宜万铁路是目前国内地质条件最为复杂、风险最大、最难修筑的铁路,多个隧道的特大体量高压富水隐伏溶腔裂隙在施工过程中遭遇特大型突泥突水。限于探测手段或考虑施工风险,个别富水溶腔裂隙未能发现或采取承压衬砌通过。自2010年12月开通运营以来,由于地质条件发展,多个隧道在雨季发生地下水压骤升造成隧道衬砌破坏、中断行车的地质灾害,给铁路正常运营和人民生命财产安全造成了极大隐患。2016年6月宜万铁路大支坪隧道发生突水中断行车事故,中国铁路总公司工程管理中心组织有关专家,全国范围内首次采取在运营隧道中建设泄水洞进行裂隙水泄水的方案,该隧道洞中洞方案的成功实施,为国内其他运营隧道高压岩溶裂隙水的治理提供了宝贵经验。

本文系统介绍了数理统计分析方法测算、验证岩溶裂隙涌水量,利用综合超前地质预报手段对施工点地质情况进行判断,精确控制爆破和监控确保铁路运营安全,总结了同类型问题处理的关键环节。

大支坪隧道位于湖北省巴东县大支坪镇,双线隧道,线间距30m,全长8 775m,最大埋深495m。突水点距隧道出口约3 600m(里程为DK135+314),埋深约300m。

突水段主要地层为石炭系灰岩和含燧石结核灰岩,弱风化,中厚层状,局部节理较发育。突水点岩体破碎,岩溶裂隙发育,节理裂隙间充填溶蚀黄色黏土,渗水,V级围岩。距突水点23m处(DK135+337)为高压溶腔。突水点至高压溶腔段为完整灰岩,Ⅳ级围岩。该隧道长期形成了岩溶洼地为主要集水形式、以大泉和暗河为主的小流域系统、以排向两侧河谷为主要排泄特征的水文地质条件。突水点补给源主要为地表降雨,暴雨情况下水质浑浊,携带粉细砂及少量卵砾石,推测岩溶裂隙上部一定高度与岩溶管道有水力联系,同时与暗河或一定高度溶腔半连通,地表水及地下水沿岩溶裂隙、破碎岩层下渗或走向径流,在隧道拱顶破碎区域大量汇集后沿宽张岩溶裂隙涌出。

考虑DK135+337处即为高压溶腔,与突水点间岩体为较完整的Ⅳ级围岩,且营业线利用天窗点施工时间短,须尽量减小工程量,故选择利用中间DK135+327处的避车洞作为泄水洞出水点。泄水洞断面采用等同避车洞断面(2.0m×2.2m),从避车洞垂直线路方向以43.7%坡度爬坡开挖至安全距离和一定高度后,折向平行线路向突水点同坡度爬坡开挖至隧道拱顶3m以上,再小坡度折向突水点拱顶。泄水洞拐弯处设消能洞,出口处设消能池,如图1所示。

采用降雨入渗法计算,根据本地历年降雨统计及宜万建设经验选择相关参数,详见式(1):

式中:Q为涌水量(m³/d);α为降雨入渗系数,取值0.3;A为集水面积(km²),取值2.05;η为地下水涌入系数,取值0.22;X为降雨量(mm/d),日平均降雨量取15mm计算隧道正常涌水量Q_S、日暴雨量取100mm计算隧道最大涌水量Q_max,Q_S=2 030m³/d;Q_max=13 530m³/d。

正常涌水量与日常监测基本相符,隧道侧沟排水能力基本满足最大涌水量需求,可认为涌水量不会淹没道床,采取泄水洞排水至侧沟的方案可行。

施工及运营期间实测涌水量1 000~8 000m³/d,降雨量与涌水量统计如图2所示。本文运用数理统计法对涌水点降雨量与涌水量规律进行分析。

回归统计如表1所示、方差分析如表2所示,实测涌水量与降雨量线性回归,得线性回归方程:

式中:X₀为当日降雨量;X₁为前1日降雨量;X₂为前2日降雨量;y为涌水量。

该方程的复相关系数R=0.854,拟合度R²=0.729,显著性水平F=0.000,回归显著,说明涌水量主要受前3日降雨影响,该突水点水源补给主要为大气降水,降雨量与涌水量呈正比关系。

泄水洞施工范围采用地质雷达法和单点反射法进行宏观探测、炮孔加深超前钻探和地质调查法进行局部精确探测分析的综合超前地质预报方案。宜万铁路按照高速铁路运营管理,本泄水洞利用天窗点实施,随时有进一步突水隐患,列为极高度风险,地质超前预报由设计院负责。

隧道内布置地质雷达测线8条(测线1~测线8),其中拱顶2条、拱腰2条、边墙4条(见图3)。本工程采用美国产SIR20型地质雷达,隧道围岩为微风化灰岩条件下,400MHz地质雷达天线有效探测距离<5m,100MHz地质雷达天线有效探测范围约为5~30m,因此采用100MHz和400MHz发射天线分别对每条测线进行扫描,可以探测0~30m深度范围内围岩裂隙分布及富水情况,用以对比分析隧道总体地质情况。

地质雷达法探测过程中会受到接触网、隧道衬砌钢筋网及钢拱架等金属体和电磁信号干扰,导致局部异常较为复杂,因此,在泄水洞开挖过程中对开挖掌子面进一步进行地质雷达探测。考虑到泄水洞掌子面较小(宽2.0m×高2.2m),单点反射法无法应用于掌子面探测,而雷达法100MHz天线尺寸较大(长1.2m×宽0.6m),采集数据量有限,且预报盲区较大,难以满足现场作业要求。故采用400MHz(长0.3m×宽0.3m)发射天线进行探测。掌子面以中心为参考分别布置垂直方向、水平方向及环向测线(见图4)。由于400MHz雷达天线探测深度一般<5m,前后两次预报一般应重叠2m,保证施工过程中安全探测距离≥3m。

单点反射法主要针对隧道地质雷达异常部位进行辅助探测。单点反射法是利用人工激发的地震波在不同波阻抗地质体中所产生的反射波特性,预报前方地质情况的物探方法,单点反射法适合预报地质构造和岩溶等不良地质体。单点反射法仪器采用美国产NZ-XP工程地震仪,偏移距3m,4Hz检波器,点距0.5m。

由于泄水洞断面小、坡度大,宜采用加深炮孔法进行超前钻探。钻孔时可以从风枪的钻速变化、钻杆的扭矩变化、进尺速度、推进力变化、冲洗出来的岩屑成分和颜色,钻杆的跳动情况以及钻孔中的喷水量和喷射距离,分析和判断掌子面前方地层的岩性、地下水变化情况。其探测长度一般为10m以内,本工程采用5m钻杆,两循环搭接长度≥1m。结合本泄水洞地质情况,采取3孔加深炮孔(见图5),外插探孔岩旁≥2m,有渗水现象时酌情加密2孔。

地质调查法主要通过地质素描,内容主要包括工程地质和水文地质两部分:工程地质包括描绘地层岩性、地质构造、岩溶、特殊地层、塌方等;水文地质包括描绘地下水分布情况、水质分析、出水点与地层岩性、地质构造等的关系、地表水和地下水的关系、涌水点地质档案的建立等。本工程风险高,洞内地质素描工作每个循环开挖后及时进行。

根据泄水洞地质素描得出掌子面的地层岩性、不良地质构造、地下水分布情况,判别围岩的级别和完整性,再与开挖过程中所遇到的实际地质状况,对掌子面前方及环向的地质状况进行预判。

超前地质预报综合分析内容主要包括:通过对隧道所做的地质雷达和单点反射探测,及泄水洞内所做的地质雷达、超前钻探和地质素描法所取得预报成果进行分析,确定掌子面前方围岩的级别、岩性、不良地质构造和富水地层的情况,并对泄水洞施工中如何进行防水、堵水、排水及指导开挖过程中采取的支护处置措施等,对施工提出建议,避免施工中地质灾害的发生。

对已经开挖段围岩的实际状况对比验证超前地质预报成果的准确程度,并对预报方法、参数及施工相关技术参数进行调整。

1)通过地质雷达和单点反射法对泄水洞施工段隧道地质情况进行宏观探测形成报告后,由建设管理单位组织设计向各参建单位进行设计交底,各参建单位据此编制施工、监控方案。

2)在保证安全探测距离(3m以上)条件下,每3个开挖循环进尺进行1次地质雷达探测、每个循环进尺进行钻前钻探,每循环进尺完成后通过地质素描法描绘实际地质情况,当天形成报告,次日及时组织超前地质预报交底,并据此研究、调整当日施工措施,制定预案。

3)全部的超前地质预报成果报告作为竣工文件的一部分移交设备管理单位,提交的报告应该包括全泄水洞实际地质纵断面图和地质展示图、地质雷达和单点反射探测资料。

泄水洞岩体工程地质条件差,且在营业线隧道中爆破易造成既有接触网、视频监控、管线、轨道以及邻线隧道等破坏,故采取“短进尺、微振动、弱爆破”的原则。循环进尺为0.8~1.0m,采用较减弱振动的掏槽法开挖方式,增加临空面,将振动强度控制在允许安全值范围内。

根据掌子面不同部位的炮孔所起作用不同,其装药量也不相同,本工程严格控制装药量、循环进尺及敏感点爆破振速,采用合理的爆破参数,爆破参数的选取方法主要有理论计算法、工程类比法与现场试验法3种。由于现场的地质条件多变,本工程采取理论计算法和工程类比法初选参数,再通过现场的试爆验证、调整确定。

为了严格控制爆破振动对既有铁路隧道及相关设备的影响,每次爆破必须对影响范围的敏感点进行振动监测,本工程主要是通过爆破振速进行监测分析爆破地震波在对应地质构造传播过程中的衰减规律及隧道对于爆破振动的响应特征。本工程中选用成都中科动态仪器有限公司研制的NUBOX-501爆破振动记录仪,该仪器体积较小,携带轻巧方便,性能优越,处理数据准确快捷。

本工程敏感点主要包括接触网腕臂、道床和隧道衬砌裂纹处,在对应位置安装爆破振动记录仪记录爆破振速。根据爆破振速、装药量、敏感点与爆源(掌子面)距离等参数,利用式(3)进行验证。经过约2~3个循环基本可分析调整稳定爆破参数。

式中:V为峰值振动速度(cm/s);Q为装药量(kg);R为监控点到爆源的距离(m);K,α为爆破点至计算点间的地质条件有关的系数和衰减指数,通过类似工程选取和现场试验确定。

经监测,掌子面爆破效果良好,且敏感点爆破峰值振速控制在2.5cm/s以下,远低于爆破振动安全允许标准,说明本工程爆破设计和监控十分成功。

将营业线隧道内接触网腕臂、道床和隧道衬砌裂纹处列为敏感点,在对应位置通过爆破破振动记录仪监测爆破振速,接近或超过规范限定值时及时分析原因,调整装药方案。

每循环进尺爆破完成后,由设计院、施工单位对该循环进行地质素描,判定围岩等级,确定支护方案。并设置观测点,按规定进行监测。当围岩变形过大或过快时,及时研究采取措施。

施工之前,在泄水洞口处加装视频监控摄像头,施工过程中,在泄水洞内增设视频监控设备,以掌握洞内水情及结构变化,视频监控给天窗点行车风险监控提供了极大方便。视频监控仍有其局限性,泄水成功之后,安排巡视人员进行全天候监控,及时发现异常,实现准确预警,与视频监控起到了双保险作用。

养护阶段,由设备管理单位建立规范、完善、严密的监控管理制度体系,并与行车单位建立畅通、迅捷的预警通道,成立专门工班,雨时做到24h不间断监控并规范记录,各单位都可利用监控设备检查运营设备情况。该监控体系在铁路运营中势必发挥巨大作用。

宜万铁路支坪隧道岩溶裂隙水处理全国范围内首次采取在运营隧道中建设泄水洞进行排水,通过上述控制要素,泄水洞成功建成并彻底解决了该处水害,施工过程按照预期完成,全过程安全可控,得到了铁路总公司的通报表场。

该泄水洞全国首次进行营业线洞中洞爆破施工,地质条件恶劣,无经验可循,故组织业内资深专家对宏观超前地质预报成果和施工方案进行评审,充分利用专家的经验,务使地质判断准确、方案最优、防护安全。

实行该种方案首先要判断侧沟设计排水量是否满足最大涌水量,而测算日常涌水量和最大涌水量的主要依据就是日常降雨量和流量监测,日常监测做不好,工程实施后果可能很难挽回。

地质判断是一切方案的基础工作,故由设计单位负责超前地质预报工作,制定了超前地质预报策划及设计方案,采取地质雷达法和单点反射法进行宏观控制、超前钻孔和地质调查法进一步精确预报的综合超前预报方法,地质判断准确,给施工予正确指导。

一方面根据理论计算法和工程类比法初步选取爆破参数,通过爆破试验进行调整,确定爆破参数,据此进行爆破设计方案编制及评审;另一方面做好现场管理,主要涉及炸药雷管运输、进出隧道、存放和装药,对敏感点爆破振速进行监控,爆破后的安全评估,以及对运营设备的物理防护等。

本工程按抢险办理,相关配合单位为各设备管理和行车管理单位,各设备管理和行车管理及施工单位针对施工过程人身、设备、调车作业等方面制定了切实可行的安全卡控措施,特别是设备防护和检查确认措施起到了突出作用。

每天组织施工和相关单位召开总结分析会,对前日施工进行总结分析,对当日施工关键点和地质超前预报进行交底,在施工安全和有序推进方面起到了良好效果。

主要包括施工过程中和养护阶段:施工过程中的敏感点爆破振速监控、围岩监测、视频监控,以及养护阶段的视频监控和人员巡视监控体系。通过该体系的良好运行,可实现及时、准确预警,确保施工和运行安全。