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

李庚許

(中鐵十六局集團第四工程有限公司,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

李庚許

(中鐵十六局集團第四工程有限公司,北京 101400)

主要介紹根據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條件不同所表現出的巖溶發育程度、發育強弱及規模不同的原理,利用綜合超前地報預測預報精確探測技術,在充分探明高壓富水溶腔或暗河及巖溶發育規律后進行躲避、迂回繞行大型突水突泥溶腔的一項巖溶處治技術。

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)進行化學侵蝕、崩解和機械破壞、搬運、沉積等作用所形成的各種地表和地下溶蝕現象的總稱。巖溶產生主要有3個條件:第一,可溶性巖石是巖溶產生的物質基礎,例如,隧道穿越石灰巖、白云巖、泥灰巖、石膏、芒硝、巖鹽等地層時,受地下水作用可能出現溶蝕現象,石灰巖以溶解作用為主,白云巖則主要通過滲透—溶蝕—分解—淋濾—崩解作用發生破壞;第二,地質構造與地層結構的千差萬別決定了巖溶類型的多樣性、復雜性,巖體結構、構造以及巖層產狀、接觸關系、層厚、斷裂、褶皺、節理、裂隙、軟弱夾層、風化程度等地質特征決定了巖溶發育程度、發育強弱和規模的不同;一般情況下,向斜構造比背斜構造巖溶發育強烈,向斜構造的核部巖溶發育比兩翼強烈,背斜構造的兩翼比核部巖溶發育強烈;當隧道穿越可溶巖地層的節理、裂隙、斷層等結構為不連續面時,易遇到溶隙、溶管、溶洞、溶腔或暗河;第三,地表水和地下水補給、徑流、滲透和循環是巖溶形成和發育的必要條件;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,從而造成地下水補給和循環,給巖溶形成創造了必要條件,當地下水中游離或侵蝕性的CO2、SO4

2-等含量較大時,巖溶發育增強。綜上所述:巖溶是地表水和地下水對可溶性巖層經化學溶解作用和機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育亦有密切關系,水文地質條件不同所表現出的巖溶形態、發育程度則各不相同。由于巖溶發育的多樣性、復雜性、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 巖溶發育規律研究

巖溶隧道大型突水突泥溶腔迂回繞行技術必須依托綜合超前地質精確探測、洞內地質素描、洞外水文地質調查等工作,總結隧道巖溶發育規律。現以宜萬鐵路8座Ⅰ級巖溶高風險隧道之一的大支坪隧道為例進行巖溶發育規律研究。

2.1 綜合超前地質預測預報精確探測

綜合超前地質預測預報精確探測采用物探-鉆探相結合,長距離-短距離探測相結合、勘探-地質資料的綜合分析的綜合探測方法。在施工中,嚴格將巖溶超前地質預測預報工作納入工序管理,采用地震波法,地質雷達,地質素描及長、中、短距離鉆探等多種長、中、短期預報手段有機合理結合,綜合探測,取長補短,相互驗證,不斷總結巖溶發育規律。

2.2 洞外水文及地質調查

大支坪隧道地處鄂西南喀斯特高原,在區域地質構造上位于華夏系東西向構造與新華夏系北東向構造的復合部位,受其影響,區內不僅發育有多期次、不同規模的褶皺與斷裂,同時還發育眾多小型的變形構造,如層內、層間剪切錯動帶、多期節理、裂隙等。

隧道主要發育志留系、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剖面 及隧道平面設計如圖1所示。

圖1 大支坪隧道工程地質

區內與隧道有關的主要斷裂有8條,斷層帶附近為三疊系下統大冶組地層,破碎帶寬度大,揉皺發育。大支坪隧道地質構造如圖2所示。

圖2 大支坪隧道地質構造

隧道區發育6號、7號和水洞坪三條暗河及管道流和S54大泉。大支坪隧道暗河發育如圖3所示。

圖3 大支坪隧道暗河發育示意

2.3 巖溶發育規律總結

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

(1)隧道沿線路方向左側巖溶發育明顯強于右側;

(2)三迭系嘉陵江組灰巖巖溶發育程度最強,其次為二迭系長興組灰巖與茅口棲霞組灰巖;

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

(4)背斜軸部與斷層破碎帶巖溶發育;壓性斷層的一側巖溶發育;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育較大的溶洞;

(5)巖溶發育程度與地下水活動關系密切。在地下水垂直循環帶,巖溶以垂直形態為主,多發育落水洞、溶溝、溶槽等;在地下水季節變化帶巖溶發育最強烈,主要有溶洞與暗河,在地下水水平循環帶,發育有巖溶水平管道;

(6)地形坡度較緩地帶,有利于降水入滲,巖溶發育強,陡坡地帶發育相對較弱。

3 迂回繞行技術

3.1 定義

該技術是當隧道掌子面掘進遇大型易發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、風險高等特點,在掌子面左右側或后方擴大范圍超前精確探明巖溶發育規律后,利用巖溶發育較弱地帶,見縫插針、設置迂回導坑繞行通過的一項巖溶處理技術。

3.2 技術原理

該技術是根據巖溶突水突泥溶腔及暗河形成的水文地質條件不同所表現出的巖溶發育的多樣性、復雜性、各異性的原理,并利用綜合超前地質預測預報精確探測技術,在充分探明高壓富水溶腔或暗河及巖溶發育規律后,進行躲避、迂回、繞行的巖溶安全、快速、高效、經濟的一項巖溶處治的關鍵技術。

3.3 作用及意義

遇大型突水突泥溶腔迂回繞行技術有其顯著的工程意義:

(1)快速迂回繞行超前施工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;

(2)可超前正洞向前開辟工作面,加快施工進度;

(3)有利于施工通風和排水,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行排泄降壓,降低處理風險及難度,可大大降低投資;

(5)有利于施工及運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應用實例

4.1 迂回繞行990大型突水突泥巖溶異常體

大支坪隧道進口DK132+940～DK133+035及ⅡDK132+912～ⅡIDK133+020段為三疊系大冶組灰巖,巖溶順層發育,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,影響區域寬280m,長約440m。根據綜合超前地質預報及開挖揭示的地質情況,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育,I、Ⅱ線溶腔貫通,尖滅于迂回導坑左邊墻附近。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2007年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,突水約10萬m3/d,總突泥量1.2萬m3。由于發生在 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。溶腔形態如圖4所示。

圖4 大支坪隧道990大型溶腔形態

為早日實現安全突破990大型突水突泥溶腔,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。即在平導PDK132+990掌子面后方右側通過綜合超前地質預報技術,探明巖溶發育較弱地帶,在距平導30m處設迂回導坑,見縫插針,迂回繞行通過高壓富水溶腔取得成功。為了實現長隧道短打施組目標,通過迂回導坑超前通過橫通道進入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。如圖6所示。

圖6 PDK131+547巖溶管道探測及迂回繞避

5 結語

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、風險高,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。故在綜合地質預報超前精確探測地質情況下,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置迂回導坑安全繞行后,向前開辟10 -1、12、12 -1橫通道增加工作面,成功實現長隧道短打施組方案,經濟效益顯著。

大型突水突泥溶腔迂回繞行技術采用向左或向右另開迂回導坑、見縫插針、迂回繞行躲避突水突泥構造體,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新技術,并逐步被眾多巖溶隧道施工與設計中采用,具體明顯社會與經濟效益。

[1] 劉招偉,張民慶,王樹仁.巖溶隧道災變預測與處治技術[M].北京:科學出版社,2007.

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

[3] 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[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。