宜万铁路齐岳山隧道 DK363+629高压充水溶腔处理技术

黄鸿健,张民庆

(铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施 445000)

1 工程概况

齐岳山隧道是宜万铁路 8座Ⅰ级风险隧道之一,隧道全长10528m(DK361+255～DK371+783),隧道最大埋深 670m。隧道进口高程1126m,自进口至出口为单面下坡,坡度依次为 -13‰(345m)、-15.3‰(9300m)、-6‰(883m)。为保证隧道施工工期,设置贯通平行导坑(隧道左侧 30m处)和斜井各 1座。

如图1所示,齐岳山隧道穿越中、下侏罗统上、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、嘉陵江组、大冶组,以及二叠系长兴组、吴家坪组、茅口组等地层,其中可溶岩长 4.7km,占全隧总长度的 45%,可溶岩均处在隧道进口端。

齐岳山隧道穿越区段可分为中山区(进口 ～DK364+900)、中山谷地 (DK364+900～ DK365+150)和低中山区(DK365+150～出口),3个区域分别对应齐岳山构造溶蚀地貌、中部得胜场溶蚀槽谷地貌、西部碎屑岩剥蚀地貌。

齐岳山隧道主要地质构造为齐岳山背斜、箭竹溪向斜,以及规模较大的断层 15条,其主要不良地质有岩溶、岩溶水、断层破碎带、天然气、煤系瓦斯、高地应力和地温等,其中齐岳山背斜和得胜场槽谷区被称为该隧道施工的两大难题。地勘表明,隧道周围主要发育得胜场地下暗河体系、大鱼泉地下河系统、小鱼泉地下河系统。预测隧道正常涌水量 17.6万 m3/d,最大涌水量 74.2万 m3/d。其中齐岳山背斜地段正常涌水量 3.7万 m3/d,最大涌水量 17.7万 m3/d。

2 溶腔探测

图1 齐岳山隧道工程地质剖面

2006年 5月 25日,齐岳山隧道进口正洞施工至DK363+629里程,采用地质钻机进行超前水平钻探。当钻至 DK363+631时,由钻孔内射出高压水,实测单孔最大涌水量 450m3/h,水压力 0.68MPa。随后加强超前钻探,确定隧道前方发育大型高压富水溶腔。溶腔由右上侧向左下侧发育,横向宽度大于 80m,在隧道范围内纵向发育长度约 12m。溶腔内充填介质主要为清水,含少量泥砂。溶腔形态见图2。溶腔钻孔涌水照片见图3。

图2 齐岳山隧道 629溶腔形态

图3 齐岳山隧道 629溶腔探孔涌水

3 方案试验

3.1 注浆试验

遭遇溶腔后,对溶腔处理方案进行研究,考虑到隧道进口工期压力大,同时,进口反坡施工,排水极其困难,因此,确定对溶腔进行注浆试验。

采用普通水泥 -水玻璃双液浆对溶腔进行充填注浆试验。水泥-水玻璃双液浆配比为:水泥浆水灰比0.6∶1～0.8∶1、水泥浆与水玻璃体积比 1∶0.3～1∶0.5、水玻璃浓度 35Be′。浆液凝胶时间控制在 15s～30min。

在现场注浆施工中,当注浆量达到1613m3时,钻孔过程中仍有高压水喷出,这表明,采取注浆措施,难以在短时间内达到有效堵水效果。同时,考虑到溶腔规模较大,采用大量的注浆材料填充富水溶腔造价高,且地下动水可能会对注浆效果产生较大的影响。因此,停止实施对该溶腔实施注浆堵水处理方案。

3.2 放水试验

为进一步查明溶腔的水文地质条件,对该溶腔进行了放水试验。

放水试验从 2006年 9月 1日开始至 9月 10日结束,历时 10d。放水试验时,根据进口设置的大型泵站抽水能力,采用2000～3000m3/h的放水速度进行放水。监测放水试验过程放水速度、水压力、地表降雨量等水文参数,测试结果见表1。

表1 齐岳山隧道 629溶腔放水试验测试结果

根据测试数据绘制放水试验过程的水压力变化曲线,如图4所示。

图4 齐岳山隧道放水试验水压力变化曲线

由水压力变化曲线来看,放水试验可分为 2个阶段。

第 1阶段:2006年 9月 1日至 9月 5日,通过钻孔采取以3000m3/h的速度进行放水,在无降雨的条件下,水压力由 0.43MPa降低到 0.18MPa,之后开始稳定。

第 2阶段:2006年 9月 5日,地表降雨 33.1mm,在排水条件下,溶腔内水压力处于缓慢上升。由此来看,溶腔内水量与地表降雨的关联性较好,采取3000m3/h的速度进行放水,很难在短时间内将水压力再继续降下来。于是,9月 8日停止放水。停止放水后,水压力迅速上升,随着地表降雨 55.3mm,水压力升高到 0.68MPa,随后,水压力下降至 0.52MPa。

通过放水试验,说明溶腔规模较大,地下水补给量大。考虑到进口处于反坡施工,抽水能力有限,溶腔水难以在短时间内排放完毕,并且,直接揭示溶腔存在淹井危险。为此,停止试验,采用混凝土挡墙封闭掌子面,待进出口平导贯通后,利用顺坡条件进行处理。

4 释能降压处理溶腔

4.1 判释溶腔

4.1.1 工程地质特征

629溶腔位于齐岳山背斜西翼,该地段除发育溶腔外,地质条件为Ⅱ级二叠系长兴组灰岩,围岩完整,节理裂隙不发育。岩层产状 310°∠45°,岩层走向近似垂直隧道。629溶腔处地表高程为1750m,隧道轨面高程约为1096m,隧道埋深约 646m。629溶腔地段工程地质纵剖面见图5。

图5 齐岳山隧道 629溶腔地段工程地质纵剖面

4.1.2 水文地质特征

溶腔地段水文地质如图6。溶腔主要受地表槽谷洼地降雨补给,地表汇水面积 6.1km2。预测溶腔 50年一遇最大涌水量10189m3/h。

4.1.3 溶腔处理方案判释

针对 629溶腔,通过注浆试验,难以达到理想的注浆堵水效果。分析溶腔的工程地质及水文地质特征,溶腔处隧道埋深大,地表汇水面积有限,因此,适合于采取释能降压法处理该溶腔。在进出口平导贯通后,对该溶腔实施释能降压法处理。

4.2 锁定溶腔

4.2.1 释能降压掌子面的选择

如图7,释能降压掌子面有 3个方案可以选择,方案一是正洞反向掌子面,方案二是正洞正向掌子面,方案三是通过平导施作泄水支洞掌子面。

图6 齐岳山隧道629溶腔地段水文地质

图7 溶腔释能降压掌子面方案选择

对 3个方案优缺点进行比较,见表2。

表2 释能降压掌子面方案比较

通过对 3个方案进行比选,考虑到溶腔处理是关键,并且通过平导增加泄水支洞工程量不大,因此,现场采取方案三对溶腔进行释能降压处理。

4.2.2 锁定溶腔

通过平导实施横向泄水支洞,加强超前探测,锁定泄水支洞溶腔边界如图8所示。

图8 溶腔边界锁定(单位:cm)

由锁定的边界来看,溶腔极不规则,掌子面前方溶腔整体发育偏左,掌子面左下方距离溶腔最近距离为2.35m。

4.3 打开溶腔

4.3.1 放水形成低水位

由于溶腔主要以充填水为主,为了减少释能降压时将溶腔壁附着的破碎岩体大量携带出来,因此,在进出口平导贯通后,通过钻孔进行放水,形成低水位,然后再进行释能降压。

放水措施通过在正洞正向掌子面钻 12个 φ108 mm孔,以最大放水能力3000m3/h进行控制排水,共放水 65万 m3,水压力逐渐下降,稳定在 0.01MPa。现场控制放水如图9所示。

图9 现场控制放水

4.3.2 修正爆破掌子面

由于溶腔的边界极不均匀的,为了提高一次爆开溶腔的面积,按图10依次进行①→②→③部位的局部爆破切块,从而修正泄水支洞爆破掌子面。

图10 修正爆破掌子面示意

4.3.3 爆破设计

根据锁定的溶腔型态,利用修正后的爆破掌子面,对溶腔进行精确爆破设计。爆破设计如图11所示。爆破参数见表3。

图11 溶腔爆破设计(单位:cm)

表3 专项精确爆破装药参数

4.3.4 精确爆破

溶腔爆破揭示于 2009年 11月 25日实施,通过平导采用视频监控现场释能降压如图12所示。

图12 629溶腔实施释能降压视频监控

4.4 处治溶腔

实施释能降压后进入溶腔观察,如图13所示。

图13 释能降压后进入溶腔观察

针对该溶腔,采取如图14处理措施。

图14 溶腔结构处理示意(单位:cm)

(1)清除溶腔基底松散填充物,采用 C30混凝土换填。换填时,按 0.6～1m厚从下到上分层浇筑,每层底部纵向设置 I18型钢,横向间距 0.5m,并采用φ22mm钢筋焊接,钢筋间距 0.5m。

(2)在隧道右侧边墙外溶腔处施作 C25混凝土护墙,护墙顶宽 1.5m,底宽 4m。

(3)对隧道右侧岩溶水,通过在换填混凝土层中埋设 5根 φ300mm钢管,将水引排到左侧。为防止钢管堵塞,除在钢管端头设置滤网外,并在右侧设置碎石过滤层。

(4)为保证左侧边墙稳定,在隧道左侧设置 2m厚 C25混凝土护墙。

(5)在泄水支洞中设置厚 2m的 C25混凝土挡墙,在挡墙上安装 12根 φ300mm钢管,并设置阀门,对岩溶水实现限排,限排量为 500～1000m3/h。

(6)隧道结构按 1.0MPa抗水压衬砌结构考虑。初期支护采用 20cm厚网喷混凝土,内置 I18钢架,钢架间距0.5m/榀。二次衬砌采用 50cm厚 C35防水钢筋混凝土。

5 结语

(1)齐岳山隧道通过超前深孔钻探发现溶腔,之后,相继进行了注浆试验和放水试验,最后通过判释溶腔,采取释能降压技术,从而很好地处理了该溶腔。这种“查找问题→分析问题→现场试验→决策方案→准确实施”的施工模式是解决风险隧道施工难题的最佳模式,通过实施这种模式,解决了工程难题,避免了灾害的发生,值得推广应用。

(2)该工程试验证明,针对较大规模的充水溶腔,采取注浆措施,注浆量难以确定,且会受地下动水影响,注浆法难以在短时间内达到注浆堵水效果,因此,该类工程不宜采取注浆法治理。

(3)针对高压充水溶腔,采取释能降压法处理,处治速度快,安全有保证,且变暗为明,结构可靠,因此,释能降压法是处理类似高压充水溶腔的合理方案。

[1] 张梅,张民庆,朱鹏飞,等.高压富水充填溶腔释能降压技术[J].中国工程科学,2009(12).

[2] 朱鹏飞.宜万铁路岩溶隧道风险管理[J].中国工程科学,2009(12).

[3] 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.

[4] 何发亮,等.隧道地质超前预报[M].成都:西南交通大学出版社,2006.