宜萬(wàn)鐵路齊岳山隧道 DK363+629高壓充水溶腔處理技術(shù)

黃鴻健,張民慶

(鐵道部宜萬(wàn)鐵路建設(shè)指揮部,湖北恩施 445000)

1 工程概況

齊岳山隧道是宜萬(wàn)鐵路 8座Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道之一,隧道全長(zhǎng)10528m(DK361+255～DK371+783),隧道最大埋深 670m。隧道進(jìn)口高程1126m,自進(jìn)口至出口為單面下坡,坡度依次為 -13‰(345m)、-15.3‰(9300m)、-6‰(883m)。為保證隧道施工工期,設(shè)置貫通平行導(dǎo)坑(隧道左側(cè) 30m處)和斜井各 1座。

如圖1所示,齊岳山隧道穿越中、下侏羅統(tǒng)上、下沙溪廟組、新田溝組、自流井組、珍珠沖組和三疊系須家河組、巴東組、嘉陵江組、大冶組,以及二疊系長(zhǎng)興組、吳家坪組、茅口組等地層,其中可溶巖長(zhǎng) 4.7km,占全隧總長(zhǎng)度的 45%,可溶巖均處在隧道進(jìn)口端。

齊岳山隧道穿越區(qū)段可分為中山區(qū)(進(jìn)口 ～DK364+900)、中山谷地 (DK364+900～ DK365+150)和低中山區(qū)(DK365+150～出口),3個(gè)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)齊岳山構(gòu)造溶蝕地貌、中部得勝場(chǎng)溶蝕槽谷地貌、西部碎屑巖剝蝕地貌。

齊岳山隧道主要地質(zhì)構(gòu)造為齊岳山背斜、箭竹溪向斜,以及規(guī)模較大的斷層 15條,其主要不良地質(zhì)有巖溶、巖溶水、斷層破碎帶、天然氣、煤系瓦斯、高地應(yīng)力和地溫等,其中齊岳山背斜和得勝場(chǎng)槽谷區(qū)被稱(chēng)為該隧道施工的兩大難題。地勘表明,隧道周?chē)饕l(fā)育得勝場(chǎng)地下暗河體系、大魚(yú)泉地下河系統(tǒng)、小魚(yú)泉地下河系統(tǒng)。預(yù)測(cè)隧道正常涌水量 17.6萬(wàn) m3/d,最大涌水量 74.2萬(wàn) m3/d。其中齊岳山背斜地段正常涌水量 3.7萬(wàn) m3/d,最大涌水量 17.7萬(wàn) m3/d。

2 溶腔探測(cè)

圖1 齊岳山隧道工程地質(zhì)剖面

2006年 5月 25日,齊岳山隧道進(jìn)口正洞施工至DK363+629里程,采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行超前水平鉆探。當(dāng)鉆至 DK363+631時(shí),由鉆孔內(nèi)射出高壓水,實(shí)測(cè)單孔最大涌水量 450m3/h,水壓力 0.68MPa。隨后加強(qiáng)超前鉆探,確定隧道前方發(fā)育大型高壓富水溶腔。溶腔由右上側(cè)向左下側(cè)發(fā)育,橫向?qū)挾却笥?80m,在隧道范圍內(nèi)縱向發(fā)育長(zhǎng)度約 12m。溶腔內(nèi)充填介質(zhì)主要為清水,含少量泥砂。溶腔形態(tài)見(jiàn)圖2。溶腔鉆孔涌水照片見(jiàn)圖3。

圖2 齊岳山隧道 629溶腔形態(tài)

圖3 齊岳山隧道 629溶腔探孔涌水

3 方案試驗(yàn)

3.1 注漿試驗(yàn)

遭遇溶腔后,對(duì)溶腔處理方案進(jìn)行研究,考慮到隧道進(jìn)口工期壓力大,同時(shí),進(jìn)口反坡施工,排水極其困難,因此,確定對(duì)溶腔進(jìn)行注漿試驗(yàn)。

采用普通水泥 -水玻璃雙液漿對(duì)溶腔進(jìn)行充填注漿試驗(yàn)。水泥-水玻璃雙液漿配比為:水泥漿水灰比0.6∶1～0.8∶1、水泥漿與水玻璃體積比 1∶0.3～1∶0.5、水玻璃濃度 35Be′。漿液凝膠時(shí)間控制在 15s～30min。

在現(xiàn)場(chǎng)注漿施工中,當(dāng)注漿量達(dá)到1613m3時(shí),鉆孔過(guò)程中仍有高壓水噴出,這表明,采取注漿措施,難以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到有效堵水效果。同時(shí),考慮到溶腔規(guī)模較大,采用大量的注漿材料填充富水溶腔造價(jià)高,且地下動(dòng)水可能會(huì)對(duì)注漿效果產(chǎn)生較大的影響。因此,停止實(shí)施對(duì)該溶腔實(shí)施注漿堵水處理方案。

3.2 放水試驗(yàn)

為進(jìn)一步查明溶腔的水文地質(zhì)條件,對(duì)該溶腔進(jìn)行了放水試驗(yàn)。

放水試驗(yàn)從 2006年 9月 1日開(kāi)始至 9月 10日結(jié)束,歷時(shí) 10d。放水試驗(yàn)時(shí),根據(jù)進(jìn)口設(shè)置的大型泵站抽水能力,采用2000～3000m3/h的放水速度進(jìn)行放水。監(jiān)測(cè)放水試驗(yàn)過(guò)程放水速度、水壓力、地表降雨量等水文參數(shù),測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 齊岳山隧道 629溶腔放水試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制放水試驗(yàn)過(guò)程的水壓力變化曲線(xiàn),如圖4所示。

圖4 齊岳山隧道放水試驗(yàn)水壓力變化曲線(xiàn)

由水壓力變化曲線(xiàn)來(lái)看,放水試驗(yàn)可分為 2個(gè)階段。

第 1階段:2006年 9月 1日至 9月 5日,通過(guò)鉆孔采取以3000m3/h的速度進(jìn)行放水,在無(wú)降雨的條件下,水壓力由 0.43MPa降低到 0.18MPa,之后開(kāi)始穩(wěn)定。

第 2階段:2006年 9月 5日,地表降雨 33.1mm,在排水條件下,溶腔內(nèi)水壓力處于緩慢上升。由此來(lái)看,溶腔內(nèi)水量與地表降雨的關(guān)聯(lián)性較好,采取3000m3/h的速度進(jìn)行放水,很難在短時(shí)間內(nèi)將水壓力再繼續(xù)降下來(lái)。于是,9月 8日停止放水。停止放水后,水壓力迅速上升,隨著地表降雨 55.3mm,水壓力升高到 0.68MPa,隨后,水壓力下降至 0.52MPa。

通過(guò)放水試驗(yàn),說(shuō)明溶腔規(guī)模較大,地下水補(bǔ)給量大?？紤]到進(jìn)口處于反坡施工,抽水能力有限,溶腔水難以在短時(shí)間內(nèi)排放完畢,并且,直接揭示溶腔存在淹井危險(xiǎn)。為此,停止試驗(yàn),采用混凝土擋墻封閉掌子面,待進(jìn)出口平導(dǎo)貫通后,利用順坡條件進(jìn)行處理。

4 釋能降壓處理溶腔

4.1 判釋溶腔

4.1.1 工程地質(zhì)特征

629溶腔位于齊岳山背斜西翼,該地段除發(fā)育溶腔外,地質(zhì)條件為Ⅱ級(jí)二疊系長(zhǎng)興組灰?guī)r,圍巖完整,節(jié)理裂隙不發(fā)育。巖層產(chǎn)狀 310°∠45°,巖層走向近似垂直隧道。629溶腔處地表高程為1750m,隧道軌面高程約為1096m,隧道埋深約 646m。629溶腔地段工程地質(zhì)縱剖面見(jiàn)圖5。

圖5 齊岳山隧道 629溶腔地段工程地質(zhì)縱剖面

4.1.2 水文地質(zhì)特征

溶腔地段水文地質(zhì)如圖6。溶腔主要受地表槽谷洼地降雨補(bǔ)給,地表匯水面積 6.1km2。預(yù)測(cè)溶腔 50年一遇最大涌水量10189m3/h。

4.1.3 溶腔處理方案判釋

針對(duì) 629溶腔,通過(guò)注漿試驗(yàn),難以達(dá)到理想的注漿堵水效果。分析溶腔的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征,溶腔處隧道埋深大,地表匯水面積有限,因此,適合于采取釋能降壓法處理該溶腔。在進(jìn)出口平導(dǎo)貫通后,對(duì)該溶腔實(shí)施釋能降壓法處理。

4.2 鎖定溶腔

4.2.1 釋能降壓掌子面的選擇

如圖7,釋能降壓掌子面有 3個(gè)方案可以選擇,方案一是正洞反向掌子面,方案二是正洞正向掌子面,方案三是通過(guò)平導(dǎo)施作泄水支洞掌子面。

圖6 齊岳山隧道629溶腔地段水文地質(zhì)

圖7 溶腔釋能降壓掌子面方案選擇

對(duì) 3個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較,見(jiàn)表2。

表2 釋能降壓掌子面方案比較

通過(guò)對(duì) 3個(gè)方案進(jìn)行比選,考慮到溶腔處理是關(guān)鍵,并且通過(guò)平導(dǎo)增加泄水支洞工程量不大,因此,現(xiàn)場(chǎng)采取方案三對(duì)溶腔進(jìn)行釋能降壓處理。

4.2.2 鎖定溶腔

通過(guò)平導(dǎo)實(shí)施橫向泄水支洞,加強(qiáng)超前探測(cè),鎖定泄水支洞溶腔邊界如圖8所示。

圖8 溶腔邊界鎖定(單位:cm)

由鎖定的邊界來(lái)看,溶腔極不規(guī)則,掌子面前方溶腔整體發(fā)育偏左,掌子面左下方距離溶腔最近距離為2.35m。

4.3 打開(kāi)溶腔

4.3.1 放水形成低水位

由于溶腔主要以充填水為主,為了減少釋能降壓時(shí)將溶腔壁附著的破碎巖體大量攜帶出來(lái),因此,在進(jìn)出口平導(dǎo)貫通后,通過(guò)鉆孔進(jìn)行放水,形成低水位,然后再進(jìn)行釋能降壓。

放水措施通過(guò)在正洞正向掌子面鉆 12個(gè) φ108 mm孔,以最大放水能力3000m3/h進(jìn)行控制排水,共放水 65萬(wàn) m3,水壓力逐漸下降,穩(wěn)定在 0.01MPa?，F(xiàn)場(chǎng)控制放水如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)控制放水

4.3.2 修正爆破掌子面

由于溶腔的邊界極不均勻的,為了提高一次爆開(kāi)溶腔的面積,按圖10依次進(jìn)行①→②→③部位的局部爆破切塊,從而修正泄水支洞爆破掌子面。

圖10 修正爆破掌子面示意

4.3.3 爆破設(shè)計(jì)

根據(jù)鎖定的溶腔型態(tài),利用修正后的爆破掌子面,對(duì)溶腔進(jìn)行精確爆破設(shè)計(jì)。爆破設(shè)計(jì)如圖11所示。爆破參數(shù)見(jiàn)表3。

圖11 溶腔爆破設(shè)計(jì)(單位:cm)

表3 專(zhuān)項(xiàng)精確爆破裝藥參數(shù)

4.3.4 精確爆破

溶腔爆破揭示于 2009年 11月 25日實(shí)施,通過(guò)平導(dǎo)采用視頻監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)釋能降壓如圖12所示。

圖12 629溶腔實(shí)施釋能降壓視頻監(jiān)控

4.4 處治溶腔

實(shí)施釋能降壓后進(jìn)入溶腔觀(guān)察,如圖13所示。

圖13 釋能降壓后進(jìn)入溶腔觀(guān)察

針對(duì)該溶腔,采取如圖14處理措施。

圖14 溶腔結(jié)構(gòu)處理示意(單位:cm)

(1)清除溶腔基底松散填充物,采用 C30混凝土換填。換填時(shí),按 0.6～1m厚從下到上分層澆筑,每層底部縱向設(shè)置 I18型鋼,橫向間距 0.5m,并采用φ22mm鋼筋焊接,鋼筋間距 0.5m。

(2)在隧道右側(cè)邊墻外溶腔處施作 C25混凝土護(hù)墻,護(hù)墻頂寬 1.5m,底寬 4m。

(3)對(duì)隧道右側(cè)巖溶水,通過(guò)在換填混凝土層中埋設(shè) 5根 φ300mm鋼管,將水引排到左側(cè)。為防止鋼管堵塞,除在鋼管端頭設(shè)置濾網(wǎng)外,并在右側(cè)設(shè)置碎石過(guò)濾層。

(4)為保證左側(cè)邊墻穩(wěn)定,在隧道左側(cè)設(shè)置 2m厚 C25混凝土護(hù)墻。

(5)在泄水支洞中設(shè)置厚 2m的 C25混凝土擋墻,在擋墻上安裝 12根 φ300mm鋼管,并設(shè)置閥門(mén),對(duì)巖溶水實(shí)現(xiàn)限排,限排量為 500～1000m3/h。

(6)隧道結(jié)構(gòu)按 1.0MPa抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)考慮。初期支護(hù)采用 20cm厚網(wǎng)噴混凝土,內(nèi)置 I18鋼架,鋼架間距0.5m/榀。二次襯砌采用 50cm厚 C35防水鋼筋混凝土。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)齊岳山隧道通過(guò)超前深孔鉆探發(fā)現(xiàn)溶腔,之后,相繼進(jìn)行了注漿試驗(yàn)和放水試驗(yàn),最后通過(guò)判釋溶腔,采取釋能降壓技術(shù),從而很好地處理了該溶腔。這種“查找問(wèn)題→分析問(wèn)題→現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)→決策方案→準(zhǔn)確實(shí)施”的施工模式是解決風(fēng)險(xiǎn)隧道施工難題的最佳模式,通過(guò)實(shí)施這種模式,解決了工程難題,避免了災(zāi)害的發(fā)生,值得推廣應(yīng)用。

(2)該工程試驗(yàn)證明,針對(duì)較大規(guī)模的充水溶腔,采取注漿措施,注漿量難以確定,且會(huì)受地下動(dòng)水影響,注漿法難以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到注漿堵水效果,因此,該類(lèi)工程不宜采取注漿法治理。

(3)針對(duì)高壓充水溶腔,采取釋能降壓法處理,處治速度快,安全有保證,且變暗為明,結(jié)構(gòu)可靠,因此,釋能降壓法是處理類(lèi)似高壓充水溶腔的合理方案。

[1] 張梅,張民慶,朱鵬飛,等.高壓富水充填溶腔釋能降壓技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué),2009(12).

[2] 朱鵬飛.宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)管理[J].中國(guó)工程科學(xué),2009(12).

[3] 劉招偉,張民慶,王樹(shù)仁.巖溶隧道災(zāi)變預(yù)測(cè)與處治技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[4] 何發(fā)亮,等.隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2006.