棋盤石隧道溶洞突水成因分析及技術處理措施

孫偉亮

(中鐵十四局集團 向莆鐵路指揮部，福建 尤溪 365114)

向莆鐵路棋盤石隧道全長10 808 m，為雙線隧道，單面上坡，坡度為7.6‰，隧道最大埋深770 m。棋盤石隧道為向莆鐵路Ⅰ級風險隧道，主要施工風險為:隧道涌突水、突泥。這種對安全性影響極為嚴重的風險，有二種表現(xiàn)形式:①斷裂帶涌突水、突泥(共有13處斷裂帶);②巖溶系統(tǒng)突水、突泥。設計文件地勘資料表明，其中 F6、F7為強富水斷層，預測最大涌水量為13 536 m3/d;DK406+800—DK411+100存在大理巖、滑石化白云質(zhì)大理巖，局部存在石灰?guī)r，巖溶較為發(fā)育。隧洞施工采用3臺階礦山法施工，共設3個橫洞，計劃工期42個月。

棋盤石3#橫洞位于線路前進方向的右側(cè)，與隧道正洞左線相交于DK409+000里程處，與左線前進方向夾角為30°，洞采用單車道 +錯車道斷面。洞身長度為2 140 m，洞的綜合坡度為3‰，洞身為順坡開挖。依據(jù)設計資料和開挖揭示，隧址區(qū)域內(nèi)為白云質(zhì)大理巖，屬于可溶巖，橫洞有F9和F9-1斷層穿過(圖1)。

1 溶洞揭示概況

2009年8月6日6:00，當橫洞開挖至 H3DK0+891，掌子面下部左側(cè)出現(xiàn)涌水，隨即施工人員全部撤離，涌水由小到大，短時間內(nèi)涌水量增大到260 m3/min，直到下午19:00左右水量開始逐步減小，保持穩(wěn)定流量7～10 m3/min。涌水情況如圖2。

圖1 3#橫洞地質(zhì)平面

圖2 3#橫洞涌水情況

2009年8月14日揭示溶洞寬度約13 m，沿橫洞線路方向約6 m范圍全部揭示(圖3、圖4)。溶洞側(cè)壁風化較為嚴重，溶腔填充物滑落后，溶洞側(cè)壁開始掉塊。溶洞在隧道正前方并且向左上方向發(fā)展，溶腔內(nèi)充泥土碎石，沉積層理明顯，填充物中間夾雜大量孤石等，充填物及風化巖壁坍塌嚴重。截至16日坍塌高度大于25 m，寬度大于16 m，沿橫洞線路深度也不斷增加。截止18日凌晨，坍塌體已將掌子面溶洞口填滿。

2 溶洞突水成因分析

2.1 地質(zhì)構造原因分析

圖3 3#橫洞溶洞揭露情況

圖4 溶洞分布平面示意

設計院提供的地質(zhì)資料表明，該區(qū)域為前震旦系變質(zhì)巖地層，主要包括龍北溪組大理巖、白云質(zhì)大理巖和東巖組綠泥片巖和黑云片巖。地質(zhì)構造以北東向為主，主要表現(xiàn)為走向NE～SW和NNE～SSW斷裂擠壓構造帶和裂隙帶。在施工區(qū)域內(nèi)(主洞里程DK408+074—DK410+885)存在加里東期傾伏背斜和倒轉(zhuǎn)向斜;受其作用，前震旦系東巖組和龍北溪組地層重復出現(xiàn)，東巖組地層組成傾伏背斜的核部，龍北溪組地層組成倒轉(zhuǎn)向斜的核部，受多期構造影響，傾伏背斜和倒轉(zhuǎn)向斜的核部巖層較破碎，分布有 F8、F9、F9-1斷層，如圖5。線路附近多初露大理巖，地表巖溶發(fā)育，V形沖溝較深，沖溝底部形成堆積物，與3#橫洞涌出物成分和形狀比較類似。因此，溶洞主要是受控于華夏系壓性逆斷層和張性正斷層，在華夏系壓性逆斷層和張性正斷層復合部位有存在較大溶洞的可能。

2.2 施工地質(zhì)揭露情況分析

施工地質(zhì)素描資料顯示，施工掌子面在H3DK1+148處進入大理巖段，并在 H3DK1+143，H3DK1+137，H3DK1+133.3，H3DK1+128.7 等多處出現(xiàn)出水點。開始在掌子面左部鉆孔噴出濃鐵銹色夾帶細粉沙的渾濁水體，噴射距約1 m;后轉(zhuǎn)到隧道左壁，一周后水流速減小、壓力降低，變?yōu)樽匀涣鞒龅臎]有噴射距的清水。圍巖顯示掌子面進入斷層影響區(qū)域，如圖6。根據(jù)圍巖揭露和出水點位置分布情況分析，該區(qū)域斷層以產(chǎn)狀為 50°/140°∠70°的壓性斷層和產(chǎn)狀為320°/50°∠80°的張性逆斷層為主，并多次揭露出中小型壓性斷層與張性斷層。從H3DK0+890處溶洞揭露情況分析，該處為一較大型壓性斷層與張性斷層交匯處，前方或周圍仍有可能存在較大溶洞;根據(jù)出露的出水點情況分析，較大溶洞可能存在于橫洞軸線左側(cè)。

2.3 地質(zhì)超前預報分析

為詳細了解H3DK0+890處掌子面及前方地質(zhì)情況，分別采用先進的 TSP203進行了地質(zhì)超前預報和采用地質(zhì)雷達對掌子面、周圍側(cè)壁、拱頂及隧道底板進行了探測，并進行了超前鉆孔。TSP探測表明，H3DK0+891—H3DK0+790范圍內(nèi)為小斷層破碎帶、斷層群發(fā)育，并有較多水帶分布的大理巖區(qū)段，在橫洞左側(cè)壁沿線存在多條小斷層組成的2個小斷層群和7條水帶;而在右側(cè)壁沿線存在多條小斷層破碎帶和5條水帶。地質(zhì)雷達探測表明，H3DK0+888—H3DK0+882為充滿型溶腔，可能為水帶或泥帶;H3DK0+882—H3DK0+876為較完整大理巖，無明顯不良地質(zhì);H3DK0+876—H3DK0+871以后(5 m以上)為充水或空腔型溶腔。對H3DK0+891掌子面進行超前鉆孔揭示，掌子面前方2～10 m范圍有兩處空腔，空腔內(nèi)有水和泥漿等物質(zhì)充填，且在其余地段局部存在裂隙、強風化巖石等。

圖5 地質(zhì)結(jié)構剖面示意

圖6 3#橫洞地質(zhì)揭露分布示意

依據(jù)物探、超前鉆孔、開挖揭示情況及施工調(diào)查情況，顯示前方掌子面100 m范圍內(nèi)存在4條斷層和7條較明顯水帶，可能存在多個溶洞或者溶洞群，溶洞之間相連部分已經(jīng)完全風化，穩(wěn)定能力較差，并且溶洞頂部較高，時常有大石塊掉落，施工不安全，風險較大。初步分析認為該溶洞為沿F9和F9-1斷層帶形成溶洞群，水系相連，與地表水有連通，但地表補給水量不大。

3 隧道施工處理措施

3.1 處理原則

從已經(jīng)揭示的溶洞大小和周圍巖石的風化程度看，該處地層年代久遠，可能存在更大的溶洞，穿行的難度大。經(jīng)過建設單位、設計院和施工單位現(xiàn)場論證，為確保橫洞施工安全，決定采用繞行方案，同時為減小橫洞施工對正洞的工期壓力，宜增加支洞盡快進入正洞施工。

3.2 處理方案

1)自橫洞掌子面退后100 m處右側(cè)采用支洞形式繞行通過溶洞。即原橫洞H3DK1+015處向右與橫洞中心呈45°角掘進分叉支洞，與正洞交于 DK409+741.3;分叉支洞開挖至距橫洞約200 m后，設左轉(zhuǎn)繞行橫洞，繞過巖溶發(fā)育區(qū)，與隧道正洞交于 DK409+100。

2)原設計橫洞 H3DK0+891處溶洞充填物須及時清理，保持橫洞涌水排泄暢通，防止堆積體過高，避免在水壓作用下形成泥石流。

3)橫洞繞行通過溶洞區(qū)后，對原橫洞掌子面采用混凝土擋墻進行封閉。

4)繞行洞施工過程中堅持在可溶巖段采用全程長距離TSP203、地質(zhì)雷達等地質(zhì)物探手段進行預報，同時采取超前水平鉆孔進行驗證，如發(fā)現(xiàn)掘進前方有溶洞，要及時支護，先處理、后開挖，確保施工安全。

3.3 繞行效果

按照繞行處理方案，棋盤石隧道3#橫洞繞行洞順利繞行通過涌水地段，并順利達到隧道主洞。地質(zhì)素描表明，繞行洞掌子面主要為大理巖，灰白色，夾雜白色條帶狀石英巖，圍巖整體性較好，沒有出現(xiàn)較大的地質(zhì)災害段。

4 結(jié)語

溶洞、涌水與塌方是地質(zhì)復雜隧道不可避免的地質(zhì)災害。在施工過程中必須及時掌握圍巖地質(zhì)條件的變化規(guī)律，同時利用TSP、地質(zhì)雷達和超前鉆孔等超前預報輔助手段，及時進行地質(zhì)分析;從而做到避免較大地質(zhì)災害的發(fā)生，并能夠及時采取準確合理的技術處理措施，有效減少隧道施工過程中安全事故的發(fā)生。

［1］鐵道部第二工程局.鐵路工程設計技術手冊(隧道)［M］.北京:中國鐵道出版社，1995.

［2］鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術手冊(隧道)［M］.北京:中國鐵道出版社，1995.

［3］代峪.云霧山隧道突泥災害工程地質(zhì)特征與防治［J］.鐵道建筑，2009(10):33-35.

［4］楊秀清，柳墩利.內(nèi)尾隧道溶洞處理技術［J］.鐵道建筑，2009(11):42-44.