五指山特长隧道特大涌突水坍方原因分析及对处理方案的思考

五指山特长隧道特大涌突水坍方原因分析

及对处理方案的思考

陈先国,罗春雨,祁海军

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(1.四川路桥集团股份有限公司,成都　610041;2.四川路桥集团隧道分公司,成都　610200)

摘　要:介绍五指山隧道特大突涌水及同时发生的坍方情况,阐述目前该坍方及涌水处理存在的困难,就现有坍方处理方案中存在的一些问题进行了讨论。根据经验和在现场对实际情况的了解,提出对后期坍方处理方案的思路和建议。

关键词:突涌水;坍方处理;原因;方案;思考文章编号:1009-6477(2007)02-0152-05

　　　中图分类号:U458.3　　　文献标识码:B

AnalysisofCauseofLandslipbyWaterInrushinWuzhishanSuperLong

TunnelandConsiderationInSolution

ChenXianguo,LuoChunyu,QiHaijun

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1　特大突涌水及坍方情况简介

2005年8月5日,当五指山隧道进口端施工到K29+542时,掌子面为破碎的砂泥岩,拱顶出现小坍塌。8月6日进行坍方处理。在处理过程中,拱顶掉块严重,晚11时30分左右,掌子面突然发生涌突水,造成掌子面及拱顶崩坍,伴随着大量泥土涌出,人员及时撤离。半小时后上升至K29+400(与掌子面K29+542的距离152m)。根据洞身计算,当

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时涌水量约为3800mΠh(原设计涌水量为12873mΠd),原抽水设备远远无法满足需要。直至8月9日,隧道被淹总长度920m,涌水淹过隧洞顶部达700余m。在水位上升过程中,K29+480～29+510

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段坍塌,随后涌水量下降至850mΠh左右并基本趋于稳定。经过近2个月的机械排水,到9月11日,水位回退至K29+400附近,洞内涌水量约8003mΠh,直至10月底涌水仍无减小趋势。此涌水量一直维持至2006年3月初旱季到来时才有所减少,但

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仍有650mΠh。到雨季即将到来时,估计涌水量会有所增大。出口端部分围岩为灰岩、白云岩、灰岩互层夹砂质泥岩和炭质泥岩,每日涌水量更大,达

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40000～50000mΠd,施工困难。

从K29+300开始,大部分段落开挖时无渗水,但在K29+530附近出现渗水,最大涌水量为103mΠh,围岩破碎,自稳能力差,未爆破,用挖机配合人工开挖,每日进尺约1m。K29+540附近掌子面不

收稿日期:2006-06-02

能自稳,采用Ⅱ超型支护(K29+475～K29+542)。K29+480～K29+542初期支护在突水以前喷混凝土开裂、剥离,工字钢变形、扭曲严重,经锚杆、补喷加固后稳定。由于初支变形严重,采用跳槽施作二衬的方法,先将K29+450～K29+480段施作二衬。突水发生后,该段施作的三模二衬(K29+450～K29+480)出现大量可见裂缝,二衬台车末端K29+480附近二衬已破坏垮塌,该段其余的二衬大面积淋水,初支K29+430～K29+450段也大面积淋水(图1中未示该段),后经水泥-水玻璃注浆后淋水稍有减小,但无根本改变。在K29+467～K29+480处的二次衬砌台车被砸坏,隧道坍方及涌水情况纵断面见图1。台车的大梁、模板等扭曲变形,台车前端压塌约2m,二衬台车报废。模板台车前面的喷锚台车(由大量的I18工字钢和Ф108钢管、钢筋自行加工而成)也被坍方渣体压坏,大量压坏的工字钢台架、钢管、钢筋网在模板台车最前端堵住坍渣和前方涌水所带出的泥土,难以判断前方初期支护的破损情况,只观察到涌水从坍渣中泄出。9月24日经铁二院TSP203超前地质预报显示,隧道左侧(沿掘进方向)K29+478～K29+510和隧道右侧K29+506～K29+508范围内有塌陷变形,最大高度(隧道标高以上)

大约40m,隧道左侧K29+556至隧道右侧K29+560、隧道左侧K29+568至隧道右侧K29+574处推测有大量裂隙存在,即掌子面K29+542附近已经坍塌,其余地段围岩较破碎。坍方详情见图2。

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图1　隧道坍方涌水情况纵断面

图2　坍方平面

岩发生变化,围岩主要以块状砌体为主,层理紊乱,

2　突涌水及坍方原因分析2.1　地质原因

五指山隧道位于四川省沐川县与屏山县交界处,地处四川盆地西南缘向青藏高原抬升带,相对高差大,为侵蚀、溶蚀构造中山地貌。虽然施工设计图表明,进口合同段以砂岩、粉砂岩夹泥岩为主,但局部仍具备储水条件,开挖后揭开封堵岩层后,便形成突水,又由于砂岩透水性强,隧址所经过的山体较大,再加上围岩裂隙发育,且裂隙与山顶相通(涌水发生后,山顶泉眼消失,沟渠、水塘水量明显减小),有较多的水源补给,因此洞内涌水量在较长时间内衰减较小。

岩性基本为砂岩、粉砂岩、砂质泥岩为主,节理裂隙发育,层间结合差。但开挖到K29+430后,围

层间夹黄色土体比例比以前明显增大,岩层变软;开挖到K29+530时,围岩呈片状、粉状、小颗粒状,并局部出现灰白色角碎状软弱物质,该物质遇水泥化,围岩进一步变弱,在拱顶部位出现3股股状渗水。开挖主要以人工配合挖机开挖,根本不用放炮,由于有股水渗出,故掌子面掉块严重,形成小坍方。后来据有关专家分析,从上次坍方(发生在2005年4月2日)处(K29+454)到现掌子面(K29+542)处于背斜陡转过渡段(图3),局部有小的褶皱,由于背斜形成过程中的张拉与扭曲作用,且在张拉裂隙形成过程中充填有软弱的夹层或夹块,围岩以粉砂岩夹砂质泥岩为主,节理发育,节理间距一般小于5cm,岩层破碎,溶蚀宽张,充填有粘土,局部区域有角碎状软弱物质,结构松散,遇水泥化,围岩呈块状砌体结构,

　　　　　　　　　　　　　　　　　公　路　交　通　技　术　　　　　　　　　　　　　2007年451且有渗水,围岩自稳能力差,因涌水浸泡,造成了K29+480～K29+510段坍塌。2.2　设计及施工意识原因

在施工中,由于进口合同段绝大多数围岩以砂岩、粉砂岩夹泥岩为主,并且施工设计图明确指出:“五指山隧道洞身穿越区出现大型溶洞、暗河的可能性较小,在隧道中部碳酸盐岩区可能出现规模较小的溶洞、溶穴和涌突水。”进口合同段在当时距隧道中部距离较远,因此,在施工中未引起重视,未进行超前钻探等防突水措施。施工设计图表明涌水量最大为1278mΠd,配备的排水设备远达不到突水时的要求,因此造成隧道被淹900m的后果。另外,前期施工中一直频繁出现涌水地段,但涌水量不大,以渗水、滴水为主,且涌水持续时间较短,因此在K29+530处出现3股股状涌水未引起施工单位注意,认

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前方的情况无法了解,无法采取下一步行动。三大矛盾交织在一起,要解决任何一个矛盾必然涉及到另外二个矛盾。

(2)涌水及拱顶淋水使注浆浆液随涌水流失,注浆较果差,水位降低后采取了水泥-水玻璃注浆,但水量变化不大,收效甚微,无法采取进一步措施。

(3)K29+430～K29+450段未施作二衬,围岩

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软弱,且临近1坍方,初期支护拱顶大面积淋水,随

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时有失稳的危险。1坍方与新坍方相距较近,新旧坍方很可能已经连通,坍方规模大,处理困难。

(4)对涌水来源判断不清。K29+430～K29+530段在开挖时无渗水,但突水发生后,此段大面积

淋水,因此有人认为是突水发生后将此段水系与掌子面水系连通所致,有人认为是坍渣将前方涌水隔断,隔断后的涌水翻过坍渣,加上此段围岩已经坍塌,在初支背后已形成松散体或空间,使该段围岩拱顶大面积淋水。3.2　目前涌水及坍方的处理方案2005年9月30日召开的五指山进口的坍方处理专家会议,聘请了四川省8位专家到会,对设计院提出的处理方案作了评论,但专家组很多意见未达成一致,会议决定先按设计院方案处理,遇到问题再进一步讨论。处理方案的主要内容有:

(1)对既有破损二衬及初支K29+420～450淋水段施作临时护拱(I18工字钢),并喷混凝土15cm,工字钢架间距50cm,有破损处30cm。

(2)在坍渣体内钻孔降水压(施作Φ168泄水管),使水不再从拱顶泄出。钻孔降水是此方案的关键所在,如果钻孔降水失败,则无法继续采取下一步措施。

(3)分段割除模板台车,并施作护拱,再进行拱部(180°范围)注浆固结二衬背后坍体。

　　(4)台车置换成功后,立即进行锁口,以免坍体

为此时的情况与前期涌水情况一样,未采取任何措施,这也是造成突水及坍方的一个原因。

掌子面K29+542地层中有一层厚40m的砂质泥岩,设计图显示距离隧道拱顶尚有近40m,但这一层砂质泥岩提前出现。另外,施工设计图地质纵断面图中表明,进口端岩层产状293°∠3°,近似水平岩层一直延伸到K29+800附近后开始出现背斜和褶皱,岩层陡转,后来据专家分析,背斜陡转提前出现。隧道顶部砂质泥岩和背斜陡转的提前出现也是坍方及突水发生的原因。3　对坍方处理方案的思考3.1　目前坍方处理面临的困难

(1)目前存在涌水、台车(模板台车和喷锚台

车)被压塌卡住、坍方几大矛盾,前方坍渣内涌出大量流水,拱顶范围也大量淋水,处理坍方操作不方便。台车及大量的钢管和坍塌的初支工字钢,使清渣发生困难。并且由于模板台车处坍方的存在,使

图3　近水平围岩变为背斜陡转示意

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扩大,再沿坍渣堆周边斜向前30～60°施作两环6m长Φ42小导管注浆固结坍体,后坍体表面喷混凝土封闭,以待进一步施作。

该方案实施存在以下几方面问题:

(1)钻孔泄水施工非常困难,不能达到预期的目的。因喷锚台车的钢管(Φ108)及钢筋和坍塌的初支工字钢的存在使钻孔施工非常困难,后来进行的钻孔泄水工作证明了这一点。在原设计隧道标高和降低钻机位置一共钻了14个孔,大部分孔钻10多m或几m后就遇到工字钢,坍体太长,钻进困难,有3个钻孔是满管流水,此涌水估计是坍体空隙中的水流。钻孔泄水根本无法起到泄水降压的作用,最关键的一步无法实施,钻孔泄水处于停滞状态。

(2)破损二衬存在数十道裂隙,涌水从裂隙中泄出,该二衬是否还能使用,如果不能使用,则需要拆除。在二衬处加工字钢和喷混凝土以后拆除存在很大的困难,且拆除后存在很大的危险,如果能使用则存在侵界的问题。原有的坍方与现在的坍方相隔10多m,很可能原有坍方与现有的坍方已经连通,

台车的钢管、钢筋,为下一步清渣创造有利条件。在割钢管、钢筋的过程中,可能会有渣体往外突涌的现象,可边割边清理渣体,不要一次全割断所有钢管、钢筋,以防止渣体大面积往外突涌。钢管钢筋形成一个棚架,使坍渣无法下落,割除钢管钢筋后,使坍渣下落,便于清理,也可看清前方情况,采取相应的措施。

(4)清渣。割除喷锚台车,清除钢管、钢筋后,用挖机清理坍方渣体。在清渣的过程中,尽量将涌水集中排出,同时观察涌水的来源,看涌水是来自前方还是拱顶上方,同时观察坍腔的高度和宽度以及前方初期支护破损情况,在地质超前预报的基础上进一步了解前方初支及坍塌情况,尽量将涌水汇集在一处,减小涌水的干扰。(5)分情况处理。根据清渣观察到的情况,分以下2种处理方案。处理坍方总的原则是“小坍方,先支后清,必要时作套拱和护拱(中等坍方);大坍方,先棚后穿。”①如果模板台车前方初期支护损坏不大,则可先处理前方初支,根据初支损坏的程度,可以打锚杆、补喷混凝土以及局部注浆加固,必要时加设I18工字钢。前方初支处理完毕之后,用挖机在加固好的初支下面清理模板台车后面的渣体,进一步减小模板台车背后的荷载(清渣时已减去部分荷载),再考虑拖动模板台板(考虑地锚等形式拖动),然后处理模板台车背后坍方(如果模板台车后面二衬变形严重,可用拆除控制爆破技术炸掉部分二衬),利用相对稳定的时间,作外层初期支护、清渣,架拱架作套拱、作护拱、作二衬、吹沙回填的方法处理。②如果前方初支破坏严重,有较大坍塌,一时难以处理,则先考虑拖出模板台车(仍先清理坍方渣体以减小模板台车后面荷载),再处理模板台车后面的坍方(仍采用架钢架作套拱、护拱的方案、作二衬、最后吹沙回填),此处坍方处理好以后再考虑前方初支的坍塌。初支坍方可分2种情况处理:如果坍方较高,超过隧道开挖轮廓线外一定范围,则可考虑用大管棚加小导管注浆的方案处理;如果坍方较小,没有封顶,则可考虑清除原有损坏初期支护,作外层初期支护,清方,架拱架作套拱、护拱、二衬,然后再吹沙回填的方案。4　结语

注浆加固在涌水大的情况下效果较差,不能有效固结围岩。

(3)由于K29+480处大量钢管及工字钢架存在,施作大管棚固结坍体围岩的操作也非常困难,根本无法钻进,不能实施大管棚注浆。由于涌水较大,后面小导管注浆固结效果不理想。后来管棚注浆改在K29+450附近,在初期支护中凿槽布置管棚工作室,但涌水仍较大,效果差,管棚注浆工作中途停止。3.3　对后期处理方案的思考

按照既定方案,钻孔泄水遇到了困难,后期工作处于停止状态,打好泄水孔也不能起到泄水的作用。通过对坍体的长期观察和对现场情况的了解,提出以下方案:

(1)加固。按照预定方案进行K29+420～K29+450段初期支护加固,必要时架设工字钢,以保

证该段安全,该工序现已施作完毕。二衬加临时工字钢架支护,工字钢架间距可加密,不喷混凝土,以便以后拆除临时支护。

(2)清淤。在K29+430附近挖积水坑或边沟(集水坑现基本施工完毕),进一步降低水位,为清淤创造条件。在水位进一步降低后,清除K29+450处二衬及模板台车下的淤泥及部分坍渣。

(3)割除喷锚台车。在进一步降低水位和清除模板台车下的淤泥后,用氧炔焰或切割机割断喷锚

本次坍方造成隧道停工达9个月,处理难度极

　　　　　　　　　　　　　　　　　公　路　交　通　技　术　　　　　　　　　　　　　2007年651大,在全国也是罕见的。背斜陡转段围岩及顶部砂质泥岩层提前出现,地质状况是造成突涌水的主要原因。原定的泄水降压坍方处理方案关键的一步钻孔泄水难以达到预期的效果,因此难以继续实施。突涌水坍方发生后,对如何处理坍方犹豫不决,导致坍方发生后9个月还未正式开始处理。由于处理难度较大,笔者提出的处理方案与建议也存在不合理之处。通过本次涌水坍方的教训,建议在特长隧道设计中,首先必须对隧道地质进行详细的勘察,其次是设计时不宜采用“一”字型隧道。如果本段隧道为人字坡隧道,涌水后水能自然流出,在洞内不会长期浸泡洞身围岩和初期支护,本次坍方是可以避免的,同时人字坡隧道对隧道排水有利,施工中也将大

大降低施工成本。在隧道施工中,首先必须对隧道施工进行超前地质预报,为开挖与支护提供参考,把突发事故降低到最小程度;其次在隧道施工中,当遇到有涌水突变的部位时,应及时进行超前注浆,这样既可避免大型的涌突水事故,也可保护生态环境。

参考文献

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重庆市第6届期刊好作品评比结果揭晓本刊13篇技术论文获奖根据重庆市新闻出版局要求,重庆市期刊协会于2006年10月至2007年1月开展了第6届重庆市期刊好稿、好封面、好插图、好栏目、好标题等好作品评选活动。共评出好稿468篇,其中本刊13篇技术论文获奖。获奖情况如下:

一等奖(2篇)王卫东《西部公路地质灾害预测预报信息系统》2005(3)

王福敏徐伟《重庆朝天门长江大桥主桥结构体系研究》2005(增)

二等奖(4篇)

潘艳荣翟长旭朱顺应《总量控制与系统平衡相结合的交通量预测方法》2005(1)罗莉肖裕民黄红元刘伟《遗传学法在滑坡抗剪强度参数反演中的应用》2005(1)奉龙成刘孝辉刘亢黄东《重庆菜园坝长江大桥主拱静力稳定性分析》2005(增)滕钢钱鹏《工业以太网及模糊控制技术在雷崇高速隧道群的运用》2005(4)三等奖(7篇)

赵峥嵘《碎石桩壳法加固软土地基的工程实例与探讨》2005(1)

兰超王多根谢殿武《横向承载嵌岩桩的数值分析及设计探讨》2005(6)陈文辉秦峰陈贵华《小净距隧道、连拱隧道、普通分离式隧道造价对比分析》2005(6)孙瑞华赵军《不同模型下的FWD路面模量反算结果分析》2005(2)

严秋荣孙海兴邓卫东杨青《红层软土石混合填料的抗剪强度特性》2005(3)

杨绍静李果发沈平吴旷怀《广西柳南高速公路密级配磨耗层材料设计与试验研究》2005(4)曾德荣《桥梁施工监测应力误差计算方法》2005(4)

《公路交通技术》编辑部