申志軍

(鐵道部宜萬鐵路建設(shè)指揮部,湖北恩施 445000)

1 宜萬鐵路巖溶隧道概況

宜萬鐵路位于云貴高原的東北麓,東起宜昌,西至萬州,全長 377km,主要行經(jīng)在長江與清江的分水嶺地帶,其地形、地質(zhì)條件之復(fù)雜集西南山區(qū)鐵路之大成,建設(shè)條件之艱、難、險(xiǎn)居我國鐵路歷史之最。

全線隧道 159座,總長 338km,其中單線隧道 105座,總長 291km;雙線隧道 54座,總長 47km,隧道占線路長的 58%。

全線 70%的隧道位于灰?guī)r地區(qū),該地區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育,地質(zhì)條件極端復(fù)雜,多座長大隧道通過可溶巖地層,并組成不同類型的儲(chǔ)水構(gòu)造,在地殼運(yùn)動(dòng)和特殊的水動(dòng)力作用下,形成復(fù)雜的巖溶管道、溶隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),隧道遭遇災(zāi)害性的突水突泥和誘發(fā)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的可能性極大,隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)巨大,其規(guī)模、數(shù)量及工程處理難度為國內(nèi)外罕見。

工程于 2004年元月開工,2009年 12月隧道全部貫通。隧道施工過程中,共揭示需進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理的溶腔及溶腔水1100余處,發(fā)生較大的突水、突泥、突石共101次,其中 3次造成較大災(zāi)害事故。

2 風(fēng)險(xiǎn)管理過程

2003年 3月,在鐵路工程中首次引入地質(zhì)勘察監(jiān)理工作。

2003年 9月,組織召開《隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)交流研討會(huì)》,8個(gè)國家的地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)專家和國內(nèi)的院士專家參加了會(huì)議,研討了宜萬鐵路如何采取先進(jìn)科學(xué)的地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)和方法,規(guī)避施工建設(shè)期間的風(fēng)險(xiǎn)和確保施工安全。

2004年 5月,完成《野三關(guān)隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制的研究》,將風(fēng)險(xiǎn)管理引入了宜萬鐵路。

2004年 7月,制定《宜萬鐵路建設(shè)防范高風(fēng)險(xiǎn)專項(xiàng)機(jī)制》,包括:施工地質(zhì)勘察與超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào);突發(fā)性事件防范應(yīng)急預(yù)案;應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)、工程難題的設(shè)計(jì)和施工預(yù)案;重難點(diǎn)工程監(jiān)控;隧道施工量測監(jiān)控;嚴(yán)格規(guī)范施工工藝監(jiān)控;嚴(yán)格履約考核獎(jiǎng)罰和信息收集、反饋和快速反應(yīng)專項(xiàng)機(jī)制等。提出了巖溶隧道施工期“高風(fēng)險(xiǎn)”的概念,提出全員、全方位、全過程防范和化解高風(fēng)險(xiǎn)。

2004年 10月,制定《宜萬鐵路復(fù)雜隧道施工地質(zhì)實(shí)施細(xì)則》,提出施工期隧道施工地質(zhì)工作,特別強(qiáng)調(diào)超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)是規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、確保隧道施工順利進(jìn)行的重要保證,關(guān)系到宜萬鐵路工程建設(shè)的成敗。

2005年 1月,制定《施工階段核實(shí)地質(zhì)內(nèi)容及要求》,明確提出了對(duì)隧底采用釬探、地質(zhì)雷達(dá)等方法進(jìn)行隧底巖溶普查和地質(zhì)補(bǔ)勘工作。

2005年 6月,宜萬鐵路專家組對(duì)全線巖溶隧道設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和咨詢。

2006年 1月,全線隧道全面排查,對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分級(jí)。其中Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道 8座,可能出現(xiàn)大規(guī)模巖溶突水突泥隧道;Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道 26座,可能出現(xiàn)局部突泥突水或大型干溶腔隧道。

2006年 11月,對(duì)注漿管理辦法進(jìn)行了細(xì)化,對(duì)注漿設(shè)計(jì)、施工管理和技術(shù)資料等 3方面提出了具體要求。

2007年 12月,成立鐵道部宜萬鐵路建設(shè)指揮部,加強(qiáng)建設(shè)管理力度,同時(shí),5座Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理力量得到全面加強(qiáng)。

2008年期間,建設(shè)指揮部成立風(fēng)險(xiǎn)隧道工作組、注漿督導(dǎo)組和釋能降壓攻關(guān)組,確定了隧道分級(jí)督辦制度,制定了地質(zhì)預(yù)報(bào)和注漿標(biāo)準(zhǔn)化管理措施,組織召開了 7次院士及專家論證會(huì)、76次重大技術(shù)方案和預(yù)案討論會(huì),引進(jìn)了專業(yè)注漿隊(duì)伍。

2008年 11月,建設(shè)指揮部提出釋能降壓新工法,經(jīng)專家論證可行后于 11月至 12月分別對(duì)云霧山、大支坪、馬鹿箐、野三關(guān)等 4座隧道采用釋能降壓法安全可控地揭示了大型充填性溶腔。

2009年 6月,建設(shè)指揮部召開齊岳山隧道專題會(huì)議,明確了引進(jìn)的注漿科研單位和隧道開挖施工單位的技術(shù)方案、施工組織、安全質(zhì)量和工期目標(biāo)。

3 管理措施

3.1 八項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制

宜萬鐵路開工初期,建立了防范高風(fēng)險(xiǎn)的“八項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制”。其核心內(nèi)容:

(1)施工地質(zhì)勘察與超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)專項(xiàng)機(jī)制。(2)突發(fā)性事件防范應(yīng)急預(yù)案專項(xiàng)機(jī)制。(3)應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)、工程難題的設(shè)計(jì)和施工預(yù)案專項(xiàng)機(jī)制。(4)重難點(diǎn)工程監(jiān)控專項(xiàng)機(jī)制。(5)隧道施工量測監(jiān)控專項(xiàng)機(jī)制。(6)嚴(yán)格規(guī)范施工工藝監(jiān)控專項(xiàng)機(jī)制。(7)嚴(yán)格履約考核獎(jiǎng)罰專項(xiàng)機(jī)制。(8)信息收集、反饋和快速反應(yīng)專項(xiàng)機(jī)制。

“八項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制”是防范高風(fēng)險(xiǎn)的總則,各施工單位根據(jù)這八項(xiàng)要求相應(yīng)地制定了細(xì)則和實(shí)施方案。

3.2 施工地質(zhì)分級(jí)管理

建設(shè)初期,針對(duì) 13座復(fù)雜隧道制定了《施工地質(zhì)及超前預(yù)測預(yù)報(bào)實(shí)施細(xì)則》,經(jīng)過將近 1年的實(shí)踐證明,超前預(yù)測預(yù)報(bào)規(guī)避了大量的施工風(fēng)險(xiǎn),又針對(duì)每一座隧道制定了施工地質(zhì)分級(jí)、實(shí)施程序和工作內(nèi)容。

施工地質(zhì)分級(jí)分為 3個(gè)等級(jí)。A級(jí):可能存在重大地質(zhì)災(zāi)害的地段;B級(jí):主要針對(duì)可能發(fā)生中 ～小型突水突泥地段;C級(jí):主要針對(duì)巖溶水文地質(zhì)條件較好的碳酸鹽巖及碎屑巖地段,發(fā)生突水突泥的可能性較小。

地質(zhì)工作內(nèi)容:(1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào);(2)施工圍巖分級(jí)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià);(3)隧底及周邊巖溶探查;(4)災(zāi)害評(píng)估及防治工程措施的建議。

3.3 隧道分級(jí)管理

隧道分級(jí)是根據(jù)每座隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,發(fā)生突涌水突泥的幾率、規(guī)模、危害程度等,確定其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。對(duì)野三關(guān)、馬鹿箐等 8座長大隧道巖溶發(fā)育、暗河眾多、地下水豐富,個(gè)別工區(qū)為反坡施工,施工中極有可能發(fā)生大規(guī)模突水突泥的地質(zhì)災(zāi)害,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)。對(duì)堰灣一號(hào)、堰灣二號(hào)、景陽坪等 26座巖溶隧道施工中可能出現(xiàn)局部突水、突泥或大型溶腔,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

3.4 隧道分級(jí)督辦

按照風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估劃分的等級(jí)實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)管理、分級(jí)督辦的管理模式。核心是明確建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工各方對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隧道管理職責(zé)、分工、管理內(nèi)容和手段。

建設(shè)單位組織設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位對(duì)全線風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行排查,按照存在的危險(xiǎn)源和可能對(duì)施工安全產(chǎn)生的危害程度,將存在風(fēng)險(xiǎn)隱患工點(diǎn)劃分為重大、較大和一般風(fēng)險(xiǎn)隱患工點(diǎn)三類,建立風(fēng)險(xiǎn)隱患工點(diǎn)分級(jí)督辦制度,實(shí)行三級(jí)督辦。明確了督辦內(nèi)容、方法和建設(shè)、監(jiān)理、施工單位督辦責(zé)任人,建立臺(tái)賬,落實(shí)責(zé)任。

3.5 Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道管理制度

2008年 12月,成立鐵道部指揮部后,對(duì) 5座未完的Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道建立了一系列管理制度,主要包括超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的細(xì)化,架子隊(duì)生產(chǎn)模式,取消包工隊(duì),地質(zhì)預(yù)報(bào)和注漿標(biāo)準(zhǔn)化管理,引進(jìn)專業(yè)注漿隊(duì)伍,引進(jìn)科研單位,實(shí)行專家論證制度。

3.6 專家技術(shù)指導(dǎo)和論證制度

邀請(qǐng) 15位國內(nèi)巖溶隧道方面的院士專家擔(dān)任宜萬鐵路的技術(shù)專家,指導(dǎo)現(xiàn)場解決長大巖溶隧道、地質(zhì)復(fù)雜隧道施工地質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題,指導(dǎo)協(xié)調(diào)解決施工安全、質(zhì)量、工期等方面的問題,重點(diǎn)指導(dǎo)防范地質(zhì)災(zāi)害的具體措施;指導(dǎo)重大技術(shù)方案的研究。由建設(shè)指揮部組織的大型專家會(huì)議共 40余次。

4 技術(shù)措施

4.1 施工地質(zhì)預(yù)報(bào)

巖溶隧道施工地質(zhì)包括超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、徑向地質(zhì)預(yù)報(bào)、工后補(bǔ)勘等內(nèi)容。

宜萬鐵路設(shè)計(jì)階段采取遙感判譯、地質(zhì)測繪、水文調(diào)查,以及物探、鉆探、測井等技術(shù)手段,但只是查明了地層巖性、斷層、水文地質(zhì)以及存在的主要重大地質(zhì)問題等基本背景,不足以應(yīng)對(duì)具體工點(diǎn)、部位巖溶及巖溶水的復(fù)雜性、多樣性、無規(guī)律性,因此,必須加強(qiáng)隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)。

掌子面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要包括物探和鉆探等方法,物探包括 TSP、地質(zhì)雷達(dá)等方法,鉆探包括深孔水平鉆探和 5m超前釬探,鉆探的準(zhǔn)確率更高,效果最好。并且必須進(jìn)行一定量的地質(zhì)取芯,以準(zhǔn)確判定充填型溶洞和高壓富水?dāng)鄬咏缑婕耙?guī)?！，F(xiàn)場必須配備有豐富地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員和高效的水平地質(zhì)鉆機(jī),方能提高地質(zhì)判釋準(zhǔn)確度,提高作業(yè)效率。

徑向地質(zhì)預(yù)報(bào)包括周邊探測和隧底探測,確保 5 m巖盤的安全厚度。工后補(bǔ)勘由設(shè)計(jì)院對(duì)隧道全程進(jìn)行,物探和鉆探相結(jié)合,確保以后運(yùn)營的安全。

4.2 水文監(jiān)測

水文監(jiān)測主要包括降雨量、涌水量、水壓、水位 4個(gè)方面的內(nèi)容。

降雨量監(jiān)測采用“SRY-1雨量記錄儀”進(jìn)行降雨量自動(dòng)記錄。超前鉆孔、重要出水點(diǎn)、集中匯水點(diǎn)、重要井泉等均需進(jìn)行水量監(jiān)測,主要采用人工監(jiān)測及自動(dòng)監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測方法進(jìn)行涌水量監(jiān)測。每實(shí)施 1次超前鉆孔均需布置不受開挖影響的水壓監(jiān)測孔;每個(gè)溶腔至少需布置 1孔進(jìn)行水壓監(jiān)測。水壓監(jiān)測孔,需設(shè)置孔口管、安裝法蘭盤、Q型管、空氣室及壓力表,孔內(nèi)需設(shè)置軟式透水管等。對(duì)未施工地段的重要深孔孔內(nèi)水位進(jìn)行自動(dòng)長期連續(xù)觀測,采用 LevelTROLL 300或 LevelTROLL700深孔液壓測量儀。

4.3 施工安全條件

施工過程中,遇到可能發(fā)生突水溶腔后,需設(shè)定安全進(jìn)洞條件,安全進(jìn)洞條件包括降雨量、洞內(nèi)水量、水壓,降雨后水量峰值是否已過,水質(zhì)變化和水量變化。野三關(guān)、大支坪、云霧山、馬鹿箐和齊岳山等隧道均設(shè)置了施工安全條件。

4.4 防災(zāi)報(bào)警

在風(fēng)險(xiǎn)隧道施工中配置防災(zāi)害聲光報(bào)警裝置和視頻監(jiān)控系統(tǒng),一旦有災(zāi)害預(yù)警應(yīng)立即發(fā)出警報(bào),傳到洞口值班室,值班室立即啟動(dòng)應(yīng)急通信、應(yīng)急照明并指揮洞內(nèi)人員安全撤離;正洞、各輔助坑道、橫通道必須配置應(yīng)急照明裝置,并應(yīng)確保在有災(zāi)害發(fā)生時(shí)能提供足夠亮度的照明指示以利洞內(nèi)人員逃生;在正洞與平導(dǎo)之間,在預(yù)測高風(fēng)險(xiǎn)段落增設(shè)逃生橫通道。并通過視頻系統(tǒng)判斷災(zāi)害發(fā)生情況,并進(jìn)行災(zāi)害原因分析。

4.5 注漿加固

針對(duì)充填型溶腔,由施工初期的 30m長全斷面帷幕注漿,改進(jìn)為周邊加固注漿、局部注漿、徑向注漿,注漿長度根據(jù)情況調(diào)整,以 20m為主,開挖線外加固范圍有 3、5m加固區(qū)。注漿材料以普通水泥、早強(qiáng)水泥單液漿為主,水泥水玻璃雙液漿加固周邊。注漿過程采用自動(dòng)記錄 PQT,以便進(jìn)行注漿效果分析。首次在宜萬鐵路實(shí)施了注漿效果評(píng)價(jià),由監(jiān)理組織參建各方對(duì)注漿過程、鉆孔驗(yàn)證、孔內(nèi)成像等措施對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)定,確定是否達(dá)到開挖條件。

4.6 釋能降壓

釋能降壓法是宜萬鐵路首創(chuàng)的專利技術(shù),是針對(duì)復(fù)雜高壓富水充填溶腔所采取的有計(jì)劃、有目的的精確爆破揭穿,從而釋放溶腔所存儲(chǔ)的能量,降低施工及運(yùn)營過程中水土壓力對(duì)隧道形成影響,并通過配套處治措施完成溶腔治理。

施工方針:探介質(zhì)、鎖邊界、選時(shí)機(jī)、精爆破、嚴(yán)監(jiān)控、暢排放、快支護(hù)。

主要包括:巖溶特征分析、臨近界面鎖定、相鄰洞室分隔、洞外排水規(guī)劃、專項(xiàng)精確爆破、預(yù)警預(yù)報(bào)監(jiān)控、配套措施實(shí)施、結(jié)構(gòu)處理。

4.7 溶腔結(jié)構(gòu)處理規(guī)?；?/h3>

對(duì)施工過程中揭示的溶腔進(jìn)行歸類,并形成相應(yīng)的處理措施。

(1)洞穴型、管道型巖溶:回填措施;

(2)充填型巖溶:注漿加固 +大管棚措施;

(3)過水型巖溶:引排措施;

(4)大型干溶洞:托梁 +板跨方案、型鋼混凝土 +板跨方案、鋼管群樁方案、樁基 +承臺(tái)方案、填筑路基方案、梁跨方案;

(5)高壓富水充填溶腔:注漿堵水方案、泄水洞方案、堆積體加固方案、釋能降壓方案、繞行方案、暫時(shí)擱置達(dá)到條件后再處理方案。

4.8 長期監(jiān)測

針對(duì)復(fù)雜巖溶地段采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工措施在以往的工程實(shí)踐中是少見的,許多技術(shù)措施具有首創(chuàng)性。為此,對(duì)典型的 7座隧道 8個(gè)工點(diǎn)進(jìn)行長期監(jiān)測。

監(jiān)測項(xiàng)目包括:(1)與圍巖及隧道結(jié)構(gòu)相關(guān)的水壓力監(jiān)測;(2)注漿加固圈(周邊圍巖)位移監(jiān)測;(3)圍巖與初期支護(hù)接觸壓力監(jiān)測;(4)初期支護(hù)內(nèi)力監(jiān)測;(5)初期支護(hù)與二次襯砌接觸壓力監(jiān)測;(6)二次襯砌內(nèi)力監(jiān)測;(7)注漿加固圈滲水量監(jiān)測;(8)隧道基底沉降監(jiān)測;(9)地表深孔地層水平位移監(jiān)測。不同隧道監(jiān)測項(xiàng)目有所不同。

監(jiān)測預(yù)警報(bào)警的等級(jí)分為四級(jí):安全狀態(tài)、三級(jí)警戒(關(guān)注)、二級(jí)警戒(預(yù)警)和一級(jí)警戒(報(bào)警),針對(duì)不同的警戒等級(jí),分別采取相應(yīng)的控制措施,確保隧道工程安全。

5 體會(huì)和思考

(1)宜萬鐵路隧道揭示需處理的溶腔1088處,發(fā)生突水突泥 101次,98次成功地避免了災(zāi)害,證明了高風(fēng)險(xiǎn)管理措施和技術(shù)措施起到了良好的效果,但未做到 100%的安全,仍需繼續(xù)改進(jìn)。

(2)復(fù)雜巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)貫穿在隧道工程全壽命周期中,保證修建期間安全的同時(shí),還需保證運(yùn)營期間的安全,對(duì)復(fù)雜巖溶結(jié)構(gòu)需做長期安全檢測和預(yù)警措施。

(3)發(fā)揮參建各方優(yōu)勢,建設(shè)單位做好協(xié)調(diào)和決策,設(shè)計(jì)配合人員需有能力有權(quán)限確定設(shè)計(jì)方案,施工單位應(yīng)充分利用集團(tuán)優(yōu)勢,在人財(cái)物給予保證,監(jiān)理和科研應(yīng)盡力盡責(zé)。

(4)巨大風(fēng)險(xiǎn)方面,建設(shè)指揮部在特殊情況下應(yīng)敢于承擔(dān),敢于決策,需有確定技術(shù)方案的能力和水平,領(lǐng)導(dǎo)者需有決策的能力、魄力、水平。但建設(shè)單位不應(yīng)承擔(dān)全部風(fēng)險(xiǎn),僅承擔(dān)應(yīng)該承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍,混亂決策會(huì)造成風(fēng)險(xiǎn)。

(5)施工單位的項(xiàng)目經(jīng)理和作業(yè)隊(duì)作為執(zhí)行層,在發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn),避免事故方面作用巨大,好的項(xiàng)目經(jīng)理避免事故,差的項(xiàng)目經(jīng)理制造事故。

(6)采用綜合手段對(duì)溶腔邊界進(jìn)行預(yù)報(bào)和確認(rèn),但很難確定溶腔實(shí)際的規(guī)模類型,必須對(duì)水文、泄水面積、水文觀測、水壓、水量準(zhǔn)確檢測。

(7)設(shè)計(jì)單位對(duì)溶腔的處理應(yīng)有多種方案,注漿管棚方案和釋能降壓方案、樁基承臺(tái)方案和地板加固方案,設(shè)計(jì)方案和預(yù)案,做到多方案比較,找出合適的實(shí)施方案。

(8)對(duì)巖溶隧道的認(rèn)知水平和判斷是不斷提高的過程,應(yīng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),重視變更設(shè)計(jì),對(duì)技術(shù)方案及時(shí)決策,現(xiàn)場決策,果斷決策,準(zhǔn)確決策,科學(xué)決策。

(9)巖溶注漿應(yīng)確保真實(shí),以免誤判、無法決策。注漿隊(duì)伍應(yīng)專業(yè)化,設(shè)備配置應(yīng)滿足掌子面施工需要。

(10)溶腔處理應(yīng)加大投入,必須抓住旱季的有利時(shí)機(jī)。

[1] 《中國鐵路隧道史》編寫委員會(huì).中國鐵路隧道史[M].北京:中國鐵道出版社,2000.

[2] 梅志榮,等.高速鐵路巖溶隧道突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)研究[A]∥中國高速鐵路隧道國際技術(shù)交流會(huì)論文集[C].北京:中國鐵道出版社,2006.

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