顶顶岩隧道岩溶储层分布规律及规模研究

顶顶岩隧道岩溶储层分布规律及规模研究

1隧道涌泥形成机理在十分发育的岩石地区，隧道的挖掘和掉井是一种容易发生的灾难之一。隧道岩溶涌泥问题主要是在隧道开挖过程中,遇到灰岩等可溶岩发育的溶蚀裂隙、岩溶管道及溶洞等,其内填充物涌入隧道内的事故。涌泥过程中过高的水头压力不仅直接威胁施工人员及设备安全,还严重影响隧道施工,甚至造成灾害事故,而且可能引起浅层地下水及地表水枯竭、地面塌陷等地质环境问题和生态问题。因此,对岩溶隧道危险性涌水突泥预测与成因分析十分必要,也显得更为迫切。对于类似地质环境的岩溶隧道可以提前采取预防处理措施,使岩溶隧道涌泥程度及危害尽量得到控制和治理。本文拟就顶上隧道的涌泥灾害及其治理作一介绍,可为类似工程事故处理提供参考、借鉴。2基岩及围岩概况顶上隧道是国家重点工程厦蓉高速公路郴州至宁远段的关键工程,为分离式上下行双线隧道,左洞长度1245m,右洞长度1219m。隧道斜穿北东走向的顶上山脉,地貌属于剥蚀侵蚀作用形成的低山—丘陵地形,基岩为灰岩区,山坡呈圆形至椭圆形,为岩溶、峰林洼地、残丘等典型溶蚀地貌。隧道段内地形起伏较大,山高坡陡,冲沟发育。2009年8月6日凌晨1时10分,顶上隧道右洞K128+845断面开始打炮孔(从隧道出口向进口方向掘进)。该断面设计围岩为Ⅲ级围岩,现场地质情况与设计基本吻合。凌晨4时40分钟左右放炮,5时10分钟开挖班进洞排险后5时30分钟开始出碴,出碴时发现K128+843拱顶中心至进洞掘进方向右侧拱腰开始有掉块现象,随即大量泥浆冲出,直至泥浆岩块堆至拱顶后,泥浆才停止向外流出。泥浆或泥浆携带的碎石、岩块被冲或流至K128+888附近,估算已流出溶蚀物质约3000m3(图1、图2)。3地质资料及地质预报及勘探分析为查明本次突水涌泥事故发生的原因,在认真查阅详勘资料的基础上,主要采用了工程地质及岩溶水文地质调查、洞内岩溶涌泥物质取样鉴定,以及突水涌泥部位的观察和超前地质预报、TSP勘探及钻探分析。3.1地下水开采带水期400k128顶上隧道位于湘南典型的喀斯特地貌区域,地表发育岩溶洼地、岩溶漏斗和落水洞为其特征,且多以垂直发育为主,据详勘资料和本次工程地质及岩溶水文地质调查成果表明:该隧道地下水丰水期潜水面高于隧道开挖工作面;隧道上部,特别是隧道K128+730~K128+830区段左侧上部山地中发育一系列岩溶洼地及落水洞,为地下水补给提供了有利的活动空间。大气降水汇集于岩溶洼地,经落水洞或岩溶管道垂直渗透于可溶性灰岩裂隙中,并形成溶洞。隧道内涌泥段正处于隧道上部右侧(进洞方向),靠近左洞上部ZK128+730~ZK128+830段汇水面积约0.2km2的岩溶洼地及落水洞范围内。根据隧道内观察,在事故发生后几天内,未降雨时,岩溶水明显减少,均呈滴水或线型状态,说明岩溶水与大气降水补给密切相关。3.2隧道上部地层岩性和砂岩为全面查明顶上隧道右洞K128+845-K128+842突水涌泥段工程地质特征,对涌泥物质进行了取样观察和涌泥物质中的岩块成份鉴定,发现涌泥物质中的岩块成分主要为灰岩、钙质砂页岩和花岗岩,其中,灰岩约占10%,钙质砂页岩约占30%,花岗岩60%,流—软塑状泥质物均为灰岩溶蚀物。另据原来详勘资料表明,山体上部存在灰岩与钙质砂岩,由此说明隧道上部地层主要由灰岩、钙质砂岩及花岗岩组成,灰岩为可溶岩,砂岩和花岗岩为隔水层,在灰岩和砂岩、花岗岩接触面存在一个岩溶通道。溶洞上部为石炭系下统岩关阶上段钙质砂页岩和下统灰岩,下部由燕山期花岗岩和石炭系下统灰岩组成。据观察分析,涌泥部位分布在拱顶中心至进洞方向右侧拱腰,涌泥物质主要来源于右侧拱腰上部(即往左洞方向发展),与地面岩溶洼地、落水洞位置一致。3.3涌泥隧道围岩岩性分析2009年8月5日进行的超前地质预报,主要采用了地质综合观察、TSP及地质雷达。据TSP反射层的提取和围岩纵横波速、泊松比、密度综合分析,在K128+845~K128+828范围内存在异常反应区,说明该区段内岩石裂隙极为发育,地下水相对丰富,有存在溶洞的可能(图3)。通过对现场部分地段清理后,在K128+853处采用SIR-20雷达进行探测,天线频率为100MHz,采样方式为点采,采样视窗设置为280ns,探测结果如图4所示。通过对雷达波形的分析可知,前方0~5m范围内电反射波振幅较强,推测为含水量较大的堆积物;5~12.5m内同相轴错乱,推测为结构松散、破碎的岩石,局部含水量较大。该探测结果与TSP所预报的结果基本一致。在K128+848断面布设钻孔9孔,钻探结果显示:(1)涌泥洞口明显地由隧道轴线右侧向左侧倾斜,洞口宽度在1.5~2m之间;溶洞以垂直发育为主。(2)塌陷洞口位于灰岩与花岗岩接触部位及附近,洞口内侧花岗岩风化程度较高,岩体破碎,岩质较软,隧道围岩级别评定为Ⅴ级。(3)溶洞往深部延伸有变小趋势,并沿左侧明显延伸至隧道外侧。(4)溶洞向左侧侧斜已远离左洞,对左洞相同部位施工影响不大。通过对山体进行工程地质及岩溶水文地质调绘,洞内岩溶涌泥物质分析鉴定及突水涌泥部位观察,结合TSP、地质雷达探测成果及地质钻探分析,可推断涌泥的成因为:在K128+845~K128+785段上部存在一钙质砂岩与灰岩接触带,下部为花岗岩与灰岩接触带,涌泥段上部位于左洞(靠近右洞)上部ZK128+720~ZK128+830段岩溶洼地及落水洞中的地表积水和基岩裂隙水,经岩溶管道不断地垂直渗透于上部钙质砂页岩及下部花岗岩与灰岩接触部位的薄弱地带,加大了钙质砂页岩、花岗岩风化和灰岩的溶蚀力度,从而形成了以垂直发育为主的封闭较好的管道溶洞。当隧道开挖至该溶洞边缘时,临空一侧失去平衡与支撑,便产生了涌泥现象。4大管棚-跟管施工工艺根据前述对涌泥的成因分析,确定了涌泥的整治步骤为:清理涌泥至接近掌子面;回拉岩石洞碴反压涌出的稀泥以便搭建施工平台;在掌子面后方10m位置处布置3根斜向向上35°的大钢管,灌小石子混凝土填充溶洞空腔;考虑到掌子面前方全部为土夹石,管棚钻孔过程中经常发生卡钻现象,故采用大管棚-跟管施工技术方案;按S5+型衬砌进行支护(工字钢间距加密为30cm)。4.1钢管不同布置为确保管棚钻孔施工顺利,采取退后10m在K128+855位置处布置3根外插角为35°的φ108钢管,1#、2#、3#管分别布置在隧道中线左侧1m、2m、3m。1#管用于排水,通过2#、3#管对溶洞空腔内回灌C20小石子混凝土,以便填充溶洞空隙,并达到将前方溶洞内的孤石及混凝土较好地结合的目的(图5)。4.2工技术及其技术指标由于溶洞内填充物为孤石和稀泥,钻孔时稀泥很容易进入管棚与钻杆之间的空隙内,致使堵塞,造成整根管棚作废。为了安全通过该段,故采用大管棚-跟管施工技术,其技术指标:跟管的管靴长度为30cm,一端内侧做10cm反丝扣,另一端做成10cm长、壁厚8mm,中间段采用直径108mm、壁厚6mm。跟管采取长度为3~5m,直径为108mm,壁厚为6mm,两端内侧做成反丝扣,长度为10cm。管丝长30cm,直径为108mm,壁厚为6mm,两端外侧做成反丝扣,长度为10cm。钻头采用108mm偏心钻头,钻杆采用直径73mm、长度1.5m(图6)。(1)定位K128+848~K128+847做纵向1m长护拱,安装1.5m长φ127定位管,找准方向。(2)改性钢筋网、喷射混凝土锚杆按梅花形布置(φ22锚杆长度为3.5m),钢筋网为φ8单层钢筋网(20cm×20cm),喷射C20混凝土20cm,将掌子面封闭。(3)管鞋的管丝套接处安装安装带有钻头的钻杆,同时在钻杆上套一个管丝和一个跟管,并将管丝与跟管丝扣相连及焊接牢固,将管靴从钻头前端套入与管丝丝扣连接并焊接牢固。(4)管丝焊接固定管棚机开始钻孔,当第一节钻孔完毕,开始安装下一节钻杆,再套上一个管丝和一个跟管(管丝与跟管丝扣连接并焊接牢固),使第一节跟管与第二节跟管丝扣相连接并焊接牢固。之后,重复此过程,直至钻入完整岩石2m时停止钻孔。(5)r5e注浆采用水泥单液浆,注浆参数为:水泥浆水灰比1∶1。水泥强度等级不低于P.042.5R。注浆速率为5~50L/min。注浆结束标准:注浆压力达到3.5MPa,并维持10~15min,压力没有变化结束注浆。发生浆液串孔时也要结束注浆。跟管施工过程中,按照每10m一个循环施工,完成后封闭掌子面继续按照上述方法进行。4.3初期支护工艺设计(1)自K128+846~835里程开始,为了减小围岩对管棚的压力,增大围岩自身承载能力,确保施工安全,增加超前单层小导管。小导管采用φ42×3.5mm热轧无缝钢管,长度为5m,外插角10°~15°,环向间距40cm,纵向间距3.2m。(2)自K128+846~835里程开始,初期支护完成后,为了增大围岩的稳定性,防止收敛以免造成初期支护侵限,采用φ42小导管注水泥液浆(小导管为径向打入)。小导管长3.5m,按梅花形布置,环向间距1m,纵向间距1m。(3)自K128+847~835里程开始支护参数为:采用S5+型衬砌进行支护(工字钢间距加密为30cm)。4.4围岩支护效果在溶洞段加固施工过程中,加强了洞内的监控量测,尤其是加固段隧道围岩变形与受力情况,为了及时掌握溶洞封堵以后围岩的稳定状态,特别对溶洞段施工影响范围内(K128+832~K128+847共15m)隧道围岩的拱顶下沉和水平收敛进行了量测。从溶洞封堵后,即从2009年8月28日开始,量测工作持续到2010年1月3日,从所量测的有关数据来看,在溶洞加固、封堵及初期支护完成后到11月13日,累计拱顶下沉和水平收敛变形分别为18mm、16mm,但从13号以后围岩变形速率接近为零,随后的50天内围岩变形逐渐趋于稳定,当日变形速率在0.01mm/d上下波动,说明围岩受施工扰动较小,变