隧道施工涌突泥致災(zāi)構(gòu)造綜合預(yù)報與涌泥災(zāi)害處治★

王朋朋 姚 靜 廖 新

(1.貴州宏信創(chuàng)達工程檢測咨詢有限公司，貴州 貴陽 550014; 2.貴州路橋集團有限責任公司，貴州 貴陽 550001)

隨著西南地區(qū)交通工程的大力修建，隧道建設(shè)遇到的塌方、突水突泥、瓦斯爆炸等不良地質(zhì)災(zāi)害較多，突水突泥事故造成人員傷亡及經(jīng)濟損失極大。隧道開挖前需進行超前地質(zhì)預(yù)報以此來查明巖溶的位置及規(guī)模特征，但是由于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性、多變性、隱蔽性和突發(fā)性，物探設(shè)備存在的多解性，采用單一的預(yù)報手段已無法滿足施工安全的需要。

國內(nèi)學者針對隧道災(zāi)害風險控制開展了大量的研究。郭佳奇等將巖溶隧道分成不同類別，然后分別制定詳細的突水等巖溶災(zāi)害預(yù)防策略及治理預(yù)案，從而實現(xiàn)針對性防治[1]。李術(shù)才等學者建立了突水風險定量評價方法和災(zāi)害四色預(yù)警機制以及巖溶隧道突涌水風險模糊層次評價模型[2-5]，王亮等建立了基于不可靠度的巖溶隧道涌水突泥概率風險評價體系[6]。何發(fā)亮等提出采用以環(huán)境同位素技術(shù)等為主的手段結(jié)合化學動力學水文地質(zhì)學理論的綜合預(yù)測預(yù)報技術(shù)[7]，均取得較好的效果。

本文通過建立隧道巖溶風險評價體系，確定綜合預(yù)報方法，成功預(yù)報了前方該隧道突泥災(zāi)害，較大程度降低了經(jīng)濟損失，避免了人員傷亡，同時根據(jù)預(yù)報結(jié)果進行了相應(yīng)的處治設(shè)計，取得較好的經(jīng)濟效益。

1 隧道工程概況與預(yù)報段災(zāi)害風險內(nèi)容及風險級別

隧道區(qū)下伏基巖為志留系下統(tǒng)龍馬溪群(S1ln)砂巖夾泥巖，奧陶系中上統(tǒng)五峰組—十字鋪組(O2+3)灰?guī)r；奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)泥巖及泥巖夾灰?guī)r；奧陶系下統(tǒng)桐梓—紅花園組(O1t+h)灰?guī)r，地表可見巖溶洼地及溶蝕構(gòu)造，深切溶槽侵入隧道界限，其中在ZK2+780，YK2+765鉆孔揭露巖溶溶洞。屬于強巖溶發(fā)育隧道。根據(jù)前期勘察資料，結(jié)合地表高密度電法測試結(jié)果，ZK3+003左42 m段、ZK3+003左17 m～YK2+995右92 m段基巖巖溶裂隙發(fā)育，局部可能存在小型溶洞；YK2+995右130至測線尾端淺層基巖巖溶裂隙發(fā)育，存在大范圍物探低阻區(qū)，物探成果見圖1。

根據(jù)地表水文觀察、巖性、地質(zhì)地貌結(jié)合高密度電法成果，在臨近ZK2+915～ZK3+090范圍內(nèi)周邊存在多個落水洞及巖溶洼地，地形相對較為平緩，具備良好的儲水及下滲條件，隧道穿越巖性為奧陶系下統(tǒng)桐梓—紅花園組(O1t+h)中厚層狀灰?guī)r，高密度電法成果顯示該區(qū)段存在物探低阻區(qū)，故可認為該區(qū)段存在較大的涌突泥風險，認定為Ⅳ級預(yù)警風險。

2 涌突泥致災(zāi)構(gòu)造預(yù)報與開挖驗證

TSP預(yù)報是利用彈性波在向三維空間傳播的過程中，遇到聲阻抗界面，即地質(zhì)巖性變化的界面、構(gòu)造破碎帶、巖溶和巖溶發(fā)育帶等，會產(chǎn)生彈性波的反射現(xiàn)象達到預(yù)報目的的一種手段，其對于大型構(gòu)造帶、巖溶及地下水發(fā)育具有較好的效果。

在隧道開挖至ZK2+835時，采用TSP203plus對ZK2+835～ZK2+980區(qū)段進行預(yù)報，預(yù)報結(jié)果顯示在ZK2+908～ZK2+980區(qū)段72 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)正負發(fā)射交錯出現(xiàn)，以負反射為主，在ZK2+945左右反復(fù)出現(xiàn)急劇變化段落，因此推測在ZK2+945～ZK2+965區(qū)段存在巖溶發(fā)育特征，巖體破碎程度較高，富水，存在涌突泥風險。

根據(jù)開挖跟蹤驗證，2016年11月9日，隧道開挖至ZK2+940時，掌子面圍巖特征出現(xiàn)急劇變化，右側(cè)及拱頂巖溶發(fā)育，表現(xiàn)為黃色硬塑及可塑粘土充填(見圖2)。

采用地質(zhì)雷達對ZK2+940～ZK2+960區(qū)段進行了短距離預(yù)報，探測表明在ZK2+945～ZK2+952區(qū)段存在溶蝕裂隙密集帶，ZK2+952～ZK2+960區(qū)段存在填充型溶腔等。隧道開挖至ZK2+952，掌子面揭露為黃色可塑狀粘土，為進一步查明前方異常體的特征，進行了地質(zhì)雷達補充探測，自左至右及自右至左各布置測線，相互驗證。預(yù)報成果處理后見圖3。

根據(jù)雷達綜合解譯成果，在ZK2+953～ZK2+973區(qū)段存在填充型溶腔及軟弱巖體，主要集中在隧道左側(cè)至中部，見圖4。

2016年11月18日22點28分，ZK2+953掌子面正在實施超前鉆探，拱頂及右側(cè)拱腰處有水涌出，現(xiàn)場立即停止鉆探并組織撤離。至23點18分全斷面涌水高度23 cm左右。19日5點20分左右涌水停止。8點10分涌泥長度約50 m，開挖臺車推移近10 m，開挖掌子面附近支撐鋼架變形，初支變形長度約15 m，部分風管、水管、逃生管道路、電線以及棧橋被埋，整個過程無人員傷亡。

3 涌泥災(zāi)害處治設(shè)計與處治效果

對于涌突泥的處治，通常遵循“加固、封堵、排水”的原則，根據(jù)本次涌泥現(xiàn)狀、成因分析及預(yù)報成果，確定思路為首先清理涌泥至接近掌子面；回拉巖石洞碴反壓涌出的稀泥以便搭建施工平臺，同時進行施工監(jiān)控量測，對臨近段初支進行加固，塌腔處治。

通過雷達探測結(jié)果分析，確認需處治段落為ZK2+953～ZK2+970，首先增設(shè)拱部Ⅰ20b工字鋼臨時支撐，間距60 cm，與原有初期支護型鋼拱架間隔布置，設(shè)置縱向連接鋼筋，環(huán)向間距100 cm。噴射12 cm厚C20混凝土形成護拱。護拱施工完成后，對已變形的初期支護采用φ42斜向注漿鋼花管進行注漿加固，鋼花管長4.5 m，縱向間距50 cm，環(huán)向間距80 cm，梅花形布置；注漿完成通過監(jiān)控量測表明支護趨于穩(wěn)定后，對變形的原S-Ⅴa上半斷面初期支護按S-Ⅴt1支護重新施工，下半斷面初期支護和二襯按S-Ⅴt施工。

待管棚充分注漿固結(jié)前方巖土體后，對巖溶坍塌涌泥段支護結(jié)構(gòu)設(shè)置φ108×6 mm大管棚超前支護，采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，并設(shè)置臨時仰拱，初期支護采用Ⅰ20b型鋼拱架(間距50 cm)，掛雙層鋼筋網(wǎng)，拱部采用φ42斜向注漿鋼花管(L=4.5 m，間距50×80 cm，外插角45°～50°)，邊墻的粘土填充部位采用3.5 m長φ42環(huán)向注漿鋼花管，仰拱粘土填充部位采用4.0 m長φ42環(huán)向注漿鋼花管，二次襯砌采用55 cm厚C35鋼筋混凝土。同時排水系統(tǒng)采用環(huán)向排水盲溝按5 m/道，橫向?qū)馨? m/道進行加密。

4 結(jié)語

1)針對高風險段落采用長期、中期、短期及臨兆的預(yù)報方式可有效的判定隧道開挖面前方不良地質(zhì)災(zāi)害的位置及規(guī)模，通過風險預(yù)判可提前啟動安全預(yù)案，確保施工人員安全。2)通過開挖跟蹤，確定不良地質(zhì)災(zāi)害的臨兆特征，進一步實施短距離雷達探測，對上次探測結(jié)果進行修正、重疊，可進一步提高預(yù)報的精度。3)在條件具備的情況下應(yīng)提前進行超前地質(zhì)鉆探，該手段可直觀的探明鉆孔所經(jīng)部位的不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況，尤其對于巖溶的探測，效果較好。4)本次處治完成后對初支進行監(jiān)控量測結(jié)果表明該區(qū)段變形總量較小，變形速率趨于穩(wěn)定，說明處治設(shè)計效果較好。