汶川地震災區(qū)文家溝特大地質(zhì)災害防治引水隧洞設(shè)計與動態(tài)施工

張盛鯤，彭 敏

(四川省地質(zhì)工程集團公司，四川成都610017)

0 引言

四川省綿竹市清平鄉(xiāng)鎮(zhèn)北文家溝在汶川地震前未發(fā)生過泥石流，震后2008年9月24日文家溝首次發(fā)生泥石流災害，之后多次發(fā)生泥石流災害，截至2010年9月18日共計發(fā)生6次泥石流災害，共計方量約617.6萬m3，其中尤以“8.13”(2010年8月13日)規(guī)模和造成的災情最大。泥石流堆積沿綿遠河分布長1.5 km、寬400 m，面積63.5萬 m2，平均厚6 m，方量約450萬m3。泥石流造成房屋損毀400余戶，沖毀、掩埋公路1000余米，沖毀橋梁1座、損壞橋梁1座，人員死亡5人。直接財產(chǎn)損失超過3億元。

因地震誘發(fā)的文家溝滑坡——碎屑流堆積物在文家溝溝谷內(nèi)堆積時間較短，由于該碎屑流物質(zhì)在運動過程中發(fā)生多次撞擊、鏟刮現(xiàn)象，致使堆積物中細小顆粒極多、強度低、孔隙度大、穩(wěn)定性較差，在外因誘發(fā)下極易形成二次搬運現(xiàn)象。如不對該泥石流溝采取相關(guān)處置措施，再次發(fā)生泥石流的可能性極大，且可能在低降雨強度情況下就發(fā)生泥石流。一旦發(fā)生大規(guī)模的泥石流將對危險區(qū)內(nèi)的威脅對象造成危害，因此對其采取工程治理十分必要和急迫。

1 上游治理方案

考慮到文家溝最近幾次爆發(fā)泥石流均是上游扇狀匯水區(qū)匯聚雨水后在流經(jīng)中部松散物源區(qū)時引發(fā)泥石流的特殊情況，如能在上游控制住引發(fā)泥石流的水源，則泥石流的形成少了一個充分條件。即若能將上游匯聚的地表水在上游就引離中游段主要物源區(qū)，避免流水沖刷深切沖溝溝底和岸坡，則可以避免因流水沖刷導致溝道下切、岸坡坍塌進而產(chǎn)生泥石流。考慮鄰近的一號支溝基巖裸露、岸坡穩(wěn)定、排泄口位于主溝主要物源區(qū)以下，是理想的排泄通道。因此若能在物源區(qū)和匯水區(qū)交接區(qū)域(1300 m平臺)設(shè)攔截引水工程(引水隧洞或引水明渠)將上游匯聚的地表水體引到鄰近的一號支溝內(nèi)，通過一號支溝向下排泄流水以繞避主溝內(nèi)的松散物源區(qū)，使得上游來的水體避開和中游物源區(qū)的土石直接接觸，從而可達到避免因流水通過中游段深切沖溝造成沖刷揭底下切、岸坡側(cè)蝕坍塌堵溝進而發(fā)生泥石流的目的。

針對文家溝特殊的地形條件，選擇在1300 m平臺中部修建攔水工程后用隧洞引水至鄰近1號支溝。該方案主要有擋水導流堤、集水池、引水隧洞等工程(見圖1)。進水可采用天窗落水廊道排水結(jié)構(gòu)，即在集水池前設(shè)下陷式排水廊道，待集水池水滿溢出時流經(jīng)廊道天窗時落入排水廊道中，進而流入排水隧洞中(見圖2)。

圖1 文家溝泥石流上游截引水工程布設(shè)平面示意圖

圖2 文家溝泥石流上游截引水工程集水池及進水口縱斷面示意圖

2 引水隧洞施工設(shè)計

因擬建排水隧洞處部分為土層、部分為基巖，對土層段采用注漿加固地基后設(shè)后澆式封閉排水隧洞，對基巖段采用直接開挖后襯砌形成排水隧洞。由于該項目屬應急搶險項目，沒有充裕的時間進行詳勘，只有根據(jù)初勘報告選擇隧道軸線及隧道斷面。隧洞斷面采用城門洞型，針對不同類別圍巖設(shè)計不同斷面，隧道斷面里程則根據(jù)開挖后的地質(zhì)條件進行動態(tài)設(shè)計(見圖3)。

3 隧道動態(tài)施工

地震對基巖的不規(guī)則破壞，導致隧道施工過程中的地質(zhì)條件是不斷變化的，其力學動態(tài)也是不斷變化的，因此，施工過程中圍巖暴露出的狀態(tài)就不可能是一成不變的，從而采取的隧道施工對策也要隨之變化。雖然以往我們也要求按照動態(tài)施工的思想進行隧道的設(shè)計和施工，但因獲取信息手段發(fā)展的遲緩、信息傳輸系統(tǒng)的不完善以及隧道施工環(huán)境和管理體制的限制等原因，并沒有實現(xiàn)真正意義上的動態(tài)管理。近年，由于信息技術(shù)、通信技術(shù)以及各種獲取信息手段和方法的迅速發(fā)展，特別是設(shè)計施工體制的改革，給真正實現(xiàn)隧道的動態(tài)施工創(chuàng)造了良好的條件。

動態(tài)施工首先要認識圍巖，了解圍巖。汶川特大地震后，基巖受到極大破壞，采用物探和鉆探方法確定破碎帶、斷層和圍巖類別。

其次，動態(tài)施工的基礎(chǔ)條件就是要認識和了解施工中發(fā)生的各種“動態(tài)”的實質(zhì)，同時也要清楚的認識到所采取的施工手段和方法會引起力學動態(tài)怎樣的變化。

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

3.1.1 地質(zhì)和支護狀況信息的觀察

采用地質(zhì)羅盤儀等觀察記錄工作面的工程地質(zhì)水文地質(zhì)情況，做地質(zhì)素描。觀察開挖面附近初期支護狀況，判斷圍巖、隧道的穩(wěn)定性和初期支護的可靠性。

圖3 文家溝泥石流上游截引水工程引水隧洞斷面設(shè)計示意圖

3.1.2 明渠及隧道洞口段地表沉降監(jiān)測

汶川特大地震后，風化基巖受到極大破壞，開挖后圍巖難以自穩(wěn)，地表易沉陷，為了確保施工安全，采用緊密水準儀、銦鋼尺等進行地表沉降監(jiān)測。

布點原則為：沿明渠和隧道軸線每間隔5 m布設(shè)。同時在橫向依據(jù)實際情況，選定主斷面，沿主斷面布設(shè)測點，以了解地表沉降的橫向影響范圍。

3.1.3 拱頂下沉及收斂量測

沿隧道縱向在拱頂和墻中布設(shè)測點，測點間距為8 m，凈空變位量測在開挖后盡早進行，初讀數(shù)在開挖后10 h內(nèi)且在下一循環(huán)開挖前讀取。監(jiān)測儀器為水準儀、鋼尺、收斂計。

3.1.4 仰拱底部的監(jiān)測

在因地震嚴重破壞而導致基礎(chǔ)松軟地段底部設(shè)測點，每8 m設(shè)一點與拱頂下沉量測點同斷面布設(shè)。

3.2 動態(tài)施工

在文家溝地質(zhì)災害防治引水隧洞施工中，實行了動態(tài)施工管理體制。對該隧道的圍巖從調(diào)查階段地質(zhì)調(diào)查信息中，掌握地質(zhì)條件的變化，在設(shè)計階段則根據(jù)地質(zhì)條件劃分級別，給出標準，最后根據(jù)開挖時發(fā)生的應力、應變特性，給出適合該地質(zhì)條件的施工方法和支護結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

圖4 隧道施工監(jiān)測流程圖

根據(jù)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合巖石開挖后的完整性、穩(wěn)定程度、初期支護的位移變化情況等，將文家溝特大地質(zhì)災害防治引水隧洞工程巖石分為4類圍巖，并針對不同圍巖進行不同支護結(jié)構(gòu)的最后設(shè)計，即明渠段，三、四、五類圍巖段。明渠段開挖后，為防止上游碎屑流堆積物封堵引水隧道，將設(shè)計階段的明渠段支護調(diào)整為暗渠支護。其它地段根據(jù)不同圍巖類別，對應設(shè)計圖進行永久性支護。圖5為文家溝泥石流引水隧洞工程竣工縱斷面圖及各橫斷面圖。

4 結(jié)語

汶川地震災區(qū)文家溝特大地質(zhì)災害與防治引水隧洞工程是四川省地質(zhì)災害治理應急搶險項目，時間緊、任務(wù)重，在近4個月的時間里，獨頭掘進共完成400余米開挖支護任務(wù)。該項目于2011年4月30日竣工。經(jīng)過2個雨季的檢驗，該工程與其它配套工程聯(lián)合作用，治理效果非常突出。先后獲得了國土資源部、四川省人民政府、四川省國土資源廳的表彰和肯定。

圖5 文家溝泥石流上游引水隧洞工程竣工縱斷面圖及各處橫斷面圖

動態(tài)施工與動態(tài)設(shè)計是不可分割的。沒有通過實踐檢驗的設(shè)計始終是預設(shè)計，需要在施工過程中不斷改進和完善。通過本工程的施工實踐，筆者認為，我們的施工體制應適應動態(tài)設(shè)計和動態(tài)施工的需求，建議把施工中的設(shè)計權(quán)逐步地轉(zhuǎn)移到承包人一方，為實現(xiàn)真正意義上的動態(tài)施工創(chuàng)造條件。

［1］ 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］ 葉英.隧道施工信息化預警［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［3］ 何山.淺埋大跨度偏壓隧道動態(tài)施工數(shù)值模擬和施工工序比選研究［D］.湖南長沙：中南大學，2009.

［4］ 陳勇.輸水洞施工的方案比選及其基于MAS反饋控制系統(tǒng)研究［D］.天津：天津大學，2004.

［5］ 閆天俊，吳立.現(xiàn)代隧道施工中的常見地質(zhì)災害問題及防治［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2003(4)：62 －64.

［6］ 季偉峰.三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災害防治監(jiān)測預警的主要方法［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(7)：14 －17.