貴廣高鐵油竹山隧道高風險巖溶施工安全技術(shù)應(yīng)用研究

楊了

（中鐵二局第二工程有限公司，四川 成都610031）

1 前言

隨著中國鐵路的快速發(fā)展，中國的高速鐵路網(wǎng)幾乎已涉及到了祖國每一片區(qū)域。隨著大批高速鐵路的建設(shè)，在巖溶發(fā)育地區(qū)比如貴州、廣西等，巖溶可能引起的突水突泥、暗河水涌入隧道等事故，對隧道施工都是毀滅性的打擊，因此施工中應(yīng)采取技術(shù)措施防止此類事故的發(fā)生。貴廣鐵路是中國第一條一次建成的標準高、線路長的巖溶山區(qū)高速區(qū)際鐵路。對高速鐵路隧道如何安全、快速地通過巖溶地區(qū)的施工技術(shù)進行研究具有很大的研究和實用價值。本文以新建貴廣高鐵油竹山隧道的成功通過強烈發(fā)育區(qū)的案例對高速鐵路隧道通過大型溶洞、大段溶蝕破碎帶、大型儲水溶巖管道等可溶巖強烈發(fā)育區(qū)的施工安全技術(shù)進行較為全面的分析和總結(jié)，為此類工程施工提供有成功實例的借鑒。

2 工程概況

油竹山隧道位于貴州省黔南州貴定縣與都勻市交界處，地處苗嶺山脈的腹部區(qū)，隧區(qū)主山體呈東西走向，支脈向南北方向展布，線路與主山體走向一致。隧道區(qū)地貌受構(gòu)造及巖性控制明顯，兼有溶蝕、剝蝕類型，屬低中山山地地貌，最高海拔1762.5m，最低海拔970m。地形起伏較大，相對高差350～750m。

油竹山隧道位于可溶巖強烈發(fā)育區(qū)，洞身發(fā)育多條斷層，遇大型溶洞、大段溶蝕破碎帶、大型儲水溶巖管道可能性較大。隧道處于巖溶水水平循環(huán)帶，洞身施工時極有可能遇巖溶管道突水突泥，造成暗河水涌入隧道等災(zāi)害性的環(huán)境地質(zhì)問題。線路右側(cè)黔貴線銀洞坡隧道中部施工中遭遇一條大型暗河，實測最大涌水量達370000m3/d。油竹山隧道出口如圖1所示。

3 巖溶預(yù)報

隧道建設(shè)中對工程地質(zhì)條件的認知和掌握程度是確保快速、安全修建的決定性因素之一。盡管在勘察設(shè)計階段進行了地質(zhì)勘察工作，但由于受地形條件、勘察技術(shù)、經(jīng)濟性的限制，加上地質(zhì)體的復(fù)雜多變，地質(zhì)勘察工作是很難把一些較細的地質(zhì)情況反映出來的，因此導(dǎo)致隧道施工中地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生，滿足不了隧道安全施工的要求。

圖1 油竹山隧道出口

國內(nèi)外在隧道建設(shè)中使用較廣泛的地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)主要有鉆孔探測和地球物理探測法，直接法采用平行導(dǎo)坑、超前鉆探等手段，間接法采用TSP超前預(yù)報系統(tǒng)、地質(zhì)雷達等物探方法。油竹山隧道主要采用了以下幾種方法對巖溶進行預(yù)報。

3.1 鉆孔地質(zhì)雷達探測技術(shù)

鉆孔雷達技術(shù)是一種井中地球物理方法，向地層發(fā)射高頻電磁波，利用電磁波在不同地層中的傳播特性差異，來獲取地層信息，從而解釋地下構(gòu)造，具有較高的分辨率和較大的探測范圍。鉆孔雷達基本原理與表面雷達相同，主要用于進一步查明表面雷達發(fā)現(xiàn)的掌子面前方富水構(gòu)造、不連續(xù)體及破碎帶，判斷地下水賦存情況，有助于減少超前鉆孔的數(shù)量，彌補超前鉆孔在復(fù)雜地質(zhì)條件下難以預(yù)測小斷層、貫穿性大節(jié)理及與隧道軸線平行結(jié)構(gòu)面的缺陷。孔內(nèi)雷達探測如圖2所示。

3.2 巖體溫度場探水技術(shù)

水的存在會引起圍巖紅外場的明顯變化，紅外線探水儀通過接收巖體的紅外輻射強度，根據(jù)圍巖紅外輻射場強的變化值來確定掌子面前方或洞壁四周是否有隱伏的含水體。

圖2 孔內(nèi)雷達探測

紅外探測法雖不能非常準確地探測到不良地質(zhì)體類型、規(guī)模，但它探測、分析快速，不引起窩工，適合與中、短期物探手段互相補充使用。

3.3 高精度孔內(nèi)成像技術(shù)

孔內(nèi)成像對孔內(nèi)壁四周及下部進行全方位彩色攝像，并實時傳回全景圖像到地面系統(tǒng)控制器，通過電視屏幕直觀顯示圍巖破碎程度及裂隙產(chǎn)狀等。孔內(nèi)成像可以直接觀測到鉆孔中地質(zhì)體的各種特征及細微構(gòu)造，編錄地質(zhì)柱狀圖。彌補了超前鉆孔在鉆孔取芯困難部位難以獲取地質(zhì)信息的不足，尤其適用于巖溶地區(qū)地質(zhì)預(yù)報。

3.4 巖溶隧道多源信息綜合超前地質(zhì)預(yù)報新技術(shù)

巖溶地區(qū)高風險長大隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報是采用地質(zhì)調(diào)查（設(shè)計地質(zhì)勘探資料收集、現(xiàn)場踏勘），物探法（TSP、表面雷達、紅外探測、孔內(nèi)雷達等），結(jié)合超前鉆孔（水平地質(zhì)鉆探、加深炮孔探測）、地質(zhì)編錄等手段為主對隧道掘進施工進行超前地質(zhì)綜合預(yù)報，應(yīng)用孔內(nèi)雷達、鉆孔攝像等新手段對復(fù)雜地質(zhì)情況進行輔助探測，各手段根據(jù)圖紙和現(xiàn)場地質(zhì)靈活掌握，在巖溶地質(zhì)發(fā)育模型理論指導(dǎo)下，對探測結(jié)果進行綜合分析。本研究以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，物探方法為手段，多種方法相互印證和補充，通過現(xiàn)場試驗、數(shù)據(jù)分析處理、資料的解譯及開挖對比等手段，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)的工程經(jīng)驗，系統(tǒng)地建立了巖溶地區(qū)高風險長大隧道綜合超前預(yù)報技術(shù)方法，構(gòu)建了一套適合于巖溶地區(qū)高風險隧道地質(zhì)預(yù)報技術(shù)體系。

油竹山隧道出口DK89+459～+529巖溶預(yù)報成果如表1所示。

4 巖溶發(fā)育地質(zhì)模型

通過對巖溶地區(qū)隧道工程典型案例的分析總結(jié)，系統(tǒng)研究了在不同構(gòu)造條件下，巖溶病害的發(fā)育特征，系統(tǒng)闡述了巖溶在不同構(gòu)造地質(zhì)條件下的發(fā)育規(guī)律，形成48個巖溶地質(zhì)發(fā)育模型，分別是水平巖層中巖溶發(fā)育模型、傾斜巖層中巖溶發(fā)育模型、背斜構(gòu)造中巖溶發(fā)育模型、向斜構(gòu)造中巖溶發(fā)育模型四個大類模型，每個大類中分為節(jié)理發(fā)育、節(jié)理較發(fā)育、節(jié)理不發(fā)育三種子模型，再通過隔水層的存在情況將每個子模型分為四種分模型，幾乎涵蓋了所能遇到的所有地質(zhì)情況。

表1 油竹山隧道出口DK89+459～+529巖溶預(yù)報成果表（預(yù)報時間：2010-05-26）

油竹山隧道巖溶模型為巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報和巖溶不良地質(zhì)處理提供理論指導(dǎo)，填補了巖溶地質(zhì)預(yù)報理論體系的空白。水平巖層節(jié)理較發(fā)育巖溶發(fā)育地質(zhì)模型如圖3所示。水平巖層節(jié)理較發(fā)育、無隔水層及下部有隔水層巖溶發(fā)育照片如圖4所示。

通過建立上述48種地質(zhì)模型，在理論上豐富了巖溶工程地質(zhì)的基本理論體系，在技術(shù)上確立了涉及巖溶工程地質(zhì)問題的基本依據(jù)，為貴廣線碳酸鹽隧道超前地質(zhì)預(yù)報提供了技術(shù)保障，提高了預(yù)報的可靠度。

圖3 水平巖層節(jié)理較發(fā)育巖溶發(fā)育地質(zhì)模型

圖4 水平巖層節(jié)理較發(fā)育、無隔水層及下部有隔水層巖溶發(fā)育照片

5 技術(shù)措施

5.1 溶洞的處理方案

5.1.1 溶洞位于洞身及以上部位

如果通過預(yù)報判斷無水或僅有限水量時，可組織正洞正常掘進，僅注意掘進進尺控制，揭露后通過溶洞進一步判斷具體形狀、走向、發(fā)育狀況等，將結(jié)合現(xiàn)場情況對溶洞及填充物進行處理，并采取支護等手段加固溶洞圍巖，待開挖通過后，再設(shè)置拱架等措施對空腔一定范圍回填混凝土，完成對襯砌輪廓外溶腔處理后，最后再施作二襯混凝土。

如果綜合分析判斷有突水突泥時，開挖揭露會帶來災(zāi)害性事故時，必須采取超前預(yù)注漿處理通過，同時結(jié)合管棚施工，安全謹慎通過此類洞段。

5.1.2 溶洞位于隧道底板及以下

溶洞位于隧道底板及以下，此類情況有水、無水均采取洞碴先回填，開挖通過后再灌漿加固處理。

5.2 地下水超前處理方案

5.2.1 超前預(yù)注漿方案

預(yù)測掌子面正前方有大流量高壓地下水時，擬將使用高速鉆機或液壓鉆機，對掌子面實施20～30m深的超前鉆孔，再使用高壓注漿泵向出水構(gòu)造或部位進行灌漿。通過嚴格的鉆孔設(shè)計與鉆孔工藝，并將以水泥漿為主的漿材向孔內(nèi)注漿，在開挖輪廓線外一定范圍內(nèi)形成止水帷幕從而達到封堵地下水的目的。

5.2.2 突涌水施工措施

安裝專用高壓水巖層鉆孔封閉裝置和灌漿封閉裝置。在富水地段，超前鉆進過程中可能會出現(xiàn)高壓力大流量涌水，這也是超前預(yù)注漿工作的重點。遇此情況，須立即停鉆對涌水段進行封閉灌漿處理，但水壓力很大，可能通過鉆桿中空部分，鉆桿與鉆孔間隙高壓射水，人機安全受到威脅。專用高壓水巖層鉆孔封閉裝置是專門解決在高壓水地層地區(qū)安全鉆孔、加鉆桿和灌漿的，此裝置有安全退出鉆具，可安全安裝注漿管，適用于各種注漿材料等作業(yè)。

基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

6 應(yīng)急措施

6.1 應(yīng)急救援組織機構(gòu)

成立應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組，下設(shè)數(shù)個應(yīng)急小組，分別為搶險救援組、技術(shù)支持組、綜合協(xié)調(diào)組、后勤保障組。明確職責，配足資源。

圖5 高壓止水封閉裝置

6.2 分級響應(yīng)機制

應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)分為三個層級，分別對應(yīng)發(fā)生（可能發(fā)生）事故等級決定，分為一般事故預(yù)案響應(yīng)、重大事故預(yù)案響應(yīng)、特大及以上事故預(yù)案響應(yīng)。

6.3 定期演練制度

為保證體系的有效性，每季度進行專項演練1次，每半年進行1次綜合演練。

7 結(jié)語

建立了貴廣鐵路油竹山高風險巖溶隧道巖溶發(fā)育地質(zhì)模型，引入孔內(nèi)雷達、孔內(nèi)成像等創(chuàng)新理論和創(chuàng)新技術(shù)，成功彌補了傳統(tǒng)的物探預(yù)報技術(shù)存在的缺點，完善了隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)體系。多源信息綜合預(yù)報技術(shù)和巖溶隧道地質(zhì)預(yù)報體系的應(yīng)用極大地提高了地質(zhì)預(yù)報的準確率。在準確預(yù)報的基礎(chǔ)上采用技術(shù)手段對巖溶進行提前處理，保證了施工安全。施工中還建立了應(yīng)急組織機構(gòu)，完善了分級響應(yīng)機制，為高風險巖溶隧道施工加上了多道保障，油竹山高風險巖溶隧道的巖溶管理為此類工程提供了重要參考。以油竹山隧道為依托展開了高速鐵路隧道施工機械化配套設(shè)備開發(fā)及應(yīng)用研究、巖溶地區(qū)高風險隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報新技術(shù)應(yīng)用研究、巖溶隧道爆破控制技術(shù)研究等探索型課題，科研工作碩果累累，工程榮獲2016年度中國建設(shè)工程魯班獎。