宜万铁路高风险岩溶隧道应对措施

2010-03-23申志军

铁道标准设计 2010年8期

关键词：溶腔岩溶注浆

申志军

(铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施 445000)

1 宜万铁路岩溶隧道概况

宜万铁路位于云贵高原的东北麓,东起宜昌,西至万州,全长 377km,主要行经在长江与清江的分水岭地带,其地形、地质条件之复杂集西南山区铁路之大成,建设条件之艰、难、险居我国铁路历史之最。

全线隧道 159座,总长 338km,其中单线隧道 105座,总长 291km;双线隧道 54座,总长 47km,隧道占线路长的 58%。

全线 70%的隧道位于灰岩地区,该地区岩溶强烈发育,地质条件极端复杂,多座长大隧道通过可溶岩地层,并组成不同类型的储水构造,在地壳运动和特殊的水动力作用下,形成复杂的岩溶管道、溶隙网络系统,隧道遭遇灾害性的突水突泥和诱发环境地质灾害的可能性极大,隧道突水突泥风险巨大,其规模、数量及工程处理难度为国内外罕见。

工程于 2004年元月开工,2009年 12月隧道全部贯通。隧道施工过程中,共揭示需进行结构处理的溶腔及溶腔水1100余处,发生较大的突水、突泥、突石共101次,其中 3次造成较大灾害事故。

2 风险管理过程

2003年 3月,在铁路工程中首次引入地质勘察监理工作。

2003年 9月,组织召开《隧道地质超前预报技术交流研讨会》,8个国家的地质预测预报专家和国内的院士专家参加了会议,研讨了宜万铁路如何采取先进科学的地质预测预报技术和方法,规避施工建设期间的风险和确保施工安全。

2004年 5月,完成《野三关隧道工程风险评估和控制的研究》,将风险管理引入了宜万铁路。

2004年 7月,制定《宜万铁路建设防范高风险专项机制》,包括:施工地质勘察与超前地质预测预报;突发性事件防范应急预案;应对复杂地质、工程难题的设计和施工预案;重难点工程监控;隧道施工量测监控;严格规范施工工艺监控;严格履约考核奖罚和信息收集、反馈和快速反应专项机制等。提出了岩溶隧道施工期“高风险”的概念,提出全员、全方位、全过程防范和化解高风险。

2004年 10月,制定《宜万铁路复杂隧道施工地质实施细则》,提出施工期隧道施工地质工作,特别强调超前地质预测预报是规避风险、确保隧道施工顺利进行的重要保证,关系到宜万铁路工程建设的成败。

2005年 1月,制定《施工阶段核实地质内容及要求》,明确提出了对隧底采用钎探、地质雷达等方法进行隧底岩溶普查和地质补勘工作。

2005年 6月,宜万铁路专家组对全线岩溶隧道设计与施工进行技术指导和咨询。

2006年 1月,全线隧道全面排查,对隧道风险进行了分级。其中Ⅰ级风险隧道 8座,可能出现大规模岩溶突水突泥隧道;Ⅱ级风险隧道 26座,可能出现局部突泥突水或大型干溶腔隧道。

2006年 11月,对注浆管理办法进行了细化,对注浆设计、施工管理和技术资料等 3方面提出了具体要求。

2007年 12月,成立铁道部宜万铁路建设指挥部,加强建设管理力度,同时,5座Ⅰ级风险隧道的设计、施工、监理力量得到全面加强。

2008年期间,建设指挥部成立风险隧道工作组、注浆督导组和释能降压攻关组,确定了隧道分级督办制度,制定了地质预报和注浆标准化管理措施,组织召开了 7次院士及专家论证会、76次重大技术方案和预案讨论会,引进了专业注浆队伍。

2008年 11月,建设指挥部提出释能降压新工法,经专家论证可行后于 11月至 12月分别对云雾山、大支坪、马鹿箐、野三关等 4座隧道采用释能降压法安全可控地揭示了大型充填性溶腔。

2009年 6月,建设指挥部召开齐岳山隧道专题会议,明确了引进的注浆科研单位和隧道开挖施工单位的技术方案、施工组织、安全质量和工期目标。

3 管理措施

3.1 八项风险管理机制

宜万铁路开工初期,建立了防范高风险的“八项风险管理机制”。其核心内容:

(1)施工地质勘察与超前地质预测预报专项机制。(2)突发性事件防范应急预案专项机制。(3)应对复杂地质、工程难题的设计和施工预案专项机制。(4)重难点工程监控专项机制。(5)隧道施工量测监控专项机制。(6)严格规范施工工艺监控专项机制。(7)严格履约考核奖罚专项机制。(8)信息收集、反馈和快速反应专项机制。

“八项风险管理机制”是防范高风险的总则,各施工单位根据这八项要求相应地制定了细则和实施方案。

3.2 施工地质分级管理

建设初期,针对 13座复杂隧道制定了《施工地质及超前预测预报实施细则》,经过将近 1年的实践证明,超前预测预报规避了大量的施工风险,又针对每一座隧道制定了施工地质分级、实施程序和工作内容。

施工地质分级分为 3个等级。A级:可能存在重大地质灾害的地段;B级:主要针对可能发生中～小型突水突泥地段;C级:主要针对岩溶水文地质条件较好的碳酸盐岩及碎屑岩地段,发生突水突泥的可能性较小。

地质工作内容:(1)超前地质预报;(2)施工围岩分级及稳定性评价;(3)隧底及周边岩溶探查;(4)灾害评估及防治工程措施的建议。

3.3 隧道分级管理

隧道分级是根据每座隧道的工程地质、水文地质条件,发生突涌水突泥的几率、规模、危害程度等,确定其风险等级。对野三关、马鹿箐等 8座长大隧道岩溶发育、暗河众多、地下水丰富,个别工区为反坡施工,施工中极有可能发生大规模突水突泥的地质灾害,风险等级为Ⅰ级。对堰湾一号、堰湾二号、景阳坪等 26座岩溶隧道施工中可能出现局部突水、突泥或大型溶腔,风险等级为Ⅱ级。

3.4 隧道分级督办

按照风险评估划分的等级实施风险等级管理、分级督办的管理模式。核心是明确建设、设计、监理、施工各方对不同风险等级的隧道管理职责、分工、管理内容和手段。

建设单位组织设计、监理、施工单位对全线风险隐患进行排查,按照存在的危险源和可能对施工安全产生的危害程度,将存在风险隐患工点划分为重大、较大和一般风险隐患工点三类,建立风险隐患工点分级督办制度,实行三级督办。明确了督办内容、方法和建设、监理、施工单位督办责任人,建立台账,落实责任。

3.5 Ⅰ级风险隧道管理制度

2008年 12月,成立铁道部指挥部后,对 5座未完的Ⅰ级风险隧道建立了一系列管理制度,主要包括超前地质预报的细化,架子队生产模式,取消包工队,地质预报和注浆标准化管理,引进专业注浆队伍,引进科研单位,实行专家论证制度。

3.6 专家技术指导和论证制度

邀请 15位国内岩溶隧道方面的院士专家担任宜万铁路的技术专家,指导现场解决长大岩溶隧道、地质复杂隧道施工地质、结构设计问题,指导协调解决施工安全、质量、工期等方面的问题,重点指导防范地质灾害的具体措施;指导重大技术方案的研究。由建设指挥部组织的大型专家会议共 40余次。

4 技术措施

4.1 施工地质预报

岩溶隧道施工地质包括超前地质预报、径向地质预报、工后补勘等内容。

宜万铁路设计阶段采取遥感判译、地质测绘、水文调查,以及物探、钻探、测井等技术手段,但只是查明了地层岩性、断层、水文地质以及存在的主要重大地质问题等基本背景,不足以应对具体工点、部位岩溶及岩溶水的复杂性、多样性、无规律性,因此,必须加强隧道施工地质预报。

掌子面超前地质预报主要包括物探和钻探等方法,物探包括 TSP、地质雷达等方法,钻探包括深孔水平钻探和 5m超前钎探,钻探的准确率更高,效果最好。并且必须进行一定量的地质取芯,以准确判定充填型溶洞和高压富水断层界面及规模。现场必须配备有丰富地质经验的技术人员和高效的水平地质钻机,方能提高地质判释准确度,提高作业效率。

径向地质预报包括周边探测和隧底探测,确保 5 m岩盘的安全厚度。工后补勘由设计院对隧道全程进行,物探和钻探相结合,确保以后运营的安全。

4.2 水文监测

水文监测主要包括降雨量、涌水量、水压、水位 4个方面的内容。

降雨量监测采用“SRY-1雨量记录仪”进行降雨量自动记录。超前钻孔、重要出水点、集中汇水点、重要井泉等均需进行水量监测,主要采用人工监测及自动监测相结合的监测方法进行涌水量监测。每实施 1次超前钻孔均需布置不受开挖影响的水压监测孔;每个溶腔至少需布置 1孔进行水压监测。水压监测孔,需设置孔口管、安装法兰盘、Q型管、空气室及压力表,孔内需设置软式透水管等。对未施工地段的重要深孔孔内水位进行自动长期连续观测,采用 LevelTROLL 300或 LevelTROLL700深孔液压测量仪。

4.3 施工安全条件

施工过程中,遇到可能发生突水溶腔后,需设定安全进洞条件,安全进洞条件包括降雨量、洞内水量、水压,降雨后水量峰值是否已过,水质变化和水量变化。野三关、大支坪、云雾山、马鹿箐和齐岳山等隧道均设置了施工安全条件。

4.4 防灾报警

在风险隧道施工中配置防灾害声光报警装置和视频监控系统,一旦有灾害预警应立即发出警报,传到洞口值班室,值班室立即启动应急通信、应急照明并指挥洞内人员安全撤离;正洞、各辅助坑道、横通道必须配置应急照明装置,并应确保在有灾害发生时能提供足够亮度的照明指示以利洞内人员逃生;在正洞与平导之间,在预测高风险段落增设逃生横通道。并通过视频系统判断灾害发生情况,并进行灾害原因分析。

4.5 注浆加固

针对充填型溶腔,由施工初期的 30m长全断面帷幕注浆,改进为周边加固注浆、局部注浆、径向注浆,注浆长度根据情况调整,以 20m为主,开挖线外加固范围有 3、5m加固区。注浆材料以普通水泥、早强水泥单液浆为主,水泥水玻璃双液浆加固周边。注浆过程采用自动记录 PQT,以便进行注浆效果分析。首次在宜万铁路实施了注浆效果评价,由监理组织参建各方对注浆过程、钻孔验证、孔内成像等措施对注浆效果进行评定,确定是否达到开挖条件。

4.6 释能降压

释能降压法是宜万铁路首创的专利技术,是针对复杂高压富水充填溶腔所采取的有计划、有目的的精确爆破揭穿,从而释放溶腔所存储的能量,降低施工及运营过程中水土压力对隧道形成影响,并通过配套处治措施完成溶腔治理。

施工方针:探介质、锁边界、选时机、精爆破、严监控、畅排放、快支护。

主要包括:岩溶特征分析、临近界面锁定、相邻洞室分隔、洞外排水规划、专项精确爆破、预警预报监控、配套措施实施、结构处理。

4.7 溶腔结构处理规模化

对施工过程中揭示的溶腔进行归类,并形成相应的处理措施。

(1)洞穴型、管道型岩溶:回填措施;

(2)充填型岩溶:注浆加固 +大管棚措施;

(3)过水型岩溶:引排措施;

(4)大型干溶洞:托梁 +板跨方案、型钢混凝土 +板跨方案、钢管群桩方案、桩基 +承台方案、填筑路基方案、梁跨方案;

(5)高压富水充填溶腔:注浆堵水方案、泄水洞方案、堆积体加固方案、释能降压方案、绕行方案、暂时搁置达到条件后再处理方案。

4.8 长期监测

针对复杂岩溶地段采用的结构设计和施工措施在以往的工程实践中是少见的,许多技术措施具有首创性。为此,对典型的 7座隧道 8个工点进行长期监测。

监测项目包括:(1)与围岩及隧道结构相关的水压力监测;(2)注浆加固圈(周边围岩)位移监测;(3)围岩与初期支护接触压力监测;(4)初期支护内力监测;(5)初期支护与二次衬砌接触压力监测;(6)二次衬砌内力监测;(7)注浆加固圈渗水量监测;(8)隧道基底沉降监测;(9)地表深孔地层水平位移监测。不同隧道监测项目有所不同。

监测预警报警的等级分为四级:安全状态、三级警戒(关注)、二级警戒(预警)和一级警戒(报警),针对不同的警戒等级,分别采取相应的控制措施,确保隧道工程安全。