李廣慧

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司,北京 101400)

1 概述

復(fù)雜巖溶隧道施工安全不確定性因素多,多表現(xiàn)為洞害、水害、洞穴填充物及塌陷 4個(gè)方面,但施工中可能遇到的高壓富水隱伏巖溶構(gòu)造預(yù)測(cè)及處治不當(dāng)常會(huì)突生大規(guī)模突水突泥、堵塞坑道等地質(zhì)災(zāi)害,給施工安全造成嚴(yán)重威脅。在隧道發(fā)生突水突泥等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害時(shí),為保證現(xiàn)場(chǎng)人員能夠安全快速躲避、撤離免受傷害和設(shè)施免受破壞,需建立風(fēng)險(xiǎn)隧道安全應(yīng)急及預(yù)防快速響應(yīng)機(jī)制。

結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)源及風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)及響應(yīng)特點(diǎn),巖溶隧道防災(zāi)預(yù)警及救援技術(shù)主要包括 3方面內(nèi)容。

(1)建立風(fēng)險(xiǎn)隧道安全等級(jí)管理體系。根據(jù)與隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)管理相關(guān)的地質(zhì)預(yù)報(bào)、雨量、水量、水壓觀測(cè)及圍巖監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng),制定風(fēng)險(xiǎn)隧道安全進(jìn)洞施工條件。

(2)巖溶隧道合理設(shè)置可靠的防災(zāi)報(bào)警、應(yīng)急照明及逃生救援系統(tǒng)。

(3)完善與安全有關(guān)的進(jìn)出洞一人一卡登記、安全教育培訓(xùn)及定期防災(zāi)逃生演練制度。

以上 3方面確保了高風(fēng)險(xiǎn)隧道快速反應(yīng)及安全預(yù)防應(yīng)急機(jī)制的有效運(yùn)行。現(xiàn)以宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧道為例介紹復(fù)雜巖溶隧道防災(zāi)預(yù)警及救援技術(shù)。

2 風(fēng)險(xiǎn)隧道安全等級(jí)管理體系

2.1 規(guī)范地質(zhì)預(yù)報(bào)、降雨量、水量及水壓監(jiān)測(cè)

2.1.1 地質(zhì)預(yù)報(bào)

用于精確探明隧道開(kāi)挖前突水突泥巖溶隱伏構(gòu)造形態(tài)及規(guī)模,判釋成災(zāi)類型,準(zhǔn)確評(píng)估災(zāi)害對(duì)施工的影響程度。一是通過(guò)地表和洞內(nèi)掌子面地質(zhì)調(diào)查及素描,判斷巖溶成災(zāi)征兆;二是充分發(fā)揮物探儀器作用,通過(guò)物探掌握定性一手資料;三是利用長(zhǎng)、中、短距離水平鉆孔及超長(zhǎng)炮孔等直觀物理手段,對(duì)巖溶位置、涌水量、水壓、巖溶充填物性質(zhì)及規(guī)模等定量探測(cè);四是地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)按地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管理。四者共同形成精確探測(cè)、規(guī)避突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)有利的技術(shù)手段。

2.1.2 降雨量監(jiān)測(cè)

降雨量采用 SRY-1雨量自動(dòng)記錄儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。儀器設(shè)在控制隧道安全、極易發(fā)生重大突水突泥的富水溶腔,且受地表降雨影響的洞頂匯水區(qū)域內(nèi)。SRY-1型容柵式雨量自動(dòng)計(jì)錄儀是由上下電動(dòng)閥控制進(jìn)水和排水,通過(guò)容柵位移傳感器的數(shù)字化電路設(shè)計(jì)反算降雨量后,通過(guò)無(wú)線通信傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)雨量查詢系統(tǒng)上,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查收。雨量查詢系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 雨量查詢系統(tǒng)

2.1.3 涌水量監(jiān)測(cè)

為了準(zhǔn)確測(cè)定隧道內(nèi)控制安全風(fēng)險(xiǎn)的各巖溶涌水點(diǎn)涌水量,采用鉆孔涌水及堰測(cè)法相結(jié)合的測(cè)定方法。水量較小時(shí)采用量桶法量測(cè),水量較大時(shí)集水歸槽后采用堰測(cè)法量測(cè);在集中匯水點(diǎn)設(shè)置“SONTEK Argonaut SW多普勒流速測(cè)量?jī)x”24 h不間斷進(jìn)行流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2.1.4 水壓力監(jiān)測(cè)

選擇水量較大的鉆孔作為水壓測(cè)試孔,將水壓表安裝在預(yù)先安裝好的帶閘閥的孔口管上,安裝方法如圖2所示。關(guān)閉其他鉆孔孔口管閘閥,開(kāi)始進(jìn)行水壓測(cè)試,測(cè)試頻率為 30 min記錄 1次,待水壓力基本穩(wěn)定后每 1h測(cè) 1次,直到水壓穩(wěn)定 5 h后,繼續(xù)觀測(cè)水壓變化,觀測(cè) 48 h后水壓基本不變,即測(cè)得最終靜水壓。

每實(shí)施 1次超前鉆孔均布置不受開(kāi)挖影響的水壓監(jiān)測(cè)孔;每個(gè)溶腔布置不少于 1孔進(jìn)行水壓監(jiān)測(cè)且安裝雙水壓表互相校核。為防止溶腔充填物堵塞測(cè)壓表,在鉆孔內(nèi)設(shè)置軟式透水管,水壓表前設(shè)置空氣室。采用注漿封閉孔口管與巖壁間空隙,避免孔口周邊透水,影響水壓測(cè)試效果。一般情況下,每天早上8:00及晚上 8:00各監(jiān)測(cè) 1次水壓;降雨期間或雨后一定時(shí)間每 2 h監(jiān)測(cè) 1次水壓。除監(jiān)測(cè)流動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)水壓外,還要將所有出水點(diǎn)關(guān)閉,測(cè)定穩(wěn)定水壓,水壓穩(wěn)定時(shí)間不少于 2 h。需經(jīng)常對(duì)壓力表進(jìn)行檢查、維修,發(fā)現(xiàn)壓力表失效時(shí),應(yīng)及時(shí)更換,確保水壓力測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性。

圖2 水壓測(cè)試示意

2.2 設(shè)定合理安全進(jìn)洞施工條件,規(guī)范預(yù)警程序

2.2.1 安全進(jìn)洞條件設(shè)定

野三關(guān)隧道“602”高壓富透水溶腔與 3號(hào)暗河連通,位于Ⅰ、Ⅱ線洞頂正前方。自 2007年 8月初遭遇重大突泥、突水以來(lái),也先后 5次發(fā)生重大突水突泥,累計(jì)突泥突石約 20萬(wàn) m3,雨季涌水量為 13～16萬(wàn)m3/d,最大瞬時(shí)涌水 76萬(wàn) m3/d,最高水壓 2.0 MPa。為確保雨季施工洞內(nèi)作業(yè)人員的安全,隨時(shí)掌控洞內(nèi)異常體的安全狀態(tài)是確保人員、設(shè)備安全的首要條件,為給現(xiàn)場(chǎng)安全管理人員準(zhǔn)確、科學(xué)的決策提供定量的標(biāo)準(zhǔn),研究進(jìn)洞施工的量化指標(biāo)成為保安全的必備手段。對(duì)控制隧道安全的高壓富水溶腔建立降雨量、水量、水壓觀測(cè)系統(tǒng),是分析制定安全進(jìn)洞施工條件可靠的依據(jù)。

(1)野三關(guān)隧道 602大型突水突泥溶腔降雨量、涌水量、水壓與時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 野三關(guān)隧道 602溶腔降雨量與涌水量時(shí)間關(guān)系曲線

圖4 野三關(guān)隧道 602大型溶腔降雨量、涌水量時(shí)間關(guān)系曲線

根據(jù)野三關(guān)隧道 602大型溶腔降雨量、水量、水壓、時(shí)間關(guān)系曲線可以分析得出如下結(jié)論:一是降雨量與水壓、水量關(guān)系密切,一般降雨 43 h后水壓、水量變大;二是單日降雨量不超過(guò) 25 mm時(shí)水壓增加不明顯,且均小于 0.3 MPa;三是降雨量與涌水量影響明顯,排水降壓能力較強(qiáng);四是連續(xù)強(qiáng)降雨與溶腔突水突泥原因極為密切,溶腔釋能降壓后安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

(2)安全進(jìn)洞條件設(shè)置

為確保巖溶隧道雨季施工洞內(nèi)作業(yè)人員的安全,隨時(shí)掌控洞內(nèi)異常體的安全狀態(tài),及時(shí)可靠的為現(xiàn)場(chǎng)安全管理人員提供準(zhǔn)確、科學(xué)的水壓、水量指標(biāo),降雨量與溶腔水量、水壓的關(guān)系具有重大意義。根據(jù)上述關(guān)系圖,總結(jié)出野三關(guān)隧道階段性安全進(jìn)洞條件:

①野三關(guān)隧道日降雨量不超過(guò) 25 mm;

②野三關(guān)隧道 +602異常體水壓均不超過(guò)0.3 MPa;

③洞內(nèi)水量未發(fā)生突然變化和顏色變化;

④應(yīng)急逃生及聯(lián)動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)完善。

2.2.2 建立風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)快速反應(yīng)機(jī)制

根據(jù)制定的安全進(jìn)洞施工條件,建立風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)警等級(jí)制定及可靠的專項(xiàng)安全應(yīng)急預(yù)案,在洞口設(shè)置預(yù)警警示牌,施工人員配置風(fēng)險(xiǎn)源明白卡,并定期組織應(yīng)急演練。

2.2.3 建立高風(fēng)險(xiǎn)地段開(kāi)挖安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)審制度,及時(shí)評(píng)估及公布風(fēng)險(xiǎn)源

該制度是為保證高風(fēng)險(xiǎn)隧道的開(kāi)挖安全,防止因草率鉆爆開(kāi)挖而造成突泥突水事故發(fā)生。

(1)高風(fēng)險(xiǎn)地段每次鉆爆開(kāi)挖前均必須根據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前預(yù)注漿、預(yù)支護(hù)、初支及監(jiān)控量測(cè)等情況進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)審,決定能否進(jìn)行開(kāi)挖。未經(jīng)評(píng)審或評(píng)審未通過(guò)的,不得進(jìn)入下步鉆爆作業(yè),評(píng)審以地質(zhì)分析、作業(yè)質(zhì)量、防范措施為依據(jù)。

(2)安全評(píng)審結(jié)論可選擇“同意開(kāi)挖,繼續(xù)創(chuàng)造開(kāi)挖條件或停工上報(bào)監(jiān)理及業(yè)主”三種形式。安全評(píng)審結(jié)論為“同意開(kāi)挖”的,應(yīng)繼續(xù)按有關(guān)程序報(bào)監(jiān)理和業(yè)主審批后進(jìn)入下步鉆爆開(kāi)挖作業(yè)。

(3)為保證評(píng)審依據(jù)的準(zhǔn)確性,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)地段的超前鉆孔、帷幕注漿、超前管棚等關(guān)鍵工序?qū)嵭凶鳂I(yè)簽認(rèn)和檢查簽認(rèn)制度,即作業(yè)負(fù)責(zé)人和檢查人員及時(shí)填寫(xiě)《風(fēng)險(xiǎn)地段開(kāi)挖安全評(píng)審表》及《風(fēng)險(xiǎn)地段關(guān)鍵作業(yè)及檢查簽認(rèn)表》。

3 防災(zāi)報(bào)警、應(yīng)急照明及逃生救援系統(tǒng)

3.1 巖溶部位臨近報(bào)警

從廣義上說(shuō),地質(zhì)災(zāi)害臨近警報(bào)也屬于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍。針對(duì)長(zhǎng)大隧道遇到的巖溶地質(zhì)、突泥、突水等地質(zhì)災(zāi)害,超前預(yù)報(bào)的關(guān)鍵工作是前述的不良地質(zhì)體的長(zhǎng)期、短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào),施工地質(zhì)災(zāi)害臨近警報(bào)是綜合判斷不良地質(zhì)的重要內(nèi)容。

3.1.1 判別準(zhǔn)則

大支坪隧道巖溶水發(fā)育,一般在暗河附近、斷層帶附近、褶皺軸部、可溶巖與非可溶巖接觸帶等部位易于巖溶發(fā)育、巖溶水的儲(chǔ)存與運(yùn)移,施工中易產(chǎn)生突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害。

3.1.2 發(fā)生突泥、突水可能性的判斷與警報(bào)

(1)臨近斷層水源體前兆

①各種臨近斷層的前兆。

②斷層破碎帶及影響帶、下盤(pán)泥巖、頁(yè)巖等隔水巖層明顯濕化、軟化或出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。

③其他水流痕跡的出現(xiàn)。

(2)臨近大型溶洞水體前兆

①臨近各種水源體前出現(xiàn)較多的鐵銹染、溶垢或夾泥的裂隙。

②小溶洞出現(xiàn)的頻率增加。

(3)臨近暗河前兆

①出現(xiàn)大量鐵銹染、溶垢裂隙或小溶洞。

②大量出現(xiàn)的小溶洞含有河砂。

③鉆孔中的涌水量巨增,且?jiàn)A有泥砂或小礫石。

3.1.3 施工地質(zhì)災(zāi)害臨近警報(bào)技術(shù)

施工地質(zhì)災(zāi)害臨近警報(bào)技術(shù)主要包括被隧洞掌子面初步揭露的可以造成涌水突泥巖溶構(gòu)造圍巖環(huán)境的準(zhǔn)確鑒別技術(shù),臨近突水或大涌水水源體時(shí)的超前探水及突水規(guī)模的判斷。

一般情況下,突水規(guī)?？梢杂锚?dú)孔噴射距概略預(yù)測(cè)涌水級(jí)別來(lái)判斷:

(1)獨(dú)孔噴射距離 S≤5 m,相當(dāng)涌水量小于 100 m3/h,為小 、中 、大股涌水 ;

(2)獨(dú)孔噴射距離 S=5～9 m,相當(dāng)涌水量為 100～300 m3/h,為小型突水;

(3)獨(dú)孔噴射距離S=9～12m,相當(dāng)涌水量為 300～400 m3/h,為中型突水;

(4)獨(dú)孔噴射距離 S＞12 m,相當(dāng)涌水量大于 400 m3/h,為大型突水。

3.2 監(jiān)控量測(cè)及觀測(cè)系統(tǒng)

(1)全面對(duì)初支及未襯砌段進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)水壓變形及坍方隱患立即進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng);

(2)成立監(jiān)控量測(cè)專職小組,對(duì)已初支及未襯砌段變形監(jiān)測(cè)(拱頂下沉、周邊收斂)按規(guī)范實(shí)施到位,并建立日?qǐng)?bào)及預(yù)警制度;

(3)加強(qiáng)隧道被涌水浸泡墻腳部位的觀察,防止墻腳失穩(wěn);

(4)加強(qiáng)對(duì)施工區(qū)域內(nèi)的雨量觀測(cè),與當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)緊密合作,在施工區(qū)域周圍進(jìn)行雨量觀測(cè);

(5)加強(qiáng)洞內(nèi)水位觀測(cè),遇到異常情況通過(guò)報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)撤離洞內(nèi)施工人員。

3.3 防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

為防止突發(fā)事件發(fā)生后及時(shí)將災(zāi)害信息發(fā)送到各作業(yè)面,按要求設(shè)置可靠的防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

(1)電話報(bào)警

在洞內(nèi)值班點(diǎn)安裝程控電話,遇到緊急情況洞內(nèi)外相互聯(lián)絡(luò)。

(2)報(bào)警器報(bào)警

在各掌子面、施工作業(yè)點(diǎn)等危險(xiǎn)地段,設(shè)置報(bào)警聯(lián)動(dòng)裝置。遇到突發(fā)事件按響警報(bào)器向洞內(nèi)人員示警及時(shí)撤離。

(3)對(duì)講機(jī)報(bào)警

為洞內(nèi)外每個(gè)專職安全員和調(diào)度人員配發(fā)大功率對(duì)講機(jī),在遇險(xiǎn)情時(shí)通過(guò)對(duì)講系統(tǒng)告知洞內(nèi)作業(yè)人員撤離。

(4)喇叭報(bào)警

當(dāng)洞內(nèi)作業(yè)人員較分散且洞內(nèi)嘈雜時(shí),通過(guò)洞內(nèi)值班員配帶的小喇叭傳遞信息。

(5)口哨報(bào)警

通過(guò)洞內(nèi)有軌運(yùn)輸?shù)啦碇蛋鄦T配帶的口哨傳遞信息。

(6)電視監(jiān)控

在洞內(nèi)主要作業(yè)區(qū)設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng),全方位全時(shí)段對(duì)洞內(nèi)施工情況進(jìn)行監(jiān)控。

3.4 應(yīng)急救援系統(tǒng)(圖5)

圖5 防災(zāi)預(yù)警及救援設(shè)施布置(單位:cm)

(1)應(yīng)急救援車

在洞內(nèi)作業(yè)集中區(qū)設(shè)置救援馬槽車及梭礦車,作為專門(mén)救援值班車,24h待命。

(2)救生繩

在隧道已施工段邊墻兩側(cè)懸掛安全繩,安全繩貫通全洞。

(3)救生圈

在隧道洞內(nèi)各工作面邊墻處每隔 30～50 m放置救生圈 1個(gè)。

(4)安全平臺(tái)

在隧道內(nèi)主要作業(yè)區(qū)搭設(shè)安全平臺(tái),并在平臺(tái)上配備部分救生器材。

(5)救生網(wǎng)

在隧道邊墻或洞頂布設(shè)救生網(wǎng)。

(6)救生衣

在隧道施工各掌子面均根據(jù)施工人員數(shù)量配置足救生衣,并易于獲取。在高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)面須隨身穿帶。

(7)救生爬梯

各風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)面及人員集中地段均設(shè)置救生爬梯。爬梯長(zhǎng) 3m,下端距離地面 1 m,且滿足對(duì)側(cè)每 50 m 1組,并涂彩色反光漆及配置應(yīng)急燈,確保緊急情況下易于發(fā)現(xiàn)。

除上述所列救生設(shè)施外,遇緊急情況還可以利用洞內(nèi)施工機(jī)具及設(shè)備進(jìn)行自救,如襯砌臺(tái)車、施工臺(tái)架、木料及空油桶等。

3.5 應(yīng)急照明系統(tǒng)

在隧道邊墻每隔 25m設(shè)置應(yīng)急燈 1盞。

4 安全管理制度

4.1 嚴(yán)格執(zhí)行進(jìn)出洞一人一卡登記制度

洞口設(shè)值班室,所有進(jìn)洞人員憑“卡”進(jìn)洞,檢查人員使用“臨時(shí)卡”,各洞口設(shè)專人進(jìn)行登記,并掛牌公布洞內(nèi)人員動(dòng)態(tài)。

4.2 配齊專職安全人員

每個(gè)作業(yè)區(qū)配置 2名專職安全員,并佩帶袖章,安全員必須對(duì)發(fā)生安全事故的前兆進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)示警疏散作業(yè)人員。

4.3 健全安全教育培訓(xùn)制度

對(duì)全員每周進(jìn)行 1次安全教育,通過(guò) VCD、小冊(cè)子、宣傳欄等形式對(duì)一線職工進(jìn)行安全教育;堅(jiān)持每天早點(diǎn)名安全技術(shù)交底制度;對(duì)全體人員進(jìn)行隧道風(fēng)險(xiǎn)源、自救、逃生組識(shí)的培訓(xùn)及演練,覆蓋到全體進(jìn)洞人員;完善長(zhǎng)效教育培訓(xùn)制度(每月局指組織不少于 2次,處項(xiàng)目部 4次。操作層堅(jiān)持每天早點(diǎn)名及崗前教育制度)。

4.4 完善防災(zāi)逃生演練制度

每月進(jìn)行 1次防災(zāi)逃生演練;每星期一對(duì)應(yīng)急報(bào)警及逃生系統(tǒng)檢查 1次,隨時(shí)更換損壞設(shè)施,確保報(bào)警及逃生系統(tǒng)有效。

5 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜巖溶隧道系統(tǒng)防災(zāi)預(yù)警及救援技術(shù)是當(dāng)隧道發(fā)生突水突泥等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害時(shí),現(xiàn)場(chǎng)人員能夠安全快速躲避、撤離免受傷害和設(shè)施免受破壞的安全應(yīng)急保障系統(tǒng)。該技術(shù)是宜萬(wàn)鐵路高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道施工中的一次系統(tǒng)的總結(jié)及運(yùn)用,是風(fēng)險(xiǎn)隧道地質(zhì)災(zāi)害中防止重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失筑牢安全預(yù)防的最后一道關(guān)口,具有明顯的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)意義。

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