“釋能降壓”法在巖溶隧道溶腔處理中的關鍵因素

徐華軒

(中鐵十六局集團, 北京 100018)

1 “釋能降壓”的概念

巖溶隧道溶腔“釋能降壓”處理法是針對由高壓富水等充填介質所充填的溶腔,采取有計劃、有目的的爆破揭穿,從而釋放溶腔所存儲的物質和能量,然后通過配套措施完成溶腔處治,以降低和消除施工及運營過程中水土壓力對隧道的不利影響。

宜萬鐵路主要由橋隧組成,穿越巖溶極度發育地區,其中約70%的隧道位于灰巖地區,施工難度和風險極大。線路所經地區巖溶發育強烈,地質條件極端復雜,多座長大隧道含有復雜的巖溶管道群和溶隙群,突水突泥風險巨大,其中Ⅰ級風險隧道大支坪隧道和野三關隧道在施工中先后多次發生大型突泥突水,施工幾度陷入停頓。為解決這一難題,通過多年的技術攻關,經過反復實踐,總結出了處理溶腔的“釋能降壓”技術,較好地解決了溶腔發育地段的施工問題。

2 “釋能降壓”法的主要內容和技術要點

“釋能降壓”技術主要包括以下內容：巖溶水文地質分析、溶腔定位、泄壓引導線路規劃、安全監控及相應配套措施的制定和實施、溶腔揭示爆破和后期處理。

2.1 巖溶水文地質分析

任何技術都有它的適用性和局限性,只有因地制宜和有針對性才能達到預期效果,巖溶水文地質分析是決定溶腔處理能否采用“釋能降壓”技術的關鍵步驟。通過對兩座隧道的研究,認識到它們在水文地質上存在以下共同點：

(1)隧道均位于灰巖地區,雖然巖溶發育嚴重,并有不少大型填充性溶腔,然而灰巖具有較高的強度,隧道經過的整個山體不會因其內部存在溶蝕性溶腔而影響其整體穩定性。

(2)對隧道溶腔探測分析后得知,四周均有明顯的邊界,溶腔以外的實體部分為強度較高的灰巖,也就是說隧道溶腔為獨立的溶腔或溶腔群,而不是大型高壓斷層破碎帶。

(3)隧道內的出水量和大氣降水有著密切關系,降水量大時隧道內水量也會明顯增加,而旱季時隧道內水量很小。地表勘察發現,地表無明顯徑流,隧道溶腔內積水大部分來自于洼地匯集的雨水。

由此可見,這兩座隧道具備“釋能降壓”的前提條件：盡管兩座隧道所經過的山體內有大型溶腔,但山體為具有較高強度和整體性的灰巖,具有支撐整個山體的可靠受力體系,即使釋放出填充物,也不會影響山體整體穩定。隧道內涌水來源于由洼地匯集的大氣降水,也就是說溶腔內的水絕大部分為大氣降水的積水,如將積水排放,又會隨著時間的推移而重新在溶腔內形成新的積水,不會造成區域內水源的枯竭和自然水系大的改變。所以這兩座隧道采用“釋能降壓”法既不會引發地面塌陷,也不會造成原水系的改變而破壞環境,從而實現工程施工不影響環境生態的目標。

2.2 溶腔探測及定位

要處理溶腔就必須先將將溶腔的規模、界限、出水量、填充介質、填充物進出通道等勘察清楚,這也是“釋能降壓”施做成功的前提條件。

地質預測預報先行于隧道開挖施工,探測手段包括TSP、地質雷達和紅外探水等物探手段,并結合地質鉆孔鉆探手段,將各項探測結果相互對照、綜合分析,將隧道前方特別是巖溶溶腔的地質狀況預報出來。在目前的技術條件下,結合實踐中的探索,施工中后期探測準確率可達到90%以上,已相當成熟。宜萬線的應用實踐表明,地質預報系統基本可以將溶腔的規模、界限、出水量、填充介質、填充介質進出通道等情況勘察清楚,從而為施工方案的制定提供基本依據。

2.3 泄壓引導線路規劃

既然要將溶腔內的充填介質通過“釋能降壓”法進行釋放,那就要和突泥突水等地質災害的隨意性和盲目性有明顯的區別,“釋能降壓”法就是要讓溶腔內的充填介質,按照提前規劃好的線路有序引排堆積,從而避免次生災害。而只有科學規劃、合理安排才能方便泄壓物的清理,減少此環節的時間投入,并盡可能方便后期溶腔處理。引導線路規劃還要考慮在溶腔物釋放時的能量對隧道構造的破壞能夠降低到最低值,避免該能量破壞、損傷隧道結構。泄壓引導線路的規劃需要滿足以下主要要求：

(1)通過地質預測預報系統探明溶腔的規模和填充介質,并計算出填充介質的方量和溶腔排出釋放降壓時所產生的能量。

(2)引導線路應順暢便捷,以方便“釋能降壓”后的清淤工作,并根據溶腔揭示計算后的能量確定引導線路的長度,以便留夠泄壓緩沖區,在引導線路的盡頭施做合適的攔截壩,減小淤泥淤積區域,減少清淤工期,為溶腔的后期處理爭取時間。

為了達到較好的攔截效果,攔截壩可多處平行設置，如為復線雙洞隧道,應將橫通道進行封堵,以減小泄壓后排放物的影響區域,并將引導線路上可能受損壞的生活設施和生產設備進行轉移置放,減小不必要的損失。

2.4 安全監控及相應配套措施實施

(1)建立隧道安全等級管理體系,規范預警程序。根據隧道風險等級特別是溶腔處理的危險程度,加強相關的地質預報、雨量、水量、水壓觀測和圍巖監控量測,并據監測結果制定能夠保證施工人員安全的進洞條件。

(2)合理設置可靠的防災報警、應急照明和逃生救援系統。

(3)完善和落實與安全有關的進出洞登記、早點名、安全教育培訓及定期防災逃生演練制度。

通過上述措施,一方面可以主動有效地規避和減少災害的發生,另一方面可以在災害發生時,現場人員能夠安全快速躲避、撤離,保證人員安全和設備設施少受損失。

2.5 揭示爆破

揭示爆破是指為溶腔內的高壓充填物釋放外排清除泄壓通道上的阻礙,也即剝離工作面圍巖,讓其沿事先規劃好的線路進行能量和物質釋放,降低甚至消除溶腔后期處理的風險和難度。揭示爆破是“釋能降壓”法成功與否最為關鍵的一步,鑒于“釋能降壓”的特殊性,爆破必須一次性成功,如實施二次爆破,可能會在實施過程中誘發突泥突水而產生較大的災害。揭示爆破分為準確探明溶腔、選取爆破時機和確定揭示爆破方案及實施三部分內容。

(1)準確探明溶腔

準確探明溶腔是指進一步明確有關溶腔的詳細信息,探明溶腔邊界和隧道工作面的位置關系,并將其繪制成圖。在大支坪和野三關兩座隧道施工中，除了采用傳統的物探和鉆探手段外,還采取了超前探孔手段,即采用普通風鉆在爆破鉆孔過程中施做若干個(以開挖斷面面積而定)平均分布在工作面上、長度為開挖進尺兩倍以上的長鉆孔,以初步判識前方圍巖和溶腔的狀況。在準確探明溶腔的過程中,采用超前探孔對工作面進行地毯式的探查,以此勾勒出溶腔的凹凸界面,盡可能準確地獲取溶腔及圍巖的最新信息,然后根據溶腔形態和圍巖強度，確定工作面處的最小圍巖保護層厚度(即溶腔邊界和工作面間的最小距離)。

(2)選取爆破時機

理論上講,溶腔內的充填物釋放得越徹底,風險也就消除得越徹底。水是溶腔充填物流動釋放的潤滑劑和動力源,水壓越大也就意味著“釋能降壓”時溶腔釋放的能量越大,充填物也就釋放得越徹底。所以爆破揭示時應保證溶腔內有一定的儲水量,因溶腔內積水和大氣降水關系密切,所以最好選在雨季實施“釋能降壓”,并根據清淤所用時間,將爆破時間基本控制在實施完爆破揭示和清淤后正好是雨季結束的時間,以方便溶腔后期處理,減少后期施工難度。

(3)確定揭示爆破方案并實施

以探明的溶腔信息為基本根據制定爆破方案,分為剝離工作面圍巖至最小保護層厚度和最終爆破揭示兩部分。為精確控制剝離厚度,剝離工作面圍巖至最小保護層厚度時采用微震爆破法,將隧道工作面分區域向溶腔邊界靠攏,每次的爆破進尺必須嚴格控制,以保證最小保護層厚度的準確性。最終爆破揭示應根據凹凸不平的溶腔界面，設計出每個炮孔的位置、長度和裝藥量等。因每個炮孔的參數值是隨溶腔界面的變化而變化的,現場施做時應精確炮孔定位,盡量減小誤差因素對爆破產生過大的影響,確保潰破口一次成形并達到最佳排物泄壓效果。

(4)揭示爆破中的安全控制

揭示爆破的實施具有較高的風險,安全防護預案和揭示爆破方案編制需詳盡明確并通過有關專家的推敲審核。實施前對搶險救災人員和物資要準備充足并組織到位,并確保安全監控系統運轉正常。

3 溶腔后期處理

溶腔的后期處理應貫徹“穩、快、強、排”的施做方針,徹底消除溶腔對鐵路施工和運營的風險。“穩”是指在確保無風險的情況下進洞進行溶腔處理,確保人身安全,嚴格按安全管理規程和專項施工方案進行施做；“快”是指提高工序之間的連貫性,備足施工物資,組織好人員,盡快對溶腔進行封閉處理；“強”是指強支護,提高初支和襯砌的結構強度,并對開挖輪廓線外5～8 m的范圍用混凝土或注漿回填；“排”是指以確保隧道結構安全和滿足環保要求為前提,按照以堵為主、引排結合的方針,施做引水洞。

溶腔后期處理包括：溶腔突出物清理、溶腔清理及封閉、溶腔段初期支護和二次襯砌、溶腔段防排水系統設計和施做。

3.1 溶腔突出物清理

溶腔突出物一般為水、泥和砂石的混合體,清理存在一定難度,要注意清理工具的選取。清理過程中,溶腔可能仍會有小規模的突泥突水發生,應注意觀察防范,按照程序要求施工,在規定期限內完成。

3.2 溶腔清理及封閉

受溶腔內充填物質特征(水和固體物質)、水壓高低、水量大小、釋放季節等綜合的影響,可能會出現三種情況：第一種情況是溶腔內水和充填物完全釋放；第二種是溶腔內水釋放,而充填物未釋放；第三種是溶腔內水釋放、充填物部分釋放。要根據釋能降壓后所顯示的不同狀態,確定處治方案。

(1)水和充填物完全釋放狀態

釋能降壓后,溶腔內水和充填物完全釋放出來的狀態稱為完全釋放狀態。這種狀態下溶腔施工處理比較容易,主要采取回填混凝土的方法,先在隧道結構外形成護拱。回填前先在溶腔段設置外模板,然后架設鋼架,預埋今后引排溶腔內積水的排水管,最后網噴混凝土形成初期支護的護拱。

初期支護：一般采用I22支護鋼架,間距1榀/0.5 m,架設后用φ22 mm螺紋筋縱向邊接,掛網噴射C20混凝土30 cm,形成初期支護。

引排巖溶水：埋設φ200 mm鋼管引排巖溶水,鋼管數量一般為每100 m 3～5根,排水能力為釋能降壓后動態補給水量的2～3倍。

回填混凝土形成護拱：用C20混凝土進行溶腔拱墻回填,回填高度為隧道開挖輪廓線外5 m以上。

(2)水釋放、充填物質未釋放狀態

在這種情況下,應對充填物質穩定性進行評判,若充填物質含水量低，有一定的自穩能力時,可采取三臺階法開挖處理溶腔。若充填物質含水量高、工作面自穩能力差時,應對充填介質進行超前預注漿加固,同時施做超前大管棚進行超前預支護,以防止開挖過程中發生坍方。

①臺階法開挖溶腔填充物

當溶腔內充填物質為粉質黏性土或砂土時,釋能降壓后地層失水,地層有一定的自穩能力,可采取三臺階法開挖,以降低每次開挖高度。上臺階開挖時采取預留核心土弧形導坑法開挖,以利于工作面的穩定。

超前小導管支護：超前小導管采用φ42 mm焊接鋼管加工,小導管長度3.5～4 m,環向布設間距20 cm,縱向每2 m布置一次。

上臺階開挖、支護和鎖腳：為方便施工,上臺階高度控制在3.5～4 m。上臺階采取預留核心土環形開挖,每次開挖進尺0.5～1 m。開挖后及時施做I22鋼架支撐,鋼架間距1榀/0.5 m,掛網噴射C25混凝土30 cm。核心土面積不小于上臺階面積的50%,上部高度1.5～2 m,縱向長度1.5～2 m。

核心土跟進開挖：及時開挖核心土。

上臺階橫撐支護閉合：為方便施工,原則上溶腔段上臺階開挖完成后,應及時施做上臺階橫向支撐以便封閉成環。橫向支撐每0.5～1 m施做一榀,橫向支撐與上臺階鋼架焊接牢固。施工過程中應加強監控量測,及時動態調整支護體系。若開挖中變形較大,應及時施做和增加橫向支撐,并噴射混凝土封閉。

拱部徑向注漿加固：對上臺階拱部進行徑向注漿,加固土體,提高拱部穩定能力。注漿孔間距為1.5 m×1.5 m,采用小導管一次性注漿,注漿范圍為開挖輪廓線外3～5 m。注漿材料采用普通水泥單液漿,漿液水灰比取0.6∶1～0.8∶1。

中臺階左右錯開接腿開挖支護：上臺階施工完成后,進行中臺階施工,中臺階高度一般為3.5～4 m。施工時,應采取左右錯開接腿,錯開距離3～5 m。每次接腿縱向間距長度不得大于1.5 m。

中臺階開挖：中臺階接腿后,及時跟進中臺階核部開挖。

下臺階開挖支護閉合：中臺階開挖完成后,及時進行下臺階開挖支護,對鋼架形成閉合。下臺階開挖進尺為1.5～2 m。

②注漿管棚施工

當溶腔內充填物質為淤泥質土時,釋能降壓后溶腔失水,但淤泥質土層中仍有較高的含水量,穩定性差,開挖過程中易發生坍方。因此,應對淤泥質土層進行超前預注漿加固,降低土層含水量,提高黏結力,確保開挖過程的穩定。注漿后施做超前大管棚進行超前預支護,然后按三臺階法開挖。

周邊超前預注漿：對隧道拱部周邊進行超前預注漿,注漿加固范圍一般為隧道開挖輪廓線外5 m以外。縱向長度根據溶腔縱向長度確定,原則上一循環不超過30 m,當溶腔縱向長度超過30 m時,可考慮多個循環,或從正反向進行雙向夾擊處理。注漿設計時漿液擴散半徑按1.5～2 m考慮。注漿材料采用普通水泥單液漿,漿液水灰比為0.6∶1～0.8∶1。若隧道周邊存在泄水洞室時,應充分考慮周邊環境因素,以防止大量跑漿造成浪費,同時避免堵塞泄水洞。為此,可采取可控域注漿技術,控制漿液的流動范圍。

穩定工作面注漿加固：周邊注漿結束后,可對工作面設置3～5個注漿孔進行適當的注漿,以穩定工作面,從而在下一步開挖時不必再預留核心土。穩定工作面的注漿材料采用普通水泥單液漿,漿液水灰比取0.6∶1～0.8∶1。該注漿采取全孔一次性定量注漿,注漿量計算時漿液填充率按0.3～0.5計算,不考慮漿液損失率。

超前大管棚預支護：注漿經檢查符合要求后,通過預埋的導向管對周邊進行鉆孔,鉆孔到設計深度后安設大管棚并進行注漿,以形成超前剛性支護體系。超前大管棚和超前周邊注漿共同作用,以提高支護效果。大管棚采用外徑φ108 mm、壁厚8 mm的無縫鋼管加工,每小節長2 m或3 m,環向間距30～40 cm,外插角1.5°。每節管棚鉆設φ8 mm單向閥溢漿孔4個。管棚布設完成后,對管棚進行全孔一次性注漿,注漿材料采用普通水泥單液漿,漿液水灰比取0.6∶1～0.8∶1。

(3)水釋放、充填物部分釋放狀態

該情況下,未被釋放排出即留下的充填物多為重量和體積較大的碎塊石夾土,雖然溶腔內充填的碎塊石土有一定的自穩能力,但堆積結構松散,上部荷載大,若采取注漿管棚法,在碎塊石土中鉆孔極易坍孔卡鉆,嚴重影響施做進度。因此,宜采取清方置換法進行處治。

清方置換法是用機械對碎塊石堆積體進行清除,形成局部空洞,然后用回灌混凝土的方法對開挖的空洞進行回填,并用水泥砂漿對堆積體進行膠結固結,然后采取三臺階法進行開挖支護。

3.3 溶腔段初期支護、二次襯砌及防排水系統施做

應增強溶腔段的初期支護和二次襯砌的結構剛度,并提高其防排水等級,確保運營安全。還應對該段的襯砌結構受力和水壓力進行實時檢測分析,以便及時將隱患消除。大支坪和野三關兩座隧道均采取在襯砌結構內安置電子土壓力計和水壓計的方法進行監控,方便快捷,易于數據收集和分析,為線路安全運營提供保障。

4 結束語

“釋能降壓”法的各項內容相輔相成,只有確保每步細節的成功才能最終取得預期效果。“釋能降壓”的應用成就了宜萬鐵路的早日建成,為我國鐵路建設增添了光輝的一頁,也為今后類似隧道的施工積累了寶貴的經驗。

[1] 鐵道部第四勘測設計院,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[R].武漢：鐵道部第四勘測設計院，鐵道部第五工程局，1990

[2] 吳治生,付伯森.南嶺隧道巖溶管道涌泥及治理經驗[M].成都:成都科技大學出版社,1988

[3] 李治國.圓梁山隧道2號高壓、富水溶洞注漿技術[C]∥中國土木工程學會論文集.北京：中國土木工程學會，2002

[4] 陳仕猛.綜合預報和地質補勘技術在馬鹿箐隧道中的應用研究[J].鐵道建筑技術,2010(1)：14-20

[5] 左玉杰.反坡富水巖溶隧道抽排水系統的設置和應用[J].鐵道建筑技術,2007(4)：26-29

[6] 周訓高.歌樂山隧道突發性涌水整治技術[J].鐵道標準設計,2006(11)：69-71

[7] 吳文平,曹躍華,郭雅芳.橫坑隧道涌水預測及其巖體力學分析[J].鐵道標準設計,2006(10)：93-95

[8] 王 華,吳 光,馮 濤，等.渝懷線圓梁山隧道超前地質鉆探預報技術應用研究[J].鐵道建筑,2007(2)：36-38

[9] 謝銜光,陳廣勛,黃德川.化解復雜巖溶隧道突水突泥風險應用技術研究[J].鐵道工程學報,2009(9)：73-77

[10] 干昆蓉,王 東,董泗龍.某巖溶隧道涌水預報技術探索[J].鐵道工程學報,2007(5):89-94

[11] 曾憲明.宜萬鐵路施工地質工作[J].鐵道勘察,2010(1)：34-39

[12] 張守周.隧道穿越大型充填型溶洞的工程地質勘察技術研究[J].鐵道勘察,2009(5)：64-68

[13] 岳麗敏.長大隧道中涌(突)水處理施工技術[J].國防交通工程與技術,2006(4)：51-53，67

[14] 張 生.長凼子隧道出口主洞溶洞處理施工技術[J].國防交通工程與技術,2009(2)：50-51，66