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(jì)咨詢(xún)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(jì)咨詢(xún)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(duì)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(jì)、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(jiàn)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(duì)地下水的大量補(bǔ)給；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)未實(shí)施或?qū)嵤┎坏轿?；施工方法和支護(hù)措施不當(dāng)?shù)?。一旦發(fā)生突水、突泥及其誘發(fā)塌方等事故，如果沒(méi)有一種科學(xué)合理的處治方案，往往會(huì)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(zhǎng)度1 781 m，縱向坡度采用“人”字坡設(shè)計(jì)，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(jí)為三級(jí)。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(zhuān)用隧道，襯砌類(lèi)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(mén)天竺山國(guó)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(duì)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(kāi)挖方式以鉆爆法為主并輔以人工機(jī)械開(kāi)挖。隧道突水、涌(泥)砂地段，原設(shè)計(jì)中對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法開(kāi)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(jí)圍巖采用臺(tái)階法開(kāi)挖，機(jī)械開(kāi)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(cuò)車(chē)道段)1.0 m/榀，設(shè)置Φ32超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)度4.1 m，環(huán)向間距0.3 m，對(duì)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(hào)上午8：00左右施工至里程0 km+543 m，爆破開(kāi)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(wú)法在洞內(nèi)掉頭)出渣時(shí)，裝載機(jī)駛出工作面一定距離時(shí)，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(shí)間內(nèi)工作面后方涌滿(mǎn)泥沙，所幸發(fā)生時(shí)為出渣時(shí)間，洞內(nèi)只有部分出渣人員及出渣機(jī)械，裝載機(jī)及時(shí)撤離，錯(cuò)車(chē)道處運(yùn)渣車(chē)被泥沙淹沒(méi)，所幸人員及時(shí)撤離，沒(méi)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(mǎn)了泥沙，涌動(dòng)體呈流塑狀，水量較大。同時(shí)，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(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘測(cè)和分析，隧道產(chǎn)生突水、突泥主要有以下3個(gè)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(shí)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(shí)，對(duì)拱部及邊墻滲漏水現(xiàn)象沒(méi)有引起足夠重視，沒(méi)能及時(shí)采取相應(yīng)措施；對(duì)施工監(jiān)控量測(cè)重視不夠，沒(méi)有形成監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制；開(kāi)挖爆破藥量較大，對(duì)圍巖擾動(dòng)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(duì)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(dòng)，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(duì)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(jí)較低的交通隧道。

繞行段線位宜設(shè)置在地下水來(lái)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(guò)，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(guò)突水突泥段涌入隧道。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的排泄及原位隧道的截流，下游地下水量會(huì)減小，可降低繞行段施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2　洞內(nèi)注漿加固方案

對(duì)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(dòng)，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(duì)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(kāi)挖15 m預(yù)留5 m注漿體巖盤(pán)，逐步清理至塌方冒頂段或工作面，然后打設(shè)管棚通過(guò)。

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(duì)洞周一定范圍內(nèi)的松動(dòng)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(shí)產(chǎn)生二次涌動(dòng)及塌方；必要時(shí)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(duì)洞周?chē)鷰r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(zhǎng)管棚通過(guò)。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(chǎng)地開(kāi)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(guò)以上方案研究比選、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察，并通過(guò)管道建設(shè)項(xiàng)目部經(jīng)理部組織的專(zhuān)家研討會(huì)，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(jì)

軸線局部繞行段平面設(shè)計(jì)、隧道斷面凈空應(yīng)滿(mǎn)足管道運(yùn)輸及安裝的要求，并最大程度利用已完成開(kāi)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(jì)，滿(mǎn)足管道運(yùn)輸及安裝要求，隧道EPC 項(xiàng)目部會(huì)同管道EPC 項(xiàng)目部進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。為滿(mǎn)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(zhǎng)度段落為拐點(diǎn)兩側(cè)各不少于10 m，加寬部位為各個(gè)拐角內(nèi)角處。繞行段平面如圖2所示。

隧道繞行段平面長(zhǎng)度236.52 m；已開(kāi)挖廢棄段長(zhǎng)度為143 m，隧道平面總長(zhǎng)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(yíng)階段的安全，對(duì)廢棄段進(jìn)行臨時(shí)擋護(hù)及永久封堵，具體措施如下。

(1)臨時(shí)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(shí)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(guò)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(kāi)挖隧洞空間對(duì)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(gè)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(cuò)布置，埋入碎石反濾層部分的pvc管管壁應(yīng)打孔，并用無(wú)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(méi)有繞開(kāi)F2斷層破碎帶及影響帶，Ⅵ、Ⅴ級(jí)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(xiǎn)。

4.4　繞行段施工方案

隧道采用新奧法施工。開(kāi)挖方式以鉆爆法為主并輔以人工機(jī)械開(kāi)挖的方式。隧道突水、涌(泥)砂地段加強(qiáng)了支護(hù)措施：Ⅳ級(jí)圍巖段，采用臺(tái)階法開(kāi)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(zhǎng)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(jí)圍巖采用臺(tái)階法開(kāi)挖，機(jī)械開(kāi)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(zhǎng)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(shí)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(cè)，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(cè)及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，并認(rèn)真最好監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及時(shí)反饋信息，根據(jù)監(jiān)測(cè)及超前預(yù)報(bào)及時(shí)調(diào)整支護(hù)措施，真正做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工。同時(shí)，制定切實(shí)可行的應(yīng)急預(yù)案，盡量把施工風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

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中圖分類(lèi)號(hào)：U455.49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)03-0034-04

作者簡(jiǎn)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(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

收稿日期：2015-02-11