宜万铁路复杂岩溶隧道水害综合防治技术.pdf

［收稿日期］ ２００９ － １０ － ３０ ［作者简介］ 马 栋（１９６３ －），男，河南方城县人，教授级高级工程师，主要从事隧道与地下工程的施工、科研工作；Ｅ －ｍａｉｌｍａｄｏｎｇ＠ｃｒｃｃ． ｃｎ 宜万铁路复杂岩溶隧道水害综合防治技术 马 栋 （北京交通大学土木建筑工程学院，北京 １０００４４） ［摘要］ 以宜万铁路８ 座 Ｉ 级复杂岩溶高风险隧道之一的大支坪隧道为背景，通过施工方案、防风险措施的 不断研究与实践，总结出了复杂岩溶隧道规避风险、安全施工、防水害、结构安全的较成功的应对措施。 ［关键词］ 宜万铁路；复杂岩溶隧道；水害；防治技术 ［中图分类号］ Ｕ４５７ ［文献标识码］ Ａ ［文章编号］ １００９ － １７４２（２０１０）０８ － ００９４ － ０５ 1 前言 宜万铁路十六标段大支坪隧道地处湖北省巴东 县境内，隧道全长 ８ ７７６ ｍ，为宜万铁路 ８ 座 Ｉ 级高 风险隧道最具典型和代表性的隧道之一，是全线地 质最复杂的岩溶隧道。 工程风险大，集山区铁路 “艰、难、险”之大成。 其主要不良地质多呈现为岩 溶发育强烈，地下水丰富，管道充填及暗河异常发 育，极易发生突水突泥地质灾害。 隧道发育 ５ 条大 断层，断层伴生岩溶影响带宽。 2 大支坪隧道水文及地质情况 大支坪隧道地处鄂西长江与清江分水岭的巫山 山脉南端八面山系的中山区，隧道斜穿山体，最大埋 深为 ７００ ｍ。 岩溶极发育，主要有石牙、溶沟、溶洞、 漏斗、落水洞、岩溶管道、溶蚀裂隙、暗河等，且地表 水补给迅速，设计最大涌水量为 ４４ １０ ４ ｍ ３ ／ ｄ。 图 １ 所示为大支坪隧道地质剖面及隧道平面设计图。 图1 大支坪隧道地质剖面及隧道平面设计图 Fig． 1 Geological profile and plane surface design of Dazhiping Tunnel 大支坪隧道自 ２００４ 年 ８ 月份开工以来，历时 ３ 年，施工中先后超前探测到溶腔 ８６ 处，其中大规 模突水、突泥溶腔 １４ 次，最大涌水量达 ３６． ３ １０ ４ ｍ ３ ／ ｄ。 49 中国工程科学 3 复杂岩溶隧道水害防治综合技术 针对大支坪隧道复杂岩溶不良地质情况，为防 范重大突水突泥地质灾害及永久运营结构防水害安 全，在施工过程中，主要采用了综合超前地质预测预 报、隧道围岩预注浆、迂回绕行、泄水洞排泄、防灾预 警及救援等综合施工技术。 3． 1 综合超前地质预测预报地质分级及方法组合 ３． １． １ 不同地质风险级别划分 １）Ａ ＋级可能发生大型 ～ 特大型突水突泥及重 大物探异常段落。 ２）Ａ 级可能存在较大地质灾害的地段，如可能 遭遇大型暗河系统，发育重大软弱、富水、导水性良 好的断层；可能诱发环境地质灾害的地段以及高地 应力、瓦斯灾害严重的地段。 ３）Ｂ 级可能发生中 ～ 小型突水突泥、存在较大 物探异常、断裂带等地段。 ３． １． ２ 不同地质分级实施方法组合及频次 图 ２ 为不同地质分级实施方法组合及频次。 Ａ ＋级 地质素描加密观测，注意成灾先兆 长距离 ＴＳＰ２０３，１００ ｍ 超前长距离钻孔，１００ ｍ 中距离→超前水平钻１ ～ ３ 孔，３０ ～ ６０ ｍ 短距离 地质雷达１５ ～ ３０ ｍ 红外探水２０ ｍ 超前水平钻不少于 ６ 孔 （含中距离钻孔），距离 ３０ ｍ 超长炮眼５ 孔，５ ～ １０ ｍ 必要时孔中 ＣＴ 和成像 Ａ 级 地质素描 长距离 ＴＳＰ２０３，１００ ｍ 短距离 超前水平钻 １ 孔，距离 ３０ ｍ 异常不少于 ３ 孔，距离 ３０ ｍ 超长炮眼３ ～ ５ 孔，５ ～ １０ ｍ 异常处、富水岩溶发育层面 地质雷达１５ ～ ３０ ｍ 红外探水２０ ｍ Ｂ 级 地质素描 长距离 ＴＳＰ２０３，１５０ ｍ 短距离 超长炮眼３ 孔，５ ～ １０ ｍ 异常处、富水岩 溶发育层面 地质雷达１５ ～ ３０ ｍ 红外探水２０ ｍ 超前水平钻１ ～ ３ 孔，距离 ３０ ｍ 图2 不同地质分级实施方法组合及频次 Fig． 2 Combination of implement and frequency on various geological classifications ３． １． ３ 综合超前地质预测预报成果 大支坪隧道自 ２００４ 年 ８ 月份开工以来，ＴＳＰ２０３ 预测预报累计完成 １７６ 次；地质雷达 ６３０ 次；地质素 描１３ ９００ ｍ；红外探水９ ９６０次；矱 １０８ 钻孔５３ ５００ ｍ； 超长炮孔 １２５ ０００ ｍ。 采用综合超前地质预测预报 技术，成功规避了可能对施工安全造成重大威胁的 地质异常体及高风险点 ８６ 处。 ＴＳＰ 对隧道地质异 常的准确预报达到 ８５ ％以上，采用综合预报手段未 遗漏可能引发地质灾害的地质构造体，为工程正常 进展提供了可靠的安全保障。 １）大支坪隧道Ⅰ线正洞 ＤＫ１３２ ＋ ２９１ 涌水综合 探测实例ＴＳＰ２０３，地质雷达及超前钻孔均探明前 方富水，Ⅰ线正洞 ＤＫ１３２ ＋ ２９１ 及时采取了止浆墙 封闭。 经进一步探测，探明前方为一大型充填溶腔， 最大日涌水量 ３ １０ ４ ｍ ３ ，水压为 ０． ８ ＭＰａ，为正确 选定 ５ ｍ 帷幕预注浆、管棚及 Ｋ１． ０ 抗水压方案提 供了可靠依据。 现经实际开挖已证明地质超前预报 的准确性。 ２）ＰＤＫ１３２ ＋ ９００ 掌子面涌水探测实例大支坪 隧道平导 ＰＤＫ１３２ ＋ ９００ 掌子面，３ 个水平钻孔未探 到 ＴＳＰ２０３ 异常体，但掘进到 ＰＤＫ１３２ ＋ ８９５ 里程时， 布设于掌子面右侧拱脚的 ５ ｍ 超长炮孔钻探到岩溶 管道涌水。 超长炮孔探测见图 ３。 图3 超长炮孔探测 Fig． 3 Exploring by super － long borehole ３． １． ４ 综合超前地质预测预报小结 在隧道施工中，有效应用隧道综合超前地质预 测预报技术，不但规避化解了地质灾害的发生，而且 超前预报及临近报警为提前制定合理施工预案提供 了可靠依据，为隧道实现安全、快速、高效施工提供 了可靠技术保障。 综合超前预报技术的各种手段也存在其各自的 局限性，各种手段其探测的侧重点也不尽相同，更不 能依赖单种预报方法，需采取多种手段、综合探测、 相互验证、相互补充。 而且综合超前预报技术的应 用需要大量工程实践，需在施工中，不断积累经验， 总结规律。 3． 2 隧道围岩预注浆技术 59 ２０１０ 年第１２ 卷第 ８ 期 ３． ２． １ 注浆方案选择 注浆方案应根据隧道工程、水文地质情况初步 选定，施工中根据超前地质预测预报成果调整完善， 合理选择注浆方案。 １）超前帷幕预注浆对可溶岩与非可溶岩接触 带、断层破碎带及向斜核部、物探异常区等，预测储 水量大、水压高，直接揭示极可能产生严重突水突泥 地段，采用超前帷幕预注浆方案。 预注浆加固圈固 结范围正洞为开挖轮廓线外３ ～ ８ ｍ；平导为开挖 轮廓线外 ２ ～５ ｍ。 超前帷幕预注浆方案实例见 图 ４。 图4 超前帷幕预注浆方案实例 （单位cm） Fig． 4 Example of advanced curtain pre － grouting schedule （unitcm） ２）全断面径向注浆对岩体完整、其结构性能 可保证开挖安全，但大面积淌水流量大于控制排水 量，且预测地下水压力较小时，实施开挖后全断面径 向注浆，注浆加固固结范围正洞为开挖轮廓线外 ３ ～ ５ ｍ；平导为开挖轮廓线外 ３ ｍ。 全断面径向注 浆方案实例见图 ５。 ３）局部注浆岩体完整、其结构性能可保证开 挖安全，但局部出水且流量大于控制排水量时，仅对 出水处实施局部注浆。 ４）补注浆注浆后流量仍大于控制排水量、注 浆固结圈综合渗透系数大于设计控制值或仍有局部 出水点时，实施补注浆。 注浆加固范围如图 ６ 所示。 ３． ２． ２ 注浆应用实例 大支坪隧道穿越 ＤＫ１３１ ＋１５５ ～ＤＫ１３１ ＋１９８， ＤＫ１３１ ＋ ６１８ ～ＤＫ１３１ ＋６５０，ＤＫ１３２ ＋２９０ ～ＤＫ１３２ ＋ ３２０，ＤＫ１３２ ＋ ９４０ ～ＤＫ１３２ ＋９７０，ＤＫ１３３ ＋ ００６ ～ ＤＫ１３３ ＋ ０３６，ⅡＤＫ１３２ ＋ ９００ ～ⅡＤＫ１３３ ＋ ０２０ 等富 水段，超前地质预测预报均探明岩溶极为发育，涌水 量大，水压 ０． ７ ～ １． ２ ＭＰａ，地表水和地下水连通，直 接开挖极易发生重大突水突泥安全事故。 经方案比 选，采用了“以堵为主，限量排放” 的加固圈外 ５ ～ ８ ｍ超前帷幕预注浆方案。 截至目前，大支坪隧道 已成功完成帷幕注浆 １２ 个循环，注浆效果良好，有 效遏制了隧道涌水对施工及结构安全带来的威胁， 安全顺利通过了不良地质段。 下面为 Ⅰ 线正洞 ＤＫ１３２ ＋ ２９１掌子面前方大型充填溶腔采用 ５ ｍ 帷 幕预注浆、管棚及 Ｋ１． ０ 抗水压方案成功通过实例。 现经实际开挖已证明帷幕注浆防水害的成功典例。 3． 3 迂回绕行 喀斯特地区岩溶发育明显特征是岩溶发育的无 69 中国工程科学 图5 全断面径向注浆方案实例（单位cm） Fig． 5 Example of full － face radial grouting schedule（unitcm） 规律性、孤立性、突发性和复杂性。 在综合超前地质 预测预报精确探明前方地质情况下，遇灾害性岩溶 强烈发育地段时，考虑正面突破风险大、时间长、费 用高等特点，需采用“迂回绕行，降低风险，快速突 破，反向处理，向前开辟工作面”的技术方案。 迂回 绕行作用为ａ．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；ｂ．可超前正洞向前开辟工作面，加快 施工进度；ｃ．有利于施工通风和排水，改善掌子面 的工作条件；ｄ．有利于施工及运营期间的逃生及 图6 注浆加固范围 Fig． 6 Grouting range 救援。 ３． ３． １ 迂回绕行实例 １ 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 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， 水 量 约 １ １０ ４ ｍ ３ ／ ｄ， 总 突 泥 量 约 １ １０ ４ ｍ ３ 。根据设计资料显示，此大型异常区横跨 Ｉ，Ⅱ线及迂回导坑，影响区域宽 ２８０ ｍ，长约 ４４０ ｍ， 异常区核心体积达 １． ５ １０ ４ ｍ ３ 以上，多为岩溶发 育充填流塑性泥砂及高水压。 为早日实现安全突 破，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， 在平导右侧 ３０ ｍ 处设迂回导坑，见缝插针，利用岩 溶发育较弱地带迂回通过，取得了成功。 迂回绕行 方案见图 ７。 ３． ３． ２ 迂回绕行实例 ２ ２００５ 年 ５ 月 ２４ 日，ＴＳＰ 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（见图 ８）。 3． 4 泄水洞排水降险 大支坪隧道岩层破碎、岩溶极发育，多处为地下 水汇集处，具有强烈富水性和透水性，隧道涌水点多 与地表有较强的水力联系，易形成较大规模突水、突 泥。 为防止只堵不排造成的水压积聚风险，单由较 强抗水压支护结构抵抗外荷载，不仅费用高，施工难 度大，而且易为今后运营水害埋下永久安全隐患。 为了确保施工及今后运营安全，防止由于过量排水 79 ２０１０ 年第１２ 卷第 ８ 期 图7 迂回绕行方案 Fig． 7 By － pass construction schedule 图8 PDK131 ＋ 547 岩溶管道探测及迂回绕避 Fig． 8 Exploring karst conduit and by － pass construction in PDK131 ＋ 547 section 造成水环境过度改变，采用了“堵排结合，限量排 放，增加泄水洞”的设计及技术方案，不仅保持了水 环境，降低了抗水压结构费用，而且可通过泄水支洞 或暗涵与各高压涌水点相通，将涌水由设置在平行 于正洞的贯通泄水洞直接排泄降压，以达到“堵排 结合，综合治理”的目的。 4 结语 复杂岩溶隧道水害防治必须在综合超前地质预 测预报探明含水构造位置、结构大小、水压、水量及 充填物性质的前提下，综合判释及评估其对施工及 结构安全的风险程度，坚持“堵排结合，综合治理” 的施工及设计原则。 同时为防止或减轻重大突发性 地质灾害对施工人员及设备的重大伤害及损失，需 完善防灾预警及救援系统，并进行定期检查及逃生 演练。 Combined prevention and treatment technology on water disaster in complex karst tunnel of Yichang- Wanzhou Railway Ｍａ Ｄｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ） ［Abstract］ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄａｚｈｉｐｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ ｔｈａｔ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｉｇｈｔ ｃｏｍｐｌｅｘ ｋａｒｓｔ ｔｕｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｒｉｓｋ ｏｎ Ｙｉｃｈａｎｇ- Ｗａｎｚｈｏｕ ｒａｉｌｗａｙ， ｂｙ ｕｎｃｅａｓｉｎｇ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｄｕｌｅ ａｎｄ ｒｉｓｋ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ， ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｒｉｓｋ， ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｓａｆｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ｐｒｅｖｅｎ- ｔｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｄｉｓａｓｔｅｒ ａｎｄ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓａｆｅｔｙ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍｒｉｚｅｄ． ［Key words］ Ｙｉｃｈａｎｇ- Ｗａｎｚｈｏｕ Ｒａｉｌｗａｙ； ｃｏｍｐｌｅｘ ｋａｒｓｔ ｔｕｎｎｅｌ； ｗａｔｅｒ ｄｉｓａｓｔｅｒ； ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 89 中国工程科学