大梁隧道突水突石机理分析及处理措施研究 - 滑模施工|筒仓滑模|滑模公司

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	大梁隧道突水突石机理分析及处理措施研究

发布时间：2016.11.30 新闻来源： 浏览次数：

    1· 工程概况
    大梁隧道为兰新线重点控制工程，长度6 550 m，隧道通过区海拔高程3 600 ～4 400 m，最大埋深达800 m。隧道位于祁连山腹地的祁连山地槽北祁连褶皱带内，为地壳厚度高度变异地带，地质构造复杂，新构造运动强烈，且经历了多次构造变形，褶皱、断裂发育，隧道通过的主要构造为大梁向斜［1］。
    隧道进口位于山前洪积台地，出口位于常年有水的硫磺沟内，设有一座斜井辅助施工。突涌水段位于斜井工区，为大梁向斜的北西翼，通过地层为奥陶系中统板岩、灰岩，岩层产状N50°W/36°N。灰岩呈灰白色，节理裂隙发育，板岩为薄层状，节理裂隙不发育。涌水段对应地表为山脊间谷地，地形相对较平缓，高海拔地表覆盖有常年积雪，隧道涌水处埋深约500 m。隧道通过区地下水类型主要为岩溶裂隙水和构造裂隙水，富水程度属中等富水［2］，地下水主要接受夏季降雨及冰雪融水补给，水量丰富。
    2· 施工突水突石
    2013 年3 月30 日隧道在向出口方向开挖至DK332 + 266 处时，掌子面右侧拱腰部位突然发生掉块、坍塌，随即发生突水，三股直径约为50 cm 的水柱自洞内右侧拱腰斜向下喷涌。涌水发生后对水量进行了监测，瞬时流量最大达2 300 m3 /h，至2013 年4 月2 日，掌子面处涌水量衰减至800 m3 /h，涌水量趋于平稳，此后无明显衰减趋势，至2013 年4 月16 日起掌子面涌水量渐渐增大，涌水量约1 300 m3 /h。根据这一情况分析存在大规模突涌水的可能性，对掌子面设置了封堵墙，并留有泄水通道，同时加强了突涌水口的现场监测及预防工作。
    2． 1 第一次突水突石
    2013 年4 月23 日1 时15 分，上台阶掌子面发生大规模涌水，瞬间将掌子面堆码的挡墙冲毁，上台阶作业面装载机被冲翻倒，造成现场作业人员多人受伤，多台施工机械损坏，附近多处排水管道损毁。经估算此次涌水瞬时突水量达4 000 m3 /h，随水带出的砂石量约500 m3。瞬间突涌水发生后，涌水量随后逐渐衰减，截止4 月23 日8: 30 涌水量衰减至1320 m3 /h。根据突涌水携带的泥石量计算，在掌子面形成一宽约10 m、高度大于30 m 的不规则空洞。
    2． 2 第二次突水突石
    2013 年5 月22 日，原涌水点位置再次突发涌水，并携带涌出泥砂块石约4 000 m3，淤积隧道长度共70 m，之后水量衰减为400 m3 /h。5 月23 日再次发生突水突泥，涌泥渣约2 000 m3。3 ～ 5 月两侧大的突涌水携带泥渣约累计约1 万m3。本次突涌后对掌子面及后方进行了加固处理。
    2． 3 第三次突水突石
    2013 年7 月31 日5 时50 分已开挖段的掌子面后方DK 332 + 237 ～ + 241 段线路右侧拱腰钢架发生变形，钢架突出1 ～ 2 m，且钢架背后有管状涌水，水量约300 m3 /h，水质浑浊，水量不稳。8 时30 分钢架受围岩挤压突出2 m，DK 332 + 237 端头2 榀钢架断裂，DK332 + 241 已施作套拱段有3 榀钢架发生变形。8 月1日3 时45 分出口方向正洞DK 332 + 237 右侧拱腰发生特大突水突泥( 石) ，大量泥石随水涌出，瞬间涌水量达10 000 m3 /h，持续2 h 后水量衰减，8 月2 日6 时55 分水量减小至1 500 m3 /h，8 月3 日中午水量衰减到800 m3 /h 左右。突出砂石坡脚已堆至DK 332 +119，坡顶在DK 332 + 185，迂回平导口已完全封堵，泥渣量总计大约15 000 m3。
    3· 突水突石原因分析
    3． 1 水文地质条件分析
    地质条件: DK 332 + 266 突涌水段为富水向斜的一翼，地层为奥陶系灰岩夹板岩，突涌水位置为灰岩与板岩的接触带，灰岩属含水岩组，板岩相对隔水，开挖至灰岩含水岩组发生突涌水。同时，灰岩垂向节理裂隙发育，使向斜层间水相互连通，水量大。
    补给来源: 向斜核部位置地表基岩裸露，节理裂隙，地形相对较平缓，局部地势低洼，有利于降雨和融雪水的入渗补给。5 月份地表调查时，积雪开始融化，未发现融雪水汇集形成坡面径流。同时，在洞内涌水量观测中发现洞内涌水出现昼夜波动现象，说明地表水受融雪水补给关系密切，补给径流条件畅通［3］。
    含水体厚度: 隧道洞身处埋深较大( 埋深约500 m) ，洞身上方含水体厚度大，节理裂隙发育，节理裂隙和层间赋存了较大的地下水静储量。由于静储量大，水头压力高会造成隧道突发大规模涌水。
    3． 2 涌水量监测分析
    DK 332 + 266 发生突涌水后，对涌水量进行了连续观测，观测曲线如图1 所示。根据观测数据分析，涌水大致分为两个阶段，3 月31 日至5 月25 日为静储量水释放期，涌水量约2 ～ 3 万m3 /d; 第二阶段为5 月25 日以后，涌水主要以动态补给量为主，涌水量约5 000 ～ 7 000 m3 /d。

    3． 3 突水突石机理分析
    DK 332 + 266 出现3 次大型的突涌水( 泥、石) ，形成机理大体一致，规律性较强，从涌水开始至4 月23 日是水量由小逐渐变大的过程，受气候影响，补给量不断增大，破碎岩体节理裂隙被疏通［4］，4月23 日水量达到峰值，由于水量大、动力足，造成塌方的同时裹挟出大量泥石; 4 月23 日至5 月24 日水量逐渐减少，但在5 月22 日前几天水量观测中涌水量明显减少，分析为DK 332 + 266 溃口被涌水的泥砂及块石淤积堵塞，造成5 月22 日、23 日再次发生涌水( 泥、石) 。经过两次大的突涌水，水量基本达到大致稳定，涌水量保持在6 000 m3 /d 左右。
    对7 月31 日至8 月2 日突涌水( 泥、石) 形成原因初步分析，气温升高积雪不断融化下渗及雨季降水的直接入渗补给，使已形成的降落漏斗再次充满地下水，静水压力增大。同时，掌子面小里程方向岩体破碎，节理裂隙充填物较多，受前两次大型突涌水携带大量固体物质影响，破碎岩体局部结构发生变化，原来排水出口受泥砂及块石再次淤积堵塞，形成新的突水口。7月31 日至8 月2 日突水突石后，对整个突涌过程进行了连续观测，观测曲线如图2 所示。根据DK 332 +237 ～ DK 332 + 241 监测资料，也验证了上述分析。根据观测分析可将一次突涌划分为4 个阶段［5］，即突涌水能量积蓄期: 形成和发展能量积蓄的过程; 突水突石爆发期: 受前期突水涌泥影响，围岩已出现不同程度的扰动，能量积蓄过程中，压力增大，围岩支护强度不足，形成蠕动变形并开裂造成突涌; 突涌水波动期: 水量、能量衰减，前方堆积体阻力加大，泥石涌出停止，仅水量出现波动; 突涌水衰退期: 静储量水明显衰减，涌水以动态补给为主。

    4· 施工处理措施
    4． 1 迂回平导
    经过3 次大型的突水突石，正洞掌子面已形成不规则空洞，受涌水带岩体破碎、局部裂隙充填有粉末状物质影响，仍存在地下水径流通道堵塞而形成突水涌泥的可能性，通过正洞掌子面继续施工存在较大的安全风险。根据总体施组要求，确保工期目标实现，同时结合剩余段落工程地质及水文地质条件分析，采取从掌子面左侧迂回平导超越目前掌子面施工。为探明迂回平导富水情况，在平导内实施了超前探孔，如图3 所示。DK 332 + 266 突涌水界面地层产状N50°W/36°N，同时该界面也为灰岩与板岩的接触带，根据地层产状判断富水带与线路小角度斜交，依据推测的富水带位置设计实施了不同角度的超前探孔，并进行水量和水压监测，根据探孔揭示的情况，地质推断的富水带界面位置及涌水量一致，为迂回平导的顺利实施提供了条件。

    4． 2 高位泄水洞
    为降低迂回平导及后续正洞处理时的安全风险及难度，在分析本区的地下水补给来源、径流方向的基础上，根据岩层产状推测，在正洞右侧DK 332 + 119 位置向突涌位置附近施作高位泄水洞提前泄水，如图4 所示。为提高泄水洞自身成洞的安全性，线位选择上避开多次突涌后形成的空腔及其影响范围，在尽量短的长度内通过可能存在的突涌水段［6］，及早进入相对较为完整的地层。首先垂直线路向右侧约40 m 后，转向大里程方向，与正洞平行施工约40 m，再以40 m 半径转向推测突涌空腔范围。至空腔影响边界50 m 左右时停止施工，进行超前钻探及探水。高程及纵坡设置考虑后续正洞周边注浆处理范围为开挖轮廓线以外6m，洞顶( 侧) 塌腔形态不能准确确定，经综合考虑分析，高位泄水洞终点底面高程按高于正洞拱顶6 m 进行设计。高位泄水洞实施后在预设计位置揭露到地下水，高位泄水后，迂回平导及正洞水量明显减少，为迂回平导与正洞施工起到了保驾护航的积极作用。

    5 ·结论
    ( 1) DK 332 + 266 突涌水位于向斜翼部的软硬岩层的接触带，涌水量大，突发性强，易出现突涌坍塌等不良地质现象，受突涌水带岩体破碎、局部裂隙充填有粉末状物质的影响，造成地下水径流通道堵塞而形成突水突石。
    ( 2) 形成较大规模的突水突石需具备三个条件:一是具有较大的涌水量; 二是突涌水段岩体相对破碎;三是具较高的水头压力。DK 332 + 266 在发生突水突石前的涌水观测中都出现了水量突然减少、集聚能量的过程。
    ( 3) 突涌水处理应具有针对性，采取的迂回平导或高位泄水洞应在充分分析突涌水段水文地质条件、涌水量的基础上合理布设。迂回导洞宜设置在区域地下水补给径流方向下游，降低施工风险; 高位泄水洞宜设置在区域地下水补给径流方向上游，提前排掉大部分水量，为其他作业面施工创造条件。