胡新紅, 龔道平, 胡惠華, 鐘龍輝, 姚軍

(1. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司, 長沙 410200; 2. 中南公路建設(shè)及養(yǎng)護技術(shù)湖南省重點實驗室, 長沙 410200)

巖溶隧道的地質(zhì)災(zāi)變問題如突水突泥等是中外隧道工程中的重大難題。在巖溶區(qū)、采空區(qū)等進行隧道施工多年來,中國在鐵路、水工、石油管道、公路隧道施工中均遇到了突水、涌泥、頂板洞穴充填物陷落冒頂、采空區(qū)底板塌陷等問題[1-3]。由于巖溶發(fā)育的隱伏性,常規(guī)手段下對其預(yù)判性有限,其帶來的地質(zhì)災(zāi)害往往是突發(fā)性的,只要發(fā)生,帶來的經(jīng)濟損失不可小覷。近年來,三黎高速盤嶺隧道、滬蓉西高速龍?zhí)端淼?、齊岳山隧道在施工過程中均多次發(fā)生突水突泥事故,損失慘重,如何能較為準(zhǔn)確的對隧道災(zāi)變風(fēng)險進行控制或較為全面的進行評估,逐漸成為巖溶隧道建設(shè)給的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[4-5],錢七虎[6]對隧道突水模型及研究發(fā)展趨勢作了全面的分析總結(jié)。李浪等[7]研制出深長隧道突水地質(zhì)災(zāi)害三維模型試驗系統(tǒng),采用該設(shè)備并通過模型試驗方法,獲取了掌子面前方突水最小安全隔水巖層厚度。Gao等[8]基于改進的周向動力學(xué),進行多次模擬,研究不同因素對突水通道演化過程的影響規(guī)律,揭示了突水通道的形成機理和演化過程。雷鵬博[9]從水流侵蝕-顆粒流失角度出發(fā),依據(jù)力矩平衡推導(dǎo)獲得可動顆粒臨界起動流速公式。李利平等[10]根據(jù)彈塑性力學(xué)和斷裂力學(xué)理論,推導(dǎo)了巖溶隧道裂隙突水防突安全厚度半解析解。Liu等[11]建立溶洞位于隧道前方時的三維破壞模型,并基于極限分析上限定理推導(dǎo)出規(guī)則溶洞與隧道臨界安全距離的相應(yīng)解析解。Song等[12]利用三維數(shù)值方法FLAC3D模擬充水洞穴中阻水巖體結(jié)構(gòu)破壞后突水的演化過程,得到破壞引起的前兆突水信息的演化模式。上述眾多成果多是對巖溶、采空區(qū)發(fā)生突水突泥判據(jù)的研究,但因地質(zhì)環(huán)境、施工因素等的復(fù)雜性、不確定性,導(dǎo)致突涌水災(zāi)變過程的高突發(fā)性和強隱蔽特征,使得理論研究的適應(yīng)性不強,實際應(yīng)用到施工風(fēng)險控制中還有一定距離。

為了解決龍瑯高速安平隧道巖溶、采空區(qū)帶來的工程難題,在路線選擇初期,采用宜避不宜繞的設(shè)計理念,根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查情況,對隧道施工階段可能發(fā)生的如突水突泥、庫水倒灌、采空區(qū)垮塌及瓦斯爆炸等災(zāi)變風(fēng)險采用模糊層次分析法、定性評估、定量評價等方法進行綜合評估,確定控制災(zāi)變風(fēng)險的關(guān)鍵性因素,為路線設(shè)計初期繞避關(guān)鍵性因素進行的隧道地質(zhì)選線、平縱斷面設(shè)計提供地質(zhì)依據(jù),為無法繞避的關(guān)鍵性因素提供不良地質(zhì)處治意見。

1 項目概況

1.1 隧道工程概況

龍瑯高速公路安平隧道穿越車田江復(fù)式向斜臺地南東翼緣,左線隧道起于ZK13+130,終于ZK16+735,全長3 605 m;右線隧道起于K13+180,終于K16+750,全長3 570 m;隧道寬10.75 m,高5.0 m,進口高程約436.61 m,出口位于向斜核部水庫邊,高程約505.94 m,最大埋深345 m。受向斜核部水庫標(biāo)高控制,縱坡采用“人”字坡設(shè)計。

1.2 隧址地質(zhì)概況

隧址區(qū)主要區(qū)域性構(gòu)造為車田江-錫礦山復(fù)式向斜,向斜軸向北東30°～35°,總體呈近似棱形向斜盆地,車田江水庫位于盆地中。組成向斜核部的大冶組薄層灰?guī)r在長期的強烈擠壓應(yīng)力作用下,形成了一系列次級褶皺,產(chǎn)狀變化很大,從平緩到直立均有。隧址區(qū)發(fā)育F5、F5-2兩條壓扭性逆斷層,受其作用和影響,隧道區(qū)構(gòu)造節(jié)理、帶狀巖溶發(fā)育,地下水位高且水量豐富,對隧道影響極大。

隧道區(qū)從進口至出口,貫穿二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)鈣質(zhì)頁巖、(白云質(zhì))灰?guī)r,二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)頁巖夾煤層,大隆組(P2d)灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖,如圖1所示。其中,P1m灰?guī)r巖溶發(fā)育較強烈,以豎直巖溶發(fā)育為主;P2d巖溶發(fā)育強烈,順層和豎直巖溶均發(fā)育。

圖1 車田江-錫礦山復(fù)式向斜南東翼二疊系下統(tǒng)茅口組剖面圖Fig.1 Section view of Lower Permian Maokou Formation on the southeast wing of Chetianjiang-Xishan complex syncline

2 主要地質(zhì)問題

公路穿越該復(fù)式向斜巖溶發(fā)育臺地及含煤地層時,主要存在以下5個方面的地質(zhì)問題:洞身的F5和F5-1斷層帶的高壓富水、洞身段發(fā)育的巖溶及巖溶水、隧道貫穿出口段長沖煤礦采空區(qū)的突水及塌陷、車田江水庫庫水倒灌。

2.1 高壓富水?dāng)鄬訋?/h3>

隧道洞身發(fā)育兩條區(qū)域性斷層:F5和F5-1,根據(jù)調(diào)查、物探及鉆探揭露,具體如下。

(1)F5斷層為壓性逆斷層,發(fā)育于麻溪洞—牛郎村—月光崖走廊帶,與路線近垂直相交,產(chǎn)狀約320°∠60°,受該斷層影響形成的擠壓破碎帶寬80～140 m,斷層延伸長度大于30 km。地表顯示為寬100～200 m的山腰平臺,平臺上巖溶發(fā)育,表現(xiàn)為巖溶漏斗、落水洞呈串珠狀分布。雖走向與隧道軸線近垂直相交,但地表所形成的負地形,是良好的地表水下滲通道,為該斷層帶內(nèi)的地下水提供了充足的水量補給來源。破碎帶長期受地下水作用,溶蝕強烈,形成了規(guī)模不等的溶蝕裂隙、溶洞甚至地下暗河。根據(jù)鉆孔內(nèi)水位測量數(shù)據(jù)(表1),水位位于隧道頂約80 m,地下水水位高,水量較豐富,為高壓富水帶。

表1 隧道鉆孔揭示地下水高程情況Table 1 Tunnel boreholes reveal groundwater elevation

(2)F5-1斷層是F5斷層的平行斷裂,兩者距離約500 m,產(chǎn)狀約320°∠65°,整體陡于F5斷層,其擠壓破碎帶寬為100～150 m,溶蝕情況與F5斷層相似,鉆探揭露其地下水水位高,且水量豐富,為高壓富水帶。

上述2條斷層溶蝕強烈,根據(jù)各鉆孔揭露的地下水水位情況,隧道區(qū)內(nèi)整體地下水水位高,為高壓富水?dāng)嗔褞?隧道在掘進過程中,容易發(fā)生突水、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害。

2.2 巖溶及巖溶水

受兩條斷裂的作用和影響,構(gòu)造節(jié)理、次級小斷層發(fā)育,巖溶特別發(fā)育,以溶蝕裂隙、溶洞、地下暗河為主,甚至幾者相互疊加。根據(jù)對隧道所在臺地的地質(zhì)調(diào)查情況揭示,臺地地表分布有大量洼地、落水洞及地下水排泄點(表2),同時也見大型串珠狀巖溶漏斗,其分布位置于物探資料揭示情況吻合。根據(jù)所布鉆探驗證,帶內(nèi)巖溶發(fā)育,地下水豐富。

表2 隧道附近地下水主要排泄情況調(diào)查Table 2 Investigation on the main discharge of groundwater near the tunnel

隧道穿越巖溶發(fā)育地帶,易遇到巖溶塌陷、成洞困難、突水、涌泥等現(xiàn)象,對圍巖穩(wěn)定、施工安全存在較大風(fēng)險。

2.3 采空區(qū)突水及塌陷

隧道出口端分布有長沖煤礦,如圖2所示,根據(jù)《長沖煤礦資源儲量核實報告》,礦區(qū)出露地層有第四系(Q)覆蓋層、上二疊統(tǒng)大隆組(P2d)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r、龍?zhí)督M(P2l)硅質(zhì)頁巖和下二疊統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r等。含煤地層為上二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l),層位穩(wěn)定,屬較穩(wěn)定型。煤層頂板為硅質(zhì)頁巖、砂巖,局部出現(xiàn)偽頂,厚1.20～18.20 m。根據(jù)頂板巖性組合特征及其物理力學(xué)性質(zhì),屬不易冒落型Ⅱ～Ⅲ類頂板;煤層底板為泥巖或砂巖,其下為硅質(zhì)頁巖。

圖2 井下巷道分布Fig.2 Underground roadway distribution

勘察區(qū)內(nèi)可采煤層埋深15～365 m,準(zhǔn)采標(biāo)高為600～250 m,煤層產(chǎn)狀走向北東35°,傾角約15°,可采煤層為多層,厚0.3～6.3 m,平均開采厚度為2.2 m,煤層結(jié)構(gòu)簡單,層位穩(wěn)定。礦井為斜井+平硐開拓,采用長壁采煤法,全部頂板陷落法頂板管理,現(xiàn)有主井、風(fēng)井各一個。

(1)突水。根據(jù)井下巷道分布如圖2所示,隧道洞身約240 m位于煤礦采空區(qū)內(nèi),該煤礦在2010年發(fā)生了嚴(yán)重透水事故而關(guān)閉,調(diào)查發(fā)現(xiàn),現(xiàn)采空區(qū)洞口已成為主要的地下水排泄通道,且水量非常豐富。根據(jù)鉆孔內(nèi)水位測量,其水位高于隧道頂板,隧道通過采空區(qū)時極易產(chǎn)生涌水和突泥現(xiàn)象,對圍巖穩(wěn)定、施工安全存在較大風(fēng)險。

(2)塌陷。采空區(qū)的塌陷已基本完成,但部分地帶仍存在塌陷未完成的現(xiàn)象,鉆孔CZK15-2揭露在煤層段存在0.50 m的空洞。根據(jù)采空區(qū)工程地質(zhì)縱斷面圖,如圖3所示。隧道施工穿過垮落帶及裂隙帶時,隧道洞頂可能出現(xiàn)垮塌、隧道底板出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象。對圍巖穩(wěn)定和施工安全存在一定風(fēng)險。

圖3 采空區(qū)工程地質(zhì)縱斷面圖Fig.3 Engineering geological profile of goaf

2.4 隧道高瓦斯

根據(jù)《湖南省漣源市晏家鋪礦區(qū)長勝煤礦礦山儲量年報》(2008年1月—2012年12月),2003年7月29日由漣源市古塘鄉(xiāng)安監(jiān)站對王家煤礦(長沖煤礦前身)進行了瓦斯監(jiān)定。其瓦斯絕對涌出量為0.700 m3/min,相對涌出量為8.4 m3·t/d,煤塵爆炸指數(shù)達22.8%。根據(jù)《公路隧道設(shè)計細則》(JTGT D70—2010)14.3.1規(guī)定,瓦斯絕對涌出量>0.50 m3/min為高瓦斯隧道工區(qū),煤塵爆炸指數(shù)>10%,煤層易產(chǎn)生煤層爆炸和自然。對施工安全存在一定風(fēng)險。

2.5 水庫庫水倒灌

隧道前段長約2 km的隧道處于車田江水庫水位以下,后段長約1.5 km位于庫水位以上。前2 km隧道有面臨庫水通過管道流或涌流等方式倒灌,可能對施工安全存在風(fēng)險。

3 災(zāi)變風(fēng)險評估

3.1 突水突泥風(fēng)險評估

3.1.1 影響因素分析

致使隧道發(fā)生突水涌泥地質(zhì)災(zāi)害的影響因素眾多,本項目組織多位專家進行商討和研究,對安平隧道所處的孕險環(huán)境(巖溶水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件)進行評估,并利用模糊層次分析法[13]建立風(fēng)險評估體系[14],篩選出了突水涌泥的主要關(guān)鍵性一級指標(biāo)因素,即隧道洞身揭露的巖溶發(fā)育程度、形態(tài)及空間位置、地表水特征因素、隧道洞身所處巖溶地下水動力分帶,并進一步甄別確定了各影響因素的二級風(fēng)險指標(biāo),綜合考慮突水涌泥影響各因素間的相互關(guān)系,計算出每個因素的最終權(quán)值,評估出各段發(fā)生突水涌泥的主控因素,層次結(jié)構(gòu)分析模型如圖4所示。

圖4 巖溶突水涌泥影響因子體系框圖Fig.4 Block diagram of karst water gushing influence factor system

3.1.2 結(jié)構(gòu)模型的建立

(1)評價指標(biāo)的權(quán)重的確定。采用1～9標(biāo)度方法[15]構(gòu)造判斷矩陣Pn×n,通過式(1)～式(4)分別計算因素權(quán)向量ω、最大特征值λmax、隨機一致性比率CR。采用式(5)、式(6) 計算因素總排序權(quán)值與對應(yīng)的隨機一致性比率。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

組建判斷矩陣,確定各層次及各影響因子的權(quán)重根。依據(jù)建成的各影響因子重要性比較標(biāo)度表,對前述選定的隧道巖溶涌水影響因子的層次結(jié)構(gòu)及相關(guān)依據(jù)建成的各影響因子重要性比較標(biāo)度表,對前述選定的隧道巖溶涌水影響因子的層次結(jié)構(gòu)及相關(guān)關(guān)系進行判斷比較,分別組建A-B、B1-C、B2-C和B3-C的判斷矩陣,用方根法計算出各矩陣的最大特征根及特征向量,并進行一致性檢驗,組建A-B判斷矩陣計算B1、B2和B3對A的權(quán)重。同理,可組建相應(yīng)的判斷矩陣B1-C、B2-C和B3-C,并分別得出C對B的權(quán)重。

(2)評價指標(biāo)的隸屬度確定。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查成果及文獻[15]的危險性等級劃分標(biāo)準(zhǔn),將各評價指標(biāo)對隧道突涌水的危險程度劃分為3個等級,各等級的區(qū)間限值如表3 所示。

表3 指標(biāo)評級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Index rating standard

其次,針對不同評價指標(biāo)的危險性等級賦予對應(yīng)的隸屬度值及不同隸屬度的評價值,賦值標(biāo)準(zhǔn)如表4、表5所示。

表4 各指標(biāo)隸屬度值賦值標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Standards for the membership value of each index

表5 不同隸屬度的評價值Table 5 Evaluation value of different membership degrees

3.1.3 評估風(fēng)險等級劃分

隧址區(qū)地下水主要接受大氣降雨補給,使得隧址區(qū)的地下水具良好補給來源,為隧道突涌水提供了較好的水力條件。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查統(tǒng)計如表6所示,將隧道分為3個地下水系統(tǒng),分別進行突涌水風(fēng)險等級評估。

表6 各評級指標(biāo)參數(shù)調(diào)查值Table 6 Survey value of each rating index parameter

基于表6中的現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù),采用表3中的取值標(biāo)準(zhǔn),利用1～9標(biāo)度方法構(gòu)建巖溶水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件各因素判斷矩陣,可求得各級指標(biāo)的權(quán)重如表7所示。

表7 各級影響因素的權(quán)重Table 7 Weights of the influencing factors at all levels

同時,基于表6中的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),采用表3～表5中的取值標(biāo)準(zhǔn),可求得隧道洞身揭露的巖溶發(fā)育程度、形態(tài)及空間位置、地表水特征因素、隧道洞身所處巖溶地下水動力分帶的二級風(fēng)險指標(biāo)隸屬度矩陣,具體如下。

(1)K13+180～K14+500段。

(2)K14+500～K15+000段。

(3)K15+000～K16+750段。

R1、R2、R3分別為各一級指標(biāo)對應(yīng)的二級風(fēng)險指標(biāo)隸屬度矩陣。

根據(jù)計算出的各影響因子的權(quán)重計算出的風(fēng)險分值,對風(fēng)險等級進行劃分,<0.25為低風(fēng)險,0.25～0.5為中等風(fēng)險,>0.5為高風(fēng)險。計算結(jié)果如表8所示。

表8 風(fēng)險等級評價Table 8 Risk rating assessment

根據(jù)風(fēng)險等級評價結(jié)果,隧道在K13+180～K14+500段發(fā)生突水涌泥的風(fēng)險較K14+500～K15+000段、K15+000～K16+750段高。同時,在K13+180～K14+500、K14+500～K15+000段巖溶通道與洞身的距離、地下水水頭與洞身高程差對隧道突水涌泥影響最大,而K15+000～K16+750巷道目前最大出水量對該段的突水涌泥影響最大。

在設(shè)計時需充分考慮巖溶通道與洞身的距離、地下水水頭與洞身高程差及采空區(qū)涌水巷道3個因素的影響,平面上避開主要落水洞,縱斷面上抬高隧道出口段設(shè)計標(biāo)高。

3.2 庫水倒灌風(fēng)險評估

水庫的歷史分析:車田江水庫1978年建成,同年開始蓄水運行。水庫建成超過40年,無任何滲漏記錄,庫區(qū)下方安平鎮(zhèn)(相對高差約300 m)也從未受到車田江水庫漏水所帶來的安全隱患。因此分析認為車田江水庫庫水倒灌隧道的風(fēng)險非常小。

地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性分析:車田江水庫庫區(qū)位于車田江向斜核部區(qū)域,內(nèi)出露巖性為三疊系下統(tǒng)大冶組的薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r,底部為頁巖,整個層厚600～700 m,像一只橢圓形的盆托著車田江水庫。而該套巖層(這個盆)巖溶不發(fā)育,且泥質(zhì)含量較高,為一相對隔水層。水庫水倒灌至隧道須穿過600～700 m的相對隔水層,其可能性非常小。

滲流路徑分析:通過抬升隧道洞身縱坡,并設(shè)置變坡點,使K15+140～K16+750段約1 610 m位于車田江水庫水位高程488.223 m以上,根據(jù)滲流路徑,該方案阻水地段實際長度大于1 610 m,增加了安全儲備,降低施工時庫水涌入隧道的風(fēng)險。

綜上所述,抬升隧道洞身縱坡,增加隧道位于水庫水位高程以上長度,能有效地降低庫水倒灌風(fēng)險。

3.3 采空區(qū)穩(wěn)定性評估

3.3.1 采空區(qū)上覆巖層冒落帶、裂隙帶計算[16-18]

根據(jù)項目勘探揭露地質(zhì)條件,隧道區(qū)內(nèi)煤層傾角約15°,屬緩傾斜礦層,煤層頂板為硅質(zhì)頁巖、砂巖,屬于中硬巖。根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D-31-03—2011)[17],采空區(qū)冒落帶最大高度Hm及裂隙帶最大高度H1的計算公式分別為

(7)

(8)

式中:∑M為累計采厚,m。

隧址區(qū)內(nèi)煤層厚0.3～6.3 m,平均開采厚度為2.2 m,經(jīng)計算其冒落帶最大高度Hm為9.70 m,裂隙帶最大高度H1為36.50 m。

3.3.2 采空區(qū)地表移動變形計算

(1)采空區(qū)地表最大下沉值Wmax及剩余下沉值W計算。在充分采動條件下,傾斜礦層(煤層傾角15°)可采用概率積分法計算地表移動變形最大值。采空區(qū)地表最大下沉值Wmax的計算公式為

(9)

式(9)中:m為傾斜礦層沿法線方向厚度,m,取煤層平均開采厚度2.2 m;q為下沉系數(shù),根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D-31-03—2011)[17]附錄D取0.55;煤層傾角α取15°。

因此,計算得到采空區(qū)地表最大下沉值為1 253 mm。

根據(jù)鉆孔資料揭示,采空區(qū)尚存在空洞,說明采空區(qū)部分地段至今尚處于懸空狀態(tài),未完成塌陷自行填塞。結(jié)合鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育程度和高度,及經(jīng)采區(qū)的地質(zhì)條件情況分析,按工程經(jīng)驗,采空區(qū)在形成5年以后,已經(jīng)完成最大變形量的85%,故,計算得采空區(qū)剩余下沉值W約為188 mm。

(2)采空區(qū)地表最大傾斜值剩余量i計算,計算公式為

(10)

式(10)中:H為采空區(qū)采深,m,根據(jù)井下巷道分布圖及標(biāo)高可得,隧道下伏4個巷道采深分布為112、115、146、151 m;β為主要開采影響角,(°),其值參考《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D-31-03—2011)附錄D取65°,計算得到各巷道最大傾斜值剩余量如表1所示。

(3)采空區(qū)地表最大曲率值剩余量K計算,計算公式為

(11)

計算結(jié)果如表1所示。

(4)采空區(qū)地表最大水平變形值剩余量ε計算。計算公式為

(12)

式(12)中:θ為開采影響傳播角(最大下沉角),(°),根據(jù)覆巖類型及性質(zhì)查《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D-31-03—2011)[17]附錄D取70°;b為水平移動系數(shù),根據(jù)覆巖類型及性質(zhì)查《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D-31-03—2011)[17]附錄D取0.2;計算得采空區(qū)地表最大水平變形值剩余量ε如表9所示。

表9 采空區(qū)地表剩余移動變形量計算結(jié)果Table 9 Calculation results of residual surface movement and deformation in goaf

(5)采空區(qū)穩(wěn)定性評價。經(jīng)計算得冒落帶最大高度Hm為9.70 m,裂隙帶最大高度H1為36.50 m,而隧道底板至巷道頂最小厚度95.70 m,隧道未落于裂隙發(fā)育帶范圍內(nèi)。

根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D-31-03—2011)[17]中按照地表移動變形值確定的場地穩(wěn)定性等級評價標(biāo)準(zhǔn),從剩余下沉值分析,隧址區(qū)處于基本穩(wěn)定狀態(tài);從最大傾斜值剩余量分析,巷道1區(qū)、巷道2區(qū)處于基本穩(wěn)定狀態(tài),巷道3區(qū)、巷道4區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài);從最大曲率值剩余量分析,隧址區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài);從最大水平變形值剩余量分析,巷道1區(qū)、巷道2區(qū)處于欠穩(wěn)定狀態(tài),巷道3區(qū)、巷道4區(qū)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合上述各指標(biāo)及現(xiàn)場鉆孔資料揭露情況分析,判斷認為采空區(qū)處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài),建議在隧道施工過程中對相應(yīng)采空巷道進行注漿等加固處治。

3.4 隧道瓦斯風(fēng)險評估

根據(jù)《公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)程》(DB51/T 2243—2016),絕對瓦斯涌出量Qa可按式(13)確定。

Qa=Q1+Q2+Q3

(13)

式(13)中:Q1為隧道開挖掌子面爆落煤塊瓦斯涌出量,m3/min;Q2為隧道新暴露工作面瓦斯涌出量,m3/min;Q3為隧道施作噴混凝土地段洞壁瓦斯逸出量,m3/min。

經(jīng)初步預(yù)測,安平隧道絕對瓦斯涌出量Qa=0.150+0.592+0.016=0.758 m3/min。同時,根據(jù)《儲量年報》的監(jiān)測數(shù)據(jù),其瓦斯絕對涌出量為0.700 m3/min,瓦斯絕對涌出量預(yù)測值和監(jiān)測值均大于0.50 m3/min,為高瓦斯隧道工區(qū),建議按高瓦斯隧道進行設(shè)計。

4 結(jié)論

以安平隧道為例,采用宜避不宜擾的設(shè)計理念,在隧道線路設(shè)計初期,從地質(zhì)角度出發(fā),分析隧道線路范圍內(nèi)的主要地質(zhì)問題及可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)變風(fēng)險,并對其進行評估和評價,確定控制災(zāi)變風(fēng)險的關(guān)鍵性因素及針對災(zāi)變的線路繞避及平縱設(shè)計方案,為隧道地質(zhì)選線、設(shè)計及不良地質(zhì)處治提供了相應(yīng)的地質(zhì)依據(jù)。得出如下結(jié)論。

(1)根據(jù)隧道災(zāi)變風(fēng)險評估,隧道設(shè)計需充分考慮巖溶通道與洞身的距離、地下水水頭與洞身高程差及采空區(qū)涌水巷道3個因素的影響,平面上避開主要落水洞,縱斷面上抬高隧道出口段設(shè)計標(biāo)高。

(2)根據(jù)庫水倒灌風(fēng)險評估,得出抬升隧道洞身縱坡,增加隧道位于水庫水位高程以上長度,能有效的較小庫水倒灌風(fēng)險的結(jié)論。

(3)根據(jù)采空區(qū)穩(wěn)定性評估,判斷認為采空區(qū)處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài),建議在隧道施工過程中對相應(yīng)采空巷道進行注漿等加固處治。

(4)根據(jù)隧道瓦斯風(fēng)險評估,該項目為高瓦斯隧道工區(qū),建議按高瓦斯隧道進行設(shè)計。

根據(jù)上述結(jié)論綜合分析,最終確定了路線設(shè)計最終方案:隧道采用了“人”字坡的形式,隧道起點K13+180～K16+080段采用2.9%的單坡,進口高程為436.61 m,爬坡至最高點時高程為507.88 m,高于車田江水庫水位高程488.223 m;K16+080～K16+750段采用-0.3%的單坡,出口高程為505.94 m。