马鹿胍隧道岩溶水处治技术研究

马鹿胍隧道岩溶水处治技术研究

1隧道建设面临特殊的地质环境和高风险性,这是导致隧道地质条件的基由于其特殊的地质构造，整个洞穴通常具有高压、高水、洞穴和断层特征。因此,在岩溶地区隧道施工过程中,经常出现突水突泥等灾害,灾害一旦发生轻则冲毁机具、淹没隧道及正常施工被迫中断,重则造成重大的人员伤亡,产生巨大的经济损失,甚至有些地下工程会因此而被迫停建或改线。宜万线岩溶隧道的地质条件非常复杂,岩溶突水、突泥风险巨大,其规模、数量及工程处理难度为国内外罕见,沿线隧道已经发生过大规模突水事故,造成巨大的人员伤亡和财产损失。岩溶灾害处治是岩溶隧道施工的一道难题,虽然在国内外隧道建设史上遇见过形态、规模各异的岩溶不计其数,也总结出许多成熟的经验和工法,但是由于岩溶的特殊性、差异性及高风险性,岩溶的预测、施工始终是隧道建设的一个关键技术,随着科学技术的不断发展,人们才能从容应对。本文针对宜万铁路马鹿箐隧道特大岩溶灾害问题,首先分析了岩溶突水特征,主要介绍了+978溶腔及溶腔水的工程处治措施,为今后类似岩溶隧道的施工提供了借鉴与参考。2项目总结2.1平行导坑,线为平导线位隧道里程为DK251+195～DK259+185.4,位于湖北省恩施市的屯堡镇和团堡镇。Ⅰ线全长7879m,隧道左侧30m设置平行导坑,Ⅱ线为平导线位,全长7836m。马鹿箐隧道是宜万铁路全线八座一级风险隧道之一,地质极为复杂,地下暗河、岩溶高压富水溶腔等不良地质广布,多次遭遇岩溶溶腔特大型突泥突水,为目前世界铁路建设史上瞬间突涌水量最大的隧道,其工程难巨程度、工程施工难度和安全风险之大实属罕见。为了保证施工和运营期间的安全,经相关单位多方论证,在隧道进口位于平导左侧20m设置泄水洞一座,全长4701m。2.2地表地表及地下水分布隧道分布的地层主要有二叠系(P1q、P1m、P2w、P2c)、三叠系(T1d、T1j)的碳酸盐岩地层。在地质构造上位于金子山复向斜中四方洞向斜南东翼地层中,呈单斜状,岩层走向北东,倾角平缓一般5°～15°,四方洞向斜,轴线方向总体为NE30°～60°,向斜呈宽缓型。隧道地表主要出露三叠系大冶-嘉陵江组碳酸盐岩地层,有志留系中统、泥盆系中、上统、石炭系、二叠系、三叠系下统及第四系。隧道所在地属长江一级支流清江流域,隧道进口在清江支流―渡口河的分支长阳沟,出口位于箐口河东。渡口河汇入车坝河水库,箐口河在硫黄井注入地下,汇入小溪河暗河系统。地表水的分布及发育高程控制了地下水系统的动力循环格局,进而对区内岩溶发育和展布结构有明显的控制作用。隧道地下发育规模宏大、结构复杂的岩溶地下暗河系统,呈四通八达。漏斗、落水洞、暗河系统普遍发育,位于小溪河暗河系统上游补给区,施工时可能发生大规模突水、突泥,发生重大地质灾害,并引发重大环境地质灾害。2.3项目施工困难隧道从2006年遭遇+978岩溶后,多次发生突水突泥自然灾害,如何安全通过+978溶腔是本隧道的施工重难点。3+971溶解腔的初步突然洪水分析3.1隧道突水灾害概况2006年1月21日,出口平导掘进至PDK255+978,在出碴作业过程,遭遇中国铁路建设史上前所未有的特大突水地质灾害,淹没出口工区全部平导和正洞,隧道瞬间涌水量达到200m3/s,持续时间约2h,共计突水110万m3。此后10个多月的抢险过程中,又连续发生“1.24”、“7.23”、“8.13”“8.18”特大突水灾害。图1为“1.21”现场突水情况。3.2突水灾害概况泄水洞揭开前方主溶腔后,08年4月10日至11日降雨60.1mm,11日17:05泄水洞掌子面溶腔充填物瞬间被溶腔水击溃,随即泄水洞内大量突水、突泥,17:25洞内洪峰至泄水洞口,持续时间20分钟,据估算,瞬间突水达143m3/s,每小时高达52万m3。“4.11”溶腔突水后,由于泄水洞掌子面被反复淤塞与击溃,4至8月又连续发生了“4.19”、“5.10”、“5.23”、“5.26”、“6.12”、“6.18”、“6.20”、“6.21”、“7.4”、“7.5”、“7.22”、“8.15”、“8.28”共13次大规模突水突泥突(涌)水灾害,损害最大的几次是“4.11”、“4.19”、“5.10”、“7.22”突水灾害,其中“5.10”突水高峰时17分钟内突水12.3万方,携带溶腔突出物主要为块石、碎石及淤泥混合物,图2所示为突水后洞内滞留的巨石。经估算,进口工区突水量累计约159万m3、突泥约7万m3。4+97溶解腔供水技术4.1前探地质情况分析施工中采用超前水平钻孔和TSP-203、地质雷达、红外线探水仪等物探方法进行综合预测预报。现场成立施工地质预测及预报队,由从事多年隧道施工和地质工作的专业技术人员组成,并聘请富有实践经验和地质资料判释能力的专家作指导。通过对泄水洞27孔、平导12孔、Ⅰ线12孔地质探孔以及泄水洞15孔、平导50孔泄水孔、Ⅰ线132孔帷幕注浆孔地质情况以及进口DK255+925、出口DK255+992共7孔超前钻探补探地质情况进行分析,基本探明了溶腔充填介质以及溶腔发育大致范围:+978溶腔发育范围DK255+928～+974,溶腔在隧道开挖范围内的发育范围是DK255+928～+965,DK255+965～+974段溶腔发育在隧道拱顶正上方3～8m处,发育规模不大,两侧拱腰处均未揭示到,仅在拱顶正上方发育,DK255+928～+965段溶腔内局部发育有破碎灰岩,节理裂隙发育;溶腔内的充填物为淤泥夹碎石、砾石,局部夹块石,偶有大块孤石,超前钻芯结果如图3所示。4.2水文成果的应用,是激发补水剂的充水管道内从2006年1月开始,一直坚持对蝌蚂口、龙潭和马2孔、隧道进出口等多个水文观测点位以及洞外降雨情况,进行3个水文年长期不间断水文观测。主要收集出水的颜色、水质、水量和水压等水文资料,水文观测时认真做好记录,及时进行分析。前期一系列的水文观测资料分析、归纳、总结,提炼了富水岩溶隧道进洞条件的基本标准:平导、泄水洞观测孔测量的水压基本相同且变幅一致;而且正洞注浆与泄水洞及平导串浆、投放荧光粉试验均说明溶腔范围内的充水管道具有较好的连通性;泄水洞揭示溶腔后泄水支洞、平导、正洞内的泄水水量明显变小、水压明显降低,表明正洞、平导及泄水洞间的充水管道存在较强水力联系;泄水洞标高最低,能起到泄水降压作用;枯水时期,溶腔内水压、水量均较小,是处理溶腔的黄金季节。4.3注浆封闭方案为彻底治理水患,铁道部组织国内地质、水利、煤炭、土木工程等各界专家多次进行勘察会商,采取了两项重要措施:临时措施和永久措施。临时措施为出口抢险创造条件,永久措施为揭示溶腔创造条件。(1)临时措施。采用洞外向洞内注浆封堵的方案,在高出隧道顶350m的山坡上向平导内灌注水泥浆施作止水塞,以隔断溶腔水源。洞内进行抽水、清淤、逐个封堵横通道、再抽水清淤的方案,经多方面努力,2006年10月29日完成抢险及搜救工作,出口工区恢复施工。(2)永久措施。鉴于溶腔规模宏大、富水含泥并伴有高水压和巨大储水量,为成功突破隧道+978的巨型富水溶腔,同时降低施工风险及运营隐患,建设指挥部先后11次组织各方专家反复论证,在进口增开长4701m泄水洞,为达到控制排放的目的,采用“钻孔排水降低水压、高位支洞揭通溶腔”的排水方案处理泄水洞逼近溶腔时的状况。主要进行了四期泄水工程,并在最后阶段确定了爆破揭示放水排泥释放能量的技术方案。5关于溶解腔和工程处理措施的讨论5.1独立扩散5.1.1火山岩岩石充填料开挖揭示的地质与超前探测揭示的地质基本一致:DK255+928～+946段为灰岩,围岩较破碎,溶隙、节理发育;DK255+946～+964段充填以淤泥质粘土夹碎、块石为主,局部见有少量水泥浆液,局部偶有渗水;DK255+964～+974段为灰岩,围岩较好。5.1.22线性溶腔的地质情况如图4、图5所示,隧道从溶腔里穿过,溶腔与线路斜向呈锐角相交。5.2在溶解腔中发现该项目的处理措施5.2.1超前预支护设置采取“帷幕注浆+拱墙大管棚+小导管超前预注浆”超前支护加固溶腔体DK255+925～+976段,拱墙设置Ф42超前小导管和密排超前Ф108大管棚等进行超前预支护,溶腔充填物采用5m～8m的帷幕注浆加固,初期支护采取30cm厚锚喷钢纤维混凝土和间距为50cm的20b工字钢拱架。如图6、图7所示为进、出口加固方法。如图8、图9所示,三台阶分部开挖工法,钢筋混凝土二次衬砌的加强型隧道结构,隧底采用桩基础跨越。5.2.2隧道拱顶混凝土护拱设计通过Ⅱ线出口的处理如图10所示,采用盖挖施工,对溶腔内泵送回填混凝土,在隧道拱顶形成混凝土护拱,隧底处理采用小导管超前预注浆超前支护加固溶腔体,方法同Ⅰ线隧道的开挖和支护。5.2.3型钢混凝土拦污栅泄水洞进水口设置混凝土围堰,采用塔式进水,保证溶腔低水位情况下排水通畅。如图11所示,为防止块石冲入泄水洞,并在泄水洞内设置型钢混凝土拦污栅。与泄水洞在空间上形成低、中、高位分区泄水,保证溶腔排水通畅,增加泄水分支洞,泄水支洞进水口处设置型钢混凝土拦污栅。5破解施工难题经过各建设单位四年多艰苦努力,马鹿箐隧道顺利通过了4条地下暗河,成功攻克了51处溶腔,战胜了19次大型突泥突