某隧洞特大涌渣流砂事故原因分析及經(jīng)驗教訓

1、某隧洞特大涌渣流砂事故原因分析及經(jīng)驗教訓 楊玉銀，盧學文，魏豫，張葉祥，李鵬(中國水利水電第五工程局有限公司，成都) 摘 要：針對某隧洞發(fā)生的隧洞開挖史上罕見的特大涌渣流砂事故，闡述了涌渣流砂形成的條件及基本原理，分析了事故原因，總結(jié)了經(jīng)驗教訓；并對施工地質(zhì)條件極差的隧洞開挖爆破方案的選擇提出了具體建議?？晒┩惞こ探梃b對預(yù)防同類事故的發(fā)生有著重要意義。關(guān)鍵詞：隧洞開挖；涌渣流砂；事故原因；爆破方案；經(jīng)驗教訓 1 引 言在地下隧洞工程施工中，塌方、冒頂、流砂事故是比較常見的，但一次出現(xiàn)涌渣流砂幾千方、甚至上萬方，將出渣裝載機、自卸汽車沖出500余米且完全解體、掩埋的現(xiàn)象卻是罕見的。本文所述隧洞

2、為四川某水電站引水洞，該洞出口端工作面開挖掘進到428m時，發(fā)生第1次涌渣流砂3900余方，之后在處理過程中按正常支護方法清渣到距掌子面17m左右時，掌子面上方再次突然沖出涌渣流砂11800余方，將洞內(nèi)的1臺裝載機和1臺自卸汽車瞬間由洞內(nèi)推出洞外后，繼續(xù)向前推進92m，整個推出距離503m，并將兩臺設(shè)備完全解體、掩埋，洞口堆渣厚1.02m，洞內(nèi)所有施工設(shè)備、用電線路全部報廢。對于這樣的突發(fā)事故，在隧洞開挖史上也是不多見的。為了在以后的隧洞開挖施工中避免同類慘痛事故的發(fā)生，筆者對該洞事故發(fā)生的經(jīng)過進行了描述，對事故發(fā)生的原因進行了分析，并總結(jié)了經(jīng)驗教訓，提出了有關(guān)隧洞開挖爆破的建議方案，供廣大地

3、下工程施工人員遇到同類問題時引以為鑒。 2 工程概況該水電站引水隧洞洞長1188m，分進、出口兩個作業(yè)面。該洞開挖斷面為城門洞形，類圍巖，設(shè)計開挖斷面尺寸為4.80m4.38m(寬高)，支護主要采用錨噴支護，局部掛網(wǎng)：錨桿采用砂漿錨桿、22mm螺紋鋼、長3m、間排距均為150cm；噴混凝土采用C25混凝土，厚5cm；局部掛網(wǎng)采用8mm，網(wǎng)格尺寸20cm20cm。原設(shè)計、V類圍巖設(shè)計開挖斷面尺寸為5.50m5.08m(寬高)，采用錨、網(wǎng)、噴結(jié)合鋼格柵的支護方法：錨桿采用砂漿錨桿、22mm螺紋鋼、長3m、間排距均為100cm；噴混凝土采用C25混凝土，厚10cm；局部掛網(wǎng)采用8mm，網(wǎng)格尺寸15c

4、m15cm；鋼格柵由18mm螺紋鋼制成，斷面尺寸15cm15cm。在出現(xiàn)流砂現(xiàn)象后，、類圍巖開挖斷面尺寸變更為5.90m5.85m(寬高)，支護采用超前小導(dǎo)管結(jié)合鋼支撐加強支護：小導(dǎo)管采用48mm普通鋼管、間距3040cm；噴混凝土厚度由原設(shè)計的10cm調(diào)整為30cm；鋼格柵改為鋼支撐，由I18工字鋼制成；掛網(wǎng)仍采用8mm，網(wǎng)格尺寸15cm15cm。招標文件中地質(zhì)條件：該洞洞身段全長1188m，沿線地形完整，隧洞埋深一般140300m。巖體新鮮較堅硬，主要以類圍巖為主。由于該洞埋藏深度大、巖體新鮮完整、地下水較豐富，開挖時需采取相應(yīng)的疏排措施；地應(yīng)力屬中高量級，局部洞段可能發(fā)生劈裂、剝落、巖爆

5、，對圍巖穩(wěn)定不利，開挖時應(yīng)采取防護措施。在招標文件中該洞圍巖以類圍巖為主，洞口及局部有、類圍巖。而在實際開挖后，地質(zhì)條件出入較大。該洞出口作業(yè)面實際開挖的428m中，類圍巖13m、類圍巖85m、類圍巖330m，、類圍巖占97，共揭露斷層11條、巖脈19條。 3 隧洞涌渣流砂事故發(fā)生過程3.1 第1次事故發(fā)生經(jīng)過2009年6月3日凌晨5：00，引水洞出口開挖至樁號K0+773部位，對邊頂拱超前支護完畢后，右側(cè)頂拱掌子面出現(xiàn)突發(fā)性的涌渣，涌渣量約110m3；上午10：00，K0+773掌子面右邊頂拱涌水量突然增大，但無渣體涌出；中午12：45再次發(fā)生突發(fā)性的涌渣，渣體涌至K0+870樁號，12：5

6、0在洞口放置警戒線；下午16：30隨著洞內(nèi)轟鳴聲，大量泥石流狀渣體涌出來，樁號K1+080位置淤渣約30cm厚。樁號K1+043至掌子面共271m，風水管線被沖斷或擰成麻花狀，洞內(nèi)電路中斷，混凝土噴射機、手風鉆、電焊機、風鎬、配電柜、注漿機、注漿泵、漿液攪拌機、鼓風機及其他大量物資被掩埋，幸好無人員傷亡。經(jīng)測算，本次共發(fā)生涌渣流砂3900余方。涌渣流砂事故發(fā)生后，業(yè)主為了確保引水洞按期使用，加快工程進度，經(jīng)與設(shè)計、監(jiān)理協(xié)調(diào)，在沒探明事故發(fā)生原因及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的情況下，要求施工單位于2009年6月10日開始對洞內(nèi)涌渣進行清理，并按設(shè)計要求對破壞洞段進行重新支護。3.2 第2次事故發(fā)生經(jīng)過2009年8

7、月5日凌晨2：10，已清理的破壞段重新支護完畢，開始自K0+791樁號出渣，出渣采用ZL50裝載機裝兩臺5t自卸汽車。凌晨4：43，當出渣到距掌子面17m的K0+790樁號時，掌子面再次突然涌出大量流砂，瞬間將洞內(nèi)的1臺裝載機和自卸汽車沖出洞外。流砂和設(shè)備巨大的沖擊力，將洞軸線上、洞外施工場地上機械設(shè)備及洞口防護欄沖垮，兩臺出渣設(shè)備沖下洞口公路，并沖垮公路邊防撞欄桿，直射出去，最終落人公路邊山坡下的砂石骨料倉內(nèi)，整個行程軌跡長503m。此時，洞口部位淤積流砂厚度1.02m。公路上淤砂厚O.60.8m，裝載機和自卸汽車全部被埋人山坡下的料倉內(nèi)。后經(jīng)挖出兩臺設(shè)備已被徹底解體。經(jīng)初步測算，本次出現(xiàn)涌

8、渣流砂11800余方，且洞口涌出的渣料均為干凈、質(zhì)量良好的青砂。 4 涌渣流砂的形成條件和基本原理4.1 浦渣流砂的形成條件經(jīng)過分析，隧洞發(fā)生涌渣流砂現(xiàn)象必須同時具備以下四個基本條件：(1)隧洞頂部圍巖存在大量的松散碎屑固體渣料。(2)洞頂以上有高水頭地下水，且有充足的地下水源補給。(3)存在有利于渣料存積、運動的通道。(4)掌子面頂部空腔內(nèi)外壓力平衡被破壞。4.2 涌渣流砂形成的基本原理在隧洞未開挖至涌渣流砂掌子面附近時，涌渣流砂掌子面頂部松散體和高水頭地下水與洞內(nèi)壓力是平衡的。隨著洞挖的向前推進，這種平衡被逐漸破壞，高水頭地下水開始從節(jié)理裂隙極發(fā)育或?qū)儆谏Ⅲw結(jié)構(gòu)的圍巖中滲出，并隨著向前掘進

9、滲流量逐漸增大，地下水向洞內(nèi)滲出的同時，逐漸帶走了洞頂松散體內(nèi)的大量細小黏土顆粒。洞頂松散體結(jié)構(gòu)本來是靠這些黏土顆粒的黏結(jié)及支撐作用形成整體的，這些細小顆粒的流失使洞頂散體結(jié)構(gòu)的整體性遭到徹底破壞，顆粒之間不再有黏結(jié)作用。因此，當開挖至涌渣掌子面時，徹底打破了頂部松散體和高水頭地下水與洞內(nèi)壓力的平衡，大量地下水攜帶著頂部松散體沖入洞內(nèi)，形成涌渣流砂。由于涌渣掌子面頂部圍巖節(jié)理極發(fā)育、松散破碎，總體呈松散體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性極差、透水性強，掌子面涌渣達一定程度后，形成的頂部空腔內(nèi)壓力與洞內(nèi)壓力再次達到暫時平衡，涌渣流砂暫時停止。此時，空腔內(nèi)高水頭地下水不斷滲入洞內(nèi)，空腔內(nèi)松散體在高水頭地下水流動的裹脅

10、下，不斷塌落沉積于空腔內(nèi)，頂部空腔快速擴大，地下水位迅速上漲，空腔內(nèi)水壓力不斷升高，當空腔內(nèi)外壓力差達到一定程度時，就不可避免地再次發(fā)生了涌渣流砂。在涌渣流砂掌子面洞頂具備足夠松散體和充足高水頭地下水的條件下，隨著洞頂空腔的增大，隨后重復(fù)發(fā)生的涌渣流砂量將一次比一次大，直到涌渣流砂體產(chǎn)生的阻力與最高壓力水頭達到平衡為止，才能在一定時間內(nèi)暫停涌渣流砂?？梢娙绻咚^地下水問題得不到徹底、有效地處理，再次進行出渣時將會產(chǎn)生更大規(guī)模的涌渣流砂。 5 隧洞涌渣流砂事故發(fā)生原因分析5.1 地質(zhì)構(gòu)造的影響形成了渣料豎向運輸通道該引水洞位于海流溝擠壓破碎帶影響范圍內(nèi)，所處山體發(fā)生過大的構(gòu)造運動，受構(gòu)造運動影

11、響，出口已開挖的428m共發(fā)育有斷層11條、輝綠巖脈19條。在引水洞發(fā)生涌渣流砂的掌子面K0+773處發(fā)育有jd19輝綠巖脈，產(chǎn)狀為N30WSW50，寬4.0m，呈碎裂散體結(jié)構(gòu)，兩側(cè)及上部均為易于儲水的強全風化花崗巖。jd19輝綠巖脈形成了向下運輸渣料的初期通道，并且逐漸向上、向兩側(cè)擴大至花崗巖強全風化層范圍。5.2 風化花崗巖提供了大量松散碎屑固體渣料引水洞已開挖的出口洞段所處山體，主要地層巖性為灰白色中粒黑云二長花崗巖。K0+773掌子面附近及頂部圍巖，呈全強風化狀態(tài)，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造和礦物成分的特點，遇水易于崩解，形成碎屑和砂粒，并且儲量極其豐富，這就為涌渣流砂提供了大量固體渣料。5.3 長

12、時間降雨提供了高水頭和充足的地下水根據(jù)中水顧問集團成都勘測設(shè)計研究院提供的地質(zhì)資料，該引水洞正常地下水位距洞頂?shù)乃^高差達到85m左右。該區(qū)域地處中高山地區(qū)，海拔11001800m，為亞熱帶河谷季風氣候。該地區(qū)在68月份雨量非常充沛，據(jù)鄉(xiāng)政府附近雨量監(jiān)測站資料顯示，僅7月15日至8月5日，降雨量為231mm，最近一周降雨量69.2mm。監(jiān)測結(jié)果為河谷地段數(shù)據(jù)，高山區(qū)應(yīng)比監(jiān)測結(jié)果大。大量的地下水滲透填充于山體強全風化花崗巖松散破碎巖體內(nèi)，使之趨于飽和狀態(tài)，從而使洞頂以上地下水頭超過100m成為現(xiàn)實。另外，山體內(nèi)發(fā)育有海流溝一切刀崖斷裂含水帶，儲水量極豐富，是山體內(nèi)另一充足的水源。這種長期存在的高

13、水頭和充足的地下水為涌渣流砂提供了強大的動力。5.4 大量流動的地下水使空腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷變化6月4日至8月5日，再次發(fā)生大規(guī)模涌渣流砂事故，平均每天自涌渣流砂的空腔內(nèi)流出的地下水量都在180m3h以上。6月4日以后，這種高水頭、大流量的地下水，不斷沖刷空腔兩側(cè)及頂部松散破碎的花崗巖體，使之大量沉積于空腔內(nèi)，并且空腔內(nèi)水頭不斷升高，直至與山體內(nèi)最高地下水位持平。這種巨大的壓力與洞內(nèi)淤積的涌渣流砂體產(chǎn)生的阻力暫時處于平衡狀態(tài)。長期流動的地下水不斷帶走空腔內(nèi)積渣及洞內(nèi)腔體附近淤積體中的細小黏土顆粒，使空腔內(nèi)及腔體附近堆積體中的顆粒完全處于獨立狀態(tài)，徹底成為砂粒狀散體結(jié)構(gòu)，完全失去了相互之間的黏結(jié)支撐

14、力。對于這種暫時狀態(tài)的平衡，稍有觸動，便頃刻間崩塌，這種巨大勢能瞬間釋放，迅速轉(zhuǎn)化成沖擊能量，從而造成大量涌渣流砂事故。5.5 后期清譴活動誘發(fā)了本次涌渣流沙事故在2009年8月5日凌晨4：43以前，由于6月3日涌出來的渣料形成的洞內(nèi)自然堆積料體長達307m，其產(chǎn)生的水平抗滑力足以抵抗涌渣空腔內(nèi)產(chǎn)生的向下壓力。隨著清渣工作的進行，洞內(nèi)渣料堆積體產(chǎn)生的抗滑力逐漸減小，直到清理至距掌子面17m的K0+790樁號時，這種平衡狀態(tài)完全被打破，涌渣腔體內(nèi)巨大的勢能瞬間轉(zhuǎn)化為強大的洞內(nèi)水平方向沖擊能量，于是發(fā)生了8月5日凌晨4：43的特大涌渣流砂事故。此次發(fā)生涌渣流砂事故的過程示意圖如圖1所示(略)。 6

15、 經(jīng)驗教訓與建議6.1 有關(guān)事故教訓總結(jié)與建議本次事故教訓是慘痛的，事故發(fā)生時間剛好在8月5日凌晨5點鐘前后，洞外及路邊下方骨料倉內(nèi)均無施工人員，否則后果不堪設(shè)想。通過這次事故，不管是業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理還是施工單位，都應(yīng)該謹記這一沉痛的教訓。(1)第1次發(fā)生大體積的涌渣事故后，不要急于對涌出的渣料進行清理，也不要急于研究支護方案，應(yīng)該認真觀察涌渣掌子面上方腔體出露情況，如果是出露在外的，說明腔體內(nèi)渣料數(shù)量是可以預(yù)計的。如果是淹沒的，那么腔體內(nèi)的淤渣數(shù)量是未可知的，需要進一步探明，并且其內(nèi)部水頭差會進一步升高，可能發(fā)生更大的涌渣流砂事故。(2)發(fā)生涌渣事故后，要認真觀察地下水的流量變化情況。如果涌

16、渣后地下水流量迅速減少，說明地下水屬于裂隙潛水，這種沒有后續(xù)地下水的涌渣是比較易于處理的；如果后續(xù)地下水流量比較大，且流量穩(wěn)定，說明存在地下水補給水源，由于這種地下水的影響，將造成涌渣后的空腔進一步擴大、變高，可能造成更大的涌渣事故。(3)在地下水補給情況、空腔上部圍巖情況沒探明或地下水沒徹底治理前，不要急于清理涌渣后的積渣，以免沉積在空腔內(nèi)的渣料和高水頭地下水突然涌出，進一步造成設(shè)備、人員傷亡。(4)在設(shè)計階段洞軸線選址時，應(yīng)按設(shè)計要求加密鉆孔增加取芯數(shù)量，切實為施工階段探明可供參考的圍巖及地下水發(fā)育情況。(5)第1次發(fā)生大規(guī)模涌渣流砂事故后，業(yè)主單位應(yīng)邀請相關(guān)專家對隧洞的安全情況進行評估，

17、以確認隧洞進一步開挖的可行性。6.2 有關(guān)隧洞開挖方案選擇的建議該類隧洞一般地質(zhì)條件極差，多受過大的構(gòu)造運動影響，巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、風化程度高，圍巖強度極低，多屬堅固系數(shù)f=12的軟質(zhì)圍巖。該類圍巖開挖爆破的一個關(guān)鍵技術(shù)是控制開挖爆破對圍巖的擾動破壞，盡可能減少爆破振動對圍巖的影響。采用常規(guī)的光面爆破、預(yù)裂爆破，均難以取得較好的爆破開挖輪廓及減振效果。盡管光面爆破和預(yù)裂爆破采用不耦合裝藥，但畢竟設(shè)計開挖輪廓線上的周邊孔要進行裝藥爆破，無論孔內(nèi)裝藥量控制的多好，其爆破振動對圍巖及開挖輪廓的影響都是不容忽視的。這樣不僅不會在開挖輪廓上留下半孔，甚至還會造成塌方。對于該類圍巖，如果人工配合反鏟

18、能挖得動，盡可能不采用爆破方法。如果人工配合反鏟開挖有難度，建議采用文獻3中提出的周邊密空孔鉆爆法。該方法是在設(shè)計開挖輪廓上，鉆一排密集的鉆孔，形成密集孔幕，孔內(nèi)不裝藥，這種密孔幕主要起減振作用?？拙喔鶕?jù)圍巖軟硬情況，取孔徑的25倍，巖石軟取大值，反之取小值。將與周邊密孔幕相鄰的外圈崩落孔按軟巖光面爆破設(shè)計。外圈崩落孔與周邊密孔幕間的巖體稱為保護層。根據(jù)圍巖軟硬情況，保護層厚度可取2550cm，巖石軟取大值。根據(jù)多年來現(xiàn)場施工經(jīng)驗，該爆破方法對軟質(zhì)圍巖開挖極為有效，在以往同類隧洞開挖施工中均取得了較好的減振爆破效果，并形成了平整、光滑的設(shè)計開挖輪廓。 7 結(jié) 語在地下工程施工中，要特別重視對地下水變化的研究工作，注意開挖過程中的超前探水。如果注意觀察，應(yīng)該說所有的地質(zhì)變化都是有前兆的，對于發(fā)現(xiàn)的重