棋盘石隧道溶洞突水成因分析及技术处理措施

2010-05-08孙伟亮

铁道建筑 2010年10期

孙伟亮

(中铁十四局集团向莆铁路指挥部，福建尤溪 365114)

向莆铁路棋盘石隧道全长10 808 m，为双线隧道，单面上坡，坡度为7.6‰，隧道最大埋深770 m。棋盘石隧道为向莆铁路Ⅰ级风险隧道，主要施工风险为:隧道涌突水、突泥。这种对安全性影响极为严重的风险，有二种表现形式:①断裂带涌突水、突泥(共有13处断裂带);②岩溶系统突水、突泥。设计文件地勘资料表明，其中 F6、F7为强富水断层，预测最大涌水量为13 536 m3/d;DK406+800—DK411+100存在大理岩、滑石化白云质大理岩，局部存在石灰岩，岩溶较为发育。隧洞施工采用3台阶矿山法施工，共设3个横洞，计划工期42个月。

棋盘石3#横洞位于线路前进方向的右侧，与隧道正洞左线相交于DK409+000里程处，与左线前进方向夹角为30°，洞采用单车道 +错车道断面。洞身长度为2 140 m，洞的综合坡度为3‰，洞身为顺坡开挖。依据设计资料和开挖揭示，隧址区域内为白云质大理岩，属于可溶岩，横洞有F9和F9-1断层穿过(图1)。

1 溶洞揭示概况

2009年8月6日6:00，当横洞开挖至 H3DK0+891，掌子面下部左侧出现涌水，随即施工人员全部撤离，涌水由小到大，短时间内涌水量增大到260 m3/min，直到下午19:00左右水量开始逐步减小，保持稳定流量7～10 m3/min。涌水情况如图2。

图1 3#横洞地质平面

图2 3#横洞涌水情况

2009年8月14日揭示溶洞宽度约13 m，沿横洞线路方向约6 m范围全部揭示(图3、图4)。溶洞侧壁风化较为严重，溶腔填充物滑落后，溶洞侧壁开始掉块。溶洞在隧道正前方并且向左上方向发展，溶腔内充泥土碎石，沉积层理明显，填充物中间夹杂大量孤石等，充填物及风化岩壁坍塌严重。截至16日坍塌高度大于25 m，宽度大于16 m，沿横洞线路深度也不断增加。截止18日凌晨，坍塌体已将掌子面溶洞口填满。

2 溶洞突水成因分析

2.1 地质构造原因分析

图3 3#横洞溶洞揭露情况

图4 溶洞分布平面示意

设计院提供的地质资料表明，该区域为前震旦系变质岩地层，主要包括龙北溪组大理岩、白云质大理岩和东岩组绿泥片岩和黑云片岩。地质构造以北东向为主，主要表现为走向NE～SW和NNE～SSW断裂挤压构造带和裂隙带。在施工区域内(主洞里程DK408+074—DK410+885)存在加里东期倾伏背斜和倒转向斜;受其作用，前震旦系东岩组和龙北溪组地层重复出现，东岩组地层组成倾伏背斜的核部，龙北溪组地层组成倒转向斜的核部，受多期构造影响，倾伏背斜和倒转向斜的核部岩层较破碎，分布有 F8、F9、F9-1断层，如图5。线路附近多初露大理岩，地表岩溶发育，V形冲沟较深，冲沟底部形成堆积物，与3#横洞涌出物成分和形状比较类似。因此，溶洞主要是受控于华夏系压性逆断层和张性正断层，在华夏系压性逆断层和张性正断层复合部位有存在较大溶洞的可能。

2.2 施工地质揭露情况分析

施工地质素描资料显示，施工掌子面在H3DK1+148处进入大理岩段，并在 H3DK1+143，H3DK1+137，H3DK1+133.3，H3DK1+128.7 等多处出现出水点。开始在掌子面左部钻孔喷出浓铁锈色夹带细粉沙的浑浊水体，喷射距约1 m;后转到隧道左壁，一周后水流速减小、压力降低，变为自然流出的没有喷射距的清水。围岩显示掌子面进入断层影响区域，如图6。根据围岩揭露和出水点位置分布情况分析，该区域断层以产状为 50°/140°∠70°的压性断层和产状为320°/50°∠80°的张性逆断层为主，并多次揭露出中小型压性断层与张性断层。从H3DK0+890处溶洞揭露情况分析，该处为一较大型压性断层与张性断层交汇处，前方或周围仍有可能存在较大溶洞;根据出露的出水点情况分析，较大溶洞可能存在于横洞轴线左侧。

2.3 地质超前预报分析

为详细了解H3DK0+890处掌子面及前方地质情况，分别采用先进的 TSP203进行了地质超前预报和采用地质雷达对掌子面、周围侧壁、拱顶及隧道底板进行了探测，并进行了超前钻孔。TSP探测表明，H3DK0+891—H3DK0+790范围内为小断层破碎带、断层群发育，并有较多水带分布的大理岩区段，在横洞左侧壁沿线存在多条小断层组成的2个小断层群和7条水带;而在右侧壁沿线存在多条小断层破碎带和5条水带。地质雷达探测表明，H3DK0+888—H3DK0+882为充满型溶腔，可能为水带或泥带;H3DK0+882—H3DK0+876为较完整大理岩，无明显不良地质;H3DK0+876—H3DK0+871以后(5 m以上)为充水或空腔型溶腔。对H3DK0+891掌子面进行超前钻孔揭示，掌子面前方2～10 m范围有两处空腔，空腔内有水和泥浆等物质充填，且在其余地段局部存在裂隙、强风化岩石等。

图5 地质结构剖面示意

图6 3#横洞地质揭露分布示意

依据物探、超前钻孔、开挖揭示情况及施工调查情况，显示前方掌子面100 m范围内存在4条断层和7条较明显水带，可能存在多个溶洞或者溶洞群，溶洞之间相连部分已经完全风化，稳定能力较差，并且溶洞顶部较高，时常有大石块掉落，施工不安全，风险较大。初步分析认为该溶洞为沿F9和F9-1断层带形成溶洞群，水系相连，与地表水有连通，但地表补给水量不大。