雜性、各異性的原理,并利用綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)精確探測技術(shù),在充分探明高壓富水溶腔或暗河及巖溶發(fā)育規(guī)律后,進(jìn)行躲避、迂回、繞行的巖溶安全、快速、高效、經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)巖溶處治的關(guān)鍵技術(shù)。

3.3 作用及意義

遇大型突水突泥溶腔迂回繞行技術(shù)有其顯著的工程意義:

(1)快速迂回繞行超前施工發(fā)揮其超前地質(zhì)探測的作用,為正洞施工提供更為準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào),規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn),保障施工安全;

(2)可超前正洞向前開辟工作面,加快施工進(jìn)度;

(3)有利于施工通風(fēng)和排水,改善掌子面的工作條件;

(4)迂回繞行后采用多方位鉆孔對高壓富水溶腔進(jìn)行排泄降壓,降低處理風(fēng)險(xiǎn)及難度,可大大降低投資;

(5)有利于施工及運(yùn)營期間的逃生及救援。

4 遇大型突水突泥溶腔迂回繞行技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

4.1 迂回繞行990大型突水突泥巖溶異常體

大支坪隧道進(jìn)口DK132+940～DK133+035及ⅡDK132+912～ⅡIDK133+020段為三疊系大冶組灰?guī)r,巖溶順層發(fā)育,Ⅰ、Ⅱ線溶腔連通,溶腔體充填卵礫石及黏土,富含地下水。該溶腔與上部含水裂隙、管道連通,直接接受上部地下水補(bǔ)給。該處地表為水谷壩巖溶槽谷,大氣降水匯集槽谷后全部滲入地下,地下水補(bǔ)給充足。水谷壩槽谷匯水面積6.06km2,洞身穿越處上方為分布范圍廣的U形大型巖溶腔體,影響區(qū)域?qū)?80m,長約440m。根據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及開挖揭示的地質(zhì)情況,探明Ⅰ線DK132+947～DK132+958、 DK133+004～DK133+027間、Ⅱ線ⅡDK132+913～ⅡDK132+921、ⅡDK132+973～ⅡDK132+997間發(fā)育大型充填溶腔,充填物為砂卵石及黏土,含水。溶腔基本上沿層面及巖層走向發(fā)育,I、Ⅱ線溶腔貫通,尖滅于迂回導(dǎo)坑左邊墻附近。大支坪隧道Ⅱ線平導(dǎo)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2007年9月29日,當(dāng)Ⅱ線按平導(dǎo)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,突水約10萬m3/d,總突泥量1.2萬m3。由于發(fā)生在 PDK132+990里程,故稱為“990”大型突水突泥溶腔。990溶腔涌水量受雨季影響反映迅速,降雨后6h開始變大,2～3d后恢復(fù)至降雨前水平,突泥突水時最大涌水量10萬m3/d,突泥突水排泄降壓后最大涌水量4萬m3/d,水壓最大1.2 MPa。溶腔形態(tài)如圖4所示。

圖4 大支坪隧道990大型溶腔形態(tài)

為早日實(shí)現(xiàn)安全突破990大型突水突泥溶腔,充分挖掘地質(zhì)潛力,依靠技術(shù)手段,對地質(zhì)進(jìn)行精確探測,采取了“就地封堵+迂回繞行”的方案。即在平導(dǎo)PDK132+990掌子面后方右側(cè)通過綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù),探明巖溶發(fā)育較弱地帶,在距平導(dǎo)30m處設(shè)迂回導(dǎo)坑,見縫插針,迂回繞行通過高壓富水溶腔取得成功。為了實(shí)現(xiàn)長隧道短打施組目標(biāo),通過迂回導(dǎo)坑超前通過橫通道進(jìn)入I、Ⅱ線正洞多開辟工作面,不僅滿足工期要求,也為溶腔核心段采取安全合理處治方案提供了時間保障。990溶腔迂回繞行方案如圖5所示。

圖5 遇990大型充填溶腔迂回繞行方案

4.2 迂回繞行PDK131+547巖溶管道高壓富水溶腔

2005年5月24日,地震波法及地質(zhì)雷達(dá)探明平導(dǎo)PDK131+547掌子面前方地質(zhì)異常后,為了進(jìn)一步探明其富水規(guī)模,沿開挖輪廓線均勻布設(shè)了6個水平鉆孔,掌子面右側(cè)探孔出現(xiàn)較大涌水,左側(cè)探孔均無水。據(jù)此及時確定了自掌子面左側(cè)繞行快速通過的掘進(jìn)開挖方案,成功繞避。如圖6所示。

圖6 PDK131+547巖溶管道探測及迂回繞避

5 結(jié)語

大支坪隧道施工中遇到5處大型高壓富水突水突泥溶腔,正面突破不僅難度大、風(fēng)險(xiǎn)高,而且處理工期長,不滿足快速向前開辟工作面長隧短打的施組方案。故在綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)超前精確探測地質(zhì)情況下,采用了向左或向右另開橫通道迂回繞行安全快速通過向前開辟工作面的方案。特別是Ⅰ、Ⅱ線遇990大型高壓富水溶腔設(shè)置迂回導(dǎo)坑安全繞行后,向前開辟10 -1、12、12 -1橫通道增加工作面,成功實(shí)現(xiàn)長隧道短打施組方案,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

大型突水突泥溶腔迂回繞行技術(shù)采用向左或向右另開迂回導(dǎo)坑、見縫插針、迂回繞行躲避突水突泥構(gòu)造體,安全快速通過向前開辟工作面的巖溶隧道安全快速施工的一項(xiàng)新技術(shù),并逐步被眾多巖溶隧道施工與設(shè)計(jì)中采用,具體明顯社會與經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 劉招偉,張民慶,王樹仁.巖溶隧道災(zāi)變預(yù)測與處治技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[2] 石新棟.圓梁山隧道主要地質(zhì)問題及對策[J].鐵道工程學(xué)報(bào), 2002(6).

[3] 鐵道部第四勘測設(shè)計(jì)院,鐵道部第五工程局.南嶺隧道巖溶突水涌泥地段綜合整治技術(shù)[Z].1990.

U455

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1004 -2954(2010)08 -0104 -03

2010 -05 -26

李庚許(1973—),男,高級工程師,E-mail:Zt164wsl@vip.sina.com。