釋能降壓工法在深埋巖溶富水隧道中的應(yīng)用

趙夢晨，童剛強(qiáng)

（天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津300171）

在宜萬鐵路建設(shè)中以前關(guān)于巖溶處治的許多方法和研究成果都不能奏效，曾發(fā)生多起巖溶隧道突水突泥災(zāi)害，如野三關(guān)隧道“8.5”突水［1-2］，馬鹿箐隧道“1.21”及“4.11”突水［3］、云霧山隧道“7.21”突水淹井［4］等，這些深埋巖溶富水隧道的突水、突泥災(zāi)害對工程建設(shè)者們生命財產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重危害［5-7］，損失慘重，包括云霧山在內(nèi)的幾座一級風(fēng)險隧道曾一度陷入僵局，窮則思變，經(jīng)過多番論證，建設(shè)者們對深埋高壓富水巖溶隧道的安全施工方法進(jìn)行了長時間的研究和探索，提出釋能降壓技術(shù)［8］。

釋能降壓技術(shù)是指在深埋巖溶富水隧道施工中遇到高壓富水充填溶腔時，經(jīng)過分析論證，在水量預(yù)測可控的情況下實施精準(zhǔn)爆破，將溶腔直接揭示，釋放溶腔中儲存的高壓水及填充介質(zhì)，削減其勢能，然后通過清淤、置換或是注漿加固，快速通過、及時施作底部結(jié)構(gòu)和二次襯砌等配套處治措施完成溶腔段施工，從而有效降低溶腔施工及運(yùn)營風(fēng)險的一種新技術(shù)［9］。

釋能降壓技術(shù)主要包括以下關(guān)鍵實施步驟及內(nèi)容：巖溶水文地質(zhì)分析、溶腔邊界探測鎖定、規(guī)劃泄壓引導(dǎo)線路、安全防護(hù)、掌子面遠(yuǎn)程泄壓通道關(guān)鍵點(diǎn)位視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控、溶腔巖盤精準(zhǔn)爆破、溶腔綜合處治、施工及運(yùn)營長期監(jiān)測等。

1 工程概況

云霧山隧道Ⅰ線起訖里程為DK242+084～DK248+724，全長6 640m，Ⅱ線起訖里程為ⅡDK242+084～ⅡDK248+766，全長6 682m，隧道最大埋深800m。云霧山隧道斜穿白果壩背斜傾伏端附近，所在區(qū)域排泄基準(zhǔn)面有白果壩、大魚泉、小魚泉、惡水溪、洞灣等5個暗河系統(tǒng)，隧道深部巖溶發(fā)育，隧道單線正常涌水量為45 655m3／d，最大涌水量為171 994m3／d，地下水極為豐富（圖1）。

圖1 隧道縱斷面圖

2008年8月，云霧山隧道進(jìn)、出口，Ⅰ線、Ⅱ線均逼近隧道所在的白果壩背斜核部，分別在Ⅰ線DK245+617、Ⅰ線 DK245+580、Ⅱ線 DK245+526、Ⅱ線DK245+654發(fā)現(xiàn)充填高壓富水溶腔，并經(jīng)綜合地質(zhì)超前預(yù)報手段判斷幾個溶腔相互關(guān)聯(lián)，為一大型溶洞群。2008年10月，經(jīng)過水文觀測、放水試驗、環(huán)境調(diào)查、安全措施等綜合風(fēng)險評估，最終于2008年11月25日成功運(yùn)用“釋能降壓”工法，在Ⅱ線DK245+526對溶洞群實施爆破放水。隨后Ⅰ線、Ⅱ線進(jìn)出口4個掌子面通過清淤減壓，成功地把溶洞施工安全風(fēng)險轉(zhuǎn)化為工程問題，放水泄壓直接揭示通過“617”溶腔群，Ⅱ線于2008年12月28日、Ⅰ線于2009年1月17日安全貫通。現(xiàn)已安全運(yùn)營4a。

“617”溶腔群，位于Ⅰ線DK245+404～DK245+604、Ⅱ線DK245+499～DK245+639段內(nèi)，隧道埋深800m。該段位于白果壩背斜核部斷層影響帶及斷層內(nèi)，處于白果壩背斜軸部，地表廣布漏斗、落水洞等典型巖溶形式，是張應(yīng)力集中部位，張裂隙發(fā)育，能接受降水或地表水的滲入，處于巖溶水循環(huán)流通部位，是水循環(huán)強(qiáng)烈地段，巖溶發(fā)育，水流方向以垂直為主，在DK245+500附近有一逆斷層，易引發(fā)突水、突泥（圖2）。

圖2 掌子面溶洞水狀況

2 溶腔釋能降壓技術(shù)實施情況

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報對溶腔邊界的鎖定

（1）超前預(yù)報原則及方法

施工中采用TSP203超前預(yù)報系統(tǒng)分別對Ⅱ線DK245+444～DK245+570、Ⅰ線DK245+505～DK245+620進(jìn)行了超前探測，結(jié)果顯示該兩段內(nèi)巖溶裂隙較發(fā)育，地下水較豐富，可能發(fā)育有大型溶腔，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)短距離探測情況，運(yùn)用地質(zhì)分析法排除小型巖溶裂隙，在5m超前炮孔保護(hù)下，按照保留3m～5m完整保護(hù)巖盤，向前開挖推進(jìn)，減薄巖盤，逐步逼近溶腔。隨后布置超前鉆孔，探測鎖定溶腔范圍。

（2）通過鉆孔注漿、放水試驗水、水壓觀測判定溶腔的關(guān)聯(lián)性

在Ⅰ線DK245+680處向Ⅱ線施作超前水平鉆探驗證Ⅱ線溶腔范圍，超前水平探孔進(jìn)入溶腔后水量較大，同時Ⅰ線掌子面超前鉆孔內(nèi)的水量隨之減少；在出口DK245+632掌子面采用前進(jìn)式注漿時發(fā)現(xiàn)，Ⅰ線注漿Ⅱ線鉆孔有漿液流出，由此二點(diǎn)判定Ⅰ線、Ⅱ線溶腔是連通的。

在出口Ⅱ線DK245+660處布置探孔9個，鉆探顯示，溶腔縱向與進(jìn)口Ⅱ線DK245+525關(guān)聯(lián)，在洞身高程分段，影響范圍135m。

在出口Ⅰ線DK245+632處布置鉆孔9個，根據(jù)鉆孔揭示溶腔內(nèi)充填砂土夾孤石，最高水壓達(dá)到1.2MPa，溶腔沿Ⅰ線縱向從DK245+615發(fā)育長度44m，與進(jìn)口DK245+571連通，但在隧道洞身高程上有較明顯的分段現(xiàn)象。

（3）放水試驗

放水試驗的目的：一是通過溶腔內(nèi)水位變化和排放量的關(guān)系推測溶腔的體量規(guī)模；二是確定溶腔內(nèi)的水位與補(bǔ)給的關(guān)系；三是溶腔與地表降雨以及降雨量的補(bǔ)給關(guān)系。

溶腔水主要受大氣降雨補(bǔ)給，地表降雨后通過地表落水洞、巖溶洼地、漏斗及白果壩斷裂帶等匯集，地表集水面積2.5km2。在DK245+680橫通道內(nèi)設(shè)置了放水試驗觀測點(diǎn)，配置了水壓表，流量觀測圍堰，要求排水量不小于10 000m3／d，每小時統(tǒng)計排水管的壓力和流量。從10月26日到11月25日止，共放水524 571m3，平均每天8 600m3，水壓在0.43MPa～0.84MPa范圍變化。

放水試驗表明，溶腔水受大氣降雨補(bǔ)給，未降雨時的靜態(tài)補(bǔ)給量約為5 000m3／d。

（4）溶腔群形態(tài)綜合判釋

通過綜合預(yù)報成果判定，Ⅱ線DK245+525溶腔豎向垂直發(fā)育，縱向發(fā)育長度約13.5m，橫向發(fā)育寬度約9.5m，溶腔豎向下尖滅在隧道底板上約0.5m，豎向上發(fā)育多高，尚無法判斷清楚，溶腔上大下小呈“V”字形狀；溶腔內(nèi)富存高壓水，壓力0.5 MPa～0.7MPa，充填物為中粗沙夾泥，其間有炭化朽木。DK245+580溶腔，水量較為穩(wěn)定，充填物為粉細(xì)沙。該兩溶腔同位于背斜核部，推測主要沿兩套呈30度夾角的裂隙和層理發(fā)育，可能會有較強(qiáng)的水力聯(lián)系，水量較為穩(wěn)定，兩溶腔主要受洞頂以上地下暗河補(bǔ)給，地下暗河又通過落水洞、漏斗與地表相連通。其中DK245+580與DK245+617及ⅡDK245+526關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。

2.2 增設(shè)迂回繞行通道

根據(jù)鉆探結(jié)果，確定了Ⅰ線右側(cè)繞行方案，新增“DK245+535～DK245+671”迂回繞行通道，并于2008年11月20日順利貫通，解除了云霧山隧道出口（反坡）突水淹井的風(fēng)險（圖3）。

2.3 溶腔揭示

2008年11月鐵道部組織專家經(jīng)過激烈的風(fēng)險論證，確定云霧山隧道核部DK245+617溶腔群采用釋能降壓方案，在Ⅱ線DK245+525掌子面爆破直接揭示，放水清淤，釋能降壓，按塌方清淤處理通過。

圖3 DK245+617溶腔群平面示意圖

其可行的理由有：一是如果減壓成功，則洞內(nèi)突泥突水的高風(fēng)險因素會立即消除，因地質(zhì)問題帶來的安全風(fēng)險將會轉(zhuǎn)化成排水清淤的工程問題來處理；二是采取突破性的施工方案，工期有可能保證；三是爆破放水期間的安全風(fēng)險問題，通過周密的部署和科學(xué)的安排是可以避免的，可以把安全問題變成工程問題處理；四是試驗結(jié)果證明此溶腔靜態(tài)補(bǔ)給僅為5 000m3／d，且11月至來年3月為當(dāng)?shù)乜菟竟?jié)，補(bǔ)給量有限，排水量達(dá)到10 000m3／d后，水壓有下降的趨勢，該溶腔的發(fā)育范圍及儲水量較?。晃迨峭ㄟ^地質(zhì)水文及環(huán)境調(diào)查，泄水對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境不會造成大的影響。

（1）洞內(nèi)外泄水路線、防護(hù)及安全警戒

確定泄水線路及逃生線路，封堵所有Ⅰ線、Ⅱ線通道由二線通過橫洞泄至洞外，并經(jīng)泄洪渠排至隧道進(jìn)口東約1km大溶洞（天然河道流水入口）。

對洞外泄水路線上的臨時設(shè)施進(jìn)行拆除，設(shè)置滿足泄水能力的排水渠，對泄水渠邊的天然氣管道、施工用變電站，村民住房采用漿砌漿片石進(jìn)行防護(hù)加固。

在洞內(nèi)設(shè)置逃生通道平面圖，各通道封堵墻處設(shè)置聲光報警器、應(yīng)急燈，逃生指示標(biāo)志，設(shè)置救生衣、救生圈、救生筏、逃生繩等。

在洞內(nèi)距Ⅱ線DK245+525掌子面70m處，6?？诜舛聣?、橫洞泄水出口處各設(shè)置一部紅外線彩色視頻頭，與泄水指揮中心視頻監(jiān)控器相連。

根據(jù)預(yù)測水量大小擬定泄水警戒范圍，泄水期間分別在全隧道及洞外泄水路線警戒范圍內(nèi)設(shè)置交通管制安全崗，分別設(shè)置交通管制組和駐地人員遷移組，泄水期間的臨時交通進(jìn)行管制。設(shè)置相應(yīng)的風(fēng)險管理等級進(jìn)行泄水期間的風(fēng)險管理。對全體施工人員進(jìn)行泄水前安全培訓(xùn)并演練，儲備應(yīng)急機(jī)械設(shè)備物資，配置應(yīng)急救援隊。

（2）水文觀測

泄水前分別在Ⅰ線DK245+557及DK245+617掌子面設(shè)置水量、水壓觀測站，以觀測泄水前后“617”溶腔群水量水壓變化。

2.4 制定專項精確爆破設(shè)計

Ⅱ線DK245+525掌子面探測到的巖盤厚度見圖4。

圖4 Ⅱ線DK245+525掌子面探測圖

專項爆破設(shè)計直接影響釋能降壓的效果，是釋能降壓的關(guān)鍵技術(shù)之一，爆破后可能會出現(xiàn)三種結(jié)果：（1）水和介質(zhì)完全釋放；（2）水釋放介質(zhì)部分釋放；（3）水釋放介質(zhì)未釋放。第1種效果最理想，第2種次之、第3種最差；釋能降壓后在第2、第3種效果下施工，風(fēng)險性仍然很大。因此，根據(jù)超前鉆探結(jié)果—探測到的巖盤厚度，制定精準(zhǔn)的專項爆破設(shè)計，以期達(dá)到水和介質(zhì)完全釋放的最佳效果，非常關(guān)鍵。

根據(jù)探明的溶腔保護(hù)巖盤厚度分布，采用垂直楔形掏槽，用YT-28風(fēng)鉆配φ42mm鉆頭鉆孔，每孔用炮泥堵塞20cm，其余長度內(nèi)滿裝炸藥，全斷面非電毫秒雷管微差爆破，爆破及裝藥參數(shù)見下表1。開挖面積62.4m2，炮眼密度2.0個／m2，單位用藥量2.28kg／m3，E=50cm，W=63cm，連續(xù)裝藥，網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方式為簇連，電雷管起爆。

表1 Ⅱ線DK245+525掌子面巖盤爆破裝藥參數(shù)表

3 釋能降壓效果

云霧山“526”溶腔爆破后，根據(jù)觀測站數(shù)據(jù)“526”及“617”溶腔群掌子面水量、水壓均明顯減小，并最終趨零，說明水和介質(zhì)完全釋放，溶腔介質(zhì)的高壓風(fēng)險得到解除，效果非常理想。

3.1 “557”水文觀測站觀測情況

“526”溶腔泄水前后，“557”水文觀測站連續(xù)對水量進(jìn)行了觀測，并將觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析處理，見圖5。

圖5 溶腔泄水前后DK245+557矩形堰流量變化圖

從“557”水文觀測站水文觀測數(shù)據(jù)可以看出“526”溶腔爆破揭示后，“617”溶腔群水壓力、水量逐漸減小，并趨于消失。

3.2 “617”水文觀測站觀測情況

“526”溶腔泄水前后，“617”水文觀測站連續(xù)對水量進(jìn)行了觀測，并將觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析處理，見圖6。

圖6 DK245+617溶腔水量水壓時間關(guān)系圖

從“617”水文觀測站水文觀測數(shù)據(jù)可以看出“526”溶腔爆破揭示后，“617”溶腔群四個主攻工作面水壓力、水量逐漸減小，并趨于消失，實現(xiàn)了釋能及降壓的目的。緊接著在“557”、“617”掌子面按順序分別實施了直接爆破清淤、釋能降壓的揭示方案，揭示后各掌子面水壓和水量均為零，揭示過程除有泥、砂及塊石突出外，沒有流水。

各掌子面爆破后，經(jīng)過72h水量水壓觀測分析，排除突水突泥風(fēng)險后，針對溶腔突出物多為流動性泥砂的特點(diǎn)，采用拋碴擠淤及撒快凝型快硬硫鋁酸鹽水泥化學(xué)固結(jié)相結(jié)合的方法，對溶腔突出物進(jìn)行快速清除。溶腔處理過程中，堅持先清除填充物，再回填混凝土，最后再補(bǔ)注漿的原則進(jìn)行，以消解溶腔填充物對支護(hù)結(jié)構(gòu)形成的荷載。“526”溶腔爆破揭示后，該處溶腔在枯水季節(jié)水量長期穩(wěn)定在208 m3／h，若在當(dāng)?shù)赜昙荆瑒t水量更大，采用堵的方法，勢必在混凝土二襯后變成持續(xù)的水頭壓力，難以保證運(yùn)營安全，故在“526”溶腔處隧道頂部以上5m處增設(shè)一泄水洞，直接襲奪溶腔水引到排水洞外，以達(dá)到溶腔長效泄水減壓的目的，確保施工期和運(yùn)營期安全。

4 結(jié) 論

（1）在深埋巖溶富水充填性深腔處治中釋能降壓技術(shù)相比于傳統(tǒng)的帷幕注漿具有降低溶腔處治及運(yùn)營過程風(fēng)險、工效提高、經(jīng)濟(jì)合理的明顯優(yōu)勢。

（2）準(zhǔn)確探測溶腔邊界、溶腔填充物特性分析、溶腔預(yù)留巖盤的精準(zhǔn)爆破是成功實施釋能降壓的前提。

（3）適當(dāng)選擇在枯水季節(jié)實施溶腔泄水降壓及溶腔處治可有效降低釋能降壓技術(shù)實施過程的風(fēng)險程度。

（4）結(jié)合具體隧道本身設(shè)計結(jié)構(gòu)及所處區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行泄水通道規(guī)劃、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、水文雨量觀測、進(jìn)洞條件等專項安全方案設(shè)計是實施釋能降壓的安全保證。

（5）釋能降壓實施后對區(qū)域水文環(huán)境影響的科學(xué)評判、對溶腔處治結(jié)構(gòu)的長期安全性、可靠性監(jiān)控結(jié)論是釋能降壓技術(shù)最終成功的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。

（6）釋能降壓技術(shù)具有安全、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過云霧山隧道的成功實施及宜萬線風(fēng)險隧道的推廣應(yīng)用，證明是針對深埋巖溶富水充填巖溶處治的有效技術(shù)，可在相似條件下的同類隧道中推廣應(yīng)用。

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