引 言

岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层经化学溶解作用和机械破坏作用而形成的。岩石的可溶性和裂隙性以及水的侵蚀性和流动性是岩溶形成的条件,同时地形、降水量、上覆土质等因素与岩溶发育亦有密切关系,水文地质条件不同所表现出的岩溶形态、发育程度则各不相同。岩溶发育的多样性、复杂性、各异性为隧道施工遇大型高压富水溶腔或暗河进行躲避、迂回、绕行得以实现。

一、迂回绕避溶腔技术

迂回绕避溶腔技术是当隧道掌子面掘进遇大型易发生突水突泥高压富水溶腔或暗河后 ,考虑到正面突破难度大、时间长、风险高等特点 ,在掌子面左右侧或后方扩大范围 ,进行超前精确探明岩溶发育规律后 ,利用岩溶发育较弱地带 ,见缝插针、设置迂回导坑绕行通过的一项岩溶处理技术。

该技术是根据岩溶突水突泥溶腔及暗河形成的不同水文地质条件所表现出的岩溶发育的多样性、复杂性、各异性的原理 ,并利用综合超前地报预测预报精确探测技术 ,在充分探明高压富水溶腔或暗河及岩溶发育规律后进行躲避、迂回、绕行的安全、快速、高效、经济的岩溶处治关键技术。

遇大型突水突泥溶腔迂回绕行技术有其显著的工程意义 : 

(1) 快速迂回绕行超前施工发挥其超前地质探测的作用 ,为正洞施工提供更为准确的地质预报 ,规避施工风险，保障施工安全 ; 

(2) 为超前正洞向前开辟工作面，加快施工进度 ;

(3) 有利于施工通风和排水，改善掌子面的工作条件 ;

(4) 迂回绕行后采用多方位钻孔对高压富水溶腔进行排泄降压，降低处理风险及难度，可大大降低投资；

二、在野三关隧道中的应用

1）溶洞规模及形态特征

野三关隧道 DK124 + 602溶腔 ,主溶腔位于 Ⅰ线 DK124 + 580 ~ DK124 + 640左侧40m、左上方 100 ~ 250m附近 ,向上与地表连通 ,向下在DK124 + 605、DK124 + 596、DK124 + 583三处与隧道连通 ;向右侧逐渐尖灭 ,发育成宽张裂隙。充填物为灰岩块石、砂卵石、淤泥及水 ,“DK124 + 602”突水突泥突石溶洞溃口在 DK124 + 602 ~ DK124 + 605左侧边墙 ,溶洞总涌水量达 2600万 m?(图 1 ~图 3)。

图 1 溶洞平面形态图

图 2　溶腔平面图

图3　溶腔典型横断面图 

2）突出物特征

突出物有 4 种:部分栖霞组灰岩块体 ;泥、炭质半固结角砾岩块体 ;地下暗河成因的砂及砾石 ;栖霞组灰岩块体。

根据地质探查资料及开挖揭示 ,分析判断 :溶洞主要发育在 DK124 + 583 ~ DK124 + 640左侧及拱顶 ,充填物为灰岩块石、砂卵石、淤泥及水 (图 4 ~图 7)。

图4　灰岩块石

图5　溶洞一角

图6　涌出的角砾岩

图7　涌出的砂及砾石

3)水量特征

溶洞位于灰岩与碎屑岩接触带附近的灰岩中 ,地下水主要来自水洞坪洼地、3号暗河和苦桃溪河水。涌水量与降雨密切相关 ,根据水文观测降雨量观测曲线 (图8)表明 ,一般降雨的第 2 天涌水量开始明显增大 ,第 3 天达到峰值 ,第 4 天开始衰减 ,与试踪试验基本一致。不降雨或小雨期间 ,溶洞的涌水量为 (2 ~ 5)万 m? /天,连续中雨及中到大雨期间 ,涌水量约为 13万 m? /天。

图 8　野三关隧道斜井工区涌水量、降雨量与时间关系曲线 

4)突水点情况

地下水主要由大气降水补给 ,补给区位于大坪、水洞坪等地区 ,汇水面积 14. 57km?,垂向岩溶如落水洞、岩溶漏斗、洼地等极为发育。补给条件及径流条件好 ,多以暗河的形式在苦桃溪一带出露。隧道洞身处于地下水位以下 ,虽不会遭遇大的暗河系统 ,但通过断层破碎带 ,易将岩溶水导入隧道。隧道施工过程 ,多处沿裂隙涌水 (表1)，此时 3 号暗河已基本断流。

表 1   野三关隧道出口 Ⅰ、Ⅱ线及斜井典型突 (涌)水点统计表

(1)正洞涌水情况 

Ⅰ线DK125 + 530 ~ DK125 + 820、DK124 + 620 ~ DK124 + 920段开挖揭示 9处较大的涌水点 ,合计最大涌水量为 8. 12万 m? / d(不含 DK124 + 602突水 );Ⅱ线 ⅡDK125 + 500 ~DK125 + 785、ⅡDK124 + 390 ~ DK124 + 930段开挖揭示 10处较大的涌水点 ,合计最大涌水量为11. 63万 m? /d;Ⅰ、Ⅱ线隧道合计最大涌水量 19. 75万 m? / d,水清 ;涌水点附近岩体完整 ,整体稳定 ,为宽张裂隙、小型溶管涌水。 

(2)斜井涌水情况

斜井施工中共揭示大小涌水点 30 处，其中有 3 处较大的涌水 ,合计涌水量 0. 83万 m? / d,水清，涌水点附近岩体完整、整体稳定，为裂隙、小型溶管涌水 ,与水洞坪地表水没有明显的水力联系。

(3)迂回导坑涌水情况

迂回导坑施工至 Ⅱ线 DK124 + 648处时，掌子面揭示一涌水岩溶裂隙 ,最大涌水量约 1. 55万 m? / d,水清 ,掌子面为完整灰岩、整体稳定。

由于Ⅰ、Ⅱ线、斜井、迂回导坑揭示的涌水点在同时涌水，释放了周围地下水水压 ,迂回导坑实测地下水静水压力 0. 78 ~ 1. 2MPa，如图9 ~图14所示。

图9　迂回导坑涌水   

 图10　 Ⅱ线 DK125 + 590左侧边墙涌水

图11　 Ⅱ线 DK124 + 663上台阶底部涌水

图12　 Ⅱ线 DK124 + 595左侧边墙涌水

图 13　 Ⅱ线 DK125 + 810拱部涌水

图14　 Ⅱ线 DK124 + 652右侧边墙涌水 

5)平导坑迂回躲避 602溶腔

绕行方案确定 : 

(1)野三关隧道平导施工至 PDK125 + 561时,综合超前地质预报发现前方 5 ~ 15m发育大型富水溶腔 ,为加快施工进度 ,尽快贯通平导形成顺坡自然排水 ,经四方研究确定通过 PDK125 + 530处开辟横通道经 Ⅰ线正洞内绕行 ,按平导断面施工 ,进一步探明前方地质情况。

(2)施工至 PDK125 + 630时,超前地质预报发现前方围岩完整 ,少量裂隙渗水 ,决定绕行结束 ,开辟 PDK125 + 654横通道 ,返回 Ⅱ线平导。 

(3)施工至 PDK125 + 733处,超前地质预报判定前方为大型岩溶管道 ,充填粉细砂 ,开挖揭示可能会造成洞内涌砂及大量涌水 ,经四方会议研究决定 ,返回 PDK125 + 654横通道 ,继续从Ⅰ线正洞绕行 ,如图 15所示。

图 15　岩溶突水段绕行方案示意图

通过绕行 ,使隧道施工关键线路避开了大型突水突泥段落 ,缩短了整个隧道的贯通时间 ,进一步探明了前方地质条件 ,为岩溶段的处理提供了 “包围 ”探测的必要条件 ,为大型富水岩溶段的安全稳妥处理 ,提供了足够的时间与空间。

三、在大支坪隧道中的应用

1）超前地质预报探测到 990大型溶腔 

(1)溶洞形态及充填物特征

当大支坪隧道 Ⅱ线先期按平导开挖 PDK132 + 990掌子面时 ,两次发生大规模突水突泥 ,由于该溶腔影响洞身纵向 130m,横向约 280m,且直接或间接连通 ,故得名 “ + 990溶腔异常体”(简称 :990溶腔)。该岩溶异常体根据综合超前地质预报及开挖揭示的地质情况 ,探明 Ⅰ线DK132 + 947 ~ DK132 + 958、DK133 + 004 ~ DK132 + 027间、Ⅱ线 DK132 + 913 ~ DK132 +921、DK132 + 973 ~ DK132 + 997间发育大型富水充填溶腔 ,溶腔基本上沿层面及岩层走向发育,Ⅰ、Ⅱ线溶腔贯通 ,尖灭于排水洞左边墙 ,溶腔形态如图 16所示。溶腔不同地段不同时间充填物改性质有所变化 ,主要为砂卵石及黏土 ,如图17、图 18所示。

图16　 990溶腔形态图 

(2)水文地质特征 

990溶腔发育地层为三叠系嘉陵江组下部和大冶组上部灰岩 ,向斜构造 ,如图 19所示。地表为水谷坝洼地 ,发育多个落水洞 ,洞身穿越处发育有 F3断层。岩溶和地下水发育主要受构造和地层控制 ,由于大冶组底部为泥岩和页岩地层 ,为相对阻水层 ,有利于处于该阻水层上部的灰岩地层岩溶和地下水发育。地下水流向由北东流向南西 ,排泄于野三河下游。地下水主要接受大气降水补给 ,地表深孔测得的地下水位埋深 100m左右 (高程 943m),洼地汇水面积 6. 06km?。

图 17 　充填物为砂及卵砾石

图18　充填物为淤泥质黏土

图 19　大支坪隧道 PDK132 + 990溶腔段水文地质纵断面图 (1∶ 5000) 

①涌水量及水压观测

通过对 990溶腔各掌子面揭示后的涌水观测 ,该溶洞最大涌水量 5万 m?/ d(Ⅱ线Ⅱ DK132 + 973处，2006年 10月 1日),正常涌水量 3000m?/ d左右。由于该段水文地质条件复杂,可能原自然排泄通道存在作用 ,隧道穿越揭示段可能未完全袭夺全部洼地地下水。

溶腔与地表岩溶洼地通过岩溶管道、裂隙相通 ,地下水受大气降水补给明显 ,降雨后雨水补给地下水迅速 ,一般雨后 8 ~ 12h洞内涌水开始明显增大 ,停雨后 1 ~3d内洞内涌水恢复正常。图 20为 990溶腔降雨量、涌水量与时间关系曲线图。溶洞段水压虽受降雨影响 ,由于溶腔被泥砂充填排水通畅性差 ,监测水压为溶腔充填物渗透水压力 ,监测到最大水压0. 24MPa。图 21为 990溶腔降雨量、水压与时间关系曲线图。

图 20　 990溶腔降雨量、涌水量与时间关系曲线

图 21　 990溶腔降雨量、水压与时间关系曲线

②溶腔段涌水量预测 990溶腔异常岩溶水主要为降雨补给 ,补给面积约 6. 06km?,由水谷坝洼地汇集 ,通过岩溶管道径流至 990溶腔。预测涌水量见表2。 

表2  990溶腔段涌水量预测表

③ 990溶腔地质评价 

a. Ⅰ线DK133 + 004 ~ DK133 + 027、Ⅱ线ⅡDK132 + 973 ~ DK132 + 997段主溶腔体

根据综合超前地质预报、开挖揭示、水文地质观测及充填物特征 ,Ⅰ线 DK133 + 004 ~DK133 + 027、Ⅱ线 DK132 + 973 ~ DK132 + 997段主溶腔体在洞身段为同一岩溶发育带 ,具有较强的水文地质联系。由于该段洞身影响宽度大 ,充填物量极大 ,突水突泥后排泄通道仍不通畅,强降雨易造成水压积聚后发生多次突水突泥风险 ,施工中应高度关注Ⅰ、Ⅱ线相互干扰及安全影响。 

b. Ⅱ线 DK132 + 914溶腔

在Ⅱ线 DK132 + 913 ~ DK132 + 920间发育两段充填溶洞 ,分布在 Ⅱ线 DK132 + 913 ~ DK132 + 917. 5及Ⅱ线 DK132 + 918 ~ DK132 + 920间，简称 “914溶腔 ”(图 22)，在Ⅱ线 DK132 + 913. 9 ~ DK132 + 915. 8距隧道顶约 3. 3m处被完整块石封住。914溶腔具有相对独立性，其与 990溶腔的水力联系较弱，但都处于水谷坝洼地水文地质单元中，接收大气降雨补给。突水突泥后无雨期溶腔稳定。

图 22　 914溶腔地质横断面图 (尺寸单位 :m) 

c. Ⅰ线 DK132 + 947 ~+ 958、Ⅱ线 DK132 + 947溶腔

在洞身处为同一岩溶发育带 ,且有较强的水文地质联系 ,由于发育为宽张裂隙 ,施工安全相互影响较小。 

2) 990富水充填溶腔突水突泥情况 

(1)排水洞PDK132 + 930、PDK132 + 940突水涌砂 

2006年 7月 26日,排水洞开挖至 PDK132 + 928处，探测掌子面前方约 2m处出现超长炮孔涌水，涌水射程 12m，掌子面左上角起拱线处爆破揭示宽约 1m的岩溶宽张裂隙 ,发生突水涌砂 ,并夹带部分卵石 ,涌砂量约 300m?，如图 23所示。 

(2)平导 PDK132 + 960突水 

2006年 9月4日,平导开挖至 PDK132 + 960处,掌子面爆破开挖后发生大规模突水 ，夹带少量泥砂 ,瞬时涌水量达 1500m? /h。随后经观察 ,PDK132 + 960位置发育岩溶裂隙，裂隙沿隧道纵向宽 0 ~ 2m，横向长约 10m，溶洞周围岩层完整。2006年 9月 8日暴雨后，岩溶裂隙涌水量达 4200m? / h，无雨期正常涌水量约为 400m? /h。该溶洞发育于三叠系大冶组灰岩中 ,该段灰岩为薄层，岩层近直立，溶洞沿层面裂隙发育。

图 23　排水洞PDK132 + 930、PDK + 940突水涌砂 

(3)平导 PDK132 + 990突水突泥 

2006年 9月 29日 3:00,平导开挖至 PDK132 + 990处，掌子面爆破开挖后 ,发现掌子面拱顶掉块，并有淤泥从拱部挤出 ,安全员立即撤离洞内人员。随后掌子面发出轰隆巨响 ,大量软塑状淤泥涌出。半小时涌水量 10万 m?,至 10月 1日 2:30,水量变小，涌水量稳定为 400m? / h,涌泥至 PDK132 + 480处停止 ,涌泥量约 7000m?,如图 24 所示。

图 24　平导 PDK132 + 990突水突泥 

(4)平导 PDK132 + 990二次突水突泥 

2007年 2月 22日,平导清淤至 PDK132 + 960时，再次发生突水突泥，瞬时涌水量为 5000m? / h,约 2h后,涌水量稳定为 350m3 / h,涌泥量约 8000m?。由于应急救援及逃生系统完善，无人员伤亡。之后清淤至 PDK132 + 930处施作 3m厚 C20混凝土封堵墙。 

(5)Ⅱ线 DK132 + 914突水突泥 

2008年 4月 30日 21时,该隧道进口工区 Ⅱ线 DK132 + 914发生突水突泥 ,如图 25所示 ,持续 10余分钟 ,突泥至掌子面后方约 200m处,掌子面涌泥砂高度约 3m,涌泥砂量约 3000m?，后水量稳定在 300m?/ h,未造成人员伤亡。

图 25　 ⅡDK132 + 914揭示溶腔后突水突泥 

(6)Ⅰ线 DK133 + 005 ~ DK133 + 017突水突泥 

2009年 5月 15日大支坪地区突降暴雨 ,截至 5月 16日凌晨 7时累计降雨量达 51. 7mm,降雨后 8 ~12h后洞内涌水量变大。5月 16日 18:46时Ⅰ线 DK133 + 005 ~ DK133 + 017发生大型突水突泥 ,如图 26所示。19:05时涌水量异常增大至峰值 ,监测到瞬时涌水量 35. 9万 m? / d,突泥总量 1. 2万 m?,主要为泥砂、砾石、淤泥等 ,涌水量 1. 3万 m?。突泥段落部分初期支护破坏，如图 27所示，溃破口位于 Ⅰ线右侧拱顶上约 10m，并延伸至 Ⅱ洞顶 25. 7m处与原 990突水突泥通道相连通。由于 5月15日晚不满足安全进洞条件，人员及时撤离无人员伤亡。

图 26　突水突泥淤积 Ⅰ线正洞

图 27　突水突泥溃破口破坏双层初期支护 

3) 迂回躲避 990溶腔

大支坪隧道 Ⅱ线平导施工中 ,分别在 PDK132 + 936遇顺层岩溶涌水、PDK132 + 960处遇岩溶管道水 ,特别是 9月 29日当 Ⅱ线按平导断面施工至 PDK132 + 990时,拱顶突遇大型充填溶腔 ,造成较大突水突泥 ,水量约 1万 m? / d,总突泥量约 1万 m?。根据设计资料显示 ,此大型异常区横跨Ⅰ、Ⅱ线及迂回导坑 ,影响区域宽 280m,长约 440m,异常区核心体积达 1. 5万 m?以上 ,多为岩溶发育充填流塑性泥砂及高水压。为早日实现安全突破 ,充分挖掘地质潜力 ,依靠技术手段 ,对地质进行精确探测 ,采取了 “就地封堵 +迂回绕行 ”的方案 ,在平导右侧 30m处设迂回导坑 ,见缝插针 ,利用岩溶发育较弱地带迂回通过 ,取得了成功。迂回绕行方案如图28、图 29所示。

图28　迂回绕行方案

图 29　通过迂回导坑绕行施工有轨运输平面示意图

注:Ⅰ线全长 3893m,Ⅱ线全长 3928m,迂回导坑长2119m。 

4) 迂回绕行躲避 PDK131 + 547岩溶管道高压富水溶腔技术 

2005年 5月 24日,TSP及地质雷达探明平导 PDK131 + 547掌子面前方地质异常后 ,为了进一步探明其富水规模 ,沿开挖轮廓线均匀布设了 6个水平钻孔 ,掌子面右侧探孔出现较大涌水,左侧探孔均无水。据此及时确定了自掌子面左侧绕行快速通过的掘进开挖方案 ,成功绕避,如图 30所示。

图30　 PDK131 + 547岩溶管道探测及迂回绕避 

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知识点：高压富水铁路隧道迂回绕避溶腔技术