天竺山隧道突水突泥原因分析及處治方案研究

劉　方

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

Reason Analysis and Treatment Scheme of Water Inrush and Mud Inrush in Tianzhushan Tunnel

LIU Fang

天竺山隧道突水突泥原因分析及處治方案研究

劉方

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

Reason Analysis and Treatment Scheme of Water Inrush and Mud Inrush in Tianzhushan Tunnel

LIU Fang

摘要結(jié)合天竺山隧道在施工期間出現(xiàn)的突水、突泥情況，分析該隧道突水突泥的原因，并對不同的處治方案進(jìn)行比較分析，提出了局部繞行方案，并進(jìn)一步提出設(shè)計、施工的具體實(shí)施方案。

關(guān)鍵詞天竺山隧道突水、突泥塌方涌(泥)砂處治方案局部繞行

隧道突水、突泥是山區(qū)隧道施工中經(jīng)常遇見的工程事故之一，如白云隧道[1-2]、舊堡隧道[3]等。隧道突水、突泥原因主要有[4-8]地質(zhì)原因：通常發(fā)生在斷層破碎帶、巖溶帶及圍巖風(fēng)化差異帶等富水區(qū)；雨季：大氣降水對地下水的大量補(bǔ)給；超前地質(zhì)預(yù)報未實(shí)施或?qū)嵤┎坏轿?；施工方法和支護(hù)措施不當(dāng)?shù)取Ｒ坏┌l(fā)生突水、突泥及其誘發(fā)塌方等事故，如果沒有一種科學(xué)合理的處治方案，往往會造成更大損失，達(dá)不到預(yù)期處治效果。

1工程概況

天竺山隧道為西氣東輸三線天然氣管道東段干線(吉安—福州)工程控制性工點(diǎn)之一，隧道平面長度1 781 m，縱向坡度采用“人”字坡設(shè)計，進(jìn)口段坡度為11.8‰(約1°)，出口段坡度為4.1‰(約0.1°)。隧道所處線路地區(qū)等級為三級。隧道洞身凈斷面尺寸為3.0 m×3.8 m直墻拱形斷面，屬于小斷面輸氣管道專用隧道，襯砌類型采用復(fù)合式襯砌(如圖1)。

圖1　隧道襯砌內(nèi)輪廓(單位：mm)

1.1　地質(zhì)概況

天竺山隧道穿越廈門天竺山國家森林公園，隧址區(qū)所處地貌單元屬低山陡坡地形，隧道地形下緩上陡，植被茂密，溝谷多呈現(xiàn)“V”形。隧址穿越區(qū)山體整體走向北西—南東向，隧道頂部高程332.0 m，進(jìn)口端最低高程39.7 m，出口端最低高程57.9 m，相對高差292 m。隧道穿越區(qū)整體斜坡坡度35°～40°，局部地段70°～80°。

1.2　施工方案

隧道采用新奧法施工，開挖方式以鉆爆法為主并輔以人工機(jī)械開挖。隧道突水、涌(泥)砂地段，原設(shè)計中對Ⅳ級圍巖段采用臺階法開挖，光面爆破，初期支護(hù)以錨噴網(wǎng)支護(hù)為主，局部采用注漿堵水措施；Ⅴ級圍巖采用臺階法開挖，機(jī)械開挖并輔以人工，初期支護(hù)以錨噴網(wǎng)支護(hù)為主，并輔以工10型鋼(或工14型鋼，錯車道段)1.0 m/榀，設(shè)置Φ32超前小導(dǎo)管，長度4.1 m，環(huán)向間距0.3 m，對F2斷層破碎帶段采用超前周邊預(yù)注漿加固，其余采用局部注漿堵水措施。

1.3　突水突泥情況

2013年5月31號上午8：00左右施工至里程0 km+543 m，爆破開挖后，工作面有小量滲水，在裝載機(jī)倒退(該段隧道斷面較小，機(jī)械無法在洞內(nèi)掉頭)出渣時，裝載機(jī)駛出工作面一定距離時，突然發(fā)生大規(guī)模突泥、突水，大量水夾帶著泥沙從洞內(nèi)方向涌出，短時間內(nèi)工作面后方涌滿泥沙，所幸發(fā)生時為出渣時間，洞內(nèi)只有部分出渣人員及出渣機(jī)械，裝載機(jī)及時撤離，錯車道處運(yùn)渣車被泥沙淹沒，所幸人員及時撤離，沒有造成傷亡，只有部分小型機(jī)械設(shè)備掩埋在洞內(nèi)，總體損失不大。

事后調(diào)查顯示，工作面后186 m范圍內(nèi)涌滿了泥沙，涌動體呈流塑狀，水量較大。同時，平面里程0 km+472 m處在地表上方出現(xiàn)了尺寸20 m×15 m，面積300 m2左右的塌陷坑，陷坑內(nèi)塌陷體呈流砂夾塊石狀，塊石直徑較大，并由此推斷該里程產(chǎn)生了塌方冒頂。

2突水突泥原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查、勘測和分析，隧道產(chǎn)生突水、突泥主要有以下3個方面的原因。

2.1　地質(zhì)原因

地質(zhì)資料顯示，該事故地段位于F2斷層破碎帶及影響帶。F2斷層以角礫、斷層碎裂巖、斷層碎塊巖為主，含少量斷層泥沙，巖體極破碎—較破碎，呈碎石角礫狀—散體狀結(jié)構(gòu)；斷層影響帶為花崗巖地層，全—弱風(fēng)化，差異風(fēng)化嚴(yán)重，巖層滲透性強(qiáng)，地下水極其發(fā)育，且受大氣降水影響較大。在豐富的地下水作用下，在隧道上方及斷層帶兩側(cè)更易形成差異風(fēng)化帶，洞頂上方易形成貫通的風(fēng)化帶或風(fēng)化槽。

2.2　降水原因

事故發(fā)生前，該地區(qū)出現(xiàn)了連續(xù)的強(qiáng)降雨，隧址區(qū)山體植被茂密，延遲了雨水排泄時間，加之地表塌陷處為溝谷匯水處，使得降雨大部分滲入山體，地下水可沿著洞頂上方的花崗巖風(fēng)化帶或風(fēng)化槽形成滲流通道。在豐富的地下水的作用下， 巖層黏聚力及摩擦角急劇降低，圍巖壓力增大，圍巖自穩(wěn)能力下降，造成工作面拱部失穩(wěn)，坍塌，地下水?dāng)y帶著泥沙涌入洞內(nèi)。

2.3　施工原因

施工時，對拱部及邊墻滲漏水現(xiàn)象沒有引起足夠重視，沒能及時采取相應(yīng)措施；對施工監(jiān)控量測重視不夠，沒有形成監(jiān)測預(yù)警機(jī)制；開挖爆破藥量較大，對圍巖擾動大，引起拱部巖殼破碎，拱部失穩(wěn)，造成工作面及后方部分已支護(hù)段落坍塌，拱部以上風(fēng)化槽與斷層形成流砂漏斗管道，流砂大量涌入，形成突水、突泥和地表塌陷。

3處治方案研究

3.1　局部繞行方案

以局部小改線方式繞避突水、突泥及塌方地段。繞行起始位置前方預(yù)留足夠涌(泥)砂體，以抵抗塌陷漏斗內(nèi)水土壓力，并對一定范圍內(nèi)涌(泥)砂體進(jìn)行注漿加固或者設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)，以防止涌(泥)砂體二次涌動，危及施工安全。繞行段平面位置應(yīng)與原線位保持一定的施工安全距離。該方案適用于對線形要求不高的隧道，如輸水隧道、輸氣隧道、電力隧道及等級較低的交通隧道。

繞行段線位宜設(shè)置在地下水來源的另一側(cè)。根據(jù)本隧道工程地質(zhì)情況，繞行軸線擬從原線位東側(cè)通過，即斷層及沖溝下游，并垂直穿越斷層，原斷層內(nèi)及周邊圍巖地下水大部分通過突水突泥段涌入隧道。經(jīng)過一定時間的排泄及原位隧道的截流，下游地下水量會減小，可降低繞行段施工風(fēng)險。

3.2　洞內(nèi)注漿加固方案

對洞內(nèi)涌(泥)砂體由遠(yuǎn)及近分段逐步清理，以盡量減少注漿加固段落，每清理一段，在前方設(shè)置一處支擋，防止涌(泥)砂體二次涌動，在預(yù)留合適涌(泥)砂體段落以抵抗塌陷漏斗內(nèi)水土壓力的情況下，對前方涌(泥)砂體進(jìn)行逐段全斷面帷幕注漿加固、清理，每次加固20 m，開挖15 m預(yù)留5 m注漿體巖盤，逐步清理至塌方冒頂段或工作面，然后打設(shè)管棚通過。

3.3　地表注漿加固

在突水突泥發(fā)生處后方或坍陷區(qū)一定范圍內(nèi)，采用地表注漿方式對洞周一定范圍內(nèi)的松動圍巖和洞內(nèi)涌(泥)砂體、坍塌體進(jìn)行注漿加固，該注漿段松散體具有一定強(qiáng)度后可作為工作面方向涌(泥)砂體支擋結(jié)構(gòu)，防止在清理洞內(nèi)涌(泥)砂體時產(chǎn)生二次涌動及塌方；必要時可以設(shè)置鋼管樁或者從洞頂拋石等措施增加注漿加固體抗滑力。

洞內(nèi)涌(泥)砂清理至注漿加固區(qū)段后，在洞內(nèi)采用全斷面超前注漿對洞周圍巖及坍塌體注漿加固，逐步循環(huán)清渣、支護(hù)直至工作面位置，然后打設(shè)超長管棚通過。該方法適用于埋深不大，洞頂?shù)貙訛橥临|(zhì)或軟巖地層、地表場地開闊的隧道。

3.4　各方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

各方案優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1　方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

貫徹確保施工安全、保證工期、控制成本、重視環(huán)保的原則，并保證全線隧道土建工期最晚于2013 年12 月15 日前隧道貫通。通過以上方案研究比選、現(xiàn)場地質(zhì)勘察，并通過管道建設(shè)項目部經(jīng)理部組織的專家研討會，最終確定采用局部繞行方案。

4方案實(shí)施

4.1　平面及隧道凈空斷面設(shè)計

軸線局部繞行段平面設(shè)計、隧道斷面凈空應(yīng)滿足管道運(yùn)輸及安裝的要求，并最大程度利用已完成開挖、支護(hù)隧道段落，最大程度降低處理成本。

為了確保繞行段隧道斷面、角度設(shè)計，滿足管道運(yùn)輸及安裝要求，隧道EPC 項目部會同管道EPC 項目部進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。為滿足后期管道運(yùn)輸及安裝要求，各拐角段的角度、加寬寬度要求：拐角角度155°、加寬寬度2.5 m，加寬長度段落為拐點(diǎn)兩側(cè)各不少于10 m，加寬部位為各個拐角內(nèi)角處。繞行段平面如圖2所示。

隧道繞行段平面長度236.52 m；已開挖廢棄段長度為143 m，隧道平面總長度增加17.74 m。 繞行段加寬段內(nèi)輪廓如圖3所示。

4.2　廢棄段封堵措施

為保證施工及運(yùn)營階段的安全，對廢棄段進(jìn)行臨時擋護(hù)及永久封堵，具體措施如下。

(1)臨時擋護(hù)

在洞內(nèi)清理工作結(jié)束后，抓緊組織人員進(jìn)行臨時擋護(hù)；采用袋裝碎石，寬度2 m，有效高度不小于2.5 m。堆砌過程中，確保豎縫不貫通，保證層與層之間的咬合，保證碼砌的整體性。

圖2　繞行段平面示意

圖3　繞行加寬段內(nèi)輪廓(單位：mm)

永久封堵前，利用已開挖隧洞空間對繞行段與原隧道交叉區(qū)域進(jìn)行注漿加固，注漿材料采用1∶1水泥漿液，待注漿工序完成后進(jìn)行后續(xù)永久封堵工作。

(2)永久封堵

永久封堵前應(yīng)清除底部泥沙及虛渣，局部軟弱地基進(jìn)行換填處理。

第一道永久封堵：采用M10漿砌片石封堵，墻厚3.6 m，封堵隧道整個斷面空間，邊墻及拱部與初期支護(hù)不密實(shí)區(qū)域采用M10砂漿進(jìn)行充填。

第二道永久封堵：在第三道(C30鋼筋混凝土封堵墻)和第一道漿砌片石封堵墻之間采用M10砂漿(或C20混凝土)進(jìn)行充填，利用一、三道封堵墻作為模板逐層澆筑，并在第三層封堵墻上預(yù)留注漿孔，在最后一層封堵墻施工完成后進(jìn)行頂部補(bǔ)充注漿。

第三道永久封堵：墻體采用C30鋼筋混凝土；墻厚1.0 m，墻體周邊采用錨桿與圍巖進(jìn)行錨固，錨桿采用φ22砂漿錨桿，L=2.0 m，環(huán)向間距0.5 m，縱向墻體厚度1.0 m范圍內(nèi)設(shè)置3根，錨桿打入圍巖1.5 m，嵌入墻體0.5 m，嵌入墻體部分與擋墻鋼筋連接。

封堵結(jié)構(gòu)底部埋設(shè)Φ160PVC排水管，間距50 cm，上下兩層交錯布置，埋入碎石反濾層部分的pvc管管壁應(yīng)打孔，并用無紡布包裹，以免淤堵。

4.3　繞行段地質(zhì)概況

由于該方案為軸線局部繞行，平面位置并沒有繞開F2斷層破碎帶及影響帶，Ⅵ、Ⅴ級圍巖，地層巖性及地下水情況與原位基本相同。但由于地下水上游原位隧道的截流、排泄作用，地下水量明顯下降，降低了突水、突泥的風(fēng)險。

4.4　繞行段施工方案

隧道采用新奧法施工。開挖方式以鉆爆法為主并輔以人工機(jī)械開挖的方式。隧道突水、涌(泥)砂地段加強(qiáng)了支護(hù)措施：Ⅳ級圍巖段，采用臺階法開挖，光面爆破，初期支護(hù)采用錨噴網(wǎng)支護(hù)，設(shè)置φ32超前小導(dǎo)管，長度L=3.5 m，環(huán)向間距0.3 m，拱墻設(shè)置工10型鋼鋼架，加寬段0.8 m/榀，非加寬段1.0 m /榀，局部采用注漿堵水措施；Ⅴ級圍巖采用臺階法開挖，機(jī)械開挖并輔以人工，初期支護(hù)以錨噴網(wǎng)支護(hù)為主，拱墻設(shè)置工14型鋼鋼架，0.5 m /榀，設(shè)置φ32超前小導(dǎo)管，長度L=4.1 m，環(huán)向間距0.3 m，采用超前周邊預(yù)注漿加固。

應(yīng)盡量縮短圍巖臨空時間，加強(qiáng)超前支護(hù)措施，提高初期支護(hù)的強(qiáng)度和剛度。施工中應(yīng)嚴(yán)格遵照“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)，勤量測，早封閉”的原則進(jìn)行施工和管理。

施工中加強(qiáng)監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報工作，并認(rèn)真最好監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及時反饋信息，根據(jù)監(jiān)測及超前預(yù)報及時調(diào)整支護(hù)措施，真正做到動態(tài)設(shè)計施工。同時，制定切實(shí)可行的應(yīng)急預(yù)案，盡量把施工風(fēng)險降到最低。

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中圖分類號：U455.49

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)03-0034-04

作者簡介：劉方(1981—)，男，2009年畢業(yè)于重慶交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

收稿日期：2015-02-11