中铁十二局集团第二工程有限公司 山西 太原 030000
摘 要：本文以薛家岭运煤专线隧道为例，介绍了隧道发生突水、涌泥的原因及快速穿越不良地质的施工技术，给类似工程提供了很好的参考依据。
关键词：隧道施工 突水、涌泥 TSP超前预报 帷幕注浆
1. 工程概述
薛家岭隧道起讫里程专DK1+810~专DK2+930，隧道全长1120m,曲线半径为300m、350m的单线隧道。隧道内设人字坡，进口至专DK2+100为13‰的上坡，专DK2+100-专DK2+300为11‰的上坡，专DK2+300-专DK2+690为1‰的上坡，专DK2+690至出口为1‰的下坡，隧道最大埋深100m，Ⅴ级围岩608m，占54.3%；Ⅳ级围岩512m，占45.7%。
2. 隧道主要突水、涌泥过程
2013年12月4日8：20，薛家岭隧道上导进行出碴作业时，发现隧道有涌水现象，到上午10：30，发现在上导掌子面中部（里程为专DK2+747，埋深约39m）有3处出水点，至11：30左右，汇水面后延至仰拱位置，水深100～150cm，出水量约300m3/小时，洞内掌子左右。
突水、涌泥发生后施工单位立刻启动应急预案，立即安排2台水泵向洞外抽水，工作人员撤离掌子面，安排测量人员调查隧道埋深情况，并加强洞内围岩量测及地表监控。
3. 隧道突水、涌泥的原因分析
埋深浅，围岩破碎、软弱，掌子面顶部山位两侧各有1条冲沟、前方有裂隙，根据地形情况面和拱顶，局部垮塌，垮塌高度3.5m左右，宽度9m左右，长度6.5m，此处距离洞顶冲沟较近，裂隙内有常年积水，裂隙与冲沟底相连，山体与其他裂隙相通且裂隙内富含裂隙水或承压水。
4. 隧道发生突水、涌泥的危害
隧道穿越突水、涌泥不良地质段因其掌子面围岩易流坍、失稳，隧道施工变形大、流变变形突出,将导致初期支护严重破坏；拱顶下沉，拱脚、边墙被挤压移位，喷混凝土开裂,衬砌开裂等质量问题，同时会造成重大人员伤亡、设备损失、影响工程进度、增加建设费用、影响隧道安全与稳定、引起地下水位的下降，也会影响隧道建成后的安全运营，对整个隧道工程和周围生态环境产生巨大影响。
在突水、涌泥隧道的修建中，正确的判断和预测隧道修建中的各个关键地质问题，是关系到隧道修建成败或投资控制的关键因素。
下面将从二个方面来防止突水、涌泥地质灾害的发生。
5. TSP203超前预报
TSP203可以预报隧道掘进面前方及周围100m范围之内甚至更远范围之内的地层状况。与其他手段相比较，TSP203的预报距离为地质雷达的4~12倍，预报精度为浅层地震仪的5倍，预报费用仅为水平钻探的1/10~1/20。通过在瑞士新建铁路隧道施工中实际应用的分析对比，当这种方法应用于TBM施工方案中，可以减少20%以上的工程费用，而且缩短工期30%左右。当应用于常规的隧道施工中，也可以明显地降低工程费用和缩短工期，并大大提高施工的安全性。它具有预报距离远，分辨率高等优点，最适合长期（长距离）超前地质预报。
5.1 TSP203超前预报系统原理
人工激发地震波，所产生的地震波在隧道围岩中传播，当围岩强度发生变化时，例如遇岩溶、断层或岩层的分界面时，地震波将会发生反射，反射的地震波由仪器所接收。当反射界面与掌子面平行（垂直测线）时，所接收的反射波时距曲线近似为直线并且与直接由震源发出的信号，即直达波在地震波形记录上呈负视速度的关系，其反射波延长线与直达波延长线的交点为反射界面的位置；当反射界面倾斜，即与掌子面有一定夹角时，反射波时距曲线为双曲线；若反射界面由倾斜逐渐变为直立时，时距曲线亦由双曲线逐渐变为直线。
当地震记录中不存在明显的反射波时，则认为掌子面前方的围岩是均质的，存在不良地质情况的可能性较小。对TSP203仪器采集的数据利用TSPwin软件进行处理，可以获得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的时间剖面、深度偏移剖面、岩石的反射层位、物理力学参数、各反射层能量大小等成果资料，同时还可得到反射层的二维或三维空间分布，并根据反射波的组合、动力学特征、岩石物理力学参数等资料来预报隧道掌子面前方的地质情况，如溶洞、软弱岩层、断层及富水带等不良地质体。
5.2 TSP203超前预报系统技术标准
5.2.1探测孔布置
图1 TSP203超前探测孔布置图
5.2.2地震波的产生
探测时，探测孔中放适量乳化炸药插入电雷管后，注满水，用抛泥填塞炮眼，自掌子面向后依次起爆，从而产生地震波。进行信号采集时应避免临近范围内无爆破及大型机械行走，以避免信号收集错误。
5.2.3地震波的传播
地震波的传播地震波有压缩波（Primary）及剪切波（Second）两种，其本质区别在于质点运动方向与波的传播方向间的相对关系。
压缩波质点运动方向与波传播方向相同，而剪切波质点运动方向与波传播方向垂直。地震波在不同围岩中的传播速度因围岩类型不同而不同（见表1），随着传播距离的增加，能量不断被吸收，其振幅也随之降低。地震波传播过程中遇到围岩界面会发生界面反射与折射，其能量发生重新分配，部分能量被反射，同时大部分能量透过界面继续传播。
被反射能量与总能量的比值定义为反射系数，反射系数RC＝(ρ2*V2-ρ1*v1)/(ρ2*V2+ρ1*v1)。
反射信号振幅（AR）与直达波振幅（AD）之比表达式为RC*X1/（2*X2+X1）。表1地震参数表
5.2.4地震波信号的数据采集与分析
将三分量地震波接收单元插入耦合好的长2m/Ø35mm的套管中，将套管放入接收孔，并在孔与套管间用锚固剂填充，打开电脑中的TSPwin软件并接好数据线。在触发雷管起爆炸药后，通过软件接收并保存地震波数据，待24个探测孔均引爆完毕后，保存数据将现场采集的资料传输至计算机，利用TSPwin软件对其进行收集。TSPwin软件主要由数据库、处理、计算反射界面三部分组成。
在波形处理后，从地震波形记录中拾取纵波波至和横波波至，根据爆炸点与检波器的距离可分别计算各段围岩的纵波速度vp和横波速度vs。vp和vs值的大小综合反映了围岩的物理力学性质，根据vp和vs值可直接计算动力学参数，即计算动弹 性模量Ed、动剪切模量Gd和泊松比μd,计算公式如下：
7突水涌泥风险控制措施建议
考虑薛家岭隧道的地形、地貌以及地层岩性等地质条件，结合前面对突泥突水风险的分析以及对风险源的辨识，对于隧道突泥突水在施工阶段的风险控制措施建议采取帷幕注浆措施，备足抽水设备，加强施工用水、排水管理，防止拱脚和基底浸泡。
帷幕注浆是沿开挖轮廓线（含底部）按轴向辐射状布孔，按一定的间距，钻一些直径70~160mm的孔（孔深为20~50m），为了防止开挖面涌水，在开挖面中心也布孔，然后注入按一定比例配制而成的浆液，浆液渗透扩散到破碎带的空隙中并快速凝固，与周围破碎岩块固结成具有一定强度的结石体，在隧道周边及开挖面形成一个堵水帷幕（加固区），切断地下水流通路，并和周围的岩体固结成一体，从而达到固结围岩和止水，保持围岩稳定、增强施工安全的目的， 帷幕注浆示意图图3及施工过程图4。
参考文献：
[1]史柏生 TSP203地质超前预报系统简介及其应用 铁道工程学报2014。
[2]岳伟 突水突泥风险隧道施工技术 内肛科技 2011。
论文作者:相明
论文发表刊物:《科技中国》2016年5期
论文发表时间:2016/7/26
标签：隧道论文; 围岩论文; 地震波论文; 反射论文; 地质论文; 裂隙论文; 超前论文; 《科技中国》2016年5期论文;