任永華，曾維德

(貴廣鐵路有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng) 550014)

貴廣鐵路三都隧道巖溶高壓富水段施工技術(shù)研究＊

任永華，曾維德

(貴廣鐵路有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng) 550014)

對(duì)三都隧道巖溶高壓富水段施工的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，施工處理方案和施工過程進(jìn)行研究，認(rèn)為巖溶高壓富水段施工宜采用以地質(zhì)分析法為基礎(chǔ)，以超前水平鉆孔為核心，結(jié)合物探法的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行分析;在了解巖溶高壓富水段地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用打開(暴露)溶洞+結(jié)構(gòu)處理方案。結(jié)果表明，采用該方法施工后監(jiān)測(cè)位移滿足規(guī)范要求，并經(jīng)實(shí)際施工后已順利通過該段。該施工方法可為類似工程提供有益參考。

三都隧道;綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào);處理方案;施工技術(shù)

大量國(guó)內(nèi)外隧道工程的實(shí)踐表明，制約深埋山嶺隧道特別是巖溶隧道建設(shè)的主要因素是地質(zhì)災(zāi)害及其伴生的地質(zhì)環(huán)境問題，其中涌突水問題尤為棘手。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)［1－2］，國(guó)內(nèi)外隧道涌水量超過1.0×104m3/d的大型涌突水事件中，70%都發(fā)生在巖溶隧道中，而在我國(guó)30余座長(zhǎng)大巖溶隧道中，約40%發(fā)生過大于10.0×104m3/d的嚴(yán)重涌突水事故。

巖溶隧道施工過程發(fā)生涌突水不但會(huì)造成嚴(yán)重的傷亡事故和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且施救難度非常大，致使工期延長(zhǎng)，甚至還會(huì)為隧道運(yùn)營(yíng)留下安全隱患。許多學(xué)者對(duì)如何處理巖溶隧道高壓富水段進(jìn)行了有益的探索。張健儒［3］在對(duì)隧道斷層破碎的地質(zhì)特征及其處理措施進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了隧道高壓富水?dāng)鄬悠扑閹ё{堵水措施。張旭東［4］研究了規(guī)避高壓富水巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)的釋能降壓工法。曾蔚等［5］對(duì)圓梁山隧道2#溶洞平導(dǎo)施工技術(shù)進(jìn)行了研究。

三都隧道全長(zhǎng)14 637 m，是貴廣鐵路全線控制性工程，具有不同于上述研究的特點(diǎn)，需對(duì)其高壓富水段施工技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

三都隧道屬Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道，其地質(zhì)條件復(fù)雜，突泥、涌水風(fēng)險(xiǎn)極高。設(shè)計(jì)物探資料顯示DK135+880～DK136+020段為極低阻閉合圈，且延伸至隧道洞身以下，施工時(shí)可能遭遇規(guī)模較大的圍巖破碎、溶洞、突水突泥等災(zāi)害，并具備發(fā)育大型溶洞洞穴及地下暗河的可能性。該段褶曲構(gòu)造為大田背斜的一翼和大田1號(hào)向斜邊緣，上覆石英砂巖夾砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖，下伏頁(yè)巖、鈣質(zhì)砂巖，夾粉砂質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)砂巖夾頁(yè)巖，洞身基巖為薄至中厚層狀灰?guī)r、白云巖偶夾石英砂巖，段內(nèi)溶蝕現(xiàn)象明顯，巖溶發(fā)育(圖1)。其中DK135+840～+100段設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)圍巖，處于可溶巖地層范圍內(nèi)。

三都隧道屬Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道，按照Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的管理，采用以地質(zhì)分析法為基礎(chǔ)，以超前水平鉆孔為核心，結(jié)合物探法的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法［6－7］。

2011年4月5日10∶40在線路右側(cè)掌子面(DK135+508)底板處施做加深炮孔(鉆孔深度10 m)時(shí)鉆進(jìn)5.8 m后探孔內(nèi)涌出股狀水，水質(zhì)清無雜物、水壓較大，無法進(jìn)一步向前鉆進(jìn)。經(jīng)測(cè)量，涌水量為2 000 m3/h，水壓檢測(cè)達(dá)1.55 MPa。

為確保掌子面工作人員安全，進(jìn)一步探明后方隱伏巖溶情況，施工單位在掌子面后方DK135+549，DK135+551.5，DK135+553 斷面初支面流水處附近，采用鑿巖臺(tái)車每處施做3個(gè)徑向地質(zhì)探孔，探孔深度10 m，其中3個(gè)有少量清水流出，鉆孔過程未見異常，無隱伏巖溶。徑向探孔最大涌水量基本無變化，推測(cè)出水可能為可溶巖溶蝕裂隙水。同時(shí)為全面了解該段含水量與外界降水的關(guān)系，進(jìn)行了涌水量、水壓與降雨量的觀測(cè)，結(jié)果見圖2～圖3。

圖1 三都隧道涌水段縱斷面圖Fig.1 The profile diagram of blow section in Sandu tunnel

圖2 涌水量、水壓與降雨量關(guān)系圖Fig.2 Water inflow and water pressure changed with rainfall

從水量與降雨量關(guān)系曲線圖也可看出，洞內(nèi)涌水量與瞬間降雨量無明顯關(guān)系，說明地下水的補(bǔ)給源與洞頂?shù)乇硭P(guān)系不大。

超前鉆孔資料顯示，鉆孔局部遇小溶洞，未見大型溶蝕空洞。綜合上述超前預(yù)報(bào)資料，結(jié)合本段圍巖所處巖溶水垂直分帶分析，前方為構(gòu)造擠壓導(dǎo)致的節(jié)理密集發(fā)育帶;在節(jié)理密集帶內(nèi)發(fā)育溶蝕現(xiàn)象，以小型溶洞及溶蝕裂隙為主，滲水性極好;從超前鉆孔資料結(jié)合洞身巖溶水處于巖溶水水平循環(huán)帶以下分析，洞身附近不具備形成大型～特大型巖溶水廊的條件，儲(chǔ)水類型為裂隙型管道。

前方巖體為受構(gòu)造擠壓(褶曲構(gòu)造的結(jié)合部位也受構(gòu)造擠壓作用)之后在節(jié)理密集帶發(fā)生過較明顯的方解石成分重新膠結(jié)現(xiàn)象;因方解石重結(jié)晶的作用，巖體完整性較差，圍巖穩(wěn)定性較差。

2 巖溶富水段施工技術(shù)方案研究

基于以上分析，該處巖溶處施工以排為主，但巖體破碎需加強(qiáng)支護(hù)，以防止坍方。由于該段位于17.8‰順坡施工段，中心溝過水能力為2 814 m3/h(滿溝時(shí)為7 565 m3/h)，目前流量1 800 m3/h未超出排水系統(tǒng)能力，故不需采用堵水限流的措施。但在施工過程中，會(huì)存在掌子面附近未施作仰拱段漫流情況。

2.1 DK135+508～+478段處理方案

該段富水，水壓高，水量大，可選取的處理方案主要有迂回導(dǎo)坑繞避和打開(暴露)溶洞+結(jié)構(gòu)處理方案，表1是2種方案的對(duì)比。

2.2 DK135+478～+408段處理方案

DK135+508～+478段開挖完成后發(fā)現(xiàn)DK135+500線左邊墻角為巖溶水主要出水口，水壓及總涌水量明顯減小，但溶蝕現(xiàn)象仍較明顯，因此DK135+478～+463段圍巖級(jí)別由原設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)優(yōu)化為Ⅴ級(jí)，襯砌類型按Ⅴ級(jí)Ⅰ型加強(qiáng)施做;DK135+463～+428段圍巖級(jí)別由原設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)優(yōu)化為Ⅴ級(jí)，襯砌類型按Ⅴ級(jí)復(fù)合式襯砌施做;DK135+428～+408段圍巖狀況明顯轉(zhuǎn)好，掌子面巖性已轉(zhuǎn)變?yōu)殁}質(zhì)砂巖，拱部易掉塊，掌子面有少量基巖裂隙水，設(shè)計(jì)變更后該段襯砌類型按Ⅲ級(jí)有仰拱加強(qiáng)復(fù)合式襯砌施工。

表1 DK135+508～+478段處理方案比選Table 1 Selection of the treatment plan for DK135+508～+478

3 巖溶富水段施工過程及施工方法

3.1 總體施工方案

按照V級(jí)II型進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，開挖方式為單側(cè)壁導(dǎo)坑超前臺(tái)階開挖，設(shè)置Φ108超前大管棚與I20b全環(huán)鋼架加強(qiáng)支護(hù):Φ108超前大管棚38根，每根長(zhǎng)35 m，環(huán)向間距0.4 m，I20b全環(huán)鋼架0.6 m榀，導(dǎo)坑中線側(cè)采用I18鋼架作為臨時(shí)支護(hù)，且該段襯砌按Ⅴ級(jí)Ⅱ型復(fù)合襯砌施工?？紤]前方地質(zhì)地下水由線左流向線右，將①部導(dǎo)坑設(shè)置于線路左線部位，如圖3所示。

圖3 側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序圖Fig.3 The construction procedure of side heading method

3.2 分工序施工方法

開挖、支護(hù)施工流程為:大管棚施工→左線導(dǎo)坑(①部)開挖→導(dǎo)坑初期支護(hù)→上斷面②部開挖支護(hù)(在①部導(dǎo)坑開挖長(zhǎng)度達(dá)到15 m后)，同時(shí)導(dǎo)坑繼續(xù)往前施工→下斷面③部開挖支護(hù)(上斷面開挖一茬炮后)，與上斷面形成微臺(tái)階，圍巖如破碎則需留置核心土。

3.2.1 大管棚施工

管棚設(shè)置工作室(DK135+508～DK135+514)，長(zhǎng)6 m，擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)輪廓線外50 cm，架立2榀I20b型鋼鋼架，間距60 cm，每榀采用鎖腳錨桿固定，防止倒塌，在鋼架外沿安裝φ127孔口導(dǎo)向管，環(huán)向間距0.4 m，外插角3°。用經(jīng)緯儀以坐標(biāo)法在工字鋼架上定出其平面位置;用水準(zhǔn)尺配合坡度板設(shè)定孔口管的傾角;用前后差距法設(shè)定孔口管的外插角。孔口管應(yīng)牢固焊接在工字鋼上，防止?jié)仓炷習(xí)r產(chǎn)生移位。

3.2.2 部導(dǎo)坑開挖及支護(hù)

大管棚施工完成后開始①部導(dǎo)坑開挖，開挖高度、寬度參照單車道平導(dǎo)宜為6 m×4.7 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況制定導(dǎo)坑開挖專項(xiàng)爆破技術(shù)方案及安全專項(xiàng)方案，在洞內(nèi)設(shè)置安全警戒，挖機(jī)找頂后方可進(jìn)行出渣作業(yè)。出碴后立即安排初噴，確保圍巖穩(wěn)定性，支護(hù)作業(yè)必須按照上述支護(hù)參數(shù)進(jìn)行，拱架間螺絲必須全部上齊擰緊，縱向連接筋及系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿必須與拱架焊接牢固，以保證支護(hù)系統(tǒng)的整體性，拱架腳部必須落至實(shí)處，杜絕拱架懸空現(xiàn)象。

3.2.3 ②部及③部開挖支護(hù)

在導(dǎo)坑開挖15 m后進(jìn)行上斷面及下斷面開挖支護(hù)，結(jié)合導(dǎo)坑開挖大致了解的前方圍巖情況對(duì)施工方案及爆破方案進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，支護(hù)工藝同①部。

3.2.4 仰拱及拱墻二襯施工

仰拱及拱墻二襯施工前需進(jìn)行隧底及周邊巖溶探測(cè)，如有巖溶則需對(duì)巖溶進(jìn)行有效處理后方可進(jìn)行施工，考慮該段巖溶水較發(fā)育，需加強(qiáng)該段襯砌施工中的防排水施工，盲管加密至3 m/道。

4 處理效果

施工過程中，施工單位嚴(yán)格按照監(jiān)控量測(cè)管理辦法，布設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)并按規(guī)定的頻率進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化處理施工的開挖過程能夠滿足施工規(guī)范要求，部分收斂速度及沉降速率歷時(shí)曲線見圖4。從該監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可知，拱頂下沉速率最大為2.7 mm/d，水平收斂速率最大達(dá)到 2.9 mm/d。目前隧道施工已順利通過該段，也驗(yàn)證了巖溶富水段施工過程及施工方法的可行性。

圖4 水平收斂速率、拱頂下沉速率歷時(shí)曲線圖Fig.4 History curve of horizontal convergence rate and dome displacement rate

5 結(jié)論

(1)長(zhǎng)大隧道特別是巖溶隧道地質(zhì)條件的復(fù)雜的隧道采用以地質(zhì)分析法為基礎(chǔ)，以超前水平鉆孔為核心，結(jié)合物探法的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，能保證工程快速、安全、順利進(jìn)行，避免災(zāi)害產(chǎn)生。

(2)巖溶高壓富水段施工技術(shù)方案必須建立在對(duì)巖溶高壓富水段的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件充分了解的基礎(chǔ)上。

(3)根據(jù)掌子面前方未見大型溶蝕空洞，前方為構(gòu)造擠壓導(dǎo)致的節(jié)理密集發(fā)育帶;在節(jié)理密集帶內(nèi)發(fā)育溶蝕現(xiàn)象，以小型溶洞及溶蝕裂隙為主，滲水性極好;洞身附近不具備形成大型～特大型巖溶水廊的條件，儲(chǔ)水類型為裂隙型管道，且水壓不大，無充填物的特點(diǎn)，三都隧道巖溶高壓富水段采用打開(暴露)溶洞+結(jié)構(gòu)是可行的，能夠滿足施工規(guī)范要求。采用該措施已順利通過該巖溶高壓富水段?？蔀轭愃乒こ痰奶幚硖峁┙梃b。

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Constructional technology research of Sandu tunnel on the Gui－Guang Railway in karst high－pressure and water－rich section

REN Yong-hua，ZENG Wei-de

(Guiyang－guangzhou Railway Co.Ltd，Guiyang 550014，China)

The advance geologic prediction，constructional treatment program and process of Sandu tunnel in karst high－pressure and water－rich section were researched.We consider that the construction of karst highpressure water－rich section should adopt the synthetic geologic prediction which based on geologic analytic method，centered on horizontal protruded drill hole and combined geophysical prospecting.After the fully realized geological conditions of karst high－pressure water－rich section，the program of opening karst cave and structure treatment were proposed.The construction results indicated that the monitoring displacements meet the allowable values of standards，and this part had finished successful.This constructional method can be provided as an example to the same projects.

Sandu tunnel;synthetic advance geologic prediction;treatment program;constructional technology

U455

A

1672－7029(2011)06－0080－05

2011－10－16

任永華(1977－)，男，貴州遵義人，工程師，從事隧道工程研究