宜万铁路大支坪隧道大型突水突泥溶腔迂回绕行施工技术

李庚许

(中铁十六局集团第四工程有限公司,北京 101400)

宜万铁路大支坪隧道大型突水突泥溶腔迂回绕行施工技术

李庚许

(中铁十六局集团第四工程有限公司,北京 101400)

主要介绍根据宜万铁路大支坪岩溶隧道突水突泥溶腔及暗河形成的水文地质条件不同所表现出的岩溶发育程度、发育强弱及规模不同的原理,利用综合超前地报预测预报精确探测技术,在充分探明高压富水溶腔或暗河及岩溶发育规律后进行躲避、迂回绕行大型突水突泥溶腔的一项岩溶处治技术。

岩溶隧道;突水突泥;溶腔;施工

1 概述

岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层(碳酸岩类、硫酸岩类、卤盐类等)进行化学侵蚀、崩解和机械破坏、搬运、沉积等作用所形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。岩溶产生主要有3个条件:第一,可溶性岩石是岩溶产生的物质基础,例如,隧道穿越石灰岩、白云岩、泥灰岩、石膏、芒硝、岩盐等地层时,受地下水作用可能出现溶蚀现象,石灰岩以溶解作用为主,白云岩则主要通过渗透—溶蚀—分解—淋滤—崩解作用发生破坏;第二,地质构造与地层结构的千差万别决定了岩溶类型的多样性、复杂性,岩体结构、构造以及岩层产状、接触关系、层厚、断裂、褶皱、节理、裂隙、软弱夹层、风化程度等地质特征决定了岩溶发育程度、发育强弱和规模的不同;一般情况下,向斜构造比背斜构造岩溶发育强烈,向斜构造的核部岩溶发育比两翼强烈,背斜构造的两翼比核部岩溶发育强烈;当隧道穿越可溶岩地层的节理、裂隙、断层等结构为不连续面时,易遇到溶隙、溶管、溶洞、溶腔或暗河;第三,地表水和地下水补给、径流、渗透和循环是岩溶形成和发育的必要条件;山谷、洼地、岩溶盆地、竖井、漏斗、落水洞部位,地表水汇集、下渗,容易在地层中形成水平径流带、垂直渗流带和深部滞留带,从而造成地下水补给和循环,给岩溶形成创造了必要条件,当地下水中游离或侵蚀性的CO2、SO4

2-等含量较大时,岩溶发育增强。综上所述:岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层经化学溶解作用和机械破坏作用而形成的。岩石的可溶性和裂隙性以及水的侵蚀性和流动性是岩溶形成的条件,同时地形、降水量、覆盖表土等因素与溶岩发育亦有密切关系,水文地质条件不同所表现出的岩溶形态、发育程度则各不相同。由于岩溶发育的多样性、复杂性、各异性,隧道施工遇大型高压富水溶腔或暗河可采取躲避、迂回、绕行的方案。

2 岩溶发育规律研究

岩溶隧道大型突水突泥溶腔迂回绕行技术必须依托综合超前地质精确探测、洞内地质素描、洞外水文地质调查等工作,总结隧道岩溶发育规律。现以宜万铁路8座Ⅰ级岩溶高风险隧道之一的大支坪隧道为例进行岩溶发育规律研究。

2.1 综合超前地质预测预报精确探测

综合超前地质预测预报精确探测采用物探-钻探相结合,长距离-短距离探测相结合、勘探-地质资料的综合分析的综合探测方法。在施工中,严格将岩溶超前地质预测预报工作纳入工序管理,采用地震波法,地质雷达,地质素描及长、中、短距离钻探等多种长、中、短期预报手段有机合理结合,综合探测,取长补短,相互验证,不断总结岩溶发育规律。

2.2 洞外水文及地质调查

大支坪隧道地处鄂西南喀斯特高原,在区域地质构造上位于华夏系东西向构造与新华夏系北东向构造的复合部位,受其影响,区内不仅发育有多期次、不同规模的褶皱与断裂,同时还发育众多小型的变形构造,如层内、层间剪切错动带、多期节理、裂隙等。

隧道主要发育志留系、泥盆系的碎屑岩和石炭系、二迭系、三迭系碳酸盐岩。大支坪隧道工程地质剖面 及隧道平面设计如图1所示。

图1 大支坪隧道工程地质

区内与隧道有关的主要断裂有8条,断层带附近为三叠系下统大冶组地层,破碎带宽度大,揉皱发育。大支坪隧道地质构造如图2所示。

图2 大支坪隧道地质构造

隧道区发育6号、7号和水洞坪三条暗河及管道流和S54大泉。大支坪隧道暗河发育如图3所示。

图3 大支坪隧道暗河发育示意

2.3 岩溶发育规律总结

大支坪隧道地处典型的喀斯特岩溶地貌,地表岩溶形态主要有峰丛、溶隙、溶缝、溶槽、溶洼、竖井、落水洞以及地下河等。隧道区岩溶发育程度极不均匀,控制因素较多,总结有如下规律:

(1)隧道沿线路方向左侧岩溶发育明显强于右侧;

(2)三迭系嘉陵江组灰岩岩溶发育程度最强,其次为二迭系长兴组灰岩与茅口栖霞组灰岩;

(3)可溶岩与非可溶岩接触带,溶蚀作用增强,岩溶发育强烈,易存在高压富水溶腔;

(4)背斜轴部与断层破碎带岩溶发育;压性断层的一侧岩溶发育;岩溶多沿层面裂隙形成溶隙、溶沟、溶槽,在裂隙与裂隙交汇处有发育较大的溶洞;

(5)岩溶发育程度与地下水活动关系密切。在地下水垂直循环带,岩溶以垂直形态为主,多发育落水洞、溶沟、溶槽等;在地下水季节变化带岩溶发育最强烈,主要有溶洞与暗河,在地下水水平循环带,发育有岩溶水平管道;

(6)地形坡度较缓地带,有利于降水入渗,岩溶发育强,陡坡地带发育相对较弱。

3 迂回绕行技术

3.1 定义

该技术是当隧道掌子面掘进遇大型易发生突水突泥高压富水溶腔或暗河后,考虑正面突破难度大、时间长、风险高等特点,在掌子面左右侧或后方扩大范围超前精确探明岩溶发育规律后,利用岩溶发育较弱地带,见缝插针、设置迂回导坑绕行通过的一项岩溶处理技术。

3.2 技术原理

该技术是根据岩溶突水突泥溶腔及暗河形成的水文地质条件不同所表现出的岩溶发育的多样性、复杂性、各异性的原理,并利用综合超前地质预测预报精确探测技术,在充分探明高压富水溶腔或暗河及岩溶发育规律后,进行躲避、迂回、绕行的岩溶安全、快速、高效、经济的一项岩溶处治的关键技术。

3.3 作用及意义

遇大型突水突泥溶腔迂回绕行技术有其显著的工程意义:

(1)快速迂回绕行超前施工发挥其超前地质探测的作用,为正洞施工提供更为准确的地质预报,规避施工风险,保障施工安全;

(2)可超前正洞向前开辟工作面,加快施工进度;

(3)有利于施工通风和排水,改善掌子面的工作条件;

(4)迂回绕行后采用多方位钻孔对高压富水溶腔进行排泄降压,降低处理风险及难度,可大大降低投资;

(5)有利于施工及运营期间的逃生及救援。

4 遇大型突水突泥溶腔迂回绕行技术应用实例

4.1 迂回绕行990大型突水突泥岩溶异常体

大支坪隧道进口DK132+940～DK133+035及ⅡDK132+912～ⅡIDK133+020段为三叠系大冶组灰岩,岩溶顺层发育,Ⅰ、Ⅱ线溶腔连通,溶腔体充填卵砾石及黏土,富含地下水。该溶腔与上部含水裂隙、管道连通,直接接受上部地下水补给。该处地表为水谷坝岩溶槽谷,大气降水汇集槽谷后全部渗入地下,地下水补给充足。水谷坝槽谷汇水面积6.06km2,洞身穿越处上方为分布范围广的U形大型岩溶腔体,影响区域宽280m,长约440m。根据综合超前地质预报及开挖揭示的地质情况,探明Ⅰ线DK132+947～DK132+958、 DK133+004～DK133+027间、Ⅱ线ⅡDK132+913～ⅡDK132+921、ⅡDK132+973～ⅡDK132+997间发育大型充填溶腔,充填物为砂卵石及黏土,含水。溶腔基本上沿层面及岩层走向发育,I、Ⅱ线溶腔贯通,尖灭于迂回导坑左边墙附近。大支坪隧道Ⅱ线平导施工中,分别在PDK132+936遇顺层岩溶涌水、PDK132+960处遇岩溶管道水,特别是2007年9月29日,当Ⅱ线按平导断面施工至PDK132+990时,拱顶突遇大型充填溶腔,造成较大突水突泥,突水约10万m3/d,总突泥量1.2万m3。由于发生在 PDK132+990里程,故称为“990”大型突水突泥溶腔。990溶腔涌水量受雨季影响反映迅速,降雨后6h开始变大,2～3d后恢复至降雨前水平,突泥突水时最大涌水量10万m3/d,突泥突水排泄降压后最大涌水量4万m3/d,水压最大1.2 MPa。溶腔形态如图4所示。

图4 大支坪隧道990大型溶腔形态

为早日实现安全突破990大型突水突泥溶腔,充分挖掘地质潜力,依靠技术手段,对地质进行精确探测,采取了“就地封堵+迂回绕行”的方案。即在平导PDK132+990掌子面后方右侧通过综合超前地质预报技术,探明岩溶发育较弱地带,在距平导30m处设迂回导坑,见缝插针,迂回绕行通过高压富水溶腔取得成功。为了实现长隧道短打施组目标,通过迂回导坑超前通过横通道进入I、Ⅱ线正洞多开辟工作面,不仅满足工期要求,也为溶腔核心段采取安全合理处治方案提供了时间保障。990溶腔迂回绕行方案如图5所示。

图5 遇990大型充填溶腔迂回绕行方案

4.2 迂回绕行PDK131+547岩溶管道高压富水溶腔

2005年5月24日,地震波法及地质雷达探明平导PDK131+547掌子面前方地质异常后,为了进一步探明其富水规模,沿开挖轮廓线均匀布设了6个水平钻孔,掌子面右侧探孔出现较大涌水,左侧探孔均无水。据此及时确定了自掌子面左侧绕行快速通过的掘进开挖方案,成功绕避。如图6所示。

图6 PDK131+547岩溶管道探测及迂回绕避

5 结语

大支坪隧道施工中遇到5处大型高压富水突水突泥溶腔,正面突破不仅难度大、风险高,而且处理工期长,不满足快速向前开辟工作面长隧短打的施组方案。故在综合地质预报超前精确探测地质情况下,采用了向左或向右另开横通道迂回绕行安全快速通过向前开辟工作面的方案。特别是Ⅰ、Ⅱ线遇990大型高压富水溶腔设置迂回导坑安全绕行后,向前开辟10 -1、12、12 -1横通道增加工作面,成功实现长隧道短打施组方案,经济效益显著。

大型突水突泥溶腔迂回绕行技术采用向左或向右另开迂回导坑、见缝插针、迂回绕行躲避突水突泥构造体,安全快速通过向前开辟工作面的岩溶隧道安全快速施工的一项新技术,并逐步被众多岩溶隧道施工与设计中采用,具体明显社会与经济效益。

[1] 刘招伟,张民庆,王树仁.岩溶隧道灾变预测与处治技术[M].北京:科学出版社,2007.

[2] 石新栋.圆梁山隧道主要地质问题及对策[J].铁道工程学报, 2002(6).

[3] 铁道部第四勘测设计院,铁道部第五工程局.南岭隧道岩溶突水涌泥地段综合整治技术[Z].1990.

U455

A

1004 -2954(2010)08 -0104 -03

2010 -05 -26

李庚许(1973—),男,高级工程师,E-mail:Zt164wsl@vip.sina.com。