棋盤(pán)石隧道溶洞突水成因分析及技術(shù)處理措施

孫偉亮

(中鐵十四局集團(tuán) 向莆鐵路指揮部，福建 尤溪 365114)

向莆鐵路棋盤(pán)石隧道全長(zhǎng)10 808 m，為雙線隧道，單面上坡，坡度為7.6‰，隧道最大埋深770 m。棋盤(pán)石隧道為向莆鐵路Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道，主要施工風(fēng)險(xiǎn)為:隧道涌突水、突泥。這種對(duì)安全性影響極為嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)，有二種表現(xiàn)形式:①斷裂帶涌突水、突泥(共有13處斷裂帶);②巖溶系統(tǒng)突水、突泥。設(shè)計(jì)文件地勘資料表明，其中 F6、F7為強(qiáng)富水?dāng)鄬?，預(yù)測(cè)最大涌水量為13 536 m3/d;DK406+800—DK411+100存在大理巖、滑石化白云質(zhì)大理巖，局部存在石灰?guī)r，巖溶較為發(fā)育。隧洞施工采用3臺(tái)階礦山法施工，共設(shè)3個(gè)橫洞，計(jì)劃工期42個(gè)月。

棋盤(pán)石3#橫洞位于線路前進(jìn)方向的右側(cè)，與隧道正洞左線相交于DK409+000里程處，與左線前進(jìn)方向夾角為30°，洞采用單車(chē)道 +錯(cuò)車(chē)道斷面。洞身長(zhǎng)度為2 140 m，洞的綜合坡度為3‰，洞身為順坡開(kāi)挖。依據(jù)設(shè)計(jì)資料和開(kāi)挖揭示，隧址區(qū)域內(nèi)為白云質(zhì)大理巖，屬于可溶巖，橫洞有F9和F9-1斷層穿過(guò)(圖1)。

1 溶洞揭示概況

2009年8月6日6:00，當(dāng)橫洞開(kāi)挖至 H3DK0+891，掌子面下部左側(cè)出現(xiàn)涌水，隨即施工人員全部撤離，涌水由小到大，短時(shí)間內(nèi)涌水量增大到260 m3/min，直到下午19:00左右水量開(kāi)始逐步減小，保持穩(wěn)定流量7～10 m3/min。涌水情況如圖2。

圖1 3#橫洞地質(zhì)平面

圖2 3#橫洞涌水情況

2009年8月14日揭示溶洞寬度約13 m，沿橫洞線路方向約6 m范圍全部揭示(圖3、圖4)。溶洞側(cè)壁風(fēng)化較為嚴(yán)重，溶腔填充物滑落后，溶洞側(cè)壁開(kāi)始掉塊。溶洞在隧道正前方并且向左上方向發(fā)展，溶腔內(nèi)充泥土碎石，沉積層理明顯，填充物中間夾雜大量孤石等，充填物及風(fēng)化巖壁坍塌嚴(yán)重。截至16日坍塌高度大于25 m，寬度大于16 m，沿橫洞線路深度也不斷增加。截止18日凌晨，坍塌體已將掌子面溶洞口填滿。

2 溶洞突水成因分析

2.1 地質(zhì)構(gòu)造原因分析

圖3 3#橫洞溶洞揭露情況

圖4 溶洞分布平面示意

設(shè)計(jì)院提供的地質(zhì)資料表明，該區(qū)域?yàn)榍罢鸬┫底冑|(zhì)巖地層，主要包括龍北溪組大理巖、白云質(zhì)大理巖和東巖組綠泥片巖和黑云片巖。地質(zhì)構(gòu)造以北東向?yàn)橹鳎饕憩F(xiàn)為走向NE～SW和NNE～SSW斷裂擠壓構(gòu)造帶和裂隙帶。在施工區(qū)域內(nèi)(主洞里程DK408+074—DK410+885)存在加里東期傾伏背斜和倒轉(zhuǎn)向斜;受其作用，前震旦系東巖組和龍北溪組地層重復(fù)出現(xiàn)，東巖組地層組成傾伏背斜的核部，龍北溪組地層組成倒轉(zhuǎn)向斜的核部，受多期構(gòu)造影響，傾伏背斜和倒轉(zhuǎn)向斜的核部巖層較破碎，分布有 F8、F9、F9-1斷層，如圖5。線路附近多初露大理巖，地表巖溶發(fā)育，V形沖溝較深，沖溝底部形成堆積物，與3#橫洞涌出物成分和形狀比較類似。因此，溶洞主要是受控于華夏系壓性逆斷層和張性正斷層，在華夏系壓性逆斷層和張性正斷層復(fù)合部位有存在較大溶洞的可能。

2.2 施工地質(zhì)揭露情況分析

施工地質(zhì)素描資料顯示，施工掌子面在H3DK1+148處進(jìn)入大理巖段，并在 H3DK1+143，H3DK1+137，H3DK1+133.3，H3DK1+128.7 等多處出現(xiàn)出水點(diǎn)。開(kāi)始在掌子面左部鉆孔噴出濃鐵銹色夾帶細(xì)粉沙的渾濁水體，噴射距約1 m;后轉(zhuǎn)到隧道左壁，一周后水流速減小、壓力降低，變?yōu)樽匀涣鞒龅臎](méi)有噴射距的清水。圍巖顯示掌子面進(jìn)入斷層影響區(qū)域，如圖6。根據(jù)圍巖揭露和出水點(diǎn)位置分布情況分析，該區(qū)域斷層以產(chǎn)狀為 50°/140°∠70°的壓性斷層和產(chǎn)狀為320°/50°∠80°的張性逆斷層為主，并多次揭露出中小型壓性斷層與張性斷層。從H3DK0+890處溶洞揭露情況分析，該處為一較大型壓性斷層與張性斷層交匯處，前方或周?chē)杂锌赡艽嬖谳^大溶洞;根據(jù)出露的出水點(diǎn)情況分析，較大溶洞可能存在于橫洞軸線左側(cè)。

2.3 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)分析

為詳細(xì)了解H3DK0+890處掌子面及前方地質(zhì)情況，分別采用先進(jìn)的 TSP203進(jìn)行了地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)掌子面、周?chē)鷤?cè)壁、拱頂及隧道底板進(jìn)行了探測(cè)，并進(jìn)行了超前鉆孔。TSP探測(cè)表明，H3DK0+891—H3DK0+790范圍內(nèi)為小斷層破碎帶、斷層群發(fā)育，并有較多水帶分布的大理巖區(qū)段，在橫洞左側(cè)壁沿線存在多條小斷層組成的2個(gè)小斷層群和7條水帶;而在右側(cè)壁沿線存在多條小斷層破碎帶和5條水帶。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)表明，H3DK0+888—H3DK0+882為充滿型溶腔，可能為水帶或泥帶;H3DK0+882—H3DK0+876為較完整大理巖，無(wú)明顯不良地質(zhì);H3DK0+876—H3DK0+871以后(5 m以上)為充水或空腔型溶腔。對(duì)H3DK0+891掌子面進(jìn)行超前鉆孔揭示，掌子面前方2～10 m范圍有兩處空腔，空腔內(nèi)有水和泥漿等物質(zhì)充填，且在其余地段局部存在裂隙、強(qiáng)風(fēng)化巖石等。

圖5 地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面示意

圖6 3#橫洞地質(zhì)揭露分布示意

依據(jù)物探、超前鉆孔、開(kāi)挖揭示情況及施工調(diào)查情況，顯示前方掌子面100 m范圍內(nèi)存在4條斷層和7條較明顯水帶，可能存在多個(gè)溶洞或者溶洞群，溶洞之間相連部分已經(jīng)完全風(fēng)化，穩(wěn)定能力較差，并且溶洞頂部較高，時(shí)常有大石塊掉落，施工不安全，風(fēng)險(xiǎn)較大。初步分析認(rèn)為該溶洞為沿F9和F9-1斷層帶形成溶洞群，水系相連，與地表水有連通，但地表補(bǔ)給水量不大。

3 隧道施工處理措施

3.1 處理原則

從已經(jīng)揭示的溶洞大小和周?chē)鷰r石的風(fēng)化程度看，該處地層年代久遠(yuǎn)，可能存在更大的溶洞，穿行的難度大。經(jīng)過(guò)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)院和施工單位現(xiàn)場(chǎng)論證，為確保橫洞施工安全，決定采用繞行方案，同時(shí)為減小橫洞施工對(duì)正洞的工期壓力，宜增加支洞盡快進(jìn)入正洞施工。

3.2 處理方案

1)自橫洞掌子面退后100 m處右側(cè)采用支洞形式繞行通過(guò)溶洞。即原橫洞H3DK1+015處向右與橫洞中心呈45°角掘進(jìn)分叉支洞，與正洞交于 DK409+741.3;分叉支洞開(kāi)挖至距橫洞約200 m后，設(shè)左轉(zhuǎn)繞行橫洞，繞過(guò)巖溶發(fā)育區(qū)，與隧道正洞交于 DK409+100。

2)原設(shè)計(jì)橫洞 H3DK0+891處溶洞充填物須及時(shí)清理，保持橫洞涌水排泄暢通，防止堆積體過(guò)高，避免在水壓作用下形成泥石流。

3)橫洞繞行通過(guò)溶洞區(qū)后，對(duì)原橫洞掌子面采用混凝土擋墻進(jìn)行封閉。

4)繞行洞施工過(guò)程中堅(jiān)持在可溶巖段采用全程長(zhǎng)距離TSP203、地質(zhì)雷達(dá)等地質(zhì)物探手段進(jìn)行預(yù)報(bào)，同時(shí)采取超前水平鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，如發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)前方有溶洞，要及時(shí)支護(hù)，先處理、后開(kāi)挖，確保施工安全。

3.3 繞行效果

按照繞行處理方案，棋盤(pán)石隧道3#橫洞繞行洞順利繞行通過(guò)涌水地段，并順利達(dá)到隧道主洞。地質(zhì)素描表明，繞行洞掌子面主要為大理巖，灰白色，夾雜白色條帶狀石英巖，圍巖整體性較好，沒(méi)有出現(xiàn)較大的地質(zhì)災(zāi)害段。

4 結(jié)語(yǔ)

溶洞、涌水與塌方是地質(zhì)復(fù)雜隧道不可避免的地質(zhì)災(zāi)害。在施工過(guò)程中必須及時(shí)掌握圍巖地質(zhì)條件的變化規(guī)律，同時(shí)利用TSP、地質(zhì)雷達(dá)和超前鉆孔等超前預(yù)報(bào)輔助手段，及時(shí)進(jìn)行地質(zhì)分析;從而做到避免較大地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，并能夠及時(shí)采取準(zhǔn)確合理的技術(shù)處理措施，有效減少隧道施工過(guò)程中安全事故的發(fā)生。

［1］鐵道部第二工程局.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)(隧道)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1995.

［2］鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術(shù)手冊(cè)(隧道)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1995.

［3］代峪.云霧山隧道突泥災(zāi)害工程地質(zhì)特征與防治［J］.鐵道建筑，2009(10):33-35.

［4］楊秀清，柳墩利.內(nèi)尾隧道溶洞處理技術(shù)［J］.鐵道建筑，2009(11):42-44.