宜万铁路复杂岩溶隧道动态设计

苗德海,马 涛,王 伟,李鸣冲

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

宜万铁路复杂岩溶隧道动态设计

苗德海,马 涛,王 伟,李鸣冲

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

介绍宜万铁路复杂岩溶隧道动态设计原理、系统构成、方法及组织管理机构,提出以控制高风险为纲,保证施工、运营安全为目的动态设计理念,通过云雾山隧道“+617”溶洞群的动态设计实例,论述信息采集与分析、方案形成与评价、方案决策与实施、安全监测与验证等动态设计的主要内容,经过宜万铁路5座Ⅰ级风险隧道动态设计工程实践,实现复杂岩溶隧道高风险的控制,减少突发性地质灾害,基本达到预期目的。

宜万铁路;隧道工程;风险控制;动态设计;系统构成

1 概述

宜万铁路东起既有鸦宜铁路花艳站,西止既有达万铁路万州站,线路全长377km,是铁路进出川渝地区的东通道之一,也是沪汉蓉快速铁路客运通道的重要组成部分,全线共分布159座隧道,总长338.771 km,全线隧线比高达60%。宜万铁路线路位于云贵高原东北麓,主要行经在长江与清江的分水岭地带,地势陡峻、河谷深切、地形条件极其困难,70%地段位于岩溶强烈发育地区,地质构造十分复杂,补给水源丰富,主要表现为:富水构造、岩溶管道、暗河、大型充水溶腔、高压裂隙水等,其规模、数量及工程处理难度为国内外罕见。

鉴于隧道工程的隐蔽性及宜万铁路工程水文地质条件的复杂性,尽管在勘测期间做了大量富有成效的专项地质勘察工作,但由于受勘探手段及认知水平的局限,难以准确掌握隧道工程水文地质情况,尤其是对施工构成巨大风险的暗河、充水岩溶管道、大型高压富水充填溶洞等隐伏不良地质体难以准确预测及判释。因此,制定并执行以控制高风险为纲,保证施工、运营安全为目的的复杂岩溶隧道动态设计系统,对宜万铁路隧道工程安全施工、减少突发性地质灾害,控制投资等具有十分重要的意义。

2 动态设计的构成、方法

2.1 动态设计的原理_______

传统隧道工程动态设计是通过现场观测和监控量测获得关于围岩稳定性和支护系统工作状态的各类信息,然后对监控量测数据进行回归分析,按照一定的围岩稳定判别准则,来评价围岩稳定性和支护系统的工作状态,借以完善支护系统的设计参数,确定支护时机和施工对策,达到优化工程设计和施工的目的[1～2]。复杂岩溶隧道动态设计是以地质预测预报、现场测试与试验为基础完成信息的采集与分析,通过工程类比、理论分析计算、专家系统等方法完成设计方案的制定,并通过围岩及支护的安全性监测等系统工程,实现岩溶隧道高风险的有效控制,保障施工及运营安全。

2.2 动态设计的系统构成

复杂岩溶隧道动态设计主要由以下4个系统构成:信息采集与分析系统、方案形成与评价系统、方案决策与实施系统及安全监测与验证系统。

2.2.1 信息采集与分析系统

信息采集是整个动态设计的基础,包括前期勘察成果、超前地质预测预报成果、现场试验成果等。首先根据前期勘察成果确定隧道区内地质背景、岩性、构造及区域水文情况,划分每段可能出现风险类型、概率,按照不同等级(A+、A、B、C)确定隧道每段超前地质预测预报项目及数量,包括地质素描、长距离TSP203、地质雷达、红外探水、超前水平钻、超长炮眼、孔中CT和摄像。现场操作过程中,如遇异常情况实时调整预报等级,必要时进行放水试验、压水试验、注浆试验等。

根据各项超前地质预测预报及现场试验资料,并结合前期勘察成果对掌子面前方工程水文地质情况进行分析、判断。分析结论主要包括岩溶发育的水平或规模、充填及富水情况、与暗河或地表的联系程度、洞壁的整体稳定状况等,同时信息分析也是一个开放的、动态的体系,根据揭示的情况可实时调整。

2.2.2 方案形成与评价

根据岩溶规模、充填、水量、水压及与地表(暗河)联系情况,综合考虑安全性、经济性、工期及工艺繁简程度,通过工程类比、理论计算等方法拟定不同的处理方案,并结合现场施工情况、施工机械及施工水平,对各方案的优缺点进行全方位比较。

2.2.3 方案决策与实施

复杂岩溶隧道管理小组组织建设、设计、监理及施工单位对动态设计组制定的方案进行论证,必要时邀请资深专家参加,进一步论证方案的科学性,明确实施方案及工期节点,并开展预警监控及撤离、水文监测、排水、安全进洞条件等专项设计,以保证各项工作的顺利开展及施工安全。

2.2.4 安全监测与验证

鉴于岩溶地区复杂的工程水文地质条件,为准确掌握施工及运营期间围岩及支护的稳定状况,对隧道结构安全性状况做出评估,及时采取应对措施,确保安全,对复杂岩溶地段隧道进行安全性监测,监测项目包括:水压力、围岩压力、初期支护与二次衬砌间的接触压力、初期支护和二次衬砌结构的内力、隧底沉降等。

2.3 动态设计的流程

宜万铁路复杂岩溶隧道动态设计流程如图1所示。

图1 复杂岩溶隧道动态设计流程

2.4 动态设计的方法

结合目前国内外复杂岩溶隧道的修建状况,总结相关岩溶隧道的动态设计经验,宜万铁路复杂岩溶隧道动态设计采取如下方法进行。

2.4.1 工程类比法

工程类比法是一种定性的工程设计方法,是将新建工程的工程条件(工程类型、工程规模、工程形状及尺寸、施工方法等)和工程地质条件(岩溶发育程度、地下水系统的复杂程度等)两方面的因素与上述条件基本相同的已建工程进行对比,由此确定隧道的预支护参数、衬砌结构参数,并对施工方案等进行相应的调整[3]。

宜万铁路设计过程中借鉴了大瑶山、南岭及圆梁山等典型铁路岩溶隧道经验,调研了水利工程及煤炭工程的类似隧道工点,利用了行业内外已有研究成果及工程经验,先后完成了《岩溶隧道注浆设计参考图》、《岩溶隧道加强型复合式衬砌参考图》及一系列复杂岩溶隧道设计图。

2.4.2 理论计算分析法

理论计算分析法是一种定量的工程设计方法,根据获得的相关工程地质条件和初步拟定的支护参数,采用数值模拟计算方法,建立相关计算模型,通过数值计算,分析围岩及支护结构的变形和受力情况,进而确定隧道支护参数和施工方法。

必要时,理论计算分析法应结合现场试验进行,根据试验取得的围岩物理力学参数及施工方法,利用数值计算软件计算施工过程中各工序围岩—支护结构变形情况,以达到优化支护结构体系、完善施工方法、确保施工安全的目的。

2.4.3 专家系统

考虑宜万铁路岩溶隧道地质条件的复杂性,揭示的大规模富水充填型溶洞、高压富水岩溶管道等处理难度非常大,施工风险很高,可借鉴工程经验较少,且理论计算尚不成熟,因此建立专家系统,不定期邀请行业内资深专家对设计方案进行论证,以提高设计方案的系统性、科学性。

任何一种方法都存在局限性,动态设计的良好运行得力于3种方法的有机结合,工程类比与理论计算可以很好地为专家系统提供决策基础,同时专家系统也为工程类比与理论计算提供了新的思路、方向,共同实现高风险的有效控制,保障施工及运营安全。

3 动态设计组织机构及管理

3.1 动态设计组织机构

动态设计工作是一项系统工程,为保证各个系统的正常工作,动态设计组织机构见图2。

图2 动态设计管理模式

3.2 动态设计管理

复杂岩溶隧道管理小组:由各参建单位的领导、专家组成,负责重大处理方案的决策及设计、科研、监理、施工等各方关系的协调,检查、督促各方工作。

专家组:由行业内外资深专家组成,负责重大技术问题的咨询及论证工作。

动态设计组:由设计院相关专业总工程师、专业负责人等组成,负责综合地质预测预报信息采集及分析、动态设计原则、重大处理方案的制定、工程概算的编制、安全监测的设计与督导、配合施工单位编制施工组织等工作。

4 工程实例

云雾山隧道位于恩施市白果镇和小溪沟之间,全长6640m,单面上坡,最大埋深800m,进口段为车站隧道,后过渡为两条单线隧道。隧道穿越白果坝背斜,区内发育白果坝暗河,大鱼泉、小鱼泉、恶水溪和洞湾管道流系统,工程水文地质条件极为复杂。勘察期间开展了包括遥感判释、地质测绘、岩溶水文地质调查、电法物探、震法物探、大地音频电磁物探、钻探、综合测井、水文试验、水点长期观测等大量勘察工作,基本查明了该隧道的工程水文地质条件,但由于其特殊的地质构造背景及复杂的岩溶水动力环境,施工中揭示溶洞、溶槽多达76处,下面以“+617”溶洞群为例说明复杂岩溶隧道动态设计各系统工作[4]。

4.1 信息采集与分析

“+617”溶洞群为物探异常体,位于白果坝背斜核部,岩体碎裂岩化及角砾化,岩溶水发育,该段易涌水、突泥及大面积坍方,围岩级别为Ⅴ级,预设计采用超前帷幕注浆加固及加强型复合式衬砌结构[5]。

4.1.1 超前地质预测预报

“+617”溶洞群施工地质分级为A+级,Ⅰ线出口工区及Ⅱ线进口工区进行了TSP203预报,显示该段裂隙发育,岩体破碎含水;Ⅱ线进口工区进行了地质雷达预报,显示该段异常明显,为溶腔异常、含水;各掌子面进行了大量超前钻孔,探测结果见表1,“+617”溶洞群平面见图3。

表1 超前钻孔探测情况

图3 云雾山隧道“+617”溶洞群平面

图4 “+617”溶洞群放水试验分析

根据超前地质预测预报情况综合判断:“+617”溶洞群在Ⅰ线发育长48m,Ⅱ线发育2段,累计长36m,充填物为饱水粉细砂及黏土,局部为中砂;溶洞水压高,易发生突水突泥,风险级别为高风险。

4.1.2 现场试验

放水试验:为查明溶洞群水压、水量与降雨量之间的关系,在DK245+680横通道内设置放水洞室利用超前探孔进行了放水试验,共设置4个φ120mm放水孔(其中3孔长期排水,1孔经常堵塞),放水试验自2008年9月26日起至11月5日止,历时40d,共放水43.5万 m3,平均每天 1.1万 m3,水压在 0.43～0.84MPa,试验数据分析如图4所示。

放水试验得出如下结论:水压随着岩溶水的排放而降低,排水量越大水压下降越快;岩溶水受降雨影响显著,当排放量小于补给量时,水压增加;溶洞水位低于45m时,受岩溶充填影响,排水量下降显著;溶洞水位高于84m时,可能存在其他排泄通道。

注浆试验:为验证“+617”溶洞群充填物的注浆加固效果,在DK245+634掌子面设置5个注浆试验孔,进行注浆试验,注浆孔孔深24m,孔径110mm,注浆材料选用0.6∶1～1∶1水泥单液浆、水泥-水玻璃双液浆,注浆压力2.0～6.0MPa。注浆试验于2008年11月2日开始,至11月17日结束,历时16d,注浆过程中DK245+680横通道放水孔内有浆液流出。

通过注浆试验,得出如下结论:溶洞群充填物为中砂和软-流塑状黏土,浆液具有一定的可注性,由于溶洞充填不均一,单孔注浆量差异较大;浆液渗透固结效果不明显,注入地层方式更多的是挤密、填充和劈裂,注浆压力小于6MPa时难以实现劈裂与挤密的效应,不能保证浆液的有效注入。

4.1.3 综合分析结论

“+617”溶洞群由多个连通性较好的高压富水充填型溶洞组成,在Ⅰ线发育长48m,Ⅱ线发育2段,累计长36m,充填物为饱水粉细砂及黏土,局部为中砂;该洞群静储量有限,但受地表降雨显著,暴雨期间最大不利水位高约100m,涌水量约1.5万m3/h。

4.2 设计方案的形成

根据溶洞的工程水文地质条件、放水及注浆试验结果,拟定如下两种处理方案。

4.2.1 方案一

按照“排水降压、注浆加固、综合治理”的原则进行处理:鉴于该溶洞规模宏大、高压富水、施工风险高,为实现出口掌子面的顺坡排水,有利施工通风等,在Ⅰ线右侧增设长145m迂回导坑,连通进、出口工区;在出口Ⅱ线掌子面进行钻孔排水,降低溶洞内水压;溶洞水位降低后,利用其他各掌子面对溶洞充填物进行注浆加固,并设置超前长管棚预支护;隧道结构采用加强型复合式衬砌;为保证隧道运营安全,设置长2.5km的排水洞,排放溶洞水。“+617”溶洞群处理平面见图5。

图5 “+617”溶洞群处理平面

4.2.2 方案二

鉴于该溶洞群静储量不大、充填物较少、连通性较好,考虑充分利用枯水季节降雨量较少的有利条件,按照“释能降压、清护结合、综合治理”的原则进行处理:利用进口工区Ⅱ线掌子面顺坡排水、施工干扰少的有利条件,实施爆破揭示溶洞,利用溶洞内水压将溶洞水及填充物一起释放,消除施工安全隐患;然后采用超前小导管等预支护措施安全掘进,在隧道拱部及边墙外空洞部位回填混凝土,形成护拱;隧道结构采用加强型复合式衬砌;为保证隧道运营安全,设置长2.5km的排水洞,排放溶洞水。

4.3 方案决策与实施

4.3.1 方案决策

为进一步论证“+617”溶洞群处理方案,提高方案决策的科学水平,铁道部宜万铁路建设指挥部邀请院士及资深专家于2008年11月10日在北京召开了“宜万铁路复杂岩溶隧道溶腔处理技术方案论证会”。2008年11月14日,建设指挥部组织参建各方再次对方案进行论证,综合考虑施工安全、处理周期、施工难度及现场机械配套水平,决定采用方案二,同时开展水文监测、洞内外排水系统、洞内外预警监控及撤离系统、安全进洞条件等专项设计,以保证全过程的施工安全。

4.3.2 实施

迂回导坑:在Ⅰ线右侧增设长145m迂回导坑,连通进、出口工区,以利于排水、通风,方便施工。

释能降压:ⅡDK245+526掌子面控制爆破,解除岩盘,直接揭示溶洞,经过7h排放,“+617”溶洞群水压降至零,并在掌子面上方形成空洞。经进一步观测,ⅡDK245+526拱顶为溶洞群主要水源之一(图6)。

图6 ⅡDK245+526爆破后掌子面情况

超前支护:在排水降压后,消除了溶洞群突水、突泥的安全隐患,对I、Ⅱ线各掌子面前方溶洞逐个爆破揭示,采取超前小导管或自进式锚杆等预支护措施,逐段稳步掘进。

隧道结构:根据现场实测的溶洞群水压力、溶洞充填介质情况,结合三维仿真计算结果[6～7],溶洞段采用加强型复合式衬砌结构(30cm厚C20网喷混凝土, 75cm厚C35钢筋混凝土),开挖轮廓线外空洞部分回填3～5m厚混凝土形成护拱。

排水洞:该溶洞群岩溶水受地表降雨影响显著,为保证隧道施工及长期运营安全,在线路右侧30m设长约2.5km的排水洞,在隧道拱部截排“+617”溶洞群岩溶水,以确保运营安全。“+617”溶洞群处理典型断面见图7。

图7 “+617”溶洞群处理典型断面

4.4 安全监测和验证

安全监测:鉴于“+617”溶洞群地质条件复杂、隧道结构受力复杂等特点,为全面掌握隧道结构在施工及运营过程的受力状况,对隧道围岩及支护结构受力变化状况进行监测,从而对隧道结构安全性状况做出评估,共在溶洞段设置6个监测断面,监测项目包括水压力、初期支护与二次衬砌间的接触压力、二次衬砌结构的内力以及隧底沉降。

2009年1月,“+617”溶洞群Ⅰ、Ⅱ线全部贯通, 6月二次衬砌全部施工完毕,根据阶段监测成果,隧道结构处于安全状态。

5 认识与体会

宜万铁路隧道工程建设过程中遭遇多种高风险岩溶类型,包括大型高压富水断层伴生溶洞、大型富水充填溶洞、大型暗河、高压富水岩溶管道等,隐蔽性强、难以准确判释、施工风险高。建设过程中针对Ⅰ级风险隧道中的野三关隧道、大支坪隧道、云雾山隧道、马鹿箐隧道及齐岳山隧道开展了复杂岩溶隧道动态设计,基本实现了预期目的,通过以上工程实践,有如下认识与体会。

(1)隧道尤其是岩溶隧道具有工程水文地质环境复杂、不确定性影响因素多、难以准确预测、施工风险高的特点,为有效控制高风险,减少突发性地质灾害,保障施工及运营安全,开展隧道动态设计并将其作为控制风险的主要措施十分必要。

(2)任何一种动态设计的方法都存在局限性,其良好运行得力于多种方法的有机结合,工程类比与理论计算可以为专家系统提供决策基础,同时专家系统也为工程类比与理论计算提供了新的思路、方向,以确保设计方案的科学性和系统性。

(3)复杂岩溶隧道动态设计的关键环节是如何能够准确、可靠、及时地获取岩溶发育的地质背景、岩溶类型、水文情况、风险等级等信息,因此采用多种手段进行信息的采集,特别是对各种信息准确的综合分析评判显得尤为重要。

(4)考虑岩溶隧道复杂的工程水文地质环境,为验证支护结构的合理性、总结工程经验、完善设计分析理论,确保运营安全,对复杂岩溶地段隧道支护结构进行长期安全性监测十分必要。

[1] 高新强,仇文革,关宝树.新建铁路隧道动态设计系统的构思[J].铁道标准设计,2004(8):44 -47.

[2] 陈唯一.以工程经验为主的隧道动态设计原理初探[J].铁道工程学报,2006(4):39 -42.

[3] 董勤银.乌鞘岭隧道动态设计施工图的形成与管理[J].铁道标准设计,2005(9):13 -16.

[4] 铁道第四勘察设计院.宜万线长大岩溶隧道专项地质勘察-云雾山隧道工程地质勘察报告[Z].武汉:2004.

[5] 铁道第四勘察设计院.宜万铁路宜昌至万州段新建工程施工图-云雾山隧道设计图[Z].武汉:2004.

[6] ItascaConsultingGroupInc..FLAC3D(fastLagrangiananalysisofcontinuainthreedimensions),usermanuals(version3.0)[Z]. Minneapolis,Minnesota:ItascaConsultingGroupInc.,2005.

[7] TB10003—2005 T449—2005,铁路隧道设计规范[S].

U452.2

A

1004 -2954(2010)08 -0052 -04

2010 06 09

铁道部科技研究开发计划课题(2003G036)

苗德海(1963—),男,教授级高级工程师,1987年毕业于长沙铁道学院铁道工程专业,工学学士,E-mail:tsymdh@sohu.com。