宜萬鐵路高風險巖溶隧道應對措施

申志軍

(鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000)

1 宜萬鐵路巖溶隧道概況

宜萬鐵路位于云貴高原的東北麓,東起宜昌,西至萬州,全長 377km,主要行經在長江與清江的分水嶺地帶,其地形、地質條件之復雜集西南山區(qū)鐵路之大成,建設條件之艱、難、險居我國鐵路歷史之最。

全線隧道 159座,總長 338km,其中單線隧道 105座,總長 291km;雙線隧道 54座,總長 47km,隧道占線路長的 58%。

全線 70%的隧道位于灰?guī)r地區(qū),該地區(qū)巖溶強烈發(fā)育,地質條件極端復雜,多座長大隧道通過可溶巖地層,并組成不同類型的儲水構造,在地殼運動和特殊的水動力作用下,形成復雜的巖溶管道、溶隙網絡系統(tǒng),隧道遭遇災害性的突水突泥和誘發(fā)環(huán)境地質災害的可能性極大,隧道突水突泥風險巨大,其規(guī)模、數量及工程處理難度為國內外罕見。

工程于 2004年元月開工,2009年 12月隧道全部貫通。隧道施工過程中,共揭示需進行結構處理的溶腔及溶腔水1100余處,發(fā)生較大的突水、突泥、突石共101次,其中 3次造成較大災害事故。

2 風險管理過程

2003年 3月,在鐵路工程中首次引入地質勘察監(jiān)理工作。

2003年 9月,組織召開《隧道地質超前預報技術交流研討會》,8個國家的地質預測預報專家和國內的院士專家參加了會議,研討了宜萬鐵路如何采取先進科學的地質預測預報技術和方法,規(guī)避施工建設期間的風險和確保施工安全。

2004年 5月,完成《野三關隧道工程風險評估和控制的研究》,將風險管理引入了宜萬鐵路。

2004年 7月,制定《宜萬鐵路建設防范高風險專項機制》,包括:施工地質勘察與超前地質預測預報;突發(fā)性事件防范應急預案;應對復雜地質、工程難題的設計和施工預案;重難點工程監(jiān)控;隧道施工量測監(jiān)控;嚴格規(guī)范施工工藝監(jiān)控;嚴格履約考核獎罰和信息收集、反饋和快速反應專項機制等。提出了巖溶隧道施工期“高風險”的概念,提出全員、全方位、全過程防范和化解高風險。

2004年 10月,制定《宜萬鐵路復雜隧道施工地質實施細則》,提出施工期隧道施工地質工作,特別強調超前地質預測預報是規(guī)避風險、確保隧道施工順利進行的重要保證,關系到宜萬鐵路工程建設的成敗。

2005年 1月,制定《施工階段核實地質內容及要求》,明確提出了對隧底采用釬探、地質雷達等方法進行隧底巖溶普查和地質補勘工作。

2005年 6月,宜萬鐵路專家組對全線巖溶隧道設計與施工進行技術指導和咨詢。

2006年 1月,全線隧道全面排查,對隧道風險進行了分級。其中Ⅰ級風險隧道 8座,可能出現大規(guī)模巖溶突水突泥隧道;Ⅱ級風險隧道 26座,可能出現局部突泥突水或大型干溶腔隧道。

2006年 11月,對注漿管理辦法進行了細化,對注漿設計、施工管理和技術資料等 3方面提出了具體要求。

2007年 12月,成立鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,加強建設管理力度,同時,5座Ⅰ級風險隧道的設計、施工、監(jiān)理力量得到全面加強。

2008年期間,建設指揮部成立風險隧道工作組、注漿督導組和釋能降壓攻關組,確定了隧道分級督辦制度,制定了地質預報和注漿標準化管理措施,組織召開了 7次院士及專家論證會、76次重大技術方案和預案討論會,引進了專業(yè)注漿隊伍。

2008年 11月,建設指揮部提出釋能降壓新工法,經專家論證可行后于 11月至 12月分別對云霧山、大支坪、馬鹿箐、野三關等 4座隧道采用釋能降壓法安全可控地揭示了大型充填性溶腔。

2009年 6月,建設指揮部召開齊岳山隧道專題會議,明確了引進的注漿科研單位和隧道開挖施工單位的技術方案、施工組織、安全質量和工期目標。

3 管理措施

3.1 八項風險管理機制

宜萬鐵路開工初期,建立了防范高風險的“八項風險管理機制”。其核心內容:

(1)施工地質勘察與超前地質預測預報專項機制。(2)突發(fā)性事件防范應急預案專項機制。(3)應對復雜地質、工程難題的設計和施工預案專項機制。(4)重難點工程監(jiān)控專項機制。(5)隧道施工量測監(jiān)控專項機制。(6)嚴格規(guī)范施工工藝監(jiān)控專項機制。(7)嚴格履約考核獎罰專項機制。(8)信息收集、反饋和快速反應專項機制。

“八項風險管理機制”是防范高風險的總則,各施工單位根據這八項要求相應地制定了細則和實施方案。

3.2 施工地質分級管理

建設初期,針對 13座復雜隧道制定了《施工地質及超前預測預報實施細則》,經過將近 1年的實踐證明,超前預測預報規(guī)避了大量的施工風險,又針對每一座隧道制定了施工地質分級、實施程序和工作內容。

施工地質分級分為 3個等級。A級:可能存在重大地質災害的地段;B級:主要針對可能發(fā)生中 ～小型突水突泥地段;C級:主要針對巖溶水文地質條件較好的碳酸鹽巖及碎屑巖地段,發(fā)生突水突泥的可能性較小。

地質工作內容:(1)超前地質預報;(2)施工圍巖分級及穩(wěn)定性評價;(3)隧底及周邊巖溶探查;(4)災害評估及防治工程措施的建議。

3.3 隧道分級管理

隧道分級是根據每座隧道的工程地質、水文地質條件,發(fā)生突涌水突泥的幾率、規(guī)模、危害程度等,確定其風險等級。對野三關、馬鹿箐等 8座長大隧道巖溶發(fā)育、暗河眾多、地下水豐富,個別工區(qū)為反坡施工,施工中極有可能發(fā)生大規(guī)模突水突泥的地質災害,風險等級為Ⅰ級。對堰灣一號、堰灣二號、景陽坪等 26座巖溶隧道施工中可能出現局部突水、突泥或大型溶腔,風險等級為Ⅱ級。

3.4 隧道分級督辦

按照風險評估劃分的等級實施風險等級管理、分級督辦的管理模式。核心是明確建設、設計、監(jiān)理、施工各方對不同風險等級的隧道管理職責、分工、管理內容和手段。

建設單位組織設計、監(jiān)理、施工單位對全線風險隱患進行排查,按照存在的危險源和可能對施工安全產生的危害程度,將存在風險隱患工點劃分為重大、較大和一般風險隱患工點三類,建立風險隱患工點分級督辦制度,實行三級督辦。明確了督辦內容、方法和建設、監(jiān)理、施工單位督辦責任人,建立臺賬,落實責任。

3.5 Ⅰ級風險隧道管理制度

2008年 12月,成立鐵道部指揮部后,對 5座未完的Ⅰ級風險隧道建立了一系列管理制度,主要包括超前地質預報的細化,架子隊生產模式,取消包工隊,地質預報和注漿標準化管理,引進專業(yè)注漿隊伍,引進科研單位,實行專家論證制度。

3.6 專家技術指導和論證制度

邀請 15位國內巖溶隧道方面的院士專家擔任宜萬鐵路的技術專家,指導現場解決長大巖溶隧道、地質復雜隧道施工地質、結構設計問題,指導協(xié)調解決施工安全、質量、工期等方面的問題,重點指導防范地質災害的具體措施;指導重大技術方案的研究。由建設指揮部組織的大型專家會議共 40余次。

4 技術措施

4.1 施工地質預報

巖溶隧道施工地質包括超前地質預報、徑向地質預報、工后補勘等內容。

宜萬鐵路設計階段采取遙感判譯、地質測繪、水文調查,以及物探、鉆探、測井等技術手段,但只是查明了地層巖性、斷層、水文地質以及存在的主要重大地質問題等基本背景,不足以應對具體工點、部位巖溶及巖溶水的復雜性、多樣性、無規(guī)律性,因此,必須加強隧道施工地質預報。

掌子面超前地質預報主要包括物探和鉆探等方法,物探包括 TSP、地質雷達等方法,鉆探包括深孔水平鉆探和 5m超前釬探,鉆探的準確率更高,效果最好。并且必須進行一定量的地質取芯,以準確判定充填型溶洞和高壓富水斷層界面及規(guī)?！，F場必須配備有豐富地質經驗的技術人員和高效的水平地質鉆機,方能提高地質判釋準確度,提高作業(yè)效率。

徑向地質預報包括周邊探測和隧底探測,確保 5 m巖盤的安全厚度。工后補勘由設計院對隧道全程進行,物探和鉆探相結合,確保以后運營的安全。

4.2 水文監(jiān)測

水文監(jiān)測主要包括降雨量、涌水量、水壓、水位 4個方面的內容。

降雨量監(jiān)測采用“SRY-1雨量記錄儀”進行降雨量自動記錄。超前鉆孔、重要出水點、集中匯水點、重要井泉等均需進行水量監(jiān)測,主要采用人工監(jiān)測及自動監(jiān)測相結合的監(jiān)測方法進行涌水量監(jiān)測。每實施 1次超前鉆孔均需布置不受開挖影響的水壓監(jiān)測孔;每個溶腔至少需布置 1孔進行水壓監(jiān)測。水壓監(jiān)測孔,需設置孔口管、安裝法蘭盤、Q型管、空氣室及壓力表,孔內需設置軟式透水管等。對未施工地段的重要深孔孔內水位進行自動長期連續(xù)觀測,采用 LevelTROLL 300或 LevelTROLL700深孔液壓測量儀。

4.3 施工安全條件

施工過程中,遇到可能發(fā)生突水溶腔后,需設定安全進洞條件,安全進洞條件包括降雨量、洞內水量、水壓,降雨后水量峰值是否已過,水質變化和水量變化。野三關、大支坪、云霧山、馬鹿箐和齊岳山等隧道均設置了施工安全條件。

4.4 防災報警

在風險隧道施工中配置防災害聲光報警裝置和視頻監(jiān)控系統(tǒng),一旦有災害預警應立即發(fā)出警報,傳到洞口值班室,值班室立即啟動應急通信、應急照明并指揮洞內人員安全撤離;正洞、各輔助坑道、橫通道必須配置應急照明裝置,并應確保在有災害發(fā)生時能提供足夠亮度的照明指示以利洞內人員逃生;在正洞與平導之間,在預測高風險段落增設逃生橫通道。并通過視頻系統(tǒng)判斷災害發(fā)生情況,并進行災害原因分析。

4.5 注漿加固

針對充填型溶腔,由施工初期的 30m長全斷面帷幕注漿,改進為周邊加固注漿、局部注漿、徑向注漿,注漿長度根據情況調整,以 20m為主,開挖線外加固范圍有 3、5m加固區(qū)。注漿材料以普通水泥、早強水泥單液漿為主,水泥水玻璃雙液漿加固周邊。注漿過程采用自動記錄 PQT,以便進行注漿效果分析。首次在宜萬鐵路實施了注漿效果評價,由監(jiān)理組織參建各方對注漿過程、鉆孔驗證、孔內成像等措施對注漿效果進行評定,確定是否達到開挖條件。

4.6 釋能降壓

釋能降壓法是宜萬鐵路首創(chuàng)的專利技術,是針對復雜高壓富水充填溶腔所采取的有計劃、有目的的精確爆破揭穿,從而釋放溶腔所存儲的能量,降低施工及運營過程中水土壓力對隧道形成影響,并通過配套處治措施完成溶腔治理。

施工方針:探介質、鎖邊界、選時機、精爆破、嚴監(jiān)控、暢排放、快支護。

主要包括:巖溶特征分析、臨近界面鎖定、相鄰洞室分隔、洞外排水規(guī)劃、專項精確爆破、預警預報監(jiān)控、配套措施實施、結構處理。

4.7 溶腔結構處理規(guī)模化

對施工過程中揭示的溶腔進行歸類,并形成相應的處理措施。

(1)洞穴型、管道型巖溶:回填措施;

(2)充填型巖溶:注漿加固 +大管棚措施;

(3)過水型巖溶:引排措施;

(4)大型干溶洞:托梁 +板跨方案、型鋼混凝土 +板跨方案、鋼管群樁方案、樁基 +承臺方案、填筑路基方案、梁跨方案;

(5)高壓富水充填溶腔:注漿堵水方案、泄水洞方案、堆積體加固方案、釋能降壓方案、繞行方案、暫時擱置達到條件后再處理方案。

4.8 長期監(jiān)測

針對復雜巖溶地段采用的結構設計和施工措施在以往的工程實踐中是少見的,許多技術措施具有首創(chuàng)性。為此,對典型的 7座隧道 8個工點進行長期監(jiān)測。

監(jiān)測項目包括:(1)與圍巖及隧道結構相關的水壓力監(jiān)測;(2)注漿加固圈(周邊圍巖)位移監(jiān)測;(3)圍巖與初期支護接觸壓力監(jiān)測;(4)初期支護內力監(jiān)測;(5)初期支護與二次襯砌接觸壓力監(jiān)測;(6)二次襯砌內力監(jiān)測;(7)注漿加固圈滲水量監(jiān)測;(8)隧道基底沉降監(jiān)測;(9)地表深孔地層水平位移監(jiān)測。不同隧道監(jiān)測項目有所不同。

監(jiān)測預警報警的等級分為四級:安全狀態(tài)、三級警戒(關注)、二級警戒(預警)和一級警戒(報警),針對不同的警戒等級,分別采取相應的控制措施,確保隧道工程安全。

5 體會和思考

(1)宜萬鐵路隧道揭示需處理的溶腔1088處,發(fā)生突水突泥 101次,98次成功地避免了災害,證明了高風險管理措施和技術措施起到了良好的效果,但未做到 100%的安全,仍需繼續(xù)改進。

(2)復雜巖溶隧道風險管理應貫穿在隧道工程全壽命周期中,保證修建期間安全的同時,還需保證運營期間的安全,對復雜巖溶結構需做長期安全檢測和預警措施。

(3)發(fā)揮參建各方優(yōu)勢,建設單位做好協(xié)調和決策,設計配合人員需有能力有權限確定設計方案,施工單位應充分利用集團優(yōu)勢,在人財物給予保證,監(jiān)理和科研應盡力盡責。

(4)巨大風險方面,建設指揮部在特殊情況下應敢于承擔,敢于決策,需有確定技術方案的能力和水平,領導者需有決策的能力、魄力、水平。但建設單位不應承擔全部風險,僅承擔應該承擔的風險。風險控制在可接受的范圍,混亂決策會造成風險。

(5)施工單位的項目經理和作業(yè)隊作為執(zhí)行層,在發(fā)現風險,避免事故方面作用巨大,好的項目經理避免事故,差的項目經理制造事故。

(6)采用綜合手段對溶腔邊界進行預報和確認,但很難確定溶腔實際的規(guī)模類型,必須對水文、泄水面積、水文觀測、水壓、水量準確檢測。

(7)設計單位對溶腔的處理應有多種方案,注漿管棚方案和釋能降壓方案、樁基承臺方案和地板加固方案,設計方案和預案,做到多方案比較,找出合適的實施方案。

(8)對巖溶隧道的認知水平和判斷是不斷提高的過程,應動態(tài)設計,重視變更設計,對技術方案及時決策,現場決策,果斷決策,準確決策,科學決策。

(9)巖溶注漿應確保真實,以免誤判、無法決策。注漿隊伍應專業(yè)化,設備配置應滿足掌子面施工需要。

(10)溶腔處理應加大投入,必須抓住旱季的有利時機。

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