頂頂巖隧道巖溶儲層分布規(guī)律及規(guī)模研究

頂頂巖隧道巖溶儲層分布規(guī)律及規(guī)模研究

1隧道涌泥形成機理在十分發(fā)育的巖石地區(qū)，隧道的挖掘和掉井是一種容易發(fā)生的災難之一。隧道巖溶涌泥問題主要是在隧道開挖過程中,遇到灰?guī)r等可溶巖發(fā)育的溶蝕裂隙、巖溶管道及溶洞等,其內填充物涌入隧道內的事故。涌泥過程中過高的水頭壓力不僅直接威脅施工人員及設備安全,還嚴重影響隧道施工,甚至造成災害事故,而且可能引起淺層地下水及地表水枯竭、地面塌陷等地質環(huán)境問題和生態(tài)問題。因此,對巖溶隧道危險性涌水突泥預測與成因分析十分必要,也顯得更為迫切。對于類似地質環(huán)境的巖溶隧道可以提前采取預防處理措施,使巖溶隧道涌泥程度及危害盡量得到控制和治理。本文擬就頂上隧道的涌泥災害及其治理作一介紹,可為類似工程事故處理提供參考、借鑒。2基巖及圍巖概況頂上隧道是國家重點工程廈蓉高速公路郴州至寧遠段的關鍵工程,為分離式上下行雙線隧道,左洞長度1245m,右洞長度1219m。隧道斜穿北東走向的頂上山脈,地貌屬于剝蝕侵蝕作用形成的低山—丘陵地形,基巖為灰?guī)r區(qū),山坡呈圓形至橢圓形,為巖溶、峰林洼地、殘丘等典型溶蝕地貌。隧道段內地形起伏較大,山高坡陡,沖溝發(fā)育。2009年8月6日凌晨1時10分,頂上隧道右洞K128+845斷面開始打炮孔(從隧道出口向進口方向掘進)。該斷面設計圍巖為Ⅲ級圍巖,現(xiàn)場地質情況與設計基本吻合。凌晨4時40分鐘左右放炮,5時10分鐘開挖班進洞排險后5時30分鐘開始出碴,出碴時發(fā)現(xiàn)K128+843拱頂中心至進洞掘進方向右側拱腰開始有掉塊現(xiàn)象,隨即大量泥漿沖出,直至泥漿巖塊堆至拱頂后,泥漿才停止向外流出。泥漿或泥漿攜帶的碎石、巖塊被沖或流至K128+888附近,估算已流出溶蝕物質約3000m3(圖1、圖2)。3地質資料及地質預報及勘探分析為查明本次突水涌泥事故發(fā)生的原因,在認真查閱詳勘資料的基礎上,主要采用了工程地質及巖溶水文地質調查、洞內巖溶涌泥物質取樣鑒定,以及突水涌泥部位的觀察和超前地質預報、TSP勘探及鉆探分析。3.1地下水開采帶水期400k128頂上隧道位于湘南典型的喀斯特地貌區(qū)域,地表發(fā)育巖溶洼地、巖溶漏斗和落水洞為其特征,且多以垂直發(fā)育為主,據(jù)詳勘資料和本次工程地質及巖溶水文地質調查成果表明:該隧道地下水豐水期潛水面高于隧道開挖工作面;隧道上部,特別是隧道K128+730~K128+830區(qū)段左側上部山地中發(fā)育一系列巖溶洼地及落水洞,為地下水補給提供了有利的活動空間。大氣降水匯集于巖溶洼地,經(jīng)落水洞或巖溶管道垂直滲透于可溶性灰?guī)r裂隙中,并形成溶洞。隧道內涌泥段正處于隧道上部右側(進洞方向),靠近左洞上部ZK128+730~ZK128+830段匯水面積約0.2km2的巖溶洼地及落水洞范圍內。根據(jù)隧道內觀察,在事故發(fā)生后幾天內,未降雨時,巖溶水明顯減少,均呈滴水或線型狀態(tài),說明巖溶水與大氣降水補給密切相關。3.2隧道上部地層巖性和砂巖為全面查明頂上隧道右洞K128+845-K128+842突水涌泥段工程地質特征,對涌泥物質進行了取樣觀察和涌泥物質中的巖塊成份鑒定,發(fā)現(xiàn)涌泥物質中的巖塊成分主要為灰?guī)r、鈣質砂頁巖和花崗巖,其中,灰?guī)r約占10%,鈣質砂頁巖約占30%,花崗巖60%,流—軟塑狀泥質物均為灰?guī)r溶蝕物。另據(jù)原來詳勘資料表明,山體上部存在灰?guī)r與鈣質砂巖,由此說明隧道上部地層主要由灰?guī)r、鈣質砂巖及花崗巖組成,灰?guī)r為可溶巖,砂巖和花崗巖為隔水層,在灰?guī)r和砂巖、花崗巖接觸面存在一個巖溶通道。溶洞上部為石炭系下統(tǒng)巖關階上段鈣質砂頁巖和下統(tǒng)灰?guī)r,下部由燕山期花崗巖和石炭系下統(tǒng)灰?guī)r組成。據(jù)觀察分析,涌泥部位分布在拱頂中心至進洞方向右側拱腰,涌泥物質主要來源于右側拱腰上部(即往左洞方向發(fā)展),與地面巖溶洼地、落水洞位置一致。3.3涌泥隧道圍巖巖性分析2009年8月5日進行的超前地質預報,主要采用了地質綜合觀察、TSP及地質雷達。據(jù)TSP反射層的提取和圍巖縱橫波速、泊松比、密度綜合分析,在K128+845~K128+828范圍內存在異常反應區(qū),說明該區(qū)段內巖石裂隙極為發(fā)育,地下水相對豐富,有存在溶洞的可能(圖3)。通過對現(xiàn)場部分地段清理后,在K128+853處采用SIR-20雷達進行探測,天線頻率為100MHz,采樣方式為點采,采樣視窗設置為280ns,探測結果如圖4所示。通過對雷達波形的分析可知,前方0~5m范圍內電反射波振幅較強,推測為含水量較大的堆積物;5~12.5m內同相軸錯亂,推測為結構松散、破碎的巖石,局部含水量較大。該探測結果與TSP所預報的結果基本一致。在K128+848斷面布設鉆孔9孔,鉆探結果顯示:(1)涌泥洞口明顯地由隧道軸線右側向左側傾斜,洞口寬度在1.5~2m之間;溶洞以垂直發(fā)育為主。(2)塌陷洞口位于灰?guī)r與花崗巖接觸部位及附近,洞口內側花崗巖風化程度較高,巖體破碎,巖質較軟,隧道圍巖級別評定為Ⅴ級。(3)溶洞往深部延伸有變小趨勢,并沿左側明顯延伸至隧道外側。(4)溶洞向左側側斜已遠離左洞,對左洞相同部位施工影響不大。通過對山體進行工程地質及巖溶水文地質調繪,洞內巖溶涌泥物質分析鑒定及突水涌泥部位觀察,結合TSP、地質雷達探測成果及地質鉆探分析,可推斷涌泥的成因為:在K128+845~K128+785段上部存在一鈣質砂巖與灰?guī)r接觸帶,下部為花崗巖與灰?guī)r接觸帶,涌泥段上部位于左洞(靠近右洞)上部ZK128+720~ZK128+830段巖溶洼地及落水洞中的地表積水和基巖裂隙水,經(jīng)巖溶管道不斷地垂直滲透于上部鈣質砂頁巖及下部花崗巖與灰?guī)r接觸部位的薄弱地帶,加大了鈣質砂頁巖、花崗巖風化和灰?guī)r的溶蝕力度,從而形成了以垂直發(fā)育為主的封閉較好的管道溶洞。當隧道開挖至該溶洞邊緣時,臨空一側失去平衡與支撐,便產(chǎn)生了涌泥現(xiàn)象。4大管棚-跟管施工工藝根據(jù)前述對涌泥的成因分析,確定了涌泥的整治步驟為:清理涌泥至接近掌子面;回拉巖石洞碴反壓涌出的稀泥以便搭建施工平臺;在掌子面后方10m位置處布置3根斜向向上35°的大鋼管,灌小石子混凝土填充溶洞空腔;考慮到掌子面前方全部為土夾石,管棚鉆孔過程中經(jīng)常發(fā)生卡鉆現(xiàn)象,故采用大管棚-跟管施工技術方案;按S5+型襯砌進行支護(工字鋼間距加密為30cm)。4.1鋼管不同布置為確保管棚鉆孔施工順利,采取退后10m在K128+855位置處布置3根外插角為35°的φ108鋼管,1#、2#、3#管分別布置在隧道中線左側1m、2m、3m。1#管用于排水,通過2#、3#管對溶洞空腔內回灌C20小石子混凝土,以便填充溶洞空隙,并達到將前方溶洞內的孤石及混凝土較好地結合的目的(圖5)。4.2工技術及其技術指標由于溶洞內填充物為孤石和稀泥,鉆孔時稀泥很容易進入管棚與鉆桿之間的空隙內,致使堵塞,造成整根管棚作廢。為了安全通過該段,故采用大管棚-跟管施工技術,其技術指標:跟管的管靴長度為30cm,一端內側做10cm反絲扣,另一端做成10cm長、壁厚8mm,中間段采用直徑108mm、壁厚6mm。跟管采取長度為3~5m,直徑為108mm,壁厚為6mm,兩端內側做成反絲扣,長度為10cm。管絲長30cm,直徑為108mm,壁厚為6mm,兩端外側做成反絲扣,長度為10cm。鉆頭采用108mm偏心鉆頭,鉆桿采用直徑73mm、長度1.5m(圖6)。(1)定位K128+848~K128+847做縱向1m長護拱,安裝1.5m長φ127定位管,找準方向。(2)改性鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土錨桿按梅花形布置(φ22錨桿長度為3.5m),鋼筋網(wǎng)為φ8單層鋼筋網(wǎng)(20cm×20cm),噴射C20混凝土20cm,將掌子面封閉。(3)管鞋的管絲套接處安裝安裝帶有鉆頭的鉆桿,同時在鉆桿上套一個管絲和一個跟管,并將管絲與跟管絲扣相連及焊接牢固,將管靴從鉆頭前端套入與管絲絲扣連接并焊接牢固。(4)管絲焊接固定管棚機開始鉆孔,當?shù)谝还?jié)鉆孔完畢,開始安裝下一節(jié)鉆桿,再套上一個管絲和一個跟管(管絲與跟管絲扣連接并焊接牢固),使第一節(jié)跟管與第二節(jié)跟管絲扣相連接并焊接牢固。之后,重復此過程,直至鉆入完整巖石2m時停止鉆孔。(5)r5e注漿采用水泥單液漿,注漿參數(shù)為:水泥漿水灰比1∶1。水泥強度等級不低于P.042.5R。注漿速率為5~50L/min。注漿結束標準:注漿壓力達到3.5MPa,并維持10~15min,壓力沒有變化結束注漿。發(fā)生漿液串孔時也要結束注漿。跟管施工過程中,按照每10m一個循環(huán)施工,完成后封閉掌子面繼續(xù)按照上述方法進行。4.3初期支護工藝設計(1)自K128+846~835里程開始,為了減小圍巖對管棚的壓力,增大圍巖自身承載能力,確保施工安全,增加超前單層小導管。小導管采用φ42×3.5mm熱軋無縫鋼管,長度為5m,外插角10°~15°,環(huán)向間距40cm,縱向間距3.2m。(2)自K128+846~835里程開始,初期支護完成后,為了增大圍巖的穩(wěn)定性,防止收斂以免造成初期支護侵限,采用φ42小導管注水泥液漿(小導管為徑向打入)。小導管長3.5m,按梅花形布置,環(huán)向間距1m,縱向間距1m。(3)自K128+847~835里程開始支護參數(shù)為:采用S5+型襯砌進行支護(工字鋼間距加密為30cm)。4.4圍巖支護效果在溶洞段加固施工過程中,加強了洞內的監(jiān)控量測,尤其是加固段隧道圍巖變形與受力情況,為了及時掌握溶洞封堵以后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài),特別對溶洞段施工影響范圍內(K128+832~K128+847共15m)隧道圍巖的拱頂下沉和水平收斂進行了量測。從溶洞封堵后,即從2009年8月28日開始,量測工作持續(xù)到2010年1月3日,從所量測的有關數(shù)據(jù)來看,在溶洞加固、封堵及初期支護完成后到11月13日,累計拱頂下沉和水平收斂變形分別為18mm、16mm,但從13號以后圍巖變形速率接近為零,隨后的50天內圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定,當日變形速率在0.01mm/d上下波動,說明圍巖受施工擾動較小,變