貴廣高鐵油竹山隧道高風(fēng)險(xiǎn)巖溶施工安全技術(shù)應(yīng)用研究

楊了

（中鐵二局第二工程有限公司，四川 成都610031）

1 前言

隨著中國鐵路的快速發(fā)展，中國的高速鐵路網(wǎng)幾乎已涉及到了祖國每一片區(qū)域。隨著大批高速鐵路的建設(shè)，在巖溶發(fā)育地區(qū)比如貴州、廣西等，巖溶可能引起的突水突泥、暗河水涌入隧道等事故，對隧道施工都是毀滅性的打擊，因此施工中應(yīng)采取技術(shù)措施防止此類事故的發(fā)生。貴廣鐵路是中國第一條一次建成的標(biāo)準(zhǔn)高、線路長的巖溶山區(qū)高速區(qū)際鐵路。對高速鐵路隧道如何安全、快速地通過巖溶地區(qū)的施工技術(shù)進(jìn)行研究具有很大的研究和實(shí)用價(jià)值。本文以新建貴廣高鐵油竹山隧道的成功通過強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)的案例對高速鐵路隧道通過大型溶洞、大段溶蝕破碎帶、大型儲水溶巖管道等可溶巖強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)的施工安全技術(shù)進(jìn)行較為全面的分析和總結(jié)，為此類工程施工提供有成功實(shí)例的借鑒。

2 工程概況

油竹山隧道位于貴州省黔南州貴定縣與都勻市交界處，地處苗嶺山脈的腹部區(qū)，隧區(qū)主山體呈東西走向，支脈向南北方向展布，線路與主山體走向一致。隧道區(qū)地貌受構(gòu)造及巖性控制明顯，兼有溶蝕、剝蝕類型，屬低中山山地地貌，最高海拔1762.5m，最低海拔970m。地形起伏較大，相對高差350～750m。

油竹山隧道位于可溶巖強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，洞身發(fā)育多條斷層，遇大型溶洞、大段溶蝕破碎帶、大型儲水溶巖管道可能性較大。隧道處于巖溶水水平循環(huán)帶，洞身施工時(shí)極有可能遇巖溶管道突水突泥，造成暗河水涌入隧道等災(zāi)害性的環(huán)境地質(zhì)問題。線路右側(cè)黔貴線銀洞坡隧道中部施工中遭遇一條大型暗河，實(shí)測最大涌水量達(dá)370000m3/d。油竹山隧道出口如圖1所示。

3 巖溶預(yù)報(bào)

隧道建設(shè)中對工程地質(zhì)條件的認(rèn)知和掌握程度是確保快速、安全修建的決定性因素之一。盡管在勘察設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了地質(zhì)勘察工作，但由于受地形條件、勘察技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性的限制，加上地質(zhì)體的復(fù)雜多變，地質(zhì)勘察工作是很難把一些較細(xì)的地質(zhì)情況反映出來的，因此導(dǎo)致隧道施工中地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，滿足不了隧道安全施工的要求。

圖1 油竹山隧道出口

國內(nèi)外在隧道建設(shè)中使用較廣泛的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)主要有鉆孔探測和地球物理探測法，直接法采用平行導(dǎo)坑、超前鉆探等手段，間接法采用TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)、地質(zhì)雷達(dá)等物探方法。油竹山隧道主要采用了以下幾種方法對巖溶進(jìn)行預(yù)報(bào)。

3.1 鉆孔地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)

鉆孔雷達(dá)技術(shù)是一種井中地球物理方法，向地層發(fā)射高頻電磁波，利用電磁波在不同地層中的傳播特性差異，來獲取地層信息，從而解釋地下構(gòu)造，具有較高的分辨率和較大的探測范圍。鉆孔雷達(dá)基本原理與表面雷達(dá)相同，主要用于進(jìn)一步查明表面雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的掌子面前方富水構(gòu)造、不連續(xù)體及破碎帶，判斷地下水賦存情況，有助于減少超前鉆孔的數(shù)量，彌補(bǔ)超前鉆孔在復(fù)雜地質(zhì)條件下難以預(yù)測小斷層、貫穿性大節(jié)理及與隧道軸線平行結(jié)構(gòu)面的缺陷?？變?nèi)雷達(dá)探測如圖2所示。

3.2 巖體溫度場探水技術(shù)

水的存在會引起圍巖紅外場的明顯變化，紅外線探水儀通過接收巖體的紅外輻射強(qiáng)度，根據(jù)圍巖紅外輻射場強(qiáng)的變化值來確定掌子面前方或洞壁四周是否有隱伏的含水體。

圖2 孔內(nèi)雷達(dá)探測

紅外探測法雖不能非常準(zhǔn)確地探測到不良地質(zhì)體類型、規(guī)模，但它探測、分析快速，不引起窩工，適合與中、短期物探手段互相補(bǔ)充使用。

3.3 高精度孔內(nèi)成像技術(shù)

孔內(nèi)成像對孔內(nèi)壁四周及下部進(jìn)行全方位彩色攝像，并實(shí)時(shí)傳回全景圖像到地面系統(tǒng)控制器，通過電視屏幕直觀顯示圍巖破碎程度及裂隙產(chǎn)狀等。孔內(nèi)成像可以直接觀測到鉆孔中地質(zhì)體的各種特征及細(xì)微構(gòu)造，編錄地質(zhì)柱狀圖。彌補(bǔ)了超前鉆孔在鉆孔取芯困難部位難以獲取地質(zhì)信息的不足，尤其適用于巖溶地區(qū)地質(zhì)預(yù)報(bào)。

3.4 巖溶隧道多源信息綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)新技術(shù)

巖溶地區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)長大隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是采用地質(zhì)調(diào)查（設(shè)計(jì)地質(zhì)勘探資料收集、現(xiàn)場踏勘），物探法（TSP、表面雷達(dá)、紅外探測、孔內(nèi)雷達(dá)等），結(jié)合超前鉆孔（水平地質(zhì)鉆探、加深炮孔探測）、地質(zhì)編錄等手段為主對隧道掘進(jìn)施工進(jìn)行超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)，應(yīng)用孔內(nèi)雷達(dá)、鉆孔攝像等新手段對復(fù)雜地質(zhì)情況進(jìn)行輔助探測，各手段根據(jù)圖紙和現(xiàn)場地質(zhì)靈活掌握，在巖溶地質(zhì)發(fā)育模型理論指導(dǎo)下，對探測結(jié)果進(jìn)行綜合分析。本研究以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，物探方法為手段，多種方法相互印證和補(bǔ)充，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析處理、資料的解譯及開挖對比等手段，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)地建立了巖溶地區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)長大隧道綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)方法，構(gòu)建了一套適合于巖溶地區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)體系。

油竹山隧道出口DK89+459～+529巖溶預(yù)報(bào)成果如表1所示。

4 巖溶發(fā)育地質(zhì)模型

通過對巖溶地區(qū)隧道工程典型案例的分析總結(jié)，系統(tǒng)研究了在不同構(gòu)造條件下，巖溶病害的發(fā)育特征，系統(tǒng)闡述了巖溶在不同構(gòu)造地質(zhì)條件下的發(fā)育規(guī)律，形成48個(gè)巖溶地質(zhì)發(fā)育模型，分別是水平巖層中巖溶發(fā)育模型、傾斜巖層中巖溶發(fā)育模型、背斜構(gòu)造中巖溶發(fā)育模型、向斜構(gòu)造中巖溶發(fā)育模型四個(gè)大類模型，每個(gè)大類中分為節(jié)理發(fā)育、節(jié)理較發(fā)育、節(jié)理不發(fā)育三種子模型，再通過隔水層的存在情況將每個(gè)子模型分為四種分模型，幾乎涵蓋了所能遇到的所有地質(zhì)情況。

表1 油竹山隧道出口DK89+459～+529巖溶預(yù)報(bào)成果表（預(yù)報(bào)時(shí)間：2010-05-26）

油竹山隧道巖溶模型為巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和巖溶不良地質(zhì)處理提供理論指導(dǎo)，填補(bǔ)了巖溶地質(zhì)預(yù)報(bào)理論體系的空白。水平巖層節(jié)理較發(fā)育巖溶發(fā)育地質(zhì)模型如圖3所示。水平巖層節(jié)理較發(fā)育、無隔水層及下部有隔水層巖溶發(fā)育照片如圖4所示。

通過建立上述48種地質(zhì)模型，在理論上豐富了巖溶工程地質(zhì)的基本理論體系，在技術(shù)上確立了涉及巖溶工程地質(zhì)問題的基本依據(jù)，為貴廣線碳酸鹽隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了技術(shù)保障，提高了預(yù)報(bào)的可靠度。

圖3 水平巖層節(jié)理較發(fā)育巖溶發(fā)育地質(zhì)模型

圖4 水平巖層節(jié)理較發(fā)育、無隔水層及下部有隔水層巖溶發(fā)育照片

5 技術(shù)措施

5.1 溶洞的處理方案

5.1.1 溶洞位于洞身及以上部位

如果通過預(yù)報(bào)判斷無水或僅有限水量時(shí)，可組織正洞正常掘進(jìn)，僅注意掘進(jìn)進(jìn)尺控制，揭露后通過溶洞進(jìn)一步判斷具體形狀、走向、發(fā)育狀況等，將結(jié)合現(xiàn)場情況對溶洞及填充物進(jìn)行處理，并采取支護(hù)等手段加固溶洞圍巖，待開挖通過后，再設(shè)置拱架等措施對空腔一定范圍回填混凝土，完成對襯砌輪廓外溶腔處理后，最后再施作二襯混凝土。

如果綜合分析判斷有突水突泥時(shí)，開挖揭露會帶來災(zāi)害性事故時(shí)，必須采取超前預(yù)注漿處理通過，同時(shí)結(jié)合管棚施工，安全謹(jǐn)慎通過此類洞段。

5.1.2 溶洞位于隧道底板及以下

溶洞位于隧道底板及以下，此類情況有水、無水均采取洞碴先回填，開挖通過后再灌漿加固處理。

5.2 地下水超前處理方案

5.2.1 超前預(yù)注漿方案

預(yù)測掌子面正前方有大流量高壓地下水時(shí)，擬將使用高速鉆機(jī)或液壓鉆機(jī)，對掌子面實(shí)施20～30m深的超前鉆孔，再使用高壓注漿泵向出水構(gòu)造或部位進(jìn)行灌漿。通過嚴(yán)格的鉆孔設(shè)計(jì)與鉆孔工藝，并將以水泥漿為主的漿材向孔內(nèi)注漿，在開挖輪廓線外一定范圍內(nèi)形成止水帷幕從而達(dá)到封堵地下水的目的。

5.2.2 突涌水施工措施

安裝專用高壓水巖層鉆孔封閉裝置和灌漿封閉裝置。在富水地段，超前鉆進(jìn)過程中可能會出現(xiàn)高壓力大流量涌水，這也是超前預(yù)注漿工作的重點(diǎn)。遇此情況，須立即停鉆對涌水段進(jìn)行封閉灌漿處理，但水壓力很大，可能通過鉆桿中空部分，鉆桿與鉆孔間隙高壓射水，人機(jī)安全受到威脅。專用高壓水巖層鉆孔封閉裝置是專門解決在高壓水地層地區(qū)安全鉆孔、加鉆桿和灌漿的，此裝置有安全退出鉆具，可安全安裝注漿管，適用于各種注漿材料等作業(yè)。

基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

6 應(yīng)急措施

6.1 應(yīng)急救援組織機(jī)構(gòu)

成立應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組，下設(shè)數(shù)個(gè)應(yīng)急小組，分別為搶險(xiǎn)救援組、技術(shù)支持組、綜合協(xié)調(diào)組、后勤保障組。明確職責(zé)，配足資源。

圖5 高壓止水封閉裝置

6.2 分級響應(yīng)機(jī)制

應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)分為三個(gè)層級，分別對應(yīng)發(fā)生（可能發(fā)生）事故等級決定，分為一般事故預(yù)案響應(yīng)、重大事故預(yù)案響應(yīng)、特大及以上事故預(yù)案響應(yīng)。

6.3 定期演練制度

為保證體系的有效性，每季度進(jìn)行專項(xiàng)演練1次，每半年進(jìn)行1次綜合演練。

7 結(jié)語

建立了貴廣鐵路油竹山高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道巖溶發(fā)育地質(zhì)模型，引入孔內(nèi)雷達(dá)、孔內(nèi)成像等創(chuàng)新理論和創(chuàng)新技術(shù)，成功彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的物探預(yù)報(bào)技術(shù)存在的缺點(diǎn)，完善了隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)體系。多源信息綜合預(yù)報(bào)技術(shù)和巖溶隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)體系的應(yīng)用極大地提高了地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。在準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上采用技術(shù)手段對巖溶進(jìn)行提前處理，保證了施工安全。施工中還建立了應(yīng)急組織機(jī)構(gòu)，完善了分級響應(yīng)機(jī)制，為高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道施工加上了多道保障，油竹山高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道的巖溶管理為此類工程提供了重要參考。以油竹山隧道為依托展開了高速鐵路隧道施工機(jī)械化配套設(shè)備開發(fā)及應(yīng)用研究、巖溶地區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)新技術(shù)應(yīng)用研究、巖溶隧道爆破控制技術(shù)研究等探索型課題，科研工作碩果累累，工程榮獲2016年度中國建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)。