隧道岩溶涌水突泥病害发展机理及处治方案探究

发表时间:2019/1/9   来源:《防护工程》2018年第29期   作者:吕和章
[导读] 工程因素、地质因素等均可能成为岩溶隧道涌水突泥现象出现的原因

中铁十一局集团第五工程有限公司  重庆  400037
        摘要:工程因素、地质因素等均可能成为岩溶隧道涌水突泥现象出现的原因,人们需要仔细地分析涌水突泥灾害的原因及其特征后,根据实际情况提出较为可行的灾害防治方案,以最大可能地降低灾害发生时的危害。因此,如何采取最合适的方式对隧道涌水突泥病害进行科学处治是文章关注的重点。
        关键词:隧道岩溶涌水突泥病害;发展机理;处治方案探究
       
       
        1工程概况
        1.1隧道岩溶涌水突泥病害的发生过程
        某分离式特长隧道,位于A市至B市高速公路上,其中,左、右线长4707m,线间距40m。动工建设时间为2000年3月1日,竣工时间是2003年11月。瓦斯及煤、岩溶为主要隧道穿越的不良地质,并有石油、硫化氢和天然气等有害气体含于其中。在营运后,人们已对隧道展开了数次病害处治。特别是针对隧道病害,人们于2012年进行了比较全面的整治,包括路面病害、隧道结构性病害、硫化氢有害气体等,此为最近的一次整治。2014年8月19日22:10,有涌水突泥病害于左线隧道ZK37+187左边沉砂池上部预留孔出现,沉砂池已无法完全容纳涌出物,涌出物中包括泥沙、块石和含较多泥的岩溶水,隧道车道中固体涌出物约长50m;2014年8月22日21:00、2014年9月20日18:03,涌水突泥现象再次于隧道相同区域出现,且每次均比上次涌出更多量物质,类圆球状,呈长途搬运痕迹。几次涌水突泥现象导致了公路通车中断,但并未使公路上车辆及人员受到损害。本次隧道突泥涌水的特征有:①突发性。涌水突泥突然发生,在严重时,会造成开裂内鼓、初支掉块,隧道安全会受到较大影响;②水量大。涌水突泥来势猛、流程远、涌水量大,并且许多砂砾石会含于其中,使洞中设施有被淹没的可能;③高压性。在涌砂、突水时,会形成很大突水压力。
        1.2原设计和施工状况
        本隧道东口新增泄水洞处于某山复式背斜东翼,属于单斜地层,并具较陡岩层倾角,为53~59°。洞身穿越以碳酸盐岩为主地层,包括三叠系下统嘉陵江组白云岩、灰岩,三叠系中通雷口坡组白云质灰岩、灰岩等,因构造格局及岩性控制,岩溶槽谷为主的地貌景观及以北东向展布之条带状岩溶山地于隧道区域形成。在开挖本隧道中,一有泥沙及岩溶水充填的较大溶洞在左线隧道ZK37+187位置被发现。于是,将1个沉砂池分布设置于ZK37+187两侧,通过沉砂池顶窗口,溶洞充填物会进入沉砂池,工作人员在聚集后进行清除。
        2岩溶涌水突泥病害致灾机理分析
        隧道的建设需要在地下展开,且规模较大,其会深远地影响到隧址区局部地质发展进程。启动阶段、快速发展阶段和停滞消亡阶段是在岩溶发展中的几个阶段。
        2.1启动阶段
        化学溶蚀是主要的介质受地下水作用的形式,在狭小的水流通道内,地下水基本不具备机械搬运能力,导致了岩溶比较缓慢的发展。在水流不断集中的正反馈机制的强化下,岩溶开始更快的演化。若主体通道宽至5~50mm,则会出现紊流,地下水逐渐发挥出机械搬运能力,导致了岩溶的快速演化。
        2.2快速发展阶段
        不同于启动阶段的化学溶蚀,介质受地下水流的改造形式为化学溶蚀和机械侵蚀共存,机械侵蚀的作用越来越大。不同规模的洞穴在地下出现,落水洞和溶斗在地表形成,且不同规模的洼地在周围出现,差异集降水。
        2.3停滞消亡阶段
        由于水力坡度降低、地下水位下降,地下水溶蚀能力越来越弱、直到消失,结果导致岩溶的基本不发育。全新巨大泄水通道因开挖隧道而形成,岩溶管道不再阻塞而变得通畅,因角砾及泥沙混于岩溶管道地下水中,水的冲蚀作用极大,岩溶发展得到了加速,不再以化学溶蚀为主,而是步入到在地下水动力环境内化学溶蚀和机械侵蚀同时作用的迅速发展期。比起化学溶蚀,机械侵蚀会更加强烈和快速。由于岩溶管道受到冲蚀扩宽,隧道空间内岩溶充填物和岩溶水的涌出被加剧,并存在着较远处岩溶充填物流向隧道空间的可能。
        3隧道岩溶涌水突泥病害处治策略设计
        整治隧道各段病害的指导原则是:①安全施工原则。确保在处治过程中施工人员的作业安全,在正式开始作业前相关部门要做好技术交底,提高一线作业人员对于潜在安全隐患的警惕性,并加强一线人员的专业能力培训,提升其对于施工过程的预判能力。②技术可行性原则。要根据现场的情况选择最适合的处治方案,科学合理地进行综合治理。③快速施工原则。④彻底整治原则。相关人员应该高度重视隧道岩溶涌水突泥病害的处治工作,重视超前地质预报,并且要加强对灾害的监控和测量工作,及时反馈信息,然后根据反馈的信息做好一线人员的作业指导工作。通过分析致灾机理,可知:在长时间运营的岩溶隧道中,岩溶管道被疏通冲蚀拓宽而不再阻塞,岩溶充填物和岩溶水的涌出不断加剧,以至逐渐超过原设计沉砂池承载量,充填物和岩溶水从沉砂池涌出,路面被淹没。人们根据此机理,提出了3类处治措施如下:①封堵岩溶管道,防止其冲蚀作用的不断增大;②扩大沉砂池容量,使其对岩溶涌出物的容纳量增大,让清理频率降低;③新设一泄水洞,可将岩溶涌出物通过洞口排除。仔细分析以上3种处治方式:首先,因岩溶管道具有极其复杂的分布和几何形态,有些具较大水头压力,因此,找出管道并做充分的封堵并不容易,因此,以封堵法进行处治的效果并不理想;其次,在沉砂池扩容法中,工作人员需要定时清理岩溶涌出物,增大了保养维护成本,且针对岩溶涌出物不断增多的问题无法彻底解决;最后,在新设泄水洞法中,因洞口距涌突点仅300m,此法具可行性。通过分析比较经济技术,以新设泄水洞法进行本次涌水突泥病害的处治,让岩溶涌出物通过沉砂池从洞口排水,对涌出的岩溶充填物和岩溶水的排泄能力被较大地增强了,隧道的安全运营得到了保障。为了尽可能地降低因爆破为安全运营带来的影响、提高施工便利性,并在充分考虑现场地形状况后,决定在平面布置左线隧道外添设泄水洞,并在左线隧道ZK37+187左边沉砂池内设泄水洞起点。病害处治施工方在全面分析竣工材料、左右池工程地质钻探成果和泄水洞出口实测地面高程后,决定通过暗挖法使泄水洞下穿隧道主洞。通过竖井实现左右沉砂池和泄水洞的连接,见图1。
       
        图1 左右沉砂池和泄水洞的连接示意
        4结语
        工作人员应在分析涌水突泥灾害机理后,采用可行的技术,并在保障施工安全的基础上进行迅速、彻底的灾害处治。通过深入的研究与分析可知:在本隧道工程中,施工者最好通过新设排水洞,以使岩溶涌出物从洞口排出的方式来处治岩溶涌水突泥灾害,使隧道的安全运营受到充分保障。
        参考文献:
        [1]王者鹏,张健,叶志华,孙柏林,陈迪杨.某岩溶隧道水文地质分析与涌水量预测[J].公路工程,2016,41(05):7-10+27.
        [2]丁尧,程刚,林国进.华蓥山运营隧道岩溶涌水突泥病害发展机理及处治方案探讨[J].公路隧道,2013(03):30-32.
        [3]孙国庆.象山隧道岩溶涌水突泥治理技术[J].隧道建设,2011,31(S1):375-380.

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