某隧洞特大涌渣流砂事故原因分析及经验教训

某隧洞特大涌渣流砂事故原因分析及经验教训杨玉银，卢学文，魏豫，张叶祥，李鹏(中国水利水电第五工程局有限公司，成都610066)摘要：针对某隧洞发生的隧洞开挖史上罕见的特大涌渣流砂事故，阐述了涌渣流砂形成的条件及基本原理，分析了事故原因，总结了经验教训；并对施工地质条件极差的隧洞开挖爆破方案的选择提出了具体建议。可供同类工程借鉴．对预防同类事故的发生有着重要意义。关键词：隧洞开挖；涌渣流砂；事故原因；爆破方案；经验教训1引言在地下隧洞工程施工中，塌方、冒顶、流砂事故是比较常见的，但一次出现涌渣流砂几千方、甚至上万方，将出渣装载机、自卸汽车冲出500余米且完全解体、掩埋的现象却是罕见的。本文所述隧洞为四川某水电站引水洞，该洞出口端工作面开挖掘进到428m时，发生第1次涌渣流砂3900余方，之后在处理过程中按正常支护方法清渣到距掌子面17m左右时，掌子面上方再次突然冲出涌渣流砂11800余方，将洞内的1台装载机和1台自卸汽车瞬间由洞内推出洞外后，继续向前推进92m，整个推出距离503m，并将两台设备完全解体、掩埋，洞口堆渣厚1.02m，洞内所有施工设备、用电线路全部报废。对于这样的突发事故，在隧洞开挖史上也是不多见的。为了在以后的隧洞开挖施工中避免同类惨痛事故的发生，笔者对该洞事故发生的经过进行了描述，对事故发生的原因进行了分析，并总结了经验教训，提出了有关隧洞开挖爆破的建议方案，供广大地下工程施工人员遇到同类问题时引以为鉴。2工程概况该水电站引水隧洞洞长1188m，分进、出口两个作业面。该洞开挖断面为城门洞形，Ⅲ类围岩，设计开挖断面尺寸为4.80m×4.38m(宽×高)，支护主要采用锚喷支护，局部挂网：锚杆采用砂浆锚杆、Ф22mm螺纹钢、长3m、间排距均为150cm；喷混凝土采用C25混凝土，厚5cm；局部挂网采用ф8mm，网格尺寸20cm×20cm。原设计Ⅳ、V类围岩设计开挖断面尺寸为5.50m×5.08m(宽×高)，采用锚、网、喷结合钢格栅的支护方法：锚杆采用砂浆锚杆、Ф22mm螺纹钢、长3m、间排距均为100cm；喷混凝土采用C25混凝土，厚10cm；局部挂网采用Ф8mm，网格尺寸15cm×15cm；钢格栅由Ф18mm螺纹钢制成，断面尺寸15cm×15cm。在出现流砂现象后，Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖断面尺寸变更为5.90m×5.85m(宽×高)，支护采用超前小导管结合钢支撑加强支护：小导管采用Ф48mm普通钢管、间距30～40cm；喷混凝土厚度由原设计的10cm调整为30cm；钢格栅改为钢支撑，由I18工字钢制成；挂网仍采用ф8mm，网格尺寸15cm×15cm。招标文件中地质条件：该洞洞身段全长1188m，沿线地形完整，隧洞埋深一般140～300m。岩体新鲜较坚硬，主要以Ⅲ类围岩为主。由于该洞埋藏深度大、岩体新鲜完整、地下水较丰富，开挖时需采取相应的疏排措施；地应力属中高量级，局部洞段可能发生劈裂、剥落、岩爆，对围岩稳定不利，开挖时应采取防护措施。在招标文件中该洞围岩以Ⅲ类围岩为主，洞口及局部有Ⅳ、Ⅴ类围岩。而在实际开挖后，地质条件出入较大。该洞出口作业面实际开挖的428m中，Ⅲ类围岩13m、Ⅳ类围岩85m、Ⅴ类围岩330m，Ⅳ、Ⅴ类围岩占97％，共揭露断层11条、岩脉19条。3隧洞涌渣流砂事故发生过程3.1第1次事故发生经过2009年6月3日凌晨5：00，引水洞出口开挖至桩号K0+773部位，对边顶拱超前支护完毕后，右侧顶拱掌子面出现突发性的涌渣，涌渣量约110m3；上午10：00，K0+773掌子面右边顶拱涌水量突然增大，但无渣体涌出；中午12：45再次发生突发性的涌渣，渣体涌至K0+870桩号，12：50在洞口放置警戒线；下午16：30随着洞内轰鸣声，大量泥石流状渣体涌出来，桩号K1+080位置淤渣约30cm厚。桩号K1+043至掌子面共271m，风水管线被冲断或拧成麻花状，洞内电路中断，混凝土喷射机、手风钻、电焊机、风镐、配电柜、注浆机、注浆泵、浆液搅拌机、鼓风机及其他大量物资被掩埋，幸好无人员伤亡。经测算，本次共发生涌渣流砂3900余方。涌渣流砂事故发生后，业主为了确保引水洞按期使用，加快工程进度，经与设计、监理协调，在没探明事故发生原因及地质结构的情况下，要求施工单位于2009年6月10日开始对洞内涌渣进行清理，并按设计要求对破坏洞段进行重新支护。3.2第2次事故发生经过2009年8月5日凌晨2：10，已清理的破坏段重新支护完毕，开始自K0+791桩号出渣，出渣采用ZL50装载机装两台5t自卸汽车。凌晨4：43，当出渣到距掌子面17m的K0+790桩号时，掌子面再次突然涌出大量流砂，瞬间将洞内的1台装载机和自卸汽车冲出洞外。流砂和设备巨大的冲击力，将洞轴线上、洞外施工场地上机械设备及洞口防护栏冲垮，两台出渣设备冲下洞口公路，并冲垮公路边防撞栏杆，直射出去，最终落人公路边山坡下的砂石骨料仓内，整个行程轨迹长503m。此时，洞口部位淤积流砂厚度1.02m。公路上淤砂厚O.6～0.8m，装载机和自卸汽车全部被埋人山坡下的料仓内。后经挖出两台设备已被彻底解体。经初步测算，本次出现涌渣流砂11800余方，且洞口涌出的渣料均为干净、质量良好的青砂。4涌渣流砂的形成条件和基本原理4.1浦渣流砂的形成条件经过分析，隧洞发生涌渣流砂现象必须同时具备以下四个基本条件：(1)隧洞顶部围岩存在大量的松散碎屑固体渣料。(2)洞顶以上有高水头地下水，且有充足的地下水源补给。(3)存在有利于渣料存积、运动的通道。(4)掌子面顶部空腔内外压力平衡被破坏。4.2涌渣流砂形成的基本原理在隧洞未开挖至涌渣流砂掌子面附近时，涌渣流砂掌子面顶部松散体和高水头地下水与洞内压力是平衡的。随着洞挖的向前推进，这种平衡被逐渐破坏，高水头地下水开始从节理裂隙极发育或属于散体结构的围岩中渗出，并随着向前掘进渗流量逐渐增大，地下水向洞内渗出的同时，逐渐带走了洞顶松散体内的大量细小黏土颗粒。洞顶松散体结构本来是靠这些黏土颗粒的黏结及支撑作用形成整体的，这些细小颗粒的流失使洞顶散体结构的整体性遭到彻底破坏，颗粒之间不再有黏结作用。因此，当开挖至涌渣掌子面时，彻底打破了顶部松散体和高水头地下水与洞内压力的平衡，大量地下水携带着顶部松散体冲入洞内，形成涌渣流砂。由于涌渣掌子面顶部围岩节理极发育、松散破碎，总体呈松散体结构，稳定性极差、透水性强，掌子面涌渣达一定程度后，形成的顶部空腔内压力与洞内压力再次达到暂时平衡，涌渣流砂暂时停止。此时，空腔内高水头地下水不断渗入洞内，空腔内松散体在高水头地下水流动的裹胁下，不断塌落沉积于空腔内，顶部空腔快速扩大，地下水位迅速上涨，空腔内水压力不断升高，当空腔内外压力差达到一定程度时，就不可避免地再次发生了涌渣流砂。在涌渣流砂掌子面洞顶具备足够松散体和充足高水头地下水的条件下，随着洞顶空腔的增大，随后重复发生的涌渣流砂量将一次比一次大，直到涌渣流砂体产生的阻力与最高压力水头达到平衡为止，才能在一定时间内暂停涌渣流砂。可见如果高水头地下水问题得不到彻底、有效地处理，再次进行出渣时将会产生更大规模的涌渣流砂。5隧洞涌渣流砂事故发生原因分析5.1地质构造的影响形成了渣料竖向运输通道该引水洞位于海流沟挤压破碎带影响范围内，所处山体发生过大的构造运动，受构造运动影响，出口已开挖的428m共发育有断层11条、辉绿岩脉19条。在引水洞发生涌渣流砂的掌子面K0+773处发育有βjd19辉绿岩脉，产状为N30°W／SW50°，宽4.0m，呈碎裂散体结构，两侧及上部均为易于储水的强～全风化花岗岩。βjd19辉绿岩脉形成了向下运输渣料的初期通道，并且逐渐向上、向两侧扩大至花岗岩强～全风化层范围。5.2风化花岗岩提供了大量松散碎屑固体渣料引水洞已开挖的出口洞段所处山体，主要地层岩性为灰白色中粒黑云二长花岗岩。K0+773掌子面附近及顶部围岩，呈全～强风化状态，由于结构构造和矿物成分的特点，遇水易于崩解，形成碎屑和砂粒，并且储量极其丰富，这就为涌渣流砂提供了大量固体渣料。5.3长时间降雨提供了高水头和充足的地下水根据中水顾问集团成都勘测设计研究院提供的地质资料，该引水洞正常地下水位距洞顶的水头高差达到85m左右。该区域地处中高山地区，海拔1100～1800m，为亚热带河谷季风气候。该地区在6～8月份雨量非常充沛，据乡政府附近雨量监测站资料显示，仅7月15日至8月5日，降雨量为231mm，最近一周降雨量69.2mm。监测结果为河谷地段数据，高山区应比监测结果大。大量的地下水渗透填充于山体强～全风化花岗岩松散破碎岩体内，使之趋于饱和状态，从而使洞顶以上地下水头超过100m成为现实。另外，山体内发育有海流沟一切刀崖断裂含水带，储水量极丰富，是山体内另一充足的水源。这种长期存在的高水头和充足的地下水为涌渣流砂提供了强大的动力。5.4大量流动的地下水使空腔内部结构不断变化6月4日至8月5日，再次发生大规模涌渣流砂事故，平均每天自涌渣流砂的空腔内流出的地下水量都在180m3／h以上。6月4日以后，这种高水头、大流量的地下水，不断冲刷空腔两侧及顶部松散破碎的花岗岩体，使之大量沉积于空腔内，并且空腔内水头不断升高，直至与山体内最高地下水位持平。这种巨大的压力与洞内淤积的涌渣流砂体产生的阻力暂时处于平衡状态。长期流动的地下水不断带走空腔内积渣及洞内腔体附近淤积体中的细小黏土颗粒，使空腔内及腔体附近堆积体中的颗粒完全处于独立状态，彻底成为砂粒状散体结构，完全失去了相互之间的黏结支撑力。对于这种暂时状态的平衡，稍有触动，便顷刻间崩塌，这种巨大势能瞬间释放，迅速转化成冲击能量，从而造成大量涌渣流砂事故。5.5后期清谴活动诱发了本次涌渣流沙事故在2009年8月5日凌晨4：43以前，由于6月3日涌出来的渣料形成的洞内自然堆积料体长达307m，其产生的水平抗滑力足以抵抗涌渣空腔内产生的向下压力。随着清渣工作的进行，洞内渣料堆积体产生的抗滑力逐渐减小，直到清理至距掌子面17m的K0+790桩号时，这种平衡状态完全被打破，涌渣腔体内巨大的势能瞬间转化为强大的洞内水平方向冲击能量，于是发生了8月5日凌晨4：43的特大涌渣流砂事故。此次发生涌渣流砂事故的过程示意图如图1所示(略)。6经验教训与建议6.1有关事故教训总结与建议本次事故教训是惨痛的，事故发生时间刚好在8月5日凌晨5点钟前后，洞外及路边下方骨料仓内均无施工人员，否则后果不堪设想。通过这次事故，不管是业主、设计、监理还是施工单位，都应该谨记这一沉痛的教训。(1)第1次发生大体积的涌渣事故后，不要急于对涌出的渣料进行清理，也不要急于研究支护方案，应该认真观察涌渣掌子面上方腔体出露情况，如果是出露在外的，说明腔体内渣料数量是可以预计的。如果是淹没的，那么腔体内的淤渣数量是未可知的，需要进一步探明，并且其内部水头差会进一步升高，可能发生更大的涌渣流砂事故。(2)发生涌渣事故后，要认真观察地下水的流量变化情况。如果涌渣后地下水流量迅速减少，说明地下水属于裂隙潜水，这种没有后续地下水的涌渣是比较易于处理的；如果后续地下水流量比较大，且流量稳定，说明存在地下水补给水源，由于这种地下水的影响，将造成涌渣后的空腔进一步扩大、变高，可能造成更大的涌渣事故。(3)在地下水补给情况、空腔上部围岩情况没探明或地下水没彻底治理前，不要急于清理涌渣后的积渣，以免沉积在空腔内的渣料和高水头地下水突然涌出，进一步造成设备、人员伤亡。(4)在设计阶段洞轴线选址时，应按设计要求加密钻孔增加取芯数量，切实为施工阶段探明可供参考的围岩及地下水发育情况。(5)第1次发生大规模涌渣流砂事故后，业主单位应邀请相关专家对隧洞的安全情况进行评估，以确认隧洞进一步开挖的可行性。6.2有关隧洞开挖方案选择的建议该类隧洞一般地质条件极差，多受过大的构造运动影响，岩体破碎、节理裂隙发育、风化程度高，围岩强度极低，多属坚固系数f=1～2的软质围岩。该类围岩开挖爆破的一个关键技术是控制开挖爆破对围岩的扰动破坏，尽可能减少爆破振动对围岩的影响。采用常规的光面爆破、预裂爆破，均难以取得较好的爆破开挖轮