坪岭隧道DK2081+097涌水突泥情况地质分析

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  摘 要:隧道涌水突泥情况是隧道施工过程中常遇到的工程地质灾害问题,对工程本身、施工人员的安全危害极大,一旦发生,不易控制,本文根据坪岭隧道的涌水突泥情况,介绍了如何对该地质灾害进行勘察、分析,最终评价该地质灾害对隧道的影响,希望为以后遇到相类似的工程勘察、施工提供参考和经验,防止工程留下地质灾害隐患。
  关键词:涌水突泥原因分析;防治对策;断层水对隧道的影响;工程措施建议
  一、隧道概况
  坪岭隧道位于广东省清远市境内,全长4214m,进口里程为DK2079+226,出口里程为DK2083+440;横洞与正洞交叉口里程为DK2082+370。隧道涌水突泥情况发生时,进口掌子面里程为DK2081+004,出口掌子面里程为DK2081+097,全隧剩余93m未掘进。进口DK2079+226~DK2080+190段隧道洞身围岩为薄~厚层状变质砂岩夹片岩,DK2080+190~DK2081+350段为弱风化中厚~厚层状变质石英砂岩,局部夹薄层页岩。DK2081+350~DK2083+440(出口)段为花岗岩。DK2081+350附近为花岗岩与石英砂岩的接触带。DK2080+375~DK2081+420段,地表变质石英砂岩基岩大面积裸露,岩体完整,岩层总体上单斜,岩层产状N45°~60°E/15°~40°NW,涌水突泥处位于该段内,为DK2081+097处,隧道埋深约300m,掌子面附近岩性均以变质石英砂岩为主,部分为二云母石英片岩。
  二、施工揭示地质情况及涌水突泥经过
  1.隧道揭示地质情况
  隧道由大里程开挖至DK2081+097,隧道中线左2m拱顶处揭示一直径约80cm的裂隙,裂隙向上发育(见图1),裂隙周围岩体较完整。
  取样进行岩矿鉴定,DK2081+097掌子面附近岩性为变质石英砂岩为主,部分为二云母石英片岩。
  2.涌水突泥经过
  2008年2月11日上午,DK2081+097隧道中线左2m拱顶处裂隙突然发生涌水突泥,起初涌出约2000余立方硬塑状的黏性土、粉土、砂土夹角砾、碎石及块石,随后,施工单位立即对涌泥部位进行挂网、喷射混凝土处理,处理后暂无涌泥现象。2月11日晚再次发生突水涌泥,成分主要为粉质黏土、粉土、粉细砂夹角砾、碎石,泥水沿隧道漫流。2月12日~2月14日又陆续发生三次涌泥、涌水现象(见图2),掌子面附近涌泥较厚,人员无法进入,泥浆漫流至距掌子面约600m(见图3)。
  2月下旬,施工单位开始对隧道内的涌泥进行清除。根据隧道排水沟中流出的水量估算,2月17日时每昼夜涌水量约3000m3,水质混浊,含较多的泥。此后涌水量较稳定,水质较清。
  三、工程地质调绘情况
  隧道内涌水突泥发生后,结合洞内开挖揭示的地质情况,采取工程地质调绘复查。该段隧道两侧地表500m范围内基岩裸露,岩体完整,岩层产状较稳定,未见断层迹象。但在DK2080+540左侧730m地表发育宽1~3m的裂隙(见图5),该裂隙沿E-W走向近垂直发育,沿裂隙斜向下行进5m左右,右侧发育另一裂隙,裂隙产状为N20°W/85°S,该裂隙宽20-30cm,向山顶发育;再沿E-W向主裂隙斜向下进入25m左右,裂隙宽度逐渐变窄,走向转为N45°W,裂隙在该处向上和向下近垂直发育,宽度逐渐变窄,约50cm,裂隙两侧岩体完整,裂隙底部堆积有少量的断层角砾。该裂隙平面及空间延伸较短,向中线延伸约30m后变窄。
  根据地面补充工程地质调绘、结合定测、补定测及区域地质资料、施工地质资料,综合分析,DK2080+540左侧730m的裂隙为一张性断层,该断层走向约E-W,倾角约60°S,断层上、下盘均为厚层、巨厚层变质石英砂岩,岩层产状N45~60°E/50~60°NW。地表该断层主要以张裂隙、张裂带为主,结合补充工程地质调绘及洞内开挖资料,地表裂隙与DK2081+097洞内裂隙均受构造影响,由该断层引起,沿断层面强烈发育一组节理N56°~85°E/61°~84°SE,也证实了区域构造的作用。
  四、进口段掌子面及其超前地质钻探、物探情况
  DK2081+097涌泥突水出现时,当时坪岭隧道全隧贯通只剩余93m(DK2081+004~DK2081+097段),因此剩余该段隧道采用进口工区向出口独头掘进, 为进一步查明掌子面前方岩体的完整程度及地下水发育情况,在DK2081+004隧道左边墙角进行了超前地质钻探(见图6)。根据钻探取芯揭示情况,DK2081+004~+010段岩石呈深灰色,岩芯破碎呈碎石、角砾状,岩质坚硬;DK2081+010~+025段岩石呈褐黄色,岩芯破碎呈碎石、角砾状,局部呈短柱状,岩质较硬;DK2081+025~+032段岩石呈深灰色,岩芯呈碎石状,岩质坚硬。根据进口段隧道掌子面、超前地质钻探及出口段掌子面揭示的地质情况,进口掌子面部分岩层发生弧形弯曲,岩体较破碎,岩块中多见镜面,但无明显的擦痕,地下水不发育,DK2081+004向大里程的超前钻探28m,未见泥砂,DK2081+004岩块中见较多沿构造裂隙充填的石英脉等,结合工程地质测绘,DK2081+004~DK2081+032段为断层影响带,岩体较破碎。
  超前地质预报(TSP203)显示DK2081+004~DK2081+038(34m)范围内岩体与当前掌子面相似,可能为充泥岩洞(断层泥)沿隧道走向的边缘地带,岩体破碎,局部少量涌水。建议在施工中开展超前钻探,且辅以雷达等短距离超前预报手段进行配合施工,并做好支护及防排水工作。
  DK2081+038~DK2081+080(42m) 范围内有两组P波负相位,且泊松比和纵横波速度比均增大,表明在该范围内可能发育充泥岩洞(断层泥),易发生突水、突泥等地质灾害。建议在该范围内谨慎施工,加强超前钻探及防排水工作,并辅以雷达进行短距离超前预报。   DK2081+080~DK2081+097 (17m) 范围内岩体波速与出口已开挖段波速相近,结合资料成果与现场情况推断,该范围内发育充泥岩洞(断层泥),且该岩洞(断层泥)在垂直隧道上方发育范围较广,建议对该段加强支护及防排水工作,做好安全防范措施。
  综合分析隧道开挖揭示地质情况、超前地质钻探、超前地质物探(TSP203)、工程地质测绘,进口掌子面部分岩层发生弧形弯曲,岩体较破碎、破碎,岩块中多见镜面,但无明显的擦痕,DK2081+004~DK2081+030段地下水不发育。判断DK2081+004~DK2081+032段为断层影响带,岩体较破碎、破碎,DK2081+032~+097段为断层破碎带。断层影响带中越靠近断层,受断层影响越严重,岩体越破碎、地下水越发育、局部强度较低、稳定性越差。另外因出口段涌出大量的泥土及超前地质预报显示,DK2081+080~DK2081+097段在垂直隧道上方形成较大的空洞,须加强重视。
  五、涌水突泥原因分析
  根据地质勘察资料、洞内开挖揭示的岩性、岩体的完整程度、涌出物的情况,结合地面工程地质调绘复查,综合分析:DK2081+097附近为一隐伏张性断层,断层产状E-W,倾角约60°S。涌水突泥也是由该断层所致。隐伏断层存在的理由:(1)是区域构造,断层方向的一组节理N56°~85°E/61°~84°SE,强烈发育,而岩层单斜,产状N45~60°E/50~60°NW。(2)地面DK2080+540左侧730m的断层裂隙也证实了这点。(3)DK2081+097掌子面的断层裂隙形态、突出的泥的成份主要为断层角砾岩、风化的断层角砾岩(粉土、砂土夹角砾、碎石、块石)。(4)DK2080+004隧道掌子面及左边墙角的超前地质钻探显示,围岩岩体较破碎、挤压镜面发育,构造裂隙中充填大量岩脉,也充分证明该断层的存在。由于该断层破碎带为良好的储水与导水通道,有利于地下水及土颗粒的运移;断层带内富集了大量的断层泥、断层角砾、同时经一定的风化作用,断层角砾部分风化成细颗粒土、其次表土也由于水的运移而充填于裂隙中、加之断层带富含地下水。因此施工开挖揭示该断层裂隙时,出现涌水突泥。
  断层带、断层裂隙中充填的碎石、角砾及泥土突出之后,将在隧顶形成空洞(无充填物的裂隙),出现再次涌泥、涌水、坍塌、掉块等现象,影响隧道施工及安全,隧道影响范围内的孔、裂隙应进行填充加固处理。
  六、断层水对隧道的影响
  根据隧道开挖的情况,DK2081+290~DK2081+097段开挖过程中洞内干燥,基本无地下水;进口段开挖后地下水也不发育。由此推测,该断层两侧为完整的石英砂岩,透水、储水能力差,地下水不发育。断层带为相对独立的地下水储存与运移通道,富含地下水;隧道中地下水虽已趋于稳定,水质亦变清澈,表明隧道附近该断层破碎带中有的充填物及地下水已基本排完,但受降雨等引起的地下水位、泾流的变化,可能引起远处断层破碎带中大量泥砂涌入隧道,施工期间仍有可能再次遇到涌泥、突水或断层带的坍塌、掉块等的危害。
  同时隧道洞顶无地表水源点、农田、村庄及居民,因此地下水的漏失对环境无影响;建议该段对砂、土进行全部封堵,对地下水采用堵排结合的整治方案。
  若采用泥水全部封堵方案,由此可能引起断层带内地下水位的上升。根据隧道开挖情况,断层两侧岩体完整,隧道开挖后洞内干燥,表明断层破碎带为主要的导水通道,地下水主要沿断层带径流,在断层地面露头附近排泄;根据工程地质测绘资料,该张性断层地面较近出露的低点位于隧道左侧约1500m,标高约为272m,DK2081+097处隧道标高约为52m。综合分析此情况下断层水地表排泄点、水力坡度(水力坡度按10‰)等,推测DK2081+097附近隧道洞身处断层水的最大水头高差约235m;根据断层带的破碎情况、透水性及隧道附近充填物排泄情况等,选取水压力折减系数为0.8;则推测作用于隧道洞身DK2081+097附近的最大外水压力:F=103×9.8×235×0.8=1.84MPa。
  七、隧道涌水突泥对环境的影响
  断层破碎带主要由粉土、砂土夹角砾、碎石、块石等组成,同时地表水沿断层裂隙的运移中带入少量的地表黏性土。断层破碎带及断层带富含的地下水是引起隧道涌水突泥的主要物质来源,从工程地质调绘资料可知,该段为越岭地段,地表基岩裸露,岩体完整,为自然荒山,未见村庄、农田、居民、水源点等,隧道中线两侧500m范围内未见断层迹象,DK2080+540左侧730m地表见一断层(裂隙),两侧基岩裸露,岩体较完整,为厚层~巨厚层的石英砂岩,该段隧道埋深200~400m,DK2081+097处隧道埋深约300m,因此,隧道内的涌水突泥对环境基本无影响。但隧道内涌出的泥及泥水应进行集中堆放或排放,减小对环境的影响。同时施工期间遇大量集中降雨,可能引起远处断层破碎带或张性裂隙中大量泥砂涌入隧道,再次发生涌水、涌泥或坍塌、掉块等,应预防其危害。
  八、工程措施建议
  (1)DK2081+004超前地质钻探、超前物探揭示,DK2081+004~+032为断层影响带,受构造影响,岩体破碎,稳定性较差。DK2081+032~+097为断层破碎带。
  (2)考虑断层破碎带的物质组成、地下水的补给和压力及其对隧道工程的危害和影响,泥水的排放对环境基本无影响,从安全、经济考虑,建议该段对砂、土进行全部封堵,对地下水采用堵排结合的整治方案。若隧道排水难以实现泥、水分离堵排,采用泥水全封堵的方案,建议断层带的水压力按推测作用于隧道洞身DK2081+097附近的最大外水压力F=1.84MPa考虑。
  (3)施工中应加强地质预测预报工作,通过综合超前地质预报手段探明掌子面前方地质条件,以便采取有效的工程措施,避免灾害的发生。
  (4)由横洞工区对漫流至隧道铺底的淤泥进行清除,清除过程中应设专人对前方掌子面情况进行观察,发现异常情况及时处理,避免发生安全事故。对清理后的泥土应按设计进行堆放,减少对环境的影响。
  九、结束语
  本文介绍了坪岭隧道断层破碎带内富水区段落其涌水、突泥的发生过程、应对该地质灾害所采取的地质勘察工作,通过查明涌水、突泥的原因,来评价该地质灾害对隧道的危险性影响程度,为设计合理的通过方案提供充分的地质依据。希望为以后隧道施工过程中遇到相类似的地质灾害问题提供勘察方面的参考和经验,防止工程留下地质灾害隐患。
  参考文献:
  [1]《铁路隧道施工规范》(TZ204-2008)。
  [2]冯建林;史瑞冬.《坪岭隧道工程地质说明书》.中铁二院成都地勘岩土工程有限责任公司.2005年.
  [3]何平.《武广线施工报告书》.中铁二院成都地勘岩土工程有限责任公司.2010年.
  [4]《铁路隧道防排水技术规范》(TB10119-2000).
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