象山隧道巖溶突水涌泥原因分析及處理措施

顏志偉

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

象山隧道巖溶突水涌泥原因分析及處理措施

顏志偉

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

龍廈鐵路象山隧道施工中，右線隧道距離進(jìn)口4 468 m處的掌子面(YDK24+158)發(fā)生了大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的突水、涌泥，導(dǎo)致地表發(fā)生大范圍的沉降、塌陷，出現(xiàn)了典型的巖溶地下水突出所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。結(jié)合象山隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，對(duì)隧道巖溶突水涌泥原因進(jìn)行分析，結(jié)論是:本隧道具備了發(fā)生巖溶突水地質(zhì)災(zāi)害的典型地層特征。為此，借鑒國(guó)內(nèi)巖溶隧道設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本隧道的地形地質(zhì)條件，提出在隧道洞身地表相應(yīng)位置設(shè)置深孔，通過(guò)深孔進(jìn)行投料、注漿的方法，封堵掌子面潰口、加固溶腔內(nèi)的充填物，同時(shí)在洞內(nèi)掌子面進(jìn)行帷幕注漿、設(shè)置高位支洞排水等綜合處理措施，達(dá)到了預(yù)期效果。

深埋隧道;巖溶突水;反坡排水;深孔封堵;帷幕注漿

1 工程概述

象山隧道是龍廈鐵路全線最長(zhǎng)的隧道，由2條并行的單線隧道組成，左、右隧道線間距30 m。其中左線隧道長(zhǎng)15 898 m，右線隧道長(zhǎng)15 917 m。右線隧道進(jìn)、出口里程分別為 YDK19+690、YDK35+607。隧道縱坡為11‰左右的單面下坡，最大埋深830 m，隧道設(shè)有5座斜井。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)斜井與正洞的交點(diǎn)里程分別為YDK22+455，YDK25+000，YDK28+230，DK29+750(左線)，YDK34+800，斜井長(zhǎng)度分別在500～900 m，其中1號(hào)、5號(hào)斜井采用無(wú)軌運(yùn)輸，2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)斜井采用有軌運(yùn)輸［1］。

隧道施工中，1號(hào)斜井工區(qū)正洞右線掌子面YDK24+158處發(fā)生了大規(guī)模的突水、涌泥，導(dǎo)致隧道洞內(nèi)左、右線被淹沒(méi)長(zhǎng)度共約8.5 km，地表出現(xiàn)大范圍沉降、塌陷，沉降影響區(qū)約0.3 km2，出現(xiàn)了典型的因巖溶地下水突出所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。

發(fā)生突水后，隧道進(jìn)度主要受控于1～2號(hào)、4～5號(hào)斜井之間未開(kāi)挖地段的施工。全隧道平面布置及隧道內(nèi)積水情況，詳見(jiàn)圖1。

圖1 象山隧道平面布置及洞內(nèi)積水平面示意

2 地形地貌、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 地形地貌

1號(hào)斜井與2號(hào)斜井之間的隧道，洞身(YDK23+850～YDK24+920)地表為山間谷地，屬半封閉溶蝕洼地，地形較平坦，是九龍江北溪的發(fā)源地，年降雨量豐富，地表水發(fā)育。該段隧道埋深約150 m，地表為龍巖市適中鎮(zhèn)新祠村，民房、學(xué)校、工廠、高速公路等散布其間。

2.2 工程地質(zhì)

該段地層復(fù)雜，主要有石炭系下統(tǒng)林地組(C1l)、二迭系下統(tǒng)童子巖組(P1t)、上統(tǒng)翠屏山組(P2CP)和大隆組(Pd2)、三迭系下統(tǒng)溪口組(T1X)、上統(tǒng)大坑組(T3d)、文賓山組(T3W)、侏羅系下統(tǒng)梨山組(J1l)地層，以及燕山早期(γ52(3)C)黑云母花崗巖和燕山晚期(γ5

3(1)b)中細(xì)粒花崗斑巖等侵入巖地層。此外，零星分布有第四系沖洪積和坡殘積層。三迭系下統(tǒng)溪口組(T1x)為厚層狀灰?guī)r，灰?guī)r巖面起伏較大，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，溶洞多充填，充填物為流塑狀黏性土、砂和風(fēng)化的巖石碎塊。

2.3 水文地質(zhì)

工程區(qū)域地下水類型有:第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖區(qū)的裂隙水、碳酸鹽巖區(qū)的巖溶水。山區(qū)高地及山地槽谷等為地下巖溶水的補(bǔ)給區(qū)，巖溶水主要為巖溶裂隙水、巖溶管道水。巖溶溶洞、溶腔、溶溝、溶槽、管道相互連通，形成一個(gè)巨大的儲(chǔ)水構(gòu)造。

在接觸帶灰?guī)r巖溶發(fā)育，同時(shí)洼地灰?guī)r巖體上覆第四系沖洪積和坡殘積含礫(碎)石粉質(zhì)黏土及圓礫土等松散土體，其賦水性良好，水量豐富，滲透性能好，成為地下水與地表水體的良好連通渠道，從而使巖溶水、第四系松散巖類孔隙水和地表水形成一個(gè)統(tǒng)一的水體。象山隧道施工前預(yù)測(cè)正常涌水量為23 491 m3/d，最大涌水量為51 560 m3/d［1］。

3 隧道主要突水過(guò)程

2009年12月23日，象山隧道1號(hào)斜井右洞出口掌子面施工至YDK24+158，在進(jìn)行下臺(tái)階YDK24+154.2左側(cè)初期支護(hù)噴射混凝土?xí)r掌子面及后方初期支護(hù)拱架出現(xiàn)開(kāi)裂、掉塊現(xiàn)象，并發(fā)展為坍方、涌水，坍塌約600 m3，涌水量約200 m3/h。12月23日晚，現(xiàn)場(chǎng)在進(jìn)行洞碴回填過(guò)程中掌子面涌水量突然增加至約800 m3/h并持續(xù)增加，由于短期涌水量過(guò)大(最大時(shí)達(dá)7 300 m3/h)，且隧道為反坡排水，發(fā)生突水后，機(jī)械抽排不及，臨時(shí)泵站抽水機(jī)和變壓器等設(shè)備被淹沒(méi)，排水系統(tǒng)陷入癱瘓。

為了控制隧道排水量，防止地表塌陷的進(jìn)一步擴(kuò)展，首先在洞內(nèi)DK22+614處設(shè)置沙袋堵水墻堵水，由于水位上漲過(guò)快，未能成功。堵水失敗后，采取在隧道進(jìn)口YDK20+026處及1號(hào)斜井內(nèi)，設(shè)置混凝土堵水墻方案，將涌水封堵于YDK20+026至YDK24+158(DK20+026至 DK24+121)之間的隧道洞身及1號(hào)斜井內(nèi)。這次大規(guī)模的突水涌泥，加劇了原有地表裂縫的發(fā)展和地表建筑物和路面的破壞，引起了大規(guī)模的地面沉降和房屋開(kāi)裂。

在隧道排水過(guò)程中，又發(fā)生了2次大的涌水:2010年9月22日，YDK24+158處潰口涌水量突然增大(約3 600 m3/h)、因抽排不及，涌水面回淹至DK23+310處(距左線掌子面811 m)。

2010年10月8日，左右洞移動(dòng)泵站追排至DK23+600(YDK23+565)附近時(shí)，潰口處再次發(fā)生突水，使隧道積水又往進(jìn)口方向后移325 m。

4 隧道突水原因

發(fā)生突水之后，對(duì)本段隧道的地質(zhì)情況進(jìn)行了詳細(xì)的補(bǔ)充勘探，對(duì)巖溶溶腔的發(fā)育形態(tài)進(jìn)行了探測(cè)。結(jié)果表明，1號(hào)斜井與2號(hào)斜井之間未開(kāi)挖段，上部第四系地層為厚10～100 m的粉質(zhì)黏土和砂卵石層，下部灰?guī)r巖面起伏較大，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，表現(xiàn)為串珠狀溶洞，高度20～80 m，溶洞多充填，充填物為黏土、砂和風(fēng)化的巖石碎塊。

YDK24+150～YDK24+200段發(fā)育一大規(guī)模的溶腔，溶腔高度在洞身以上約50 m至隧底以下約5 m，洞內(nèi)充填物以軟塑黏性土、含角礫黏性土為主，局部有少許砂巖、灰?guī)r碎塊，隧道穿過(guò)的溶腔屬深埋、富水、大型充填型溶腔［2］。YDK24+255～YDK24+261段為三迭系下統(tǒng)溪口組粉砂巖，強(qiáng)風(fēng)化，風(fēng)化呈紅色，巖體整體破碎，地下水發(fā)育，含黃色泥、沙。該段隧道地質(zhì)縱斷面詳見(jiàn)圖2。

圖2 YDK23+970～YDK24+320段隧道地質(zhì)縱斷面

由此可見(jiàn)，該段具備發(fā)生巖溶突水地質(zhì)災(zāi)害的典型地層特征［3，4］。當(dāng)隧道施工開(kāi)挖穿過(guò)巖溶溶腔充填物、且地下水水壓大時(shí)，因施工超前預(yù)注漿加固存在一定的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致掌子面局部出現(xiàn)滲漏水，引發(fā)初期支護(hù)出現(xiàn)開(kāi)裂、掉塊現(xiàn)象，并發(fā)展為坍方、涌水，最后導(dǎo)致了突水涌泥、淹沒(méi)已施工段隧道、斜井。引起隧道上方地下水位急劇下降，造成地表土體發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致房屋開(kāi)裂、地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。通過(guò)觀測(cè)，地表最大沉降量達(dá)566 mm。最后，不得不將整個(gè)村莊進(jìn)行搬遷。

5 巖溶突水的處理措施

本隧道巖溶突水的特點(diǎn)是:隧道埋深大、水壓高，隧道施工掌子面為反坡排水，突水后隧道內(nèi)積水段落距掌子面長(zhǎng)達(dá)4.1 km。

利用擋水墻將突水封堵在隧道內(nèi)后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的抽排，水位下降不明顯，主要原因是地下水補(bǔ)給充足。若加大排水力度，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致溶腔充填物及地下水的大量流失，引起地表進(jìn)一步塌陷、危及隧道安全。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)地下水涌出規(guī)律的觀察及地表塌陷區(qū)的發(fā)展規(guī)律分析，經(jīng)多方案研究、比選，決定采取措施封堵掌子面潰口、穩(wěn)定溶腔內(nèi)的充填物、控制地下水的涌出量［5］;同時(shí)加強(qiáng)地表巡查、及時(shí)處理地表出現(xiàn)的塌穴，做好地表水的疏排處理。并采用綜合超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段，隨時(shí)掌握隧道周邊巖溶地下水的發(fā)育情況及預(yù)注漿效果［6，7］。

由于隧道埋深達(dá)150 m，掌子面水壓達(dá)1.3～1.5 MPa，如何封堵潰口、降低水壓是施工的關(guān)鍵。根據(jù)本隧道巖溶突水的具體情況，采取了“封堵潰口、排水降壓、注漿加固、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)”的處理原則［8，9］。同時(shí)盡快完成2號(hào)至3號(hào)斜井之間、3號(hào)至4號(hào)斜井之間、4號(hào)至5號(hào)斜井之間剩余隧道的開(kāi)挖襯砌工作，爭(zhēng)取盡快滿足隧道順坡自然排水條件。

5.1 地表鉆深孔，投料、注漿封堵潰口

發(fā)生突水后，推測(cè)YDK24+150～YDK24+165段隧道頂部溶洞充填物松動(dòng)高度最大約27 m。

在發(fā)生突水的右洞潰口地表，鉆7個(gè)深約150 m、孔徑φ108 mm的鉆孔，從地表向洞內(nèi)潰口處投放碎石，以充填潰口、擠密溶腔充填物，于YDK24+158附近形成臨時(shí)止水塞封堵潰口，達(dá)到“透水不透泥”的效果。另設(shè)置9個(gè)注漿加固孔對(duì)潰口前后隧道洞身范圍進(jìn)行注漿加固，注漿范圍縱向30 m(YDK24+160至YDK24+190)、橫向10 m(右線中線兩側(cè)各5 m)、豎向拱頂以上20 m。采取分段下行式注漿，注漿孔孔間距5 m。投料孔及注漿孔的布置詳見(jiàn)圖3。

圖3 地表投料注漿孔平面布置示意(單位:m)

注漿封堵要求達(dá)到控制地下水的排泄量，實(shí)現(xiàn)限量排放、控制水壓的目的。實(shí)測(cè)證實(shí)，潰口前方水壓降低、水量減少，后期潰口總出水量穩(wěn)定在350～400 m3/h。分析認(rèn)為;通過(guò)投料注漿封堵后，溶腔填充物基本固結(jié)穩(wěn)定。隨著時(shí)間的推移，地下水逐步回歸原有的排泄通道、達(dá)到了新的動(dòng)態(tài)平衡。

5.2 抽排洞內(nèi)積水、恢復(fù)1號(hào)斜井左線施工

封堵潰口、控制出水量后，采用大功率抽水設(shè)備將隧道內(nèi)積水從隧道進(jìn)口及1號(hào)斜井抽出，使隧道內(nèi)水位穩(wěn)定在比YDK24+158潰口處隧道拱頂?shù)?.9 m左右。然后封閉9號(hào)橫通道，確保左線施工安全。之后進(jìn)行左線隧道清淤，恢復(fù)1號(hào)斜井左線出口掌子面施工。

5.3 洞內(nèi)排水降壓、注漿加固

5.3.1 排水降壓

恢復(fù)1號(hào)斜井左線施工后，在1號(hào)斜井左線DK24+110(對(duì)應(yīng)右線里程YDK24+137)附近邊墻向潰口鉆孔排水、在2號(hào)斜井左線DK24+160附近邊墻向潰口鉆孔排水。泄水孔鉆至潰口處拱頂10 m以上位置，保證排水暢通、滿足減壓要求。減壓標(biāo)準(zhǔn)為:注漿施工期間要保證水壓小于0.5 MPa，開(kāi)挖時(shí)要保證水壓小于0.3 MPa。

在左線隧道DK24+121處(對(duì)應(yīng)右線里程YDK24+148)拱部向右線隧道方向開(kāi)挖長(zhǎng)約21 m的高位支洞(詳見(jiàn)圖4)，高位支洞盡量上抬、靠近右洞。通過(guò)高位支洞對(duì)潰口進(jìn)行探測(cè)，探清潰口處溶洞的邊界，同時(shí)在高位支洞封堵墻內(nèi)對(duì)右線潰口進(jìn)行注漿加固;注漿后在高位支洞內(nèi)布置多方位泄水孔，對(duì)潰口段實(shí)施排水(詳見(jiàn)圖5)，防止水壓上升、危及施工安全。

圖4 高位支洞平面布置示意

圖5 高位支洞泄水孔、注漿孔布置

5.3.2 注漿加固

1號(hào)斜井與2號(hào)斜井之間剩余隧道段，采用“一次注漿段長(zhǎng)25 m、加固圈厚8 m”的全斷面預(yù)注漿方案，每開(kāi)挖循環(huán)預(yù)留7～8 m厚的止?jié){墻。

1號(hào)斜井右洞清淤至YDK24+145附近后，迅速設(shè)置封堵墻，進(jìn)行注漿加固和管棚支護(hù)。并利用1號(hào)斜井左線掌子面，向右側(cè)YDK24+158潰口方向進(jìn)行鉆孔注漿，加固左右線間土體［10］。

1號(hào)斜井與2號(hào)斜井之間的巖溶潰口核心部位31 m(YDK24+174～YDK24+143)留待最后貫通，為了提高潰口注漿效果，采取兩端夾擊注漿:2號(hào)斜井注漿段為YDK24+174～YDK24+149，縱向長(zhǎng)度25 m，1號(hào)斜井超前注漿段為YDK24+143～YDK24+160，縱向長(zhǎng)17 m，中間搭接區(qū)域長(zhǎng)11 m(YDK24+149～YDK24+160)(圖6)。最后，由2號(hào)斜井方向施工，完成右線潰口段的施工。

圖6 潰口處封堵、注漿加固縱剖面

5.4 隧道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

(1)1號(hào)斜井與2號(hào)斜井間未開(kāi)挖地段，圍巖級(jí)別由原設(shè)計(jì)的Ⅲ、Ⅳ級(jí)變更為Ⅴ級(jí)，采用8 m超前帷幕注漿加固。一個(gè)循環(huán)注漿單元長(zhǎng)度20～25 m，一個(gè)循環(huán)注漿開(kāi)挖單元長(zhǎng)度13～18 m。

(2)拱、墻部位設(shè)置φ108 mm管棚(帶鋼筋籠)+φ42 mm小導(dǎo)管聯(lián)合超前注漿預(yù)支護(hù)。隧道基底設(shè)置φ89 mm鋼管樁注漿加固。襯砌結(jié)構(gòu)受溶洞及巖溶水影響的部位，開(kāi)挖后設(shè)置徑向小導(dǎo)管，進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿，加固土體，提高承載力，降低其滲透系數(shù)，確保施工及結(jié)構(gòu)安全。

(3)溶腔段初期支護(hù)采用30 cm+30 cm雙層C25噴鋼釬維混凝土，外層設(shè)置HW200鋼架，內(nèi)層設(shè)置I20a鋼架加強(qiáng)，并及早封閉成環(huán)。

(4)考慮大規(guī)模充填物及水壓的影響，二次襯砌采用抗水壓襯砌，采用厚度110～130 cm的C35鋼筋混凝土，且緊跟開(kāi)挖面。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)巖溶發(fā)育的深埋隧道，易發(fā)生大規(guī)模的突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，施工中應(yīng)按Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道進(jìn)行建設(shè)管理。一方面要采取綜合地質(zhì)勘探手段，結(jié)合洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，相互驗(yàn)證;對(duì)存在的巖溶突水突泥隱患盡早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，防止形成大的地質(zhì)災(zāi)害。另一方面，各反坡排水施工工區(qū)應(yīng)配備足夠的抽排水設(shè)備，并制定安全應(yīng)急預(yù)案，穩(wěn)扎穩(wěn)打，步步為營(yíng)，確保洞內(nèi)、外的施工安全。

(2)深埋巖溶隧道發(fā)生突水后，必須采取堵、排結(jié)合的處理措施。由于隧道開(kāi)挖引起的突水涌泥，將改變地下水原有的排泄通道，同時(shí)由于泥沙的排出，會(huì)形成新的地下水排放通道、加劇地表水的下滲，因此應(yīng)采取綜合處理措施:地表河流溝谷進(jìn)行封堵加固，減少地表河水的下滲;洞內(nèi)采取適當(dāng)?shù)姆舛麓胧⒖刂频叵滤呐判沽俊?/p>

(3)深埋巖溶隧道發(fā)生突水后，其治理過(guò)程將十分復(fù)雜、漫長(zhǎng)，并且可能有一個(gè)反復(fù)的過(guò)程。關(guān)鍵是要查明其巖溶發(fā)育形態(tài)、地下水的補(bǔ)給路徑，摸索、制定出有針對(duì)性的處理措施，使巖溶地下水形成新的動(dòng)態(tài)平衡。

(4)巖溶地下水發(fā)育的隧道，應(yīng)根據(jù)預(yù)測(cè)的涌水量，適當(dāng)加大隧道側(cè)溝的設(shè)計(jì)排水能力，保證滿足隧道運(yùn)營(yíng)期間的長(zhǎng)期排水要求。

［1］ 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路龍巖至廈門鐵路象山隧道施工圖［Z］.武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2007.

［2］ 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建龍巖至廈門鐵路象山隧道1號(hào)斜井正洞巖溶發(fā)育段工程地質(zhì)條件階段性成果報(bào)告［Z］.武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010.

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Cause Analysis and Treatment Measures on Water Bursting and Mud Gushing of Karst in Xiangshan Tunnel

YAN Zhi-wei
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

During the construction of Xiangshan Tunnel for Longyan-Xiamen Railway，large-scale water bursting and mud gushing occurred on the tunnel's working face 4 468 m from the entrance of its right tunnel for a long time，it led to occurrence of a wide range of settlement and subsidence on the ground surface，and typical geological disasters caused by karst groundwater bursting occurred.This paper analyzes the cause of karst water bursting and mud gushing in tunnel in combination with the engineering geological and hydro-geological conditions of Xiangshan Tunnel.The analysis results show that this tunnel has the typical stratigraphic characteristics with occurrence of geological disasters of karst water bursting.So，using domestic karst tunnel design and construction experience for reference，and combining with the topographic and geologic conditions of this tunnel，this paper puts forward some comprehensive treatment measures to solve this problem:setting deep holes in the corresponding positions of surface of the tunnel body，feeding material and grouting through these deep holes to seal the tunnel's working face breach，reinforcing filling materials in the dissolved cavity，at the same time，carrying out curtain grouting on the working face in the tunnel and setting branch caverns at high position to drainage water.Thus，the problem of water bursting and mud gushing of karst is solved.

deep tunnel;water bursting of karst;drainage by adverse slope;sealing with deep hole;curtain grouting

U455.49

A

1004-2954(2012)07-0098-05

2012-02-13

顏志偉(1965—)，男，高級(jí)工程師，1986年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工學(xué)學(xué)士。