TSP超前预报在新万山寺隧道涌水灾害防治中的应用

李维宏

(中铁十八局集团有限公司,天津 300222)

1 工程概况

新万山寺隧道为达州至成都线扩能改造工程三汇镇(不含)至遂宁(含)站前工程 Z Q S G-6合同段的关键工程,也是本项目重点控制工程之一。该隧道为双线隧道,全长3 410 m,位于大通车站和蓬溪车站之间,进口里程 D K 149+310,出口里程 D K 152+720。全隧道位于半径4 000 m左偏曲线上,进口端1 752 m位于 4‰的上坡,出口端1 658 m位于 -4.9‰的下坡,洞内按人字坡设置。

新万山寺隧道于 2006年 7月 9日施工至掌子面里程 D K 150+934位置时发生涌水。地下水首先从掌子面 D K 150+934处的右下角的施工钻孔处流出,呈泉眼状涌水;接着,另一处从位于隧道中线左侧距底板50 cm处,经钻孔向外喷水,喷射距离约 5.8 m左右。开始涌水水量较大,达到3 000 m3/d,具有一定的承压性,但随着时间的推移,涌水水量逐渐减小,最后稳定在 500 m3/d,水压逐渐减小,水质清澈,无泥沙等物质。涌水淹没了掌子面的施工设备,造成隧道掘进暂时停工 1 d,见图1。

2 工程地质及水文地质

隧道穿越万山寺深丘区,为嘉陵江水系与涪江分水岭。群丘连绵,呈东西向发展,线路与其大角度斜交通过。地面高程 330～450 m,相对高程约 120 m。丘陵圆缓平滑,局部为陡坎,支状沟谷发育,坡面植被发育。

图1 新万山寺隧道发生涌水灾害示意

1)地层岩性

隧道穿越侏罗上统遂宁组(J3s)紫红色砂岩,偶夹少量的泥质粉砂岩。丘陵表层覆盖坡残积土;丘陵顶部出露侏罗上统蓬莱镇组泥岩夹砂岩。隧道进口沟槽中分布坡洪积粉质黏土(含松散土);隧道进口段分布厚度不一的滑坡堆积层、坡崩积层。

2)地质构造

隧址区域距青川大断裂约 200～250 m。青川大断裂为龙门山后山断裂的北延部分,受该断裂带影响,出口一带岩体破碎 ～较破碎,产状紊乱。隧址区内穿越隧道的大型构造主要是天星桥断层,北东至南西向展布,伴生断裂通过,洞身围岩岩性中也有断层构造破碎带。影响带附近岩体破碎和极破碎,具良好的富水空间及运移迳流通道,基岩泉水点(井)出露较多,断层具有一定的导水性强度和赋存水性,地下水较丰富。主要节理产状 :N 40°E/90°,N 50°/85°S W。地震动峰值加速度 ＜0.05 g,地震动反应谱特征周期为 0.35 s。

3)水文地质

根据隧道通过区出露的地层岩性及地质构造特征,结合含水介质的不同,将隧道区地下水分为第四系松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水和基岩裂隙水三大类。

4)不良地质灾害

①突涌水:由于隧道施工区位于降水量充沛的地区,该地区地表水和地下水均十分发育,隧道区内各种裂隙构造十分发育。隧道地表水主要为季节性沟水,无常年流水,地表水不发育。隧道地表泄水条件较好,岩性多为泥岩(砂岩夹层的厚度一般为 3～5 m),为相对隔水层;岩层近于水平,发育蓄水构造。本地层中局部含脉状石膏,地下水对混凝土具硫酸岩侵蚀性。本隧道最大涌水量为4 000 m3/d。

②坡崩积堆积体:隧道进口处(D K 149+225～D K 149+345范围)发育坡崩积体,沿线路长度 120 m,宽 90～130 m,厚度 2～5 m、3～15 m不等,主要由粉质黏土、块土及角砾土组成。1#斜井洞口段位于坡崩积堆积体中,主要由粉质黏土夹碎块石组成,粉质黏土约占 60%,块石约占 30%～40%,块石直径一般为 2～4 m,最大达 6 m,岩性为砂岩,厚度 2～5 m。2#斜井洞口段位于坡崩积堆积体中,主要由粉质黏土夹碎块石组成,粉质黏土约占 50%～60%,块石约占 30%～40%,块石直径一般为 1～3 m,最大达 10余 m,岩性为砂岩,厚度 2～5 m、3～8 m不等。

③危岩落石:1#、2#斜井、渣场均位于沟槽中,两侧山坡均有多种砂岩陡坎,砂岩呈“X”形节理裂隙发育,形成很多砂岩块石,稳定性差,沟槽随处可见崩积砂岩块。

3 涌水灾害的成因和机制

新万山寺隧道发生涌水事故段附近隧道围岩中的大型构造主要是天星桥断层,涌水点距离天星桥断层构造仅仅 36 m左右(图2)。新万山寺隧道围岩的构造直接受到它的影响。天星桥断层在地表露头宽约 8 m,是一个由多条小断裂组成的构造破碎带,在断层带内的构造岩表面可见压性擦痕,初步推断该断裂构造早期表现为压性断裂,在现代构造应力场的作用下表现为张性断裂,断裂走向 N E 42°,倾向 N W95°,断层面呈波状起伏,倾角介于 76°～82°间,总体上近于直立,与隧道中轴线呈 75°角相交。断裂带内岩石破碎,节理密集发育,节理裂隙面扭曲变形,由于它与地面相通,现在已成为隧道周围地下水运移活动和赋存的重要通道。

发生涌水事故段隧道围岩中的小型构造主要是与天星桥断层相伴生的,发育在天星桥断层上盘靠近主断层面的构造伴生节理带。地下水就赋存在其中,由于有一定的静储量,当隧道掘进开挖施工将隔水层凿穿后,涌水随之发生,使得涌水在一开始表现出一定的承压性,但随着裂隙水逐渐释放,压力也逐渐减小至零。

图2 新万山寺隧道发生涌水与天星桥断层关系示意

4 防治措施

针对新万山寺隧道涌水受到隧道围岩中的地质构造的严格控制,其涌水也来源于赋存在围岩构造裂隙中的地下水,涌水带岩石致密坚硬,不溶于水,透水性差,涌水裂隙延伸稳定,在现场施工中采取了“地质预报结合强排、注浆加固围岩”的治理措施。

4.1 地质超前预报

为了保证隧道的施工安全,在进行了现场踏勘和实地调查后,确定对于发生突涌水的掌子面进行 TSP超前预报探测,以查明涌水灾害的成因和主要隐伏控制构造,然后再辅以红外探水和超前水平钻验证。

TSP-200超前地质预报系统是专门为隧道和地下工程超前地质预报研制开发的,目前世界上在此领域较先进的设备,采用的是回声测量原理。

超前地质预报能方便快捷地预报掌子面前方 100～150 m范围内的、与探测方向大角度相交的面状地质结构面,对软弱岩层、不整合接触界面、风化壳等地质情况反应最为准确,为隧道施工提供了一种有效的探测方法,为隧道变更施工工艺提供了依据,大大减少了隧道施工坍方带来的危险性,减少了人员和机械的损伤,经济效益明显。

本次探测所采集的 TSP数据,通过 TSP win软件处理,获得 P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取,以及岩石物性参数等成果。预报距离为 140 m(从掌子面起算,即 D K 150+934～D K 151+074)。

在成果解释中,以 P波资料为主对岩层进行划分,结合 S H波、S V波资料对地质现象进行解译,见图3。图3显示,该段围岩确实存在一个隐伏断裂构造,该断裂也确实控制着这一段围岩中的地下水和岩溶构造的发育和分布情况。其发育的岩溶构造由于这个断裂构造的存在而相互连通,为地下水运移和存储提供了的空间。解译成果如下:

图3 新万山寺隧道TSP探测成果解译图

①D K 150+934～D K 150+949(15 m):该段为Ⅲ级围岩。围岩中有发育的构造裂隙,局部有岩溶发育,其地下水受到构造的严格控制,其出水部位跟隧道揭露的构造位置有关。

②D K 150+949～D K 150+974(25 m):该段为Ⅴ级围岩。TSP探测中发现,围岩中有发育的岩溶构造,影响范围约为 15 m×20 m,P波速降低明显,约达到10%,应在开挖中注意超前探水和排水。

③D K 150+974～D K 151+012(38 m):该段为Ⅲ级围岩。围岩中有发育的构造裂隙,局部有岩溶发育,其地下水受到构造的严格控制,其出水部位跟隧道揭露的构造位置有关。

④D K 151+012～D K 151+044(32 m):该段为Ⅴ级围岩。TSP探测中发现,围岩中有发育的岩溶构造,影响范围约为 19 m×25 m,P波速降低明显,约达到16%,应在开挖中注意超前探水和排水。

⑤D K 151+044～D K 151+074(30 m):该段为Ⅲ级围岩。围岩中有发育的构造裂隙,局部有岩溶发育,其地下水受到构造的严格控制,其出水部位跟隧道揭露的构造位置有关。

4.2 防治措施

隧址区受断层和岩溶的影响,地下水发育,可能产生涌水、涌泥等事故,设计上考虑的措施如下:

1)采用地质航拍判释和物探手段,结合地表专项水文地质调查,初步查明富水区段,掌握岩溶发育规律并预测洞内可能的涌水位置。

2)施工时,根据隧道掌子面的地质情况,采用物探和超前钻孔等手段对前方进行地质预报。

3)根据各探孔的探测和出水情况,综合判定是否进行提前预注浆堵水和堵水方式。

4)预注浆方案,当预测前方存水体水量较大时,可进行洞内深孔预注浆,提高围岩的强度和降低其渗透系数,灾害性预防涌水突泥的发生并保护地下水环境。

5)后注浆方案,对于岩溶比较发育的地段,隧道开挖初支后应对洞周径向扫描,若发现洞周 10 m左右范围内存在地下水补给通道,则应实施后注浆方案,以预防隧道开挖后涌水、突泥导致的风险。

6)排水施工方案,当预测前方水体静贮量有限时,可揭开排水,采用抽水设备或顺坡排水维持施工;当预测前方为暗河时,根据暗河原有排水通道情况制订恢复原排水体系方案。

4.3 注浆堵水

根据隧道的实际地质情况,注浆堵水方式采用预注浆和后注浆两种相结合的综合注浆手段。其中,预注浆包括全断面帷幕超前预注浆、全断面周边超前预注浆和局部断面超前预注浆等方式;后注浆包括径向注浆、局部注浆和补充注浆等方式。其选用标准如表1。

表1 注浆方式选择标准

5 结语

注浆技术是从实践中总结出来的,不能一成不变,必须在施工实践中不断修正、补充、发展、完善、创新,根据地质情况,及时调整各项参数,以达到最佳的注浆效果。总之,合理的防排水措施,不仅关系到岩溶富水段落隧道结构稳定的问题,更与周边生态环境息息相关,是岩溶地区隧道安全施工的基础。

注浆固结有效范围可达 4 m左右,注浆后基本未发现流水呈线现象,整个断层破碎带总的堵水率正常。从开挖后掌子面的固结情况看,固结效果很明显,浆液在岩体中充填密实,胶结牢固。掌子面开挖大部分均采用爆破方式进行,由于固结后整体性好,可取消原设计的超前小管棚,减少一部分格栅支撑,可大大加快了施工进度。

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