近海地鐵突水突泥分析及處置技術(shù)研究*

肖 先

(中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司，山東 青島 266061)

0 引言

山嶺隧道埋深大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，隧道在施工中穿過(guò)溶腔、暗河，造成溶腔、暗河內(nèi)大量積水和泥打破原有高壓平衡，大量水及泥瞬間涌入隧道，形成突水突泥。隧道突水突泥在喀斯特山嶺隧道施工中容易出現(xiàn)，目前對(duì)山嶺隧道突水突泥現(xiàn)象研究較多，各種致災(zāi)原因分析較為透徹。城市地鐵由于埋深較淺，勘測(cè)較細(xì)，地質(zhì)分析及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分更接近實(shí)際，在施工中又利用監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，大量施工風(fēng)險(xiǎn)被提前發(fā)現(xiàn)并得到有效處置。近幾年地鐵施工出現(xiàn)地表塌陷較多，特別是富水砂層引起的坍塌占主要部分。城市地鐵在暗挖過(guò)程中出現(xiàn)大量突水突泥現(xiàn)象十分罕見(jiàn)，并沒(méi)有引起設(shè)計(jì)、施工重視，對(duì)在城市淺埋地段的隧道開(kāi)挖突水突泥致災(zāi)研究較少。

本文以地鐵突水突泥為背景，從隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成、巖性、周邊環(huán)境、地下水、海水、爆破方面全面分析造成淺埋地鐵隧道突水突泥的原因，并針對(duì)突水突泥提出安全有效的技術(shù)方案，為同類工程提供指導(dǎo)。

1 工程概況

隧道開(kāi)挖面三面環(huán)山，瀕臨黃海，屬于坡前溝斷裂帶，隧道圍巖位于火山噴出巖區(qū)，軟硬巖體交界面十分不規(guī)則。該區(qū)域地表位于車行和綠化帶交接處，地表有樹(shù)木、路燈桿、管線等附著物。管線有通信管線，污水DN300 HDPE管，雨水DN1 000混凝土管，管線埋深約0.5～2m。開(kāi)挖掌子面地層為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，拱頂埋深19.8m，自上而下分別為：6.4m厚素填土，0.8m厚粉質(zhì)黏土，7.1m厚中粗砂層，4.9m厚粉質(zhì)黏土，0.6m厚強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r。突水突泥段地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。地下水類型主要為第四系潛水和基巖裂隙水，其中第四系潛水向下補(bǔ)給基巖裂隙水。整個(gè)地質(zhì)構(gòu)造呈V形分布，圍巖設(shè)計(jì)等級(jí)為V級(jí)。該段采用鉆爆法施工，采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，初期支護(hù)在拱部120°范圍內(nèi)設(shè)19根3.5m單排超前小導(dǎo)管，間距0.4m,搭接1.5m，傾角15°，邊墻設(shè)長(zhǎng)度為3.0m中空注漿系統(tǒng)錨桿，1.0m×1.0m梅花形布置；格柵鋼架間距0.5m，C25噴射混凝土厚300mm，掛200mm×200mm雙層鋼筋網(wǎng)片。

圖1 突水突泥地段地質(zhì)構(gòu)造示意

2 突水突泥現(xiàn)狀

在開(kāi)挖至強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r最下端位置，掌子面局部有滲水，安裝好拱架并噴射混凝土完成后，發(fā)現(xiàn)掌子面局部出水、掉塊，現(xiàn)場(chǎng)立即組織支護(hù)加固和掌子面掛網(wǎng)噴射混凝土封閉。加固完成10min后，掌子面突然出現(xiàn)大面積突水突泥，瞬間沖垮剛封閉的掌子面，地表電桿、雨水管、樹(shù)木等地面地下附著物涌入洞室，塌陷后地表及洞內(nèi)現(xiàn)狀如圖2所示。隨后塌坑周圍飽和水夾帶雜填土、中粗砂、粉質(zhì)黏土將孔瞬間擴(kuò)大，突出大量泥砂沖入洞內(nèi)，將前方進(jìn)入洞內(nèi)的泥砂、水管、電桿、樹(shù)木及洞內(nèi)機(jī)械設(shè)備等沖入橫通道交叉口附近，至停止擴(kuò)散，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)塌陷區(qū)域長(zhǎng) 30.6m，寬 25.5m，突水突泥量達(dá)7 000m3。

圖2 隧道塌陷后現(xiàn)狀

3 突水突泥致災(zāi)原因分析

3.1 施工監(jiān)控量測(cè)及地質(zhì)預(yù)報(bào)分析

3.1.1地表沉降分析

根據(jù)地表沉降速率預(yù)警值不超過(guò)±3mm/d，累積預(yù)警值(-30～10mm)要求，對(duì)突水突泥前7d掌子面前方地表沉降監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，地表沉降如圖3所示。從圖3可見(jiàn)，5，6號(hào)點(diǎn)在第4天地表沉降速率>3mm/d，其他監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示每天沉降量、累積沉降量均在正常變化范圍內(nèi)，監(jiān)控過(guò)程中出現(xiàn)地表沉降速率超標(biāo)現(xiàn)象，證明地下水的流失對(duì)地表沉降有一定的影響，隨著地下水流失被注漿封堵以及地下水補(bǔ)充平衡后，地表沉降趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后隧道爆破開(kāi)挖對(duì)地表沉降影響較小。

圖3 掌子面前方地表累積沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1.2拱頂下沉及周邊收斂分析

掌子面后方拱頂沉降和周邊收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，單日最大拱頂沉降值0.5mm，累計(jì)26mm；單日隧道周邊收斂最大值0.3mm，累計(jì)最大2mm。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，周邊收斂速度<0.15mm/d,拱頂沉降<0.1mm/d,說(shuō)明周邊收斂和拱頂下沉已趨于平穩(wěn)，分析表明已開(kāi)挖段的支護(hù)效果明顯，圍巖自穩(wěn)能力較強(qiáng)，開(kāi)挖后的隧道處于安全狀態(tài)。

圖4 拱頂沉降及隧道周邊收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1.3超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用地質(zhì)雷達(dá)法結(jié)合加長(zhǎng)炮眼進(jìn)行，加長(zhǎng)炮眼長(zhǎng)度5m，分別布置在拱頂及兩側(cè)拱腰位置，均向隧道輪廓線外側(cè)施工；地質(zhì)雷達(dá)沿隧道掌子面布置一條測(cè)線，探測(cè)縱向距離為30m，橫向距離5m。加長(zhǎng)炮孔在施工過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)異常，地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)論為掌子面前方0～30m范圍內(nèi)雷達(dá)呈低能反射，無(wú)明顯的反射界面。推測(cè)該段圍巖巖體特征無(wú)大的變化，基本維持與掌子面類似的特征，預(yù)報(bào)地質(zhì)與設(shè)計(jì)地質(zhì)基本吻合。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造影響分析

隧道穿過(guò)地層為上軟下硬交界處，強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r在此形成“漏斗”，“漏斗”底層為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，兩側(cè)應(yīng)力向中間集中，尤其在“漏斗”底部更加明顯。而漏斗內(nèi)部則以粉質(zhì)黏土、中粗砂填充，填充物分層明顯。從開(kāi)挖掌子面分析，掌子面處存在3組節(jié)理或構(gòu)造的不合理組合：一組斜傾向掌子面后方，傾角30°，延伸較短的節(jié)理；一組與洞軸線大角度相交，延伸較長(zhǎng)；一條與洞軸線斜交的陡傾斷層破碎帶。節(jié)理之間互相切割導(dǎo)致巖石非常破碎，所以在上層巨大的圍巖壓力下，不斷產(chǎn)生蠕滑損傷，最終導(dǎo)致掌子面突然失穩(wěn)、上層漏斗內(nèi)飽和泥水突進(jìn)隧道，形成突水突泥。

3.3 爆破影響

隧道上導(dǎo)洞掌子面左側(cè)圍巖為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化凝灰?guī)r，右側(cè)大部分為全風(fēng)化凝灰?guī)r，左側(cè)需要采用鉆爆法開(kāi)挖，而爆破振動(dòng)和應(yīng)力波不可避免要向右側(cè)存在的軟弱結(jié)構(gòu)面的軟弱圍巖進(jìn)行傳播，導(dǎo)致既有微裂縫加大和圍巖更加松散，使軟弱結(jié)構(gòu)面更加有利于形成地下水突涌的通道。

根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》薩道夫斯基公式計(jì)算爆破振動(dòng)速度：

(1)

式中：v為安全允許的質(zhì)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度(m/s)；K為場(chǎng)地系數(shù)；α為振動(dòng)衰減系數(shù)；Q為單段最大裝藥量(kg)；R為測(cè)點(diǎn)與爆破位置距離(m)。

可以計(jì)算凝灰?guī)r地質(zhì)在爆破情況下的損傷范圍[7-9]。

根據(jù)靜沙區(qū)間地質(zhì)勘察報(bào)告，Ⅴ級(jí)凝灰?guī)r密度ρr=2 600kg/m3，縱波速度Cp=3 210m/s，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析得出爆破振動(dòng)衰減指數(shù)α=β=1.9。炮孔直徑為0.042m，長(zhǎng)度為2.1m；藥卷直徑0.032m，周邊孔眼裝藥長(zhǎng)度0.2～0.3m。2號(hào)巖石乳化炸藥密度ρ0=1 000kg/m3，爆轟速度D=3 200m/s。

炸藥的爆轟壓：

(2)

式中：ρ0為炸藥密度(kg/m3)；D為炸藥爆轟速度(m/s)。

以周邊孔眼為例進(jìn)行計(jì)算得：

可進(jìn)一步計(jì)算周邊眼孔壁平均壓力：

P0=103.5MPa

周邊孔眼壁上質(zhì)點(diǎn)峰值振速：

式中：ρr為巖體密度(kg/m3)；Cp為巖體縱波速度(m/s)。

根據(jù)爆破損傷質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)值，完整巖石不會(huì)致裂，從而取臨界振速v=25cm/s,計(jì)算周邊孔眼爆破損傷范圍：

理論計(jì)算得出的周邊孔眼爆破損傷范圍偏于安全。

3.4 水的影響分析

3.4.1海水潮汐影響分析

事故掌子面高程-15.000m，位于海平面以下，隧道附近有一條流向大海的河流，漲潮時(shí)河水上漲，阻止地下水向河流排放，抬升的河水對(duì)周邊地層進(jìn)一步浸濕。事后對(duì)突水突泥段地下水進(jìn)行了化驗(yàn)，其氯含量高出其他地方地下水15倍，證明了海水對(duì)圍巖及地下水的影響。潮汐使巖體隨時(shí)間不斷劣化損傷和流變，無(wú)形中增加了災(zāi)害發(fā)生的概率，但不是主要因素。

3.4.2地下水誘發(fā)因素分析

地下水的存在及其活動(dòng)狀態(tài)會(huì)對(duì)地下洞室圍巖中的應(yīng)力狀態(tài)和巖體的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。在干燥條件下，即使隧道工程通過(guò)含軟弱或破碎帶的巖層，圍巖也仍然能保持較好的穩(wěn)定性，地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性的危害微弱。然而，當(dāng)圍巖含水量較多或者透水性較好時(shí)，隧道圍巖表現(xiàn)為滲水或者潮濕現(xiàn)象，此時(shí)地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響就比較顯著，這種作用主要表現(xiàn)為靜水壓力作用、動(dòng)水壓力作用、軟化作用和溶解作用、溶蝕作用及潤(rùn)滑作用等。同時(shí)，由于靜水壓力作用會(huì)使巖體的結(jié)構(gòu)面張開(kāi)，減少了巖塊之間的摩擦力，大大增加了圍巖塌落的幾率。而在動(dòng)水壓力的作用下，巖塊會(huì)發(fā)生沿著水流方向的位移，并且存在于裂隙中的礦物顆粒也會(huì)因流水的沖刷而流失，很大程度上降低了圍巖的強(qiáng)度。

在地下水的溶解和軟化作用下，巖體的強(qiáng)度也會(huì)降低。由于事故發(fā)生位置從地質(zhì)構(gòu)造而言為“漏斗狀”形態(tài)，地下水位0.5～3m,漏斗周邊為中風(fēng)化和弱風(fēng)化凝灰?guī)r形成封閉狀態(tài)。雨水和村民灌溉用水均進(jìn)入“漏斗”內(nèi)，同時(shí)隧道平面位置為三面環(huán)山，地層裂隙水也匯積進(jìn)入，中粗砂層滲透性極好，可以推測(cè)突水突泥前中粗砂處于飽水狀態(tài)。中粗砂下層的粉質(zhì)黏土長(zhǎng)期被水浸泡，已處于軟化狀態(tài)，強(qiáng)度較低，自承能力很差。凝灰?guī)r在無(wú)水狀態(tài)下，強(qiáng)度較高，自承能力較強(qiáng)，但凝灰?guī)r的主要成分為高嶺土，高嶺土為親水礦物，遇水飽和后強(qiáng)度極低。由于隧道頂部強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r厚度為0.6m，在爆破振動(dòng)作用下，形成細(xì)小裂隙，強(qiáng)度進(jìn)一步降低，當(dāng)隧道掌子面不能承受上部“漏斗”內(nèi)飽水圍巖自重后，造成掌子面開(kāi)裂、掉塊，最終形成突水突泥。

4 處置技術(shù)

隧道突水突泥造成地面塌陷，在施工處理時(shí)采取治塌先治水的原則，首先對(duì)塌陷坑進(jìn)行回填，防止?jié)B水造成塌陷范圍繼續(xù)擴(kuò)大，再對(duì)塌陷周圍采取堵水加固，防止周邊地下水向隧道滲流，最后對(duì)洞內(nèi)圍巖進(jìn)行加固處理，確保不發(fā)生次生事故，不留隱患[10-12]。

4.1 地表處置綜合技術(shù)

洞內(nèi)突水突泥后，地表塌腔不斷擴(kuò)大，周圍砂層含水，雨水、污水管積水不斷向洞內(nèi)補(bǔ)充，為了防止災(zāi)害進(jìn)一步擴(kuò)大，在切斷雨水管、污水管水流補(bǔ)充的同時(shí)，對(duì)塌腔和地表進(jìn)行技術(shù)處理。

4.1.1塌腔回填處置

采用3臺(tái)混凝土輸送泵車向洞內(nèi)澆筑混凝土，為加快澆筑速度，同時(shí)降低混凝土水化熱，減輕塌腔內(nèi)加固物體的質(zhì)量，在澆筑混凝土的同時(shí)向腔內(nèi)拋填建筑砂磚及少量鋼架。混凝土澆筑至距地面1.5m的雨、污水管底部時(shí)停止?jié)仓Ｔ诨炷两K凝后安裝雨、污水管，回填中粗砂，恢復(fù)路面。

4.1.2地表鋼花管+袖閥管+水泥攪拌樁加固

地表加固范圍及深度由設(shè)計(jì)根據(jù)地質(zhì)勘察資料確定。

1)采用2排直徑30cm、間距1.5m鋼花管對(duì)已開(kāi)挖隧道掌子面前方及左右兩側(cè)注漿防護(hù)，阻止地下水進(jìn)入洞內(nèi)，防止洞內(nèi)發(fā)生次生災(zāi)害，鋼花管鉆孔深度為超過(guò)隧道底部1m,由于該范圍內(nèi)無(wú)管線及其他建筑物，注漿壓力保持2MPa,通過(guò)充分注漿，對(duì)隧道周邊形成保護(hù)層，防止地下水進(jìn)入。

2)采用φ50mm袖閥管注漿，間距1.5m，注漿范圍為鋼花管外圍區(qū)域。在初期支護(hù)已形成段，注漿壓力控制在2MPa；對(duì)未開(kāi)挖段，由于地下管線較多，注漿壓力控制在0.5MPa以內(nèi)，注漿采用水泥-水玻璃漿液。

由于地下管線較多，為減小地表隆起破壞管線，注漿壓力設(shè)置較小，漿液在地下水流影響下不能有效對(duì)孔間距進(jìn)行填充，對(duì)已注漿地段進(jìn)行鉆芯取樣，發(fā)現(xiàn)袖閥管注漿效果不明顯。為了確保加固效果，經(jīng)過(guò)方案對(duì)比，確定采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固處理，采用φ600mm@1 000mm水泥攪拌樁。

4.2 洞內(nèi)處置技術(shù)

4.2.1洞內(nèi)淤泥固結(jié)

突入洞內(nèi)的水和泥通過(guò)橫通道內(nèi)泥漿泵進(jìn)行抽排，剩余淤積土逐漸沉淀于洞內(nèi)。由于淤積土具有很強(qiáng)的流塑性，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較高，為防止開(kāi)挖過(guò)程中前方淤積土涌入后方，施工時(shí)采用分段固結(jié)、分段開(kāi)挖的方式進(jìn)行，每30m高壓注入水泥漿固結(jié)一段，固結(jié)長(zhǎng)度為5m。由于淤積土含水量大，承載力較小，不能確保人員及設(shè)備在上方施工，為確保施工人員通行安全，采用3個(gè)廢舊輪胎，其上鋪設(shè)竹膠板聯(lián)結(jié)成整體，逐步向前鋪設(shè)。注漿完成一段，開(kāi)挖一段。

4.2.2管棚支護(hù)

在地表注漿、洞內(nèi)清理完成后，采用φ108mm管棚進(jìn)行超前支護(hù)，管棚長(zhǎng)42m，間距35cm，每環(huán)布置29根，按2環(huán)布置，搭接長(zhǎng)度5m，外插角3°。在原有隧道內(nèi)增加管棚施工，需對(duì)原初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除并擴(kuò)建管棚工作室，初期支護(hù)擴(kuò)除范圍為距掌子面8m范圍以內(nèi)，加寬寬度為1m。初期支護(hù)拆除的方向?yàn)檎谱用孢h(yuǎn)端向掌子面方向，每次拆除1榀，拆除后采取淺孔爆破加寬圍巖，初噴混凝土，施工3m長(zhǎng)徑向錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行加固，安裝I25型鋼拱架，依次換拱至掌子面。采用管棚鉆機(jī)鉆孔，按設(shè)計(jì)要求安裝φ108mm管棚并注漿。

5 結(jié)語(yǔ)

此次突水突泥的發(fā)生是由于漏斗形地質(zhì)條件下雨水匯積形成外壓水，不良地質(zhì)的富水深厚中粗砂層、3組以上節(jié)理或構(gòu)造的不利組合，凝灰?guī)r和爆破振動(dòng)等多重不利因素疊加導(dǎo)致的。突水突泥的地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，突水突泥規(guī)模大、突發(fā)性強(qiáng)，具有不可預(yù)見(jiàn)性。后期經(jīng)過(guò)地表注漿，洞內(nèi)注漿加固，采用管棚伸入前方弱風(fēng)化凝灰?guī)r，確保了隧道施工安全通過(guò)突水突泥段。