趙夢晨，童剛強

（天津市地下鐵道集團有限公司，天津300171）

在宜萬鐵路建設中以前關于巖溶處治的許多方法和研究成果都不能奏效，曾發(fā)生多起巖溶隧道突水突泥災害，如野三關隧道“8.5”突水［1-2］，馬鹿箐隧道“1.21”及“4.11”突水［3］、云霧山隧道“7.21”突水淹井［4］等，這些深埋巖溶富水隧道的突水、突泥災害對工程建設者們生命財產(chǎn)安全造成了嚴重危害［5-7］，損失慘重，包括云霧山在內(nèi)的幾座一級風險隧道曾一度陷入僵局，窮則思變，經(jīng)過多番論證，建設者們對深埋高壓富水巖溶隧道的安全施工方法進行了長時間的研究和探索，提出釋能降壓技術［8］。

釋能降壓技術是指在深埋巖溶富水隧道施工中遇到高壓富水充填溶腔時，經(jīng)過分析論證，在水量預測可控的情況下實施精準爆破，將溶腔直接揭示，釋放溶腔中儲存的高壓水及填充介質(zhì)，削減其勢能，然后通過清淤、置換或是注漿加固，快速通過、及時施作底部結構和二次襯砌等配套處治措施完成溶腔段施工，從而有效降低溶腔施工及運營風險的一種新技術［9］。

釋能降壓技術主要包括以下關鍵實施步驟及內(nèi)容：巖溶水文地質(zhì)分析、溶腔邊界探測鎖定、規(guī)劃泄壓引導線路、安全防護、掌子面遠程泄壓通道關鍵點位視頻遠程監(jiān)控、溶腔巖盤精準爆破、溶腔綜合處治、施工及運營長期監(jiān)測等。

1 工程概況

云霧山隧道Ⅰ線起訖里程為DK242+084～DK248+724，全長6 640m，Ⅱ線起訖里程為ⅡDK242+084～ⅡDK248+766，全長6 682m，隧道最大埋深800m。云霧山隧道斜穿白果壩背斜傾伏端附近，所在區(qū)域排泄基準面有白果壩、大魚泉、小魚泉、惡水溪、洞灣等5個暗河系統(tǒng)，隧道深部巖溶發(fā)育，隧道單線正常涌水量為45 655m3／d，最大涌水量為171 994m3／d，地下水極為豐富（圖1）。

圖1 隧道縱斷面圖

2008年8月，云霧山隧道進、出口，Ⅰ線、Ⅱ線均逼近隧道所在的白果壩背斜核部，分別在Ⅰ線DK245+617、Ⅰ線 DK245+580、Ⅱ線 DK245+526、Ⅱ線DK245+654發(fā)現(xiàn)充填高壓富水溶腔，并經(jīng)綜合地質(zhì)超前預報手段判斷幾個溶腔相互關聯(lián)，為一大型溶洞群。2008年10月，經(jīng)過水文觀測、放水試驗、環(huán)境調(diào)查、安全措施等綜合風險評估，最終于2008年11月25日成功運用“釋能降壓”工法，在Ⅱ線DK245+526對溶洞群實施爆破放水。隨后Ⅰ線、Ⅱ線進出口4個掌子面通過清淤減壓，成功地把溶洞施工安全風險轉化為工程問題，放水泄壓直接揭示通過“617”溶腔群，Ⅱ線于2008年12月28日、Ⅰ線于2009年1月17日安全貫通?，F(xiàn)已安全運營4a。

“617”溶腔群，位于Ⅰ線DK245+404～DK245+604、Ⅱ線DK245+499～DK245+639段內(nèi)，隧道埋深800m。該段位于白果壩背斜核部斷層影響帶及斷層內(nèi)，處于白果壩背斜軸部，地表廣布漏斗、落水洞等典型巖溶形式，是張應力集中部位，張裂隙發(fā)育，能接受降水或地表水的滲入，處于巖溶水循環(huán)流通部位，是水循環(huán)強烈地段，巖溶發(fā)育，水流方向以垂直為主，在DK245+500附近有一逆斷層，易引發(fā)突水、突泥（圖2）。

圖2 掌子面溶洞水狀況

2 溶腔釋能降壓技術實施情況

2.1 超前地質(zhì)預報對溶腔邊界的鎖定

（1）超前預報原則及方法

施工中采用TSP203超前預報系統(tǒng)分別對Ⅱ線DK245+444～DK245+570、Ⅰ線DK245+505～DK245+620進行了超前探測，結果顯示該兩段內(nèi)巖溶裂隙較發(fā)育，地下水較豐富，可能發(fā)育有大型溶腔，結合地質(zhì)雷達短距離探測情況，運用地質(zhì)分析法排除小型巖溶裂隙，在5m超前炮孔保護下，按照保留3m～5m完整保護巖盤，向前開挖推進，減薄巖盤，逐步逼近溶腔。隨后布置超前鉆孔，探測鎖定溶腔范圍。

（2）通過鉆孔注漿、放水試驗水、水壓觀測判定溶腔的關聯(lián)性

在Ⅰ線DK245+680處向Ⅱ線施作超前水平鉆探驗證Ⅱ線溶腔范圍，超前水平探孔進入溶腔后水量較大，同時Ⅰ線掌子面超前鉆孔內(nèi)的水量隨之減少；在出口DK245+632掌子面采用前進式注漿時發(fā)現(xiàn)，Ⅰ線注漿Ⅱ線鉆孔有漿液流出，由此二點判定Ⅰ線、Ⅱ線溶腔是連通的。

在出口Ⅱ線DK245+660處布置探孔9個，鉆探顯示，溶腔縱向與進口Ⅱ線DK245+525關聯(lián)，在洞身高程分段，影響范圍135m。

在出口Ⅰ線DK245+632處布置鉆孔9個，根據(jù)鉆孔揭示溶腔內(nèi)充填砂土夾孤石，最高水壓達到1.2MPa，溶腔沿Ⅰ線縱向從DK245+615發(fā)育長度44m，與進口DK245+571連通，但在隧道洞身高程上有較明顯的分段現(xiàn)象。

（3）放水試驗

放水試驗的目的：一是通過溶腔內(nèi)水位變化和排放量的關系推測溶腔的體量規(guī)模；二是確定溶腔內(nèi)的水位與補給的關系；三是溶腔與地表降雨以及降雨量的補給關系。

溶腔水主要受大氣降雨補給，地表降雨后通過地表落水洞、巖溶洼地、漏斗及白果壩斷裂帶等匯集，地表集水面積2.5km2。在DK245+680橫通道內(nèi)設置了放水試驗觀測點，配置了水壓表，流量觀測圍堰，要求排水量不小于10 000m3／d，每小時統(tǒng)計排水管的壓力和流量。從10月26日到11月25日止，共放水524 571m3，平均每天8 600m3，水壓在0.43MPa～0.84MPa范圍變化。

放水試驗表明，溶腔水受大氣降雨補給，未降雨時的靜態(tài)補給量約為5 000m3／d。

（4）溶腔群形態(tài)綜合判釋

通過綜合預報成果判定，Ⅱ線DK245+525溶腔豎向垂直發(fā)育，縱向發(fā)育長度約13.5m，橫向發(fā)育寬度約9.5m，溶腔豎向下尖滅在隧道底板上約0.5m，豎向上發(fā)育多高，尚無法判斷清楚，溶腔上大下小呈“V”字形狀；溶腔內(nèi)富存高壓水，壓力0.5 MPa～0.7MPa，充填物為中粗沙夾泥，其間有炭化朽木。DK245+580溶腔，水量較為穩(wěn)定，充填物為粉細沙。該兩溶腔同位于背斜核部，推測主要沿兩套呈30度夾角的裂隙和層理發(fā)育，可能會有較強的水力聯(lián)系，水量較為穩(wěn)定，兩溶腔主要受洞頂以上地下暗河補給，地下暗河又通過落水洞、漏斗與地表相連通。其中DK245+580與DK245+617及ⅡDK245+526關聯(lián)性較強。

2.2 增設迂回繞行通道

根據(jù)鉆探結果，確定了Ⅰ線右側繞行方案，新增“DK245+535～DK245+671”迂回繞行通道，并于2008年11月20日順利貫通，解除了云霧山隧道出口（反坡）突水淹井的風險（圖3）。

2.3 溶腔揭示

2008年11月鐵道部組織專家經(jīng)過激烈的風險論證，確定云霧山隧道核部DK245+617溶腔群采用釋能降壓方案，在Ⅱ線DK245+525掌子面爆破直接揭示，放水清淤，釋能降壓，按塌方清淤處理通過。

圖3 DK245+617溶腔群平面示意圖

其可行的理由有：一是如果減壓成功，則洞內(nèi)突泥突水的高風險因素會立即消除，因地質(zhì)問題帶來的安全風險將會轉化成排水清淤的工程問題來處理；二是采取突破性的施工方案，工期有可能保證；三是爆破放水期間的安全風險問題，通過周密的部署和科學的安排是可以避免的，可以把安全問題變成工程問題處理；四是試驗結果證明此溶腔靜態(tài)補給僅為5 000m3／d，且11月至來年3月為當?shù)乜菟竟?jié)，補給量有限，排水量達到10 000m3／d后，水壓有下降的趨勢，該溶腔的發(fā)育范圍及儲水量較?。晃迨峭ㄟ^地質(zhì)水文及環(huán)境調(diào)查，泄水對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境不會造成大的影響。

（1）洞內(nèi)外泄水路線、防護及安全警戒

確定泄水線路及逃生線路，封堵所有Ⅰ線、Ⅱ線通道由二線通過橫洞泄至洞外，并經(jīng)泄洪渠排至隧道進口東約1km大溶洞（天然河道流水入口）。

對洞外泄水路線上的臨時設施進行拆除，設置滿足泄水能力的排水渠，對泄水渠邊的天然氣管道、施工用變電站，村民住房采用漿砌漿片石進行防護加固。

在洞內(nèi)設置逃生通道平面圖，各通道封堵墻處設置聲光報警器、應急燈，逃生指示標志，設置救生衣、救生圈、救生筏、逃生繩等。

在洞內(nèi)距Ⅱ線DK245+525掌子面70m處，6?？诜舛聣?、橫洞泄水出口處各設置一部紅外線彩色視頻頭，與泄水指揮中心視頻監(jiān)控器相連。

根據(jù)預測水量大小擬定泄水警戒范圍，泄水期間分別在全隧道及洞外泄水路線警戒范圍內(nèi)設置交通管制安全崗，分別設置交通管制組和駐地人員遷移組，泄水期間的臨時交通進行管制。設置相應的風險管理等級進行泄水期間的風險管理。對全體施工人員進行泄水前安全培訓并演練，儲備應急機械設備物資，配置應急救援隊。

（2）水文觀測

泄水前分別在Ⅰ線DK245+557及DK245+617掌子面設置水量、水壓觀測站，以觀測泄水前后“617”溶腔群水量水壓變化。

2.4 制定專項精確爆破設計

Ⅱ線DK245+525掌子面探測到的巖盤厚度見圖4。

圖4 Ⅱ線DK245+525掌子面探測圖

專項爆破設計直接影響釋能降壓的效果，是釋能降壓的關鍵技術之一，爆破后可能會出現(xiàn)三種結果：（1）水和介質(zhì)完全釋放；（2）水釋放介質(zhì)部分釋放；（3）水釋放介質(zhì)未釋放。第1種效果最理想，第2種次之、第3種最差；釋能降壓后在第2、第3種效果下施工，風險性仍然很大。因此，根據(jù)超前鉆探結果—探測到的巖盤厚度，制定精準的專項爆破設計，以期達到水和介質(zhì)完全釋放的最佳效果，非常關鍵。

根據(jù)探明的溶腔保護巖盤厚度分布，采用垂直楔形掏槽，用YT-28風鉆配φ42mm鉆頭鉆孔，每孔用炮泥堵塞20cm，其余長度內(nèi)滿裝炸藥，全斷面非電毫秒雷管微差爆破，爆破及裝藥參數(shù)見下表1。開挖面積62.4m2，炮眼密度2.0個／m2，單位用藥量2.28kg／m3，E=50cm，W=63cm，連續(xù)裝藥，網(wǎng)絡聯(lián)接方式為簇連，電雷管起爆。

表1 Ⅱ線DK245+525掌子面巖盤爆破裝藥參數(shù)表

3 釋能降壓效果

云霧山“526”溶腔爆破后，根據(jù)觀測站數(shù)據(jù)“526”及“617”溶腔群掌子面水量、水壓均明顯減小，并最終趨零，說明水和介質(zhì)完全釋放，溶腔介質(zhì)的高壓風險得到解除，效果非常理想。

3.1 “557”水文觀測站觀測情況

“526”溶腔泄水前后，“557”水文觀測站連續(xù)對水量進行了觀測，并將觀測數(shù)據(jù)進行了回歸分析處理，見圖5。

圖5 溶腔泄水前后DK245+557矩形堰流量變化圖

從“557”水文觀測站水文觀測數(shù)據(jù)可以看出“526”溶腔爆破揭示后，“617”溶腔群水壓力、水量逐漸減小，并趨于消失。

3.2 “617”水文觀測站觀測情況

“526”溶腔泄水前后，“617”水文觀測站連續(xù)對水量進行了觀測，并將觀測數(shù)據(jù)進行了回歸分析處理，見圖6。

圖6 DK245+617溶腔水量水壓時間關系圖

從“617”水文觀測站水文觀測數(shù)據(jù)可以看出“526”溶腔爆破揭示后，“617”溶腔群四個主攻工作面水壓力、水量逐漸減小，并趨于消失，實現(xiàn)了釋能及降壓的目的。緊接著在“557”、“617”掌子面按順序分別實施了直接爆破清淤、釋能降壓的揭示方案，揭示后各掌子面水壓和水量均為零，揭示過程除有泥、砂及塊石突出外，沒有流水。

各掌子面爆破后，經(jīng)過72h水量水壓觀測分析，排除突水突泥風險后，針對溶腔突出物多為流動性泥砂的特點，采用拋碴擠淤及撒快凝型快硬硫鋁酸鹽水泥化學固結相結合的方法，對溶腔突出物進行快速清除。溶腔處理過程中，堅持先清除填充物，再回填混凝土，最后再補注漿的原則進行，以消解溶腔填充物對支護結構形成的荷載?！?26”溶腔爆破揭示后，該處溶腔在枯水季節(jié)水量長期穩(wěn)定在208 m3／h，若在當?shù)赜昙?，則水量更大，采用堵的方法，勢必在混凝土二襯后變成持續(xù)的水頭壓力，難以保證運營安全，故在“526”溶腔處隧道頂部以上5m處增設一泄水洞，直接襲奪溶腔水引到排水洞外，以達到溶腔長效泄水減壓的目的，確保施工期和運營期安全。

4 結 論

（1）在深埋巖溶富水充填性深腔處治中釋能降壓技術相比于傳統(tǒng)的帷幕注漿具有降低溶腔處治及運營過程風險、工效提高、經(jīng)濟合理的明顯優(yōu)勢。

（2）準確探測溶腔邊界、溶腔填充物特性分析、溶腔預留巖盤的精準爆破是成功實施釋能降壓的前提。

（3）適當選擇在枯水季節(jié)實施溶腔泄水降壓及溶腔處治可有效降低釋能降壓技術實施過程的風險程度。

（4）結合具體隧道本身設計結構及所處區(qū)域特點進行泄水通道規(guī)劃、遠程視頻監(jiān)控、水文雨量觀測、進洞條件等專項安全方案設計是實施釋能降壓的安全保證。

（5）釋能降壓實施后對區(qū)域水文環(huán)境影響的科學評判、對溶腔處治結構的長期安全性、可靠性監(jiān)控結論是釋能降壓技術最終成功的關鍵標準。

（6）釋能降壓技術具有安全、經(jīng)濟等優(yōu)點，經(jīng)過云霧山隧道的成功實施及宜萬線風險隧道的推廣應用，證明是針對深埋巖溶富水充填巖溶處治的有效技術，可在相似條件下的同類隧道中推廣應用。

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