某軌道交通1號線雅蠻區(qū)間隧道巖溶突泥突水處治對策分析

陳發(fā)達(dá)，周火鋒，方偉立，張鵬帥，吳賢國

(1.貴陽城市軌道交通有限公司，貴陽　550091；2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢　430074)

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某軌道交通1號線雅蠻區(qū)間隧道巖溶突泥突水處治對策分析

陳發(fā)達(dá)1，周火鋒1，方偉立2，張鵬帥1，吳賢國2

(1.貴陽城市軌道交通有限公司，貴陽550091；2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢430074)

摘要：以某軌道交通1號線雅蠻區(qū)間左線ZDK19+200處開挖支護(hù)施工時(shí)發(fā)生突水突泥事件為工程背景，分析了巖溶突泥突水的成因，完成對溶洞淤泥清理、一次涌泥處理、二次涌泥處理以及掌子面加固等措施；對右線地質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)勘，提前處理隱藏的巖溶，對突泥突水引發(fā)的周邊構(gòu)造物裂縫和沉降問題進(jìn)行加固處理；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本次工程事故與前人對巖溶隧道的研究，對處理溶巖突泥突水問題提出可行性建議。

關(guān)鍵詞：軌道交通；巖溶；隧道；突泥突水；加固；施工

1概況

1.1工程背景

雅蠻區(qū)間位于南埡路與觀山東路中心環(huán)北線交叉口范圍，隧道起點(diǎn)里程為YDK16+878，終點(diǎn)里程為YDK19+249.34，該區(qū)間隧道總長度為2 371.34 m，線路為北東—南西走向。隧道采用單洞雙線形式，馬蹄形復(fù)合式襯砌，單洞開挖面積約45 m2(寬×高：6.48 m×6.98 m)，其中在YDK19+050～ YDK19+249段隧道采用雙洞雙線形式，隧道坡度為1°，底板高程為1 116.00～1 148.80 m，軌面埋深10～ 247.4 m，采用整體式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)沉降控制要求為<1～3 cm，而其余段隧道結(jié)構(gòu)采用雙洞單線形式。平面位置如圖1所示。

圖1　隧道平面位置

1.2水文條件

根據(jù)隧道工程區(qū)含水巖組的特征[1]，該區(qū)段劃分為2個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元：雅關(guān)分散排泄系統(tǒng)和龍灘口巖溶大泉系統(tǒng)，其中雅關(guān)分散排泄系統(tǒng)富水性弱，該區(qū)地下水對隧道施工的影響較小，而當(dāng)隧道開挖掘進(jìn)途經(jīng)龍灘口巖溶大泉系統(tǒng)時(shí)，該區(qū)域地下水的水量大，而且遇斷層帶、巖溶強(qiáng)發(fā)育帶時(shí)突水的可能性大，對隧道施工影響大。

該隧道內(nèi)地下水類型分為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散含水層孔隙水。大氣降水為本區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源，補(bǔ)給方式為沿巖層層面及節(jié)理裂隙面緩慢滲入和沿落水洞、溶洞直接灌入補(bǔ)給。該區(qū)內(nèi)北面雅關(guān)一帶地下水以小關(guān)水庫為最低排泄基準(zhǔn)面，南面巖溶區(qū)地下水以龍灘口下降泉為排泄點(diǎn)。

1.3地質(zhì)條件

雅蠻區(qū)間暗挖施工隧道下穿巖層主要為薄至中厚層狀中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、灰?guī)r。蠻坡站至雅蠻區(qū)間ZDK19+100內(nèi)出露的地層按地層年代由新到老描述如下。

(1)1-1-2雜填土(Q4ml)：褐黃色、黑色等，顏色雜亂。主要成分為建筑垃圾、塊石、黏土垃圾等構(gòu)成，成分雜亂，結(jié)構(gòu)松散，填筑厚度0～7.1 m。

(2)9-05-2三疊系安順組(T1a)：分布于YDK18+167.6～18+364段、YDK18+364～YDK18+500段和YDK18+500～YDK19+065段，地層巖性為淺灰、灰白色、灰黃色中厚層-厚層狀白云巖。細(xì)晶結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，方解石脈充填及鐵質(zhì)侵染。

(3)10-16-2三疊系大冶組(Tld)：分布于YDK19+065～YDK19+249.34段，地層巖性為灰、灰黑色薄至中厚層灰?guī)r。細(xì)晶結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，方解石脈充填及鐵質(zhì)侵染。

(4)11-11-2三疊系下統(tǒng)沙堡灣組(T1s)：頁巖夾薄層泥灰?guī)r。

依據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、地表地質(zhì)調(diào)查表明，該場區(qū)范圍內(nèi)為巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，場區(qū)內(nèi)碳酸鹽分布較廣，巖溶形態(tài)主要以溶洞、溶溝、裂隙為主，巖體內(nèi)主要為溶孔、垂直溶洞(隙)、懸臂巖體等，溶洞填充狀態(tài)為無充填狀態(tài)或全充填狀態(tài)。地下巖溶發(fā)育形態(tài)主要為隱伏型溶蝕洞隙，以巖體內(nèi)發(fā)育溶洞(隙)，軟塑黏土充填，少量空洞無充填。溶洞發(fā)育的較顯著特征為垂向發(fā)育，順巖層產(chǎn)狀發(fā)育亦為巖溶發(fā)育的一個(gè)特征。綜合判定場地范圍內(nèi)巖溶強(qiáng)發(fā)育。

2溶洞突水及成因分析

2.1溶洞突水事故概況

2014年8月18日0：05，貴陽市軌道交通1號線雅蠻區(qū)間ZDK19+200處開挖支護(hù)施工時(shí)發(fā)生突水突泥事件，涌水量較大，當(dāng)時(shí)水位上漲迅猛，不到20 min時(shí)間在蠻坡站2號豎井4個(gè)工作面就灌滿水，整個(gè)斷面淹沒4 m左右，發(fā)生突水時(shí)掌子面峰值涌水量達(dá)700 m3/min，在16 h之內(nèi)已將整個(gè)豎井灌滿，涌水量約18 000 m3，同時(shí)在中心環(huán)北線蠻坡大橋附近的龍?zhí)犊谌垡呀?jīng)不出水。圖2是泉眼與溶洞的相對平面關(guān)系示意，圖3是突水后2號豎井水位。

圖2　泉眼與溶洞的相對平面關(guān)系示意

圖3　突水后2號豎井水位

2.2成因分析

根據(jù)水樣簡易水質(zhì)分析成果判斷，隧道內(nèi)水來源主要為雨水、地表污水下滲及地下水同時(shí)補(bǔ)給。

(1)天譽(yù)城、森林公園一帶上部覆蓋層很薄，大部分為基巖出露，這一帶沖溝、溝谷內(nèi)未見匯集成小溪等統(tǒng)一排泄，為分散下滲，降雨沿巖層層面、裂隙帶入巖溶管道滲到地下含水層中，最終匯入豎井內(nèi)，因此，雨水為豎井涌水的來源之一。

(2)周邊環(huán)境地表污水流至施工豎井北面一帶，由于該處管道未完全封閉，大多數(shù)污水沿第四系雜填土中滲入地下，匯集至場區(qū)地下；同時(shí)，下雨天雨水形成的地表徑流與生活污水混合，均沿排污管道流至管道未封閉段，流入施工隧道中。

(3)隧道開挖未揭露地下巖溶時(shí)，地下巖溶管道、裂隙被水充滿，地下水主要從龍灘口下降泉排泄，當(dāng)巖溶揭露后，改變了地下水的徑流和排泄通道，賦存的地下水涌進(jìn)隧道內(nèi)，造成開挖段隧道及豎井被水充滿。

3事故處理

3.1特殊地質(zhì)條件分析

發(fā)生突水、突泥事件后，立即對巖溶位置、形態(tài)、發(fā)育進(jìn)行補(bǔ)勘勘探[2,3]，確定溶洞、龍灘口、大橋的相對位置關(guān)系。左洞揭露溶洞容積約1 680 m3，除去不能沖水部分溶洞容積約400 m3，揭露溶洞段約有200 m3被水充滿，根據(jù)抽水水量初步判斷地下巖溶至少有15 000 m3溶洞。右線揭露地質(zhì)與龍?zhí)犊谌圬炌ǎ芮惠^大，深度約65 m，在右線有暗河橫穿右線仰拱，仰拱下約12.5 m深，存在地下暗河。

3.2左線溶洞及掌子面的處理

3.2.1溶洞淤泥清理

經(jīng)現(xiàn)場測量，洞內(nèi)淤泥量約1 870 m3，工程量大，且淤泥較深，因洞內(nèi)溶洞處水流較大，淤泥受水沖刷較稀，不易清理，且不易從豎井中清理出洞外。因此，在清理淤泥時(shí)摻加6%～8%水泥或部分石灰固結(jié)、板結(jié)等方式固結(jié)，但采用此法必須將水進(jìn)行疏導(dǎo)，防止溶洞流出的水到處漫流，從而達(dá)不到固結(jié)淤泥的效果。具體處理措施如下。

(1)圍堰的施做

對左、右線隧道及雅蠻區(qū)間、橫通道淤泥分3塊進(jìn)行處理，如圖4所示。①靠近左洞右側(cè)流水溝處縱向用沙袋堆碼一道2 m高的圍堰1，圍堰寬度1.5～2 m直到左線左側(cè)邊墻，然后在橫通道與豎井交叉口處堆碼一道圍堰2和圍堰3，其中圍堰3延伸至掌子面，然后利用掌子面的流水沖出溝內(nèi)淤泥，清出一道2 m寬的排水溝，確保右側(cè)水道暢通；②清除Ⅰ部分中淤泥(包括右線站臺隧道、橫通道、雅蠻區(qū)間右線)，再清除Ⅱ部分中淤泥(包括左線站臺隧道)；③清除Ⅲ部分中淤泥(雅蠻區(qū)間左線)；④淤泥清除完后清除圍堰，清理流水溝，保證流水暢通。

圖4　洞內(nèi)淤泥分塊清理示意

(2)利用橫通道或大里程一端淤泥較少的端面打開工作面，并摻加水泥或石灰進(jìn)行固結(jié)，然后分段分塊清理淤泥。

(3)淤泥裝袋或固結(jié)后，通過料斗從豎井中清理出去。

(4)裝袋淤泥要瀝干、曬干后方可運(yùn)出，施工過程中，為加快進(jìn)度，將淤泥暫存地表，通過水泥進(jìn)行適當(dāng)固結(jié)后再進(jìn)行清運(yùn)。

3.2.2溶洞一次涌泥處理

在清理掌子面淤泥過程中，左線ZDK19+200處掌子面前方溶洞內(nèi)存在巖溶裂隙和巖溶管道。由于溶腔較大，存在大量土夾石，且有大量水流出，掌子面處既沒有對止?jié){墻進(jìn)行加固處理，也沒有較強(qiáng)的輔助措施，從而導(dǎo)致了掌子面發(fā)生第一次涌泥。

針對以上事故，采取掌子面噴射混凝土及砟堆，并設(shè)小導(dǎo)管，通過注漿，使渣堆和掌子面前方溶洞內(nèi)淤泥固結(jié)，以免發(fā)生二次涌泥。同時(shí)，拱架原來的工字鋼型號I18改為I22b，間距縮小到每榀40 cm，安裝φ200 mm排水管道，并向溶洞內(nèi)安裝泵管、注漿管，同時(shí)在溶洞內(nèi)打3 m長的錨桿，泵送混凝土填充。

3.2.3溶洞二次涌泥處理

開挖1.5 m后，在ZDK19+198處發(fā)生第二次溶洞涌泥，在正前方向上的溶洞位置處涌出淤泥加石。采取的處理方案如下：

(1)距離掌子面最近的2榀拱架下方增設(shè)2榀I18型鋼，作為施工管棚的導(dǎo)向架；

(2)施做管棚，管棚直徑為89 mm，壁厚8 mm，間距35 cm，長度為20 m；

(3)掘進(jìn)時(shí)配合超前小導(dǎo)管使用，小導(dǎo)管間距35 cm，直徑50 mm，壁厚5 mm；

3.2.4掌子面加固及開挖支護(hù)措施

溶洞處理完且管棚注漿固結(jié)后，對掌子面進(jìn)行開挖支護(hù)。為保證隧道斷面凈空，在溶洞處理段斷面擴(kuò)大50 cm，并加強(qiáng)二襯厚度和增加鋼筋數(shù)量，保證施工、運(yùn)營的安全。

開挖支護(hù)前，要做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，長、中、短距離的探測手段相結(jié)合，同時(shí)開挖進(jìn)尺控制在0.6～0.8 m，加強(qiáng)隧道內(nèi)和周圍地表構(gòu)筑物的監(jiān)控，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。

3.3右線溶洞處理

為防止右線隧道出現(xiàn)類似的溶洞突泥突水事故，本工程對右線隧道做超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。通過地質(zhì)雷達(dá)探測[4]，鉆設(shè)水平鉆和加深炮孔，確定溶洞具體位置，將溶洞揭露出來。鑒于此，設(shè)定臨時(shí)處理方案，將3根φ300 mm鋼管深入溶洞底部，利用鋼管將水引出，后采用洞砟將底部回填。初期支護(hù)時(shí)，該處預(yù)留變形量為50 cm。其中圖5為右線斷面揭開后地下流水及溶洞情況，圖6為 臨時(shí)安裝預(yù)埋排水管道。

圖5　右線斷面揭開后地下流水及溶洞情況

圖6　臨時(shí)安裝預(yù)埋排水管道

溶洞處理具體措施如下：

(1)對溶洞壁危石進(jìn)行清理，然后施做主、副拱，后期用混凝土將拱頂空腔回填，主、副支護(hù)采用I22b型鋼、中心間距40 cm，同時(shí)在左右側(cè)各預(yù)留一個(gè)洞門；

(2)開挖斷面擴(kuò)挖50 cm，襯砌厚度考慮90 cm，外側(cè)預(yù)留管道預(yù)埋空間，為將來抵抗水壓及外側(cè)回填注漿帶來的二襯壓力提供受力儲備條件；

(3)掌子面前方70 m范圍內(nèi)為地質(zhì)異常帶，擴(kuò)挖段延伸至F1斷層。

4周邊構(gòu)造物穩(wěn)定性處理

由于受到溶洞突泥、涌水影響，距離溶洞處蠻坡大橋地表和豎井出現(xiàn)不同程度裂隙和沉降，為了保證中心環(huán)北線蠻坡大橋和隧道初支的穩(wěn)定性，需要對原設(shè)計(jì)進(jìn)行重新計(jì)算，驗(yàn)算是否滿足現(xiàn)有條件要求，采取相應(yīng)的加固措施[5,6]，本工程主要從以下二個(gè)方面進(jìn)行處理。

4.1蠻坡大橋裂縫的加固

受雅蠻區(qū)間溶洞突泥、涌水影響，蠻坡大橋地表出現(xiàn)多條裂隙，裂縫寬度為8～10 mm，且邊坡防護(hù)樁基頂部發(fā)生位移，最大值達(dá)到17 mm。因此，為了保證樁基頂部位移和地表裂縫寬度不再發(fā)生變化，對邊坡進(jìn)行加固處理，具體措施如下：

(1)對現(xiàn)場出現(xiàn)的多條裂縫進(jìn)行灌漿封面處理，漿液采用水泥凈漿；

(2)注漿加固完成后，及時(shí)進(jìn)行表層混凝土封面，封層厚度10 cm；

(3)對新增的泄洪渠圍護(hù)樁進(jìn)行加固，防止變形增大，在第一排與第二排間增加一道長為30 m錨索，并保證施作的錨索穿過蠻坡大橋基礎(chǔ)承臺外圍5 m，確保錨固質(zhì)量；

(4)施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測，及時(shí)觀察大橋的沉降變化，同時(shí)加強(qiáng)地表的觀測，確保施工安全。

4.2豎井處馬頭門的加固

通過監(jiān)控測量，豎井拱頂發(fā)現(xiàn)不同程度的下沉和水平收斂現(xiàn)象，為保證豎井及站臺隧道初支的穩(wěn)定性，避免次生災(zāi)害的發(fā)生，在左右線馬頭門位置處增加φ32 mm中空錨桿，長度9 m，間距1.2 m×1.2 m。采取如下措施。

(1)處理范圍：豎井進(jìn)馬頭門位置口部向上5 m，4個(gè)工作面從豎井下口位置向各掌子面方向各延伸10 m。

(2)加固處理參數(shù):在2號豎井交叉口環(huán)向位置進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，參數(shù)為錨桿采用自進(jìn)式中空注漿錨桿，布孔采用梅花形布置，間距1.5 m×1.5 m，錨桿長定為9 m，加強(qiáng)中空錨桿的注漿，采用雙液漿注漿工藝。

(3)增設(shè)鋼筋網(wǎng)片：網(wǎng)片采用φ16 mm鋼筋，網(wǎng)格間距為15 cm×15 cm。掛網(wǎng)時(shí)要與打設(shè)的自進(jìn)式注漿錨桿有效連接。噴射混凝土?xí)r根據(jù)施工情況和補(bǔ)強(qiáng)措施，采用C25混凝土噴射，封閉巖面，厚度為10 cm。

5施工建議

結(jié)合前人巖溶隧道研究成果和本工程突泥突水處理措施[7-9]，提出以下建議。

5.1加強(qiáng)巖溶隧道地質(zhì)勘察

在隧道開挖施工前，加強(qiáng)巖溶區(qū)超前地質(zhì)勘察，探明巖溶地質(zhì)發(fā)育情況及分布，給隧道開挖及災(zāi)害防治提供真實(shí)的資料。在具體施工中，可以采用掌子面地質(zhì)調(diào)查與鉆探、物探等方法相結(jié)合的綜合勘察方法，同時(shí)對預(yù)測釆集數(shù)據(jù)進(jìn)行研究判斷和修正，及時(shí)調(diào)整隧道開挖方案和支護(hù)參數(shù)。對于施工過程中出現(xiàn)的事故，應(yīng)立即對溶洞位置、形態(tài)、發(fā)育進(jìn)行補(bǔ)勘，為后續(xù)施工提供準(zhǔn)確資料。

5.2快速封堵，增設(shè)混凝土止?jié){墻分流減壓注漿[10-12]

鉆孔推進(jìn)中遇涌水，當(dāng)孔內(nèi)涌水和壓力不高時(shí)，在孔口插小直徑注漿管，實(shí)施頂水壓漿，將鉆孔已施鉆部分封住，不讓水涌出，再逐步推進(jìn)。當(dāng)孔內(nèi)涌水大壓力高時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取混凝土止?jié){墻分流減壓處理方案。

5.3對洞穴填充物的處理

巖溶隧道開挖過程中，常常會遇到全空的或部分填充的溶洞。在這種情況下，用一般程序的開挖與支護(hù)手段，容易造成孔洞塌陷，難以保證開挖穩(wěn)定性。當(dāng)采用全斷面注漿封堵、置換注漿和填充物加固進(jìn)行處理。

6結(jié)語

巖溶隧道建設(shè)過程中的隱蔽性、復(fù)雜性和不確定性等突出的特點(diǎn)[13-15]，導(dǎo)致巖溶隧道工程施工安全事故頻發(fā)。本工程以雅蠻區(qū)間特大溶洞事故為背景，對巖溶突泥突水的成因進(jìn)行分析，并采取一系列措施進(jìn)行加固處理；同時(shí)對右線地質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)勘，提前揭露巖溶，并進(jìn)行處理，從而防止事故的再次發(fā)生。同時(shí)，對于突泥突水引發(fā)的周邊構(gòu)造物裂縫和沉降等安全問題進(jìn)行了加固處理，合理解決了本次工程中突泥突水問題。最后，結(jié)合本次工程事故與前人對巖溶隧道的研究，針對溶巖突泥突水問題提出了合理化建議，旨在為以后溶巖施工提供借鑒和參考。

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收稿日期：2015-11-03； 修回日期：2015-11-16

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51378235)；湖北省自然科學(xué)基金(2014CFA117)

作者簡介：陳發(fā)達(dá)(1966—)，男，高級工程師，主要從事土木工程施工及管理工作，E-mail：375431376@qq.com。 通信作者：方偉立(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ贪踩c風(fēng)險(xiǎn)管理，E-mail:fool0923@126.com。

文章編號：1004-2954(2016)06-0095-05

中圖分類號：U458

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.020

Study on Treatment Countermeasures against Water and Mud Gushing in Manpo Station

CHEN Fa-da1，ZHOU Huo-feng1，F(xiàn)ANG Wei-li2，ZHANG Peng-shuai1，WU Xian-guo2

(1.Guiyang Urban Rail Transit Co.，Ltd.，Guiyang，550091，China; 2.School of Civil Engineering and Mechanics， Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Abstract：Based on the project to treat water and mud gushing in Manpo station of Guiyang，the cause of water and mud gushing is analyzed and measures are implemented of cleaning up sludge，primary treatment of gushing mud，second treatment of gushing mud and consolidation of tunnel face. In order to prevent such accident from happening，geological conditions of the right line are surveyed，and，the hidden karst is handled in advance. Then，cracks and settlement of surrounding structure caused by water and mud gushing are treated and reinforced. Combined with the engineering accident and early researches on karst tunnel，suggestions to handle water and mud gushing are put forward．

Key words：Rail transit; Karst; Tunnel; Water and mud gushing; Reinforcement; Construction