・隧道/地下工程・收稿日期:2008202213作者简介:朱鹏飞(1965—),男,高级工程师。
宜万铁路别岩槽隧道岩溶及岩溶水治理技术朱鹏飞(铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施 445000)摘 要:别岩槽隧道全长3721m,隧道岩溶及岩溶水极其发育,因而,该隧道被列为宜万线8座一级风险隧道之一。
在隧道施工过程中,先后遭遇F3断层突发性涌水、富水暗河岩溶大厅、充填黏土性溶洞、F1高压富水断层,以及背斜核部及两翼的岩溶渗流水等不良地质。
针对这些不良地质,施工中采取径向注浆、超前帷幕注浆、大管棚超前预支护、迂回导坑、泄水支洞和泄水洞等一系列技术措施,取得较好的治理效果。
关键词:铁路隧道;岩溶;高压富水;突水;暗河;径向注浆;超前帷幕注浆;大管棚;泄水洞中图分类号:U455 文献标识码:A 文章编号:100422954(2008)01201022051 工程概况别岩槽隧道位于重庆市万州区境内,隧道进口里程DK403+049,出口里程DK406+770,全长3721m 。
隧道最大埋深530m ,设置-1313‰的单面坡。
由于岩溶及岩溶水极其发育,因而,该隧道被列为宜万铁路8座一级风险隧道之一。
如图1所示,别岩槽隧道穿越方斗山弧状背斜构造,发育F1(茨竹垭断裂)、F2(水塘沟断裂)和F3(蒿子坝断裂)3条断层,地质条件极其复杂。
隧道通过的地层岩性主要有侏罗系下沙溪庙组、新田沟组、自流井组、珍珠冲组和三叠系须家河组、巴东组长石砂岩、泥岩和页岩;三叠系嘉陵江组、大冶组灰岩、白云质灰岩和泥质灰岩,其中,可溶岩占隧道总长度的67%。
根据地质勘察资料分析,隧道位于水平循环带和深部循环带,属典型的岩溶隧道,施工中极有可能遭遇较大规模的涌水、突泥。
图1 别岩槽隧道工程地质别岩槽隧道地表封闭洼地、漏斗、落水洞密布。
地质调查表明:地表溶沟、溶槽宽度0101～015m ,长可达数十米,深度达几米甚至上百米,部分充填,分布广泛;区内落水洞普遍存在,形态各异,大小不一,直径为数十厘米至数米,深几米至几十米,以垂直为主,次为倾斜状;岩溶洼地面积为数十平方米至数百平方米,沿构造线呈串珠状排列,为长条形或椭圆形。
区内发育庙坪、盐井2条暗河系统,因此,该隧道岩溶发育极其强烈,岩溶管道、溶洞、溶隙和地下暗河极其发育。
该隧道设计正常涌水量为55000m 3/d,最大涌水量300000m 3/d 。
F1断层发育在方斗山背斜中段南东翼近核部,为走向断层,全长27k m 。
断层产状133°～142°∠56°～75°,破碎带宽40～100m ,主要由破碎岩、角砾岩、断层泥及挤压透镜体构成。
地表深孔钻探表明:断层地下水丰富,涌水量大,补给来源充足,富水性好,对隧道施工安全影响极大。
F3断层为走向压性断层,断层长6km ,宽015～2m ,与线路交角56°。
断层带为构造角砾岩,岩体破碎,构造裂隙发育。
庙坪暗河出口位于隧道出口右侧约50m 处,出口高程比隧道出口高程低8m 。
该暗河未见明显入口,据推测,暗河起源于茨竹垭洼地,沿构造横张节理以及茨竹垭断裂的次一级断裂———水塘沟断裂向西,在隧道右侧凹槽处排出地表。
暗河全长8km ,汇水面积616k m 2,平均水力坡度26‰。
对暗河出口流量进行动态监测,暗河流量动态对降水反映极为灵敏,响应时间4～6h,不稳定系数达6～19,雨后流量动态延续时间一般为1～7d,动态类型主要表现为降雨骤变型。
另外,调查表明,庙坪暗河具有潮汐现象,反映局部多个地段存在特大型的岩溶大厅,有虹吸作用。
2 岩溶及岩溶水分布特点及治理对策在别岩槽隧道施工过程中,多处揭示岩溶及岩溶水,表现形式有强富水断层、充填黏土型溶洞、暗河岩溶大厅和岩溶渗流水等多种,不良地质分布如图2所示。
图中DK403+980～DK404+500为F1断层及影响带,DK404+640～DK404+590为充填黏土型溶洞,DK406+408～DK406+420为富水暗河岩溶大厅,DK406+715～DK406+675为F3断层突水段,DK406+377～DK405+980、DK405+710～DK405+450、DK405+320～DK405+100和DK404+590～DK404+500为背斜核部及两翼岩溶渗流水段。
朱鹏飞—宜万铁路别岩槽隧道岩溶及岩溶水治理技术・隧道/地下工程・图2 别岩槽隧道岩溶及岩溶水分布施工中,针对不同性质的岩溶及岩溶水特点,采取针对性治理措施,如表1所示。
表1 别岩槽隧道岩溶及岩溶水特点与治理对策序号岩溶及岩溶水表现形式里程治理对策1断层突水DK406+715～DK406+675径向注浆堵水2富水暗河溶腔大厅DK406+408～DK406+420迂回导坑、泄水支洞、泄水洞、桩基承台、双层衬砌结构3高压富水断层DK403+980～DK404+500超前帷幕注浆、超前大管棚预支护4充填黏土型溶洞DK404+640～DK404+590超前帷幕注浆、超前大管棚预支护5岩溶渗流水DK406+377～DK405+980DK405+710～DK405+450DK405+320～DK405+100DK404+590～DK404+500径向注浆堵水3 F3断层突发性涌水治理F3断层段(DK406+715～DK406+675)施工揭示地质围岩破碎,为碎石土,局部溶隙、溶槽发育,有少量地下水,与设计基本相符。
根据揭示地质条件,该段按Ⅴ级围岩采用台阶法施工。
超前支护采用<42超前小导管,环向布设间距40c m,初期支护采用4<25格栅钢架支撑,间距1榀/50c m,喷射C20混凝土厚20c m,拱部设置系统中空注浆锚杆,边墙设置砂浆锚杆。
2004年5月29日,地表突降暴雨,降雨量为16514mm,最大降雨强度54mm/h。
5月30日5时7分,隧道DK406+680～DK406+710段线路右侧边墙由原来的滴水变为股水,涌水量变大,并且喷混凝土表面出现裂纹。
于是,现场立即启动应急预案,在安全监视下,采用工字钢、钢管、方木进行环向加固和横向支撑。
同时,对线路右侧边墙进行钻孔放水泄压,以降低水压对初期支护继续破坏,至10时,险情基本得到控制,初期支护破坏未继续发展。
经现场测量,该次强降雨引起该段隧道最大涌水量为2100m3/h,局部初期支护最大变形量38c m。
3.1 突水原因分析突水事故发生后,建设单位及时组织四方对突水原因进行分析,分析认为:该段按设计Ⅴ级围岩进行了开挖支护,初期支护完成后,由于受地表强降雨影响,位于线路右侧的庙坪暗河水量增大,水压升高,同时,由于断层带围岩破碎,水压通过破碎围岩和局部溶槽、溶隙传递给隧道初期支护,初期支护薄弱环节难以抵抗外水压力,从而产生剥落破坏,继而发生突水。
断层突水机理如图3所示。
图3 F3断层突水机理3.2 治理措施3.211 治理原则及程序根据突水机理,制定F3断层突水治理原则为“注浆堵水、改良围岩、强化初支、及时二衬”。
治理程序如下。
(1)采取径向注浆堵水,形成注浆帷幕,有效地加固F3断层带破碎围岩和局部溶槽、溶隙,充填涌水通道,改良地层围岩条件,提高地层强度,降低地层渗透能力。
(2)拆除变形的格栅钢架,采用I20钢架支护,钢架间距1榀/50c m。
(3)及时施做二次衬砌,二次衬砌采用C30钢筋混凝土,衬砌厚度40c m。
3.212 注浆设计根据F3断层地质特点,并结合地质雷达测试,该段左侧(面向工作面方向)地层较右侧破碎,且局部岩溶发育;同时,据推测,庙坪暗河位于隧道左侧,距隧道仅10～20m,受庙坪暗河影响,左侧渗流水严重。
因此,径向注浆根据左、右侧地质特点区别对待,采取“不等厚、不等强”注浆方案,即左侧采取5m径向加密型注浆,右侧采取3m径向常规注浆。
采取工程类比,注浆设计参数见表2,注浆设计见图4。
表2 注浆设计参数表序号名称设计参数1加固范围/m左侧5、右侧32注浆段长/m40(DK406+675～DK406+715)3浆液扩散半径/m1～24布孔间距左侧:环向×纵向=113m×113m右侧:环向×纵向=216m×216m 5布孔方式梅花形布置3.213 注浆材料注浆材料采用普通水泥单液浆、普通水泥2水玻璃双液浆,以普通水泥单液浆为主。
普通水泥单液浆配比为:W∶C=016∶1～018∶1。
普通水泥2水玻璃双液浆・隧道/地下工程・朱鹏飞—宜万铁路别岩槽隧道岩溶及岩溶水治理技术图4 F3断层突水治理径向注浆设计(单位:cm )配比为:W ∶C =016∶1～018∶1;C ∶S =1∶013～1∶1;水玻璃浓度35Be ′。
3.214 注浆参数注浆采取全孔一次性注浆。
注浆顺序按两序孔进行,即先跳孔跳排注单序孔,然后注剩下的二序孔。
这样,通过实施约束型注浆模式,实现挤压密实的注浆目的。
单孔注浆量控制在112～115m 3/孔,注浆终压为115～2MPa 。
3.3 治理效果F3断层自2004年5月29日出现涌水后进行治理,到2004年7月10日结束,历时46d 。
治理后,仅在局部初期支护出现渗漏水,渗水量为016m 3/m ・d,满足隧道渗漏水标准要求。
经过多个雨季观察,该段落衬砌结构无渗、无漏、无裂,治理效果良好。
4 富水暗河岩溶大厅治理2004年9月11日,隧道出口上半断面开挖到DK406+422,工作面炮眼孔出水量增大。
12点30分,工作面爆开,突发大规模涌水,突水洪峰流量36000m 3/h,洞口涌水高度118m ,涌水持续40m in 后稳定为500m 3/h 。
该次突水规模大、流量急,使洞内材料和设备被突水席卷而出。
同时,突水将隧道外10m 宽度范围施工场地冲垮,冲毁下游稻田,淤塞河道,造成重大经济损失。
突水后,出口线路右侧庙坪暗河断流。
4.1 富水暗河岩溶地质条件岩溶(1号)揭示后,对岩溶暗河大厅进行测绘。
溶腔沿线路方向长约10m 、宽约28m 、垂直高度30m 左右,成椭球体状展布。
对隧道基底进行地质钻探,钻探表明,隧底以下地质分为3层:①黏土层,软塑,局部夹砂,为岩溶暗河底部填充层,该层厚度13m ,σ0=100kPa;②强风化灰岩层,串珠状溶洞发育,充填黏土及少量砾石,σ0=200kPa;③弱风化灰岩层,岩层较完整,σ0=800kPa 。
岩溶暗河大厅主要受隧道线路右侧庙坪暗河水补给。
庙坪暗河补给面积大、流程长,具有复杂的大型暗河特征。
庙坪暗河最大流量212m 3/s,平均流量0182m 3/s,最小流量012m 3/s 。
4.2 治理措施4.211 迂回导坑工作面受阻后,为满足工程施工需要,在线路左侧距正洞15m 处设置迂回导坑(图5),迂回导坑与正洞分别相交于DK406+530、DK406+394,断面尺寸512m ×512m 。
