“释能降压”法在岩溶隧道溶腔处理中的关键因素

徐华轩

(中铁十六局集团, 北京 100018)

1 “释能降压”的概念

岩溶隧道溶腔“释能降压”处理法是针对由高压富水等充填介质所充填的溶腔,采取有计划、有目的的爆破揭穿,从而释放溶腔所存储的物质和能量,然后通过配套措施完成溶腔处治,以降低和消除施工及运营过程中水土压力对隧道的不利影响。

宜万铁路主要由桥隧组成,穿越岩溶极度发育地区,其中约70%的隧道位于灰岩地区,施工难度和风险极大。线路所经地区岩溶发育强烈,地质条件极端复杂,多座长大隧道含有复杂的岩溶管道群和溶隙群,突水突泥风险巨大,其中Ⅰ级风险隧道大支坪隧道和野三关隧道在施工中先后多次发生大型突泥突水,施工几度陷入停顿。为解决这一难题,通过多年的技术攻关,经过反复实践,总结出了处理溶腔的“释能降压”技术,较好地解决了溶腔发育地段的施工问题。

2 “释能降压”法的主要内容和技术要点

“释能降压”技术主要包括以下内容：岩溶水文地质分析、溶腔定位、泄压引导线路规划、安全监控及相应配套措施的制定和实施、溶腔揭示爆破和后期处理。

2.1 岩溶水文地质分析

任何技术都有它的适用性和局限性,只有因地制宜和有针对性才能达到预期效果,岩溶水文地质分析是决定溶腔处理能否采用“释能降压”技术的关键步骤。通过对两座隧道的研究,认识到它们在水文地质上存在以下共同点：

(1)隧道均位于灰岩地区,虽然岩溶发育严重,并有不少大型填充性溶腔,然而灰岩具有较高的强度,隧道经过的整个山体不会因其内部存在溶蚀性溶腔而影响其整体稳定性。

(2)对隧道溶腔探测分析后得知,四周均有明显的边界,溶腔以外的实体部分为强度较高的灰岩,也就是说隧道溶腔为独立的溶腔或溶腔群,而不是大型高压断层破碎带。

(3)隧道内的出水量和大气降水有着密切关系,降水量大时隧道内水量也会明显增加,而旱季时隧道内水量很小。地表勘察发现,地表无明显径流,隧道溶腔内积水大部分来自于洼地汇集的雨水。

由此可见,这两座隧道具备“释能降压”的前提条件：尽管两座隧道所经过的山体内有大型溶腔,但山体为具有较高强度和整体性的灰岩,具有支撑整个山体的可靠受力体系,即使释放出填充物,也不会影响山体整体稳定。隧道内涌水来源于由洼地汇集的大气降水,也就是说溶腔内的水绝大部分为大气降水的积水,如将积水排放,又会随着时间的推移而重新在溶腔内形成新的积水,不会造成区域内水源的枯竭和自然水系大的改变。所以这两座隧道采用“释能降压”法既不会引发地面塌陷,也不会造成原水系的改变而破坏环境,从而实现工程施工不影响环境生态的目标。

2.2 溶腔探测及定位

要处理溶腔就必须先将将溶腔的规模、界限、出水量、填充介质、填充物进出通道等勘察清楚,这也是“释能降压”施做成功的前提条件。

地质预测预报先行于隧道开挖施工,探测手段包括TSP、地质雷达和红外探水等物探手段,并结合地质钻孔钻探手段,将各项探测结果相互对照、综合分析,将隧道前方特别是岩溶溶腔的地质状况预报出来。在目前的技术条件下,结合实践中的探索,施工中后期探测准确率可达到90%以上,已相当成熟。宜万线的应用实践表明,地质预报系统基本可以将溶腔的规模、界限、出水量、填充介质、填充介质进出通道等情况勘察清楚,从而为施工方案的制定提供基本依据。

2.3 泄压引导线路规划

既然要将溶腔内的充填介质通过“释能降压”法进行释放,那就要和突泥突水等地质灾害的随意性和盲目性有明显的区别,“释能降压”法就是要让溶腔内的充填介质,按照提前规划好的线路有序引排堆积,从而避免次生灾害。而只有科学规划、合理安排才能方便泄压物的清理,减少此环节的时间投入,并尽可能方便后期溶腔处理。引导线路规划还要考虑在溶腔物释放时的能量对隧道构造的破坏能够降低到最低值,避免该能量破坏、损伤隧道结构。泄压引导线路的规划需要满足以下主要要求：

(1)通过地质预测预报系统探明溶腔的规模和填充介质,并计算出填充介质的方量和溶腔排出释放降压时所产生的能量。

(2)引导线路应顺畅便捷,以方便“释能降压”后的清淤工作,并根据溶腔揭示计算后的能量确定引导线路的长度,以便留够泄压缓冲区,在引导线路的尽头施做合适的拦截坝,减小淤泥淤积区域,减少清淤工期,为溶腔的后期处理争取时间。

为了达到较好的拦截效果,拦截坝可多处平行设置，如为复线双洞隧道,应将横通道进行封堵,以减小泄压后排放物的影响区域,并将引导线路上可能受损坏的生活设施和生产设备进行转移置放,减小不必要的损失。

2.4 安全监控及相应配套措施实施

(1)建立隧道安全等级管理体系,规范预警程序。根据隧道风险等级特别是溶腔处理的危险程度,加强相关的地质预报、雨量、水量、水压观测和围岩监控量测,并据监测结果制定能够保证施工人员安全的进洞条件。

(2)合理设置可靠的防灾报警、应急照明和逃生救援系统。

(3)完善和落实与安全有关的进出洞登记、早点名、安全教育培训及定期防灾逃生演练制度。

通过上述措施,一方面可以主动有效地规避和减少灾害的发生,另一方面可以在灾害发生时,现场人员能够安全快速躲避、撤离,保证人员安全和设备设施少受损失。

2.5 揭示爆破

揭示爆破是指为溶腔内的高压充填物释放外排清除泄压通道上的阻碍,也即剥离工作面围岩,让其沿事先规划好的线路进行能量和物质释放,降低甚至消除溶腔后期处理的风险和难度。揭示爆破是“释能降压”法成功与否最为关键的一步,鉴于“释能降压”的特殊性,爆破必须一次性成功,如实施二次爆破,可能会在实施过程中诱发突泥突水而产生较大的灾害。揭示爆破分为准确探明溶腔、选取爆破时机和确定揭示爆破方案及实施三部分内容。

(1)准确探明溶腔

准确探明溶腔是指进一步明确有关溶腔的详细信息,探明溶腔边界和隧道工作面的位置关系,并将其绘制成图。在大支坪和野三关两座隧道施工中，除了采用传统的物探和钻探手段外,还采取了超前探孔手段,即采用普通风钻在爆破钻孔过程中施做若干个(以开挖断面面积而定)平均分布在工作面上、长度为开挖进尺两倍以上的长钻孔,以初步判识前方围岩和溶腔的状况。在准确探明溶腔的过程中,采用超前探孔对工作面进行地毯式的探查,以此勾勒出溶腔的凹凸界面,尽可能准确地获取溶腔及围岩的最新信息,然后根据溶腔形态和围岩强度，确定工作面处的最小围岩保护层厚度(即溶腔边界和工作面间的最小距离)。

(2)选取爆破时机

理论上讲,溶腔内的充填物释放得越彻底,风险也就消除得越彻底。水是溶腔充填物流动释放的润滑剂和动力源,水压越大也就意味着“释能降压”时溶腔释放的能量越大,充填物也就释放得越彻底。所以爆破揭示时应保证溶腔内有一定的储水量,因溶腔内积水和大气降水关系密切,所以最好选在雨季实施“释能降压”,并根据清淤所用时间,将爆破时间基本控制在实施完爆破揭示和清淤后正好是雨季结束的时间,以方便溶腔后期处理,减少后期施工难度。

(3)确定揭示爆破方案并实施

以探明的溶腔信息为基本根据制定爆破方案,分为剥离工作面围岩至最小保护层厚度和最终爆破揭示两部分。为精确控制剥离厚度,剥离工作面围岩至最小保护层厚度时采用微震爆破法,将隧道工作面分区域向溶腔边界靠拢,每次的爆破进尺必须严格控制,以保证最小保护层厚度的准确性。最终爆破揭示应根据凹凸不平的溶腔界面，设计出每个炮孔的位置、长度和装药量等。因每个炮孔的参数值是随溶腔界面的变化而变化的,现场施做时应精确炮孔定位,尽量减小误差因素对爆破产生过大的影响,确保溃破口一次成形并达到最佳排物泄压效果。

(4)揭示爆破中的安全控制

揭示爆破的实施具有较高的风险,安全防护预案和揭示爆破方案编制需详尽明确并通过有关专家的推敲审核。实施前对抢险救灾人员和物资要准备充足并组织到位,并确保安全监控系统运转正常。

3 溶腔后期处理

溶腔的后期处理应贯彻“稳、快、强、排”的施做方针,彻底消除溶腔对铁路施工和运营的风险。“稳”是指在确保无风险的情况下进洞进行溶腔处理,确保人身安全,严格按安全管理规程和专项施工方案进行施做；“快”是指提高工序之间的连贯性,备足施工物资,组织好人员,尽快对溶腔进行封闭处理；“强”是指强支护,提高初支和衬砌的结构强度,并对开挖轮廓线外5～8 m的范围用混凝土或注浆回填；“排”是指以确保隧道结构安全和满足环保要求为前提,按照以堵为主、引排结合的方针,施做引水洞。

溶腔后期处理包括：溶腔突出物清理、溶腔清理及封闭、溶腔段初期支护和二次衬砌、溶腔段防排水系统设计和施做。

3.1 溶腔突出物清理

溶腔突出物一般为水、泥和砂石的混合体,清理存在一定难度,要注意清理工具的选取。清理过程中,溶腔可能仍会有小规模的突泥突水发生,应注意观察防范,按照程序要求施工,在规定期限内完成。

3.2 溶腔清理及封闭

受溶腔内充填物质特征(水和固体物质)、水压高低、水量大小、释放季节等综合的影响,可能会出现三种情况：第一种情况是溶腔内水和充填物完全释放；第二种是溶腔内水释放,而充填物未释放；第三种是溶腔内水释放、充填物部分释放。要根据释能降压后所显示的不同状态,确定处治方案。

(1)水和充填物完全释放状态

释能降压后,溶腔内水和充填物完全释放出来的状态称为完全释放状态。这种状态下溶腔施工处理比较容易,主要采取回填混凝土的方法,先在隧道结构外形成护拱。回填前先在溶腔段设置外模板,然后架设钢架,预埋今后引排溶腔内积水的排水管,最后网喷混凝土形成初期支护的护拱。

初期支护：一般采用I22支护钢架,间距1榀/0.5 m,架设后用φ22 mm螺纹筋纵向边接,挂网喷射C20混凝土30 cm,形成初期支护。

引排岩溶水：埋设φ200 mm钢管引排岩溶水,钢管数量一般为每100 m 3～5根,排水能力为释能降压后动态补给水量的2～3倍。

回填混凝土形成护拱：用C20混凝土进行溶腔拱墙回填,回填高度为隧道开挖轮廓线外5 m以上。

(2)水释放、充填物质未释放状态

在这种情况下,应对充填物质稳定性进行评判,若充填物质含水量低，有一定的自稳能力时,可采取三台阶法开挖处理溶腔。若充填物质含水量高、工作面自稳能力差时,应对充填介质进行超前预注浆加固,同时施做超前大管棚进行超前预支护,以防止开挖过程中发生坍方。

①台阶法开挖溶腔填充物

当溶腔内充填物质为粉质黏性土或砂土时,释能降压后地层失水,地层有一定的自稳能力,可采取三台阶法开挖,以降低每次开挖高度。上台阶开挖时采取预留核心土弧形导坑法开挖,以利于工作面的稳定。

超前小导管支护：超前小导管采用φ42 mm焊接钢管加工,小导管长度3.5～4 m,环向布设间距20 cm,纵向每2 m布置一次。

上台阶开挖、支护和锁脚：为方便施工,上台阶高度控制在3.5～4 m。上台阶采取预留核心土环形开挖,每次开挖进尺0.5～1 m。开挖后及时施做I22钢架支撑,钢架间距1榀/0.5 m,挂网喷射C25混凝土30 cm。核心土面积不小于上台阶面积的50%,上部高度1.5～2 m,纵向长度1.5～2 m。

核心土跟进开挖：及时开挖核心土。

上台阶横撑支护闭合：为方便施工,原则上溶腔段上台阶开挖完成后,应及时施做上台阶横向支撑以便封闭成环。横向支撑每0.5～1 m施做一榀,横向支撑与上台阶钢架焊接牢固。施工过程中应加强监控量测,及时动态调整支护体系。若开挖中变形较大,应及时施做和增加横向支撑,并喷射混凝土封闭。

拱部径向注浆加固：对上台阶拱部进行径向注浆,加固土体,提高拱部稳定能力。注浆孔间距为1.5 m×1.5 m,采用小导管一次性注浆,注浆范围为开挖轮廓线外3～5 m。注浆材料采用普通水泥单液浆,浆液水灰比取0.6∶1～0.8∶1。

中台阶左右错开接腿开挖支护：上台阶施工完成后,进行中台阶施工,中台阶高度一般为3.5～4 m。施工时,应采取左右错开接腿,错开距离3～5 m。每次接腿纵向间距长度不得大于1.5 m。

中台阶开挖：中台阶接腿后,及时跟进中台阶核部开挖。

下台阶开挖支护闭合：中台阶开挖完成后,及时进行下台阶开挖支护,对钢架形成闭合。下台阶开挖进尺为1.5～2 m。

②注浆管棚施工

当溶腔内充填物质为淤泥质土时,释能降压后溶腔失水,但淤泥质土层中仍有较高的含水量,稳定性差,开挖过程中易发生坍方。因此,应对淤泥质土层进行超前预注浆加固,降低土层含水量,提高黏结力,确保开挖过程的稳定。注浆后施做超前大管棚进行超前预支护,然后按三台阶法开挖。

周边超前预注浆：对隧道拱部周边进行超前预注浆,注浆加固范围一般为隧道开挖轮廓线外5 m以外。纵向长度根据溶腔纵向长度确定,原则上一循环不超过30 m,当溶腔纵向长度超过30 m时,可考虑多个循环,或从正反向进行双向夹击处理。注浆设计时浆液扩散半径按1.5～2 m考虑。注浆材料采用普通水泥单液浆,浆液水灰比为0.6∶1～0.8∶1。若隧道周边存在泄水洞室时,应充分考虑周边环境因素,以防止大量跑浆造成浪费,同时避免堵塞泄水洞。为此,可采取可控域注浆技术,控制浆液的流动范围。

稳定工作面注浆加固：周边注浆结束后,可对工作面设置3～5个注浆孔进行适当的注浆,以稳定工作面,从而在下一步开挖时不必再预留核心土。稳定工作面的注浆材料采用普通水泥单液浆,浆液水灰比取0.6∶1～0.8∶1。该注浆采取全孔一次性定量注浆,注浆量计算时浆液填充率按0.3～0.5计算,不考虑浆液损失率。

超前大管棚预支护：注浆经检查符合要求后,通过预埋的导向管对周边进行钻孔,钻孔到设计深度后安设大管棚并进行注浆,以形成超前刚性支护体系。超前大管棚和超前周边注浆共同作用,以提高支护效果。大管棚采用外径φ108 mm、壁厚8 mm的无缝钢管加工,每小节长2 m或3 m,环向间距30～40 cm,外插角1.5°。每节管棚钻设φ8 mm单向阀溢浆孔4个。管棚布设完成后,对管棚进行全孔一次性注浆,注浆材料采用普通水泥单液浆,浆液水灰比取0.6∶1～0.8∶1。

(3)水释放、充填物部分释放状态

该情况下,未被释放排出即留下的充填物多为重量和体积较大的碎块石夹土,虽然溶腔内充填的碎块石土有一定的自稳能力,但堆积结构松散,上部荷载大,若采取注浆管棚法,在碎块石土中钻孔极易坍孔卡钻,严重影响施做进度。因此,宜采取清方置换法进行处治。

清方置换法是用机械对碎块石堆积体进行清除,形成局部空洞,然后用回灌混凝土的方法对开挖的空洞进行回填,并用水泥砂浆对堆积体进行胶结固结,然后采取三台阶法进行开挖支护。

3.3 溶腔段初期支护、二次衬砌及防排水系统施做

应增强溶腔段的初期支护和二次衬砌的结构刚度,并提高其防排水等级,确保运营安全。还应对该段的衬砌结构受力和水压力进行实时检测分析,以便及时将隐患消除。大支坪和野三关两座隧道均采取在衬砌结构内安置电子土压力计和水压计的方法进行监控,方便快捷,易于数据收集和分析,为线路安全运营提供保障。

4 结束语

“释能降压”法的各项内容相辅相成,只有确保每步细节的成功才能最终取得预期效果。“释能降压”的应用成就了宜万铁路的早日建成,为我国铁路建设增添了光辉的一页,也为今后类似隧道的施工积累了宝贵的经验。

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