宜万铁路野三关隧道施工防灾预警及救援技术

李广慧

(中铁十六局集团第四工程有限公司,北京 101400)

1 概述

复杂岩溶隧道施工安全不确定性因素多,多表现为洞害、水害、洞穴填充物及塌陷 4个方面,但施工中可能遇到的高压富水隐伏岩溶构造预测及处治不当常会突生大规模突水突泥、堵塞坑道等地质灾害,给施工安全造成严重威胁。在隧道发生突水突泥等突发性地质灾害时,为保证现场人员能够安全快速躲避、撤离免受伤害和设施免受破坏,需建立风险隧道安全应急及预防快速响应机制。

结合风险源及风险表现及响应特点,岩溶隧道防灾预警及救援技术主要包括 3方面内容。

(1)建立风险隧道安全等级管理体系。根据与隧道风险等级管理相关的地质预报、雨量、水量、水压观测及围岩监控量测系统,制定风险隧道安全进洞施工条件。

(2)岩溶隧道合理设置可靠的防灾报警、应急照明及逃生救援系统。

(3)完善与安全有关的进出洞一人一卡登记、安全教育培训及定期防灾逃生演练制度。

以上 3方面确保了高风险隧道快速反应及安全预防应急机制的有效运行。现以宜万铁路野三关隧道为例介绍复杂岩溶隧道防灾预警及救援技术。

2 风险隧道安全等级管理体系

2.1 规范地质预报、降雨量、水量及水压监测

2.1.1 地质预报

用于精确探明隧道开挖前突水突泥岩溶隐伏构造形态及规模,判释成灾类型,准确评估灾害对施工的影响程度。一是通过地表和洞内掌子面地质调查及素描,判断岩溶成灾征兆;二是充分发挥物探仪器作用,通过物探掌握定性一手资料;三是利用长、中、短距离水平钻孔及超长炮孔等直观物理手段,对岩溶位置、涌水量、水压、岩溶充填物性质及规模等定量探测;四是地质预测预报按地质风险分级管理。四者共同形成精确探测、规避突发性地质灾害强有利的技术手段。

2.1.2 降雨量监测

降雨量采用 SRY-1雨量自动记录仪进行监测。仪器设在控制隧道安全、极易发生重大突水突泥的富水溶腔,且受地表降雨影响的洞顶汇水区域内。SRY-1型容栅式雨量自动计录仪是由上下电动阀控制进水和排水,通过容栅位移传感器的数字化电路设计反算降雨量后,通过无线通信传输到网络雨量查询系统上,可实现实时查收。雨量查询系统见图1。

图1 雨量查询系统

2.1.3 涌水量监测

为了准确测定隧道内控制安全风险的各岩溶涌水点涌水量,采用钻孔涌水及堰测法相结合的测定方法。水量较小时采用量桶法量测,水量较大时集水归槽后采用堰测法量测;在集中汇水点设置“SONTEK Argonaut SW多普勒流速测量仪”24 h不间断进行流量自动监测。

2.1.4 水压力监测

选择水量较大的钻孔作为水压测试孔,将水压表安装在预先安装好的带闸阀的孔口管上,安装方法如图2所示。关闭其他钻孔孔口管闸阀,开始进行水压测试,测试频率为 30 min记录 1次,待水压力基本稳定后每 1h测 1次,直到水压稳定 5 h后,继续观测水压变化,观测 48 h后水压基本不变,即测得最终静水压。

每实施 1次超前钻孔均布置不受开挖影响的水压监测孔;每个溶腔布置不少于 1孔进行水压监测且安装双水压表互相校核。为防止溶腔充填物堵塞测压表,在钻孔内设置软式透水管,水压表前设置空气室。采用注浆封闭孔口管与岩壁间空隙,避免孔口周边透水,影响水压测试效果。一般情况下,每天早上8:00及晚上 8:00各监测 1次水压;降雨期间或雨后一定时间每 2 h监测 1次水压。除监测流动状态下的动水压外,还要将所有出水点关闭,测定稳定水压,水压稳定时间不少于 2 h。需经常对压力表进行检查、维修,发现压力表失效时,应及时更换,确保水压力测试数据的准确性、连续性。

图2 水压测试示意

2.2 设定合理安全进洞施工条件,规范预警程序

2.2.1 安全进洞条件设定

野三关隧道“602”高压富透水溶腔与 3号暗河连通,位于Ⅰ、Ⅱ线洞顶正前方。自 2007年 8月初遭遇重大突泥、突水以来,也先后 5次发生重大突水突泥,累计突泥突石约 20万 m3,雨季涌水量为 13～16万m3/d,最大瞬时涌水 76万 m3/d,最高水压 2.0 MPa。为确保雨季施工洞内作业人员的安全,随时掌控洞内异常体的安全状态是确保人员、设备安全的首要条件,为给现场安全管理人员准确、科学的决策提供定量的标准,研究进洞施工的量化指标成为保安全的必备手段。对控制隧道安全的高压富水溶腔建立降雨量、水量、水压观测系统,是分析制定安全进洞施工条件可靠的依据。

(1)野三关隧道 602大型突水突泥溶腔降雨量、涌水量、水压与时间关系见图3、图4。

图3 野三关隧道 602溶腔降雨量与涌水量时间关系曲线

图4 野三关隧道 602大型溶腔降雨量、涌水量时间关系曲线

根据野三关隧道 602大型溶腔降雨量、水量、水压、时间关系曲线可以分析得出如下结论:一是降雨量与水压、水量关系密切,一般降雨 43 h后水压、水量变大;二是单日降雨量不超过 25 mm时水压增加不明显,且均小于 0.3 MPa;三是降雨量与涌水量影响明显,排水降压能力较强;四是连续强降雨与溶腔突水突泥原因极为密切,溶腔释能降压后安全风险大大降低。

(2)安全进洞条件设置

为确保岩溶隧道雨季施工洞内作业人员的安全,随时掌控洞内异常体的安全状态,及时可靠的为现场安全管理人员提供准确、科学的水压、水量指标,降雨量与溶腔水量、水压的关系具有重大意义。根据上述关系图,总结出野三关隧道阶段性安全进洞条件:

①野三关隧道日降雨量不超过 25 mm;

②野三关隧道 +602异常体水压均不超过0.3 MPa;

③洞内水量未发生突然变化和颜色变化;

④应急逃生及联动预警系统完善。

2.2.2 建立风险点快速反应机制

根据制定的安全进洞施工条件,建立风险点预警等级制定及可靠的专项安全应急预案,在洞口设置预警警示牌,施工人员配置风险源明白卡,并定期组织应急演练。

2.2.3 建立高风险地段开挖安全风险评审制度,及时评估及公布风险源

该制度是为保证高风险隧道的开挖安全,防止因草率钻爆开挖而造成突泥突水事故发生。

(1)高风险地段每次钻爆开挖前均必须根据综合超前地质预报、超前预注浆、预支护、初支及监控量测等情况进行安全风险评审,决定能否进行开挖。未经评审或评审未通过的,不得进入下步钻爆作业,评审以地质分析、作业质量、防范措施为依据。

(2)安全评审结论可选择“同意开挖,继续创造开挖条件或停工上报监理及业主”三种形式。安全评审结论为“同意开挖”的,应继续按有关程序报监理和业主审批后进入下步钻爆开挖作业。

(3)为保证评审依据的准确性,对风险地段的超前钻孔、帷幕注浆、超前管棚等关键工序实行作业签认和检查签认制度,即作业负责人和检查人员及时填写《风险地段开挖安全评审表》及《风险地段关键作业及检查签认表》。

3 防灾报警、应急照明及逃生救援系统

3.1 岩溶部位临近报警

从广义上说,地质灾害临近警报也属于超前地质预报范围。针对长大隧道遇到的岩溶地质、突泥、突水等地质灾害,超前预报的关键工作是前述的不良地质体的长期、短期超前地质预报,施工地质灾害临近警报是综合判断不良地质的重要内容。

3.1.1 判别准则

大支坪隧道岩溶水发育,一般在暗河附近、断层带附近、褶皱轴部、可溶岩与非可溶岩接触带等部位易于岩溶发育、岩溶水的储存与运移,施工中易产生突水、突泥等地质灾害。

3.1.2 发生突泥、突水可能性的判断与警报

(1)临近断层水源体前兆

①各种临近断层的前兆。

②断层破碎带及影响带、下盘泥岩、页岩等隔水岩层明显湿化、软化或出现淋水现象。

③其他水流痕迹的出现。

(2)临近大型溶洞水体前兆

①临近各种水源体前出现较多的铁锈染、溶垢或夹泥的裂隙。

②小溶洞出现的频率增加。

(3)临近暗河前兆

①出现大量铁锈染、溶垢裂隙或小溶洞。

②大量出现的小溶洞含有河砂。

③钻孔中的涌水量巨增,且夹有泥砂或小砾石。

3.1.3 施工地质灾害临近警报技术

施工地质灾害临近警报技术主要包括被隧洞掌子面初步揭露的可以造成涌水突泥岩溶构造围岩环境的准确鉴别技术,临近突水或大涌水水源体时的超前探水及突水规模的判断。

一般情况下,突水规模可以用独孔喷射距概略预测涌水级别来判断:

(1)独孔喷射距离 S≤5 m,相当涌水量小于 100 m3/h,为小 、中 、大股涌水 ;

(2)独孔喷射距离 S=5～9 m,相当涌水量为 100～300 m3/h,为小型突水;

(3)独孔喷射距离S=9～12m,相当涌水量为 300～400 m3/h,为中型突水;

(4)独孔喷射距离 S＞12 m,相当涌水量大于 400 m3/h,为大型突水。

3.2 监控量测及观测系统

(1)全面对初支及未衬砌段进行检查,发现水压变形及坍方隐患立即进行结构补强;

(2)成立监控量测专职小组,对已初支及未衬砌段变形监测(拱顶下沉、周边收敛)按规范实施到位,并建立日报及预警制度;

(3)加强隧道被涌水浸泡墙脚部位的观察,防止墙脚失稳;

(4)加强对施工区域内的雨量观测,与当地气象部门紧密合作,在施工区域周围进行雨量观测;

(5)加强洞内水位观测,遇到异常情况通过报警系统及时撤离洞内施工人员。

3.3 防灾报警系统

为防止突发事件发生后及时将灾害信息发送到各作业面,按要求设置可靠的防灾报警系统。

(1)电话报警

在洞内值班点安装程控电话,遇到紧急情况洞内外相互联络。

(2)报警器报警

在各掌子面、施工作业点等危险地段,设置报警联动装置。遇到突发事件按响警报器向洞内人员示警及时撤离。

(3)对讲机报警

为洞内外每个专职安全员和调度人员配发大功率对讲机,在遇险情时通过对讲系统告知洞内作业人员撤离。

(4)喇叭报警

当洞内作业人员较分散且洞内嘈杂时,通过洞内值班员配带的小喇叭传递信息。

(5)口哨报警

通过洞内有轨运输道岔值班员配带的口哨传递信息。

(6)电视监控

在洞内主要作业区设置视频监控系统,全方位全时段对洞内施工情况进行监控。

3.4 应急救援系统(图5)

图5 防灾预警及救援设施布置(单位:cm)

(1)应急救援车

在洞内作业集中区设置救援马槽车及梭矿车,作为专门救援值班车,24h待命。

(2)救生绳

在隧道已施工段边墙两侧悬挂安全绳,安全绳贯通全洞。

(3)救生圈

在隧道洞内各工作面边墙处每隔 30～50 m放置救生圈 1个。

(4)安全平台

在隧道内主要作业区搭设安全平台,并在平台上配备部分救生器材。

(5)救生网

在隧道边墙或洞顶布设救生网。

(6)救生衣

在隧道施工各掌子面均根据施工人员数量配置足救生衣,并易于获取。在高风险作业面须随身穿带。

(7)救生爬梯

各风险作业面及人员集中地段均设置救生爬梯。爬梯长 3m,下端距离地面 1 m,且满足对侧每 50 m 1组,并涂彩色反光漆及配置应急灯,确保紧急情况下易于发现。

除上述所列救生设施外,遇紧急情况还可以利用洞内施工机具及设备进行自救,如衬砌台车、施工台架、木料及空油桶等。

3.5 应急照明系统

在隧道边墙每隔 25m设置应急灯 1盏。

4 安全管理制度

4.1 严格执行进出洞一人一卡登记制度

洞口设值班室,所有进洞人员凭“卡”进洞,检查人员使用“临时卡”,各洞口设专人进行登记,并挂牌公布洞内人员动态。

4.2 配齐专职安全人员

每个作业区配置 2名专职安全员,并佩带袖章,安全员必须对发生安全事故的前兆进行观察,发现问题及时示警疏散作业人员。

4.3 健全安全教育培训制度

对全员每周进行 1次安全教育,通过 VCD、小册子、宣传栏等形式对一线职工进行安全教育;坚持每天早点名安全技术交底制度;对全体人员进行隧道风险源、自救、逃生组识的培训及演练,覆盖到全体进洞人员;完善长效教育培训制度(每月局指组织不少于 2次,处项目部 4次。操作层坚持每天早点名及岗前教育制度)。

4.4 完善防灾逃生演练制度

每月进行 1次防灾逃生演练;每星期一对应急报警及逃生系统检查 1次,随时更换损坏设施,确保报警及逃生系统有效。

5 结语

复杂岩溶隧道系统防灾预警及救援技术是当隧道发生突水突泥等突发性地质灾害时,现场人员能够安全快速躲避、撤离免受伤害和设施免受破坏的安全应急保障系统。该技术是宜万铁路高风险岩溶隧道施工中的一次系统的总结及运用,是风险隧道地质灾害中防止重大人员伤亡及财产损失筑牢安全预防的最后一道关口,具有明显的经济及社会意义。

[1] 徐则民,黄润秋,罗杏春.特长岩溶隧道涌水预测的系统辨识方法[J].水文地质工程地质,2002(4).

[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] 王立暖,马志富,杨贵生.铁路隧道防灾救援技术研究[J].铁道标准设计,2007(S1).

[4] 苗德海.宜万铁路岩溶隧道灾害及防治对策[J].铁道标准设计,2007(7).