复杂地质条件下岩溶台地隧道灾变风险评估:以安平隧道为例

胡新红, 龚道平, 胡惠华, 钟龙辉, 姚军

(1. 湖南省交通规划勘察设计院有限公司, 长沙 410200; 2. 中南公路建设及养护技术湖南省重点实验室, 长沙 410200)

岩溶隧道的地质灾变问题如突水突泥等是中外隧道工程中的重大难题。在岩溶区、采空区等进行隧道施工多年来,中国在铁路、水工、石油管道、公路隧道施工中均遇到了突水、涌泥、顶板洞穴充填物陷落冒顶、采空区底板塌陷等问题[1-3]。由于岩溶发育的隐伏性,常规手段下对其预判性有限,其带来的地质灾害往往是突发性的,只要发生,带来的经济损失不可小觑。近年来,三黎高速盘岭隧道、沪蓉西高速龙潭隧道、齐岳山隧道在施工过程中均多次发生突水突泥事故,损失惨重,如何能较为准确的对隧道灾变风险进行控制或较为全面的进行评估,逐渐成为岩溶隧道建设给的关键技术问题之一[4-5],钱七虎[6]对隧道突水模型及研究发展趋势作了全面的分析总结。李浪等[7]研制出深长隧道突水地质灾害三维模型试验系统,采用该设备并通过模型试验方法,获取了掌子面前方突水最小安全隔水岩层厚度。Gao等[8]基于改进的周向动力学,进行多次模拟,研究不同因素对突水通道演化过程的影响规律,揭示了突水通道的形成机理和演化过程。雷鹏博[9]从水流侵蚀-颗粒流失角度出发,依据力矩平衡推导获得可动颗粒临界起动流速公式。李利平等[10]根据弹塑性力学和断裂力学理论,推导了岩溶隧道裂隙突水防突安全厚度半解析解。Liu等[11]建立溶洞位于隧道前方时的三维破坏模型,并基于极限分析上限定理推导出规则溶洞与隧道临界安全距离的相应解析解。Song等[12]利用三维数值方法FLAC3D模拟充水洞穴中阻水岩体结构破坏后突水的演化过程,得到破坏引起的前兆突水信息的演化模式。上述众多成果多是对岩溶、采空区发生突水突泥判据的研究,但因地质环境、施工因素等的复杂性、不确定性,导致突涌水灾变过程的高突发性和强隐蔽特征,使得理论研究的适应性不强,实际应用到施工风险控制中还有一定距离。

为了解决龙琅高速安平隧道岩溶、采空区带来的工程难题,在路线选择初期,采用宜避不宜绕的设计理念,根据现场地质调查情况,对隧道施工阶段可能发生的如突水突泥、库水倒灌、采空区垮塌及瓦斯爆炸等灾变风险采用模糊层次分析法、定性评估、定量评价等方法进行综合评估,确定控制灾变风险的关键性因素,为路线设计初期绕避关键性因素进行的隧道地质选线、平纵断面设计提供地质依据,为无法绕避的关键性因素提供不良地质处治意见。

1 项目概况

1.1 隧道工程概况

龙琅高速公路安平隧道穿越车田江复式向斜台地南东翼缘,左线隧道起于ZK13+130,终于ZK16+735,全长3 605 m;右线隧道起于K13+180,终于K16+750,全长3 570 m;隧道宽10.75 m,高5.0 m,进口高程约436.61 m,出口位于向斜核部水库边,高程约505.94 m,最大埋深345 m。受向斜核部水库标高控制,纵坡采用“人”字坡设计。

1.2 隧址地质概况

隧址区主要区域性构造为车田江-锡矿山复式向斜,向斜轴向北东30°～35°,总体呈近似棱形向斜盆地,车田江水库位于盆地中。组成向斜核部的大冶组薄层灰岩在长期的强烈挤压应力作用下,形成了一系列次级褶皱,产状变化很大,从平缓到直立均有。隧址区发育F5、F5-2两条压扭性逆断层,受其作用和影响,隧道区构造节理、带状岩溶发育,地下水位高且水量丰富,对隧道影响极大。

隧道区从进口至出口,贯穿二叠系下统茅口组(P1m)钙质页岩、(白云质)灰岩,二叠系上统龙潭组(P2l)页岩夹煤层,大隆组(P2d)灰岩、钙质页岩,如图1所示。其中,P1m灰岩岩溶发育较强烈,以竖直岩溶发育为主;P2d岩溶发育强烈,顺层和竖直岩溶均发育。

图1 车田江-锡矿山复式向斜南东翼二叠系下统茅口组剖面图Fig.1 Section view of Lower Permian Maokou Formation on the southeast wing of Chetianjiang-Xishan complex syncline

2 主要地质问题

公路穿越该复式向斜岩溶发育台地及含煤地层时,主要存在以下5个方面的地质问题:洞身的F5和F5-1断层带的高压富水、洞身段发育的岩溶及岩溶水、隧道贯穿出口段长冲煤矿采空区的突水及塌陷、车田江水库库水倒灌。

2.1 高压富水断层带

隧道洞身发育两条区域性断层:F5和F5-1,根据调查、物探及钻探揭露,具体如下。

(1)F5断层为压性逆断层,发育于麻溪洞—牛郎村—月光崖走廊带,与路线近垂直相交,产状约320°∠60°,受该断层影响形成的挤压破碎带宽80～140 m,断层延伸长度大于30 km。地表显示为宽100～200 m的山腰平台,平台上岩溶发育,表现为岩溶漏斗、落水洞呈串珠状分布。虽走向与隧道轴线近垂直相交,但地表所形成的负地形,是良好的地表水下渗通道,为该断层带内的地下水提供了充足的水量补给来源。破碎带长期受地下水作用,溶蚀强烈,形成了规模不等的溶蚀裂隙、溶洞甚至地下暗河。根据钻孔内水位测量数据(表1),水位位于隧道顶约80 m,地下水水位高,水量较丰富,为高压富水带。

表1 隧道钻孔揭示地下水高程情况Table 1 Tunnel boreholes reveal groundwater elevation

(2)F5-1断层是F5断层的平行断裂,两者距离约500 m,产状约320°∠65°,整体陡于F5断层,其挤压破碎带宽为100～150 m,溶蚀情况与F5断层相似,钻探揭露其地下水水位高,且水量丰富,为高压富水带。

上述2条断层溶蚀强烈,根据各钻孔揭露的地下水水位情况,隧道区内整体地下水水位高,为高压富水断裂带,隧道在掘进过程中,容易发生突水、涌泥等地质灾害。

2.2 岩溶及岩溶水

受两条断裂的作用和影响,构造节理、次级小断层发育,岩溶特别发育,以溶蚀裂隙、溶洞、地下暗河为主,甚至几者相互叠加。根据对隧道所在台地的地质调查情况揭示,台地地表分布有大量洼地、落水洞及地下水排泄点(表2),同时也见大型串珠状岩溶漏斗,其分布位置于物探资料揭示情况吻合。根据所布钻探验证,带内岩溶发育,地下水丰富。

表2 隧道附近地下水主要排泄情况调查Table 2 Investigation on the main discharge of groundwater near the tunnel

隧道穿越岩溶发育地带,易遇到岩溶塌陷、成洞困难、突水、涌泥等现象,对围岩稳定、施工安全存在较大风险。

2.3 采空区突水及塌陷

隧道出口端分布有长冲煤矿,如图2所示,根据《长冲煤矿资源储量核实报告》,矿区出露地层有第四系(Q)覆盖层、上二叠统大隆组(P2d)灰岩和泥质灰岩、龙潭组(P2l)硅质页岩和下二叠统茅口组(P1m)灰岩等。含煤地层为上二叠系上统龙潭组(P2l),层位稳定,属较稳定型。煤层顶板为硅质页岩、砂岩,局部出现伪顶,厚1.20～18.20 m。根据顶板岩性组合特征及其物理力学性质,属不易冒落型Ⅱ～Ⅲ类顶板;煤层底板为泥岩或砂岩,其下为硅质页岩。

图2 井下巷道分布Fig.2 Underground roadway distribution

勘察区内可采煤层埋深15～365 m,准采标高为600～250 m,煤层产状走向北东35°,倾角约15°,可采煤层为多层,厚0.3～6.3 m,平均开采厚度为2.2 m,煤层结构简单,层位稳定。矿井为斜井+平硐开拓,采用长壁采煤法,全部顶板陷落法顶板管理,现有主井、风井各一个。

(1)突水。根据井下巷道分布如图2所示,隧道洞身约240 m位于煤矿采空区内,该煤矿在2010年发生了严重透水事故而关闭,调查发现,现采空区洞口已成为主要的地下水排泄通道,且水量非常丰富。根据钻孔内水位测量,其水位高于隧道顶板,隧道通过采空区时极易产生涌水和突泥现象,对围岩稳定、施工安全存在较大风险。

(2)塌陷。采空区的塌陷已基本完成,但部分地带仍存在塌陷未完成的现象,钻孔CZK15-2揭露在煤层段存在0.50 m的空洞。根据采空区工程地质纵断面图,如图3所示。隧道施工穿过垮落带及裂隙带时,隧道洞顶可能出现垮塌、隧道底板出现不均匀沉降现象。对围岩稳定和施工安全存在一定风险。

图3 采空区工程地质纵断面图Fig.3 Engineering geological profile of goaf

2.4 隧道高瓦斯

根据《湖南省涟源市晏家铺矿区长胜煤矿矿山储量年报》(2008年1月—2012年12月),2003年7月29日由涟源市古塘乡安监站对王家煤矿(长冲煤矿前身)进行了瓦斯监定。其瓦斯绝对涌出量为0.700 m3/min,相对涌出量为8.4 m3·t/d,煤尘爆炸指数达22.8%。根据《公路隧道设计细则》(JTGT D70—2010)14.3.1规定,瓦斯绝对涌出量>0.50 m3/min为高瓦斯隧道工区,煤尘爆炸指数>10%,煤层易产生煤层爆炸和自然。对施工安全存在一定风险。

2.5 水库库水倒灌

隧道前段长约2 km的隧道处于车田江水库水位以下,后段长约1.5 km位于库水位以上。前2 km隧道有面临库水通过管道流或涌流等方式倒灌,可能对施工安全存在风险。

3 灾变风险评估

3.1 突水突泥风险评估

3.1.1 影响因素分析

致使隧道发生突水涌泥地质灾害的影响因素众多,本项目组织多位专家进行商讨和研究,对安平隧道所处的孕险环境(岩溶水文地质与工程地质条件)进行评估,并利用模糊层次分析法[13]建立风险评估体系[14],筛选出了突水涌泥的主要关键性一级指标因素,即隧道洞身揭露的岩溶发育程度、形态及空间位置、地表水特征因素、隧道洞身所处岩溶地下水动力分带,并进一步甄别确定了各影响因素的二级风险指标,综合考虑突水涌泥影响各因素间的相互关系,计算出每个因素的最终权值,评估出各段发生突水涌泥的主控因素,层次结构分析模型如图4所示。

图4 岩溶突水涌泥影响因子体系框图Fig.4 Block diagram of karst water gushing influence factor system

3.1.2 结构模型的建立

(1)评价指标的权重的确定。采用1～9标度方法[15]构造判断矩阵Pn×n,通过式(1)～式(4)分别计算因素权向量ω、最大特征值λmax、随机一致性比率CR。采用式(5)、式(6) 计算因素总排序权值与对应的随机一致性比率。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

组建判断矩阵,确定各层次及各影响因子的权重根。依据建成的各影响因子重要性比较标度表,对前述选定的隧道岩溶涌水影响因子的层次结构及相关依据建成的各影响因子重要性比较标度表,对前述选定的隧道岩溶涌水影响因子的层次结构及相关关系进行判断比较,分别组建A-B、B1-C、B2-C和B3-C的判断矩阵,用方根法计算出各矩阵的最大特征根及特征向量,并进行一致性检验,组建A-B判断矩阵计算B1、B2和B3对A的权重。同理,可组建相应的判断矩阵B1-C、B2-C和B3-C,并分别得出C对B的权重。

(2)评价指标的隶属度确定。结合现场调查成果及文献[15]的危险性等级划分标准,将各评价指标对隧道突涌水的危险程度划分为3个等级,各等级的区间限值如表3 所示。

表3 指标评级标准Table 3 Index rating standard

其次,针对不同评价指标的危险性等级赋予对应的隶属度值及不同隶属度的评价值,赋值标准如表4、表5所示。

表4 各指标隶属度值赋值标准Table 4 Standards for the membership value of each index

表5 不同隶属度的评价值Table 5 Evaluation value of different membership degrees

3.1.3 评估风险等级划分

隧址区地下水主要接受大气降雨补给,使得隧址区的地下水具良好补给来源,为隧道突涌水提供了较好的水力条件。根据现场地质调查统计如表6所示,将隧道分为3个地下水系统,分别进行突涌水风险等级评估。

表6 各评级指标参数调查值Table 6 Survey value of each rating index parameter

基于表6中的现场调查数据,采用表3中的取值标准,利用1～9标度方法构建岩溶水文地质与工程地质条件各因素判断矩阵,可求得各级指标的权重如表7所示。

表7 各级影响因素的权重Table 7 Weights of the influencing factors at all levels

同时,基于表6中的现场监测数据,采用表3～表5中的取值标准,可求得隧道洞身揭露的岩溶发育程度、形态及空间位置、地表水特征因素、隧道洞身所处岩溶地下水动力分带的二级风险指标隶属度矩阵,具体如下。

(1)K13+180～K14+500段。

(2)K14+500～K15+000段。

(3)K15+000～K16+750段。

R1、R2、R3分别为各一级指标对应的二级风险指标隶属度矩阵。

根据计算出的各影响因子的权重计算出的风险分值,对风险等级进行划分,<0.25为低风险,0.25～0.5为中等风险,>0.5为高风险。计算结果如表8所示。

表8 风险等级评价Table 8 Risk rating assessment

根据风险等级评价结果,隧道在K13+180～K14+500段发生突水涌泥的风险较K14+500～K15+000段、K15+000～K16+750段高。同时,在K13+180～K14+500、K14+500～K15+000段岩溶通道与洞身的距离、地下水水头与洞身高程差对隧道突水涌泥影响最大,而K15+000～K16+750巷道目前最大出水量对该段的突水涌泥影响最大。

在设计时需充分考虑岩溶通道与洞身的距离、地下水水头与洞身高程差及采空区涌水巷道3个因素的影响,平面上避开主要落水洞,纵断面上抬高隧道出口段设计标高。

3.2 库水倒灌风险评估

水库的历史分析:车田江水库1978年建成,同年开始蓄水运行。水库建成超过40年,无任何渗漏记录,库区下方安平镇(相对高差约300 m)也从未受到车田江水库漏水所带来的安全隐患。因此分析认为车田江水库库水倒灌隧道的风险非常小。

地质构造及地层岩性分析:车田江水库库区位于车田江向斜核部区域,内出露岩性为三叠系下统大冶组的薄层状泥质灰岩,底部为页岩,整个层厚600～700 m,像一只椭圆形的盆托着车田江水库。而该套岩层(这个盆)岩溶不发育,且泥质含量较高,为一相对隔水层。水库水倒灌至隧道须穿过600～700 m的相对隔水层,其可能性非常小。

渗流路径分析:通过抬升隧道洞身纵坡,并设置变坡点,使K15+140～K16+750段约1 610 m位于车田江水库水位高程488.223 m以上,根据渗流路径,该方案阻水地段实际长度大于1 610 m,增加了安全储备,降低施工时库水涌入隧道的风险。

综上所述,抬升隧道洞身纵坡,增加隧道位于水库水位高程以上长度,能有效地降低库水倒灌风险。

3.3 采空区稳定性评估

3.3.1 采空区上覆岩层冒落带、裂隙带计算[16-18]

根据项目勘探揭露地质条件,隧道区内煤层倾角约15°,属缓倾斜矿层,煤层顶板为硅质页岩、砂岩,属于中硬岩。根据《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D-31-03—2011)[17],采空区冒落带最大高度Hm及裂隙带最大高度H1的计算公式分别为

(7)

(8)

式中:∑M为累计采厚,m。

隧址区内煤层厚0.3～6.3 m,平均开采厚度为2.2 m,经计算其冒落带最大高度Hm为9.70 m,裂隙带最大高度H1为36.50 m。

3.3.2 采空区地表移动变形计算

(1)采空区地表最大下沉值Wmax及剩余下沉值W计算。在充分采动条件下,倾斜矿层(煤层倾角15°)可采用概率积分法计算地表移动变形最大值。采空区地表最大下沉值Wmax的计算公式为

(9)

式(9)中:m为倾斜矿层沿法线方向厚度,m,取煤层平均开采厚度2.2 m;q为下沉系数,根据《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D-31-03—2011)[17]附录D取0.55;煤层倾角α取15°。

因此,计算得到采空区地表最大下沉值为1 253 mm。

根据钻孔资料揭示,采空区尚存在空洞,说明采空区部分地段至今尚处于悬空状态,未完成塌陷自行填塞。结合钻孔内裂隙发育程度和高度,及经采区的地质条件情况分析,按工程经验,采空区在形成5年以后,已经完成最大变形量的85%,故,计算得采空区剩余下沉值W约为188 mm。

(2)采空区地表最大倾斜值剩余量i计算,计算公式为

(10)

式(10)中:H为采空区采深,m,根据井下巷道分布图及标高可得,隧道下伏4个巷道采深分布为112、115、146、151 m;β为主要开采影响角,(°),其值参考《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D-31-03—2011)附录D取65°,计算得到各巷道最大倾斜值剩余量如表1所示。

(3)采空区地表最大曲率值剩余量K计算,计算公式为

(11)

计算结果如表1所示。

(4)采空区地表最大水平变形值剩余量ε计算。计算公式为

(12)

式(12)中:θ为开采影响传播角(最大下沉角),(°),根据覆岩类型及性质查《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D-31-03—2011)[17]附录D取70°;b为水平移动系数,根据覆岩类型及性质查《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D-31-03—2011)[17]附录D取0.2;计算得采空区地表最大水平变形值剩余量ε如表9所示。

表9 采空区地表剩余移动变形量计算结果Table 9 Calculation results of residual surface movement and deformation in goaf

(5)采空区稳定性评价。经计算得冒落带最大高度Hm为9.70 m,裂隙带最大高度H1为36.50 m,而隧道底板至巷道顶最小厚度95.70 m,隧道未落于裂隙发育带范围内。

根据《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D-31-03—2011)[17]中按照地表移动变形值确定的场地稳定性等级评价标准,从剩余下沉值分析,隧址区处于基本稳定状态;从最大倾斜值剩余量分析,巷道1区、巷道2区处于基本稳定状态,巷道3区、巷道4区处于稳定状态;从最大曲率值剩余量分析,隧址区处于稳定状态;从最大水平变形值剩余量分析,巷道1区、巷道2区处于欠稳定状态,巷道3区、巷道4区处于基本稳定状态。

综合上述各指标及现场钻孔资料揭露情况分析,判断认为采空区处于欠稳定～基本稳定状态,建议在隧道施工过程中对相应采空巷道进行注浆等加固处治。

3.4 隧道瓦斯风险评估

根据《公路瓦斯隧道技术规程》(DB51/T 2243—2016),绝对瓦斯涌出量Qa可按式(13)确定。

Qa=Q1+Q2+Q3

(13)

式(13)中:Q1为隧道开挖掌子面爆落煤块瓦斯涌出量,m3/min;Q2为隧道新暴露工作面瓦斯涌出量,m3/min;Q3为隧道施作喷混凝土地段洞壁瓦斯逸出量,m3/min。

经初步预测,安平隧道绝对瓦斯涌出量Qa=0.150+0.592+0.016=0.758 m3/min。同时,根据《储量年报》的监测数据,其瓦斯绝对涌出量为0.700 m3/min,瓦斯绝对涌出量预测值和监测值均大于0.50 m3/min,为高瓦斯隧道工区,建议按高瓦斯隧道进行设计。

4 结论

以安平隧道为例,采用宜避不宜扰的设计理念,在隧道线路设计初期,从地质角度出发,分析隧道线路范围内的主要地质问题及可能发生的地质灾变风险,并对其进行评估和评价,确定控制灾变风险的关键性因素及针对灾变的线路绕避及平纵设计方案,为隧道地质选线、设计及不良地质处治提供了相应的地质依据。得出如下结论。

(1)根据隧道灾变风险评估,隧道设计需充分考虑岩溶通道与洞身的距离、地下水水头与洞身高程差及采空区涌水巷道3个因素的影响,平面上避开主要落水洞,纵断面上抬高隧道出口段设计标高。

(2)根据库水倒灌风险评估,得出抬升隧道洞身纵坡,增加隧道位于水库水位高程以上长度,能有效的较小库水倒灌风险的结论。

(3)根据采空区稳定性评估,判断认为采空区处于欠稳定～基本稳定状态,建议在隧道施工过程中对相应采空巷道进行注浆等加固处治。

(4)根据隧道瓦斯风险评估,该项目为高瓦斯隧道工区,建议按高瓦斯隧道进行设计。

根据上述结论综合分析,最终确定了路线设计最终方案:隧道采用了“人”字坡的形式,隧道起点K13+180～K16+080段采用2.9%的单坡,进口高程为436.61 m,爬坡至最高点时高程为507.88 m,高于车田江水库水位高程488.223 m;K16+080～K16+750段采用-0.3%的单坡,出口高程为505.94 m。