某隧洞特大涌渣流砂事故原因分析及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

1、某隧洞特大涌渣流砂事故原因分析及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn) 楊玉銀，盧學(xué)文，魏豫，張葉祥，李鵬(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都) 摘 要：針對(duì)某隧洞發(fā)生的隧洞開(kāi)挖史上罕見(jiàn)的特大涌渣流砂事故，闡述了涌渣流砂形成的條件及基本原理，分析了事故原因，總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)；并對(duì)施工地質(zhì)條件極差的隧洞開(kāi)挖爆破方案的選擇提出了具體建議?？晒┩?lèi)工程借鑒對(duì)預(yù)防同類(lèi)事故的發(fā)生有著重要意義。關(guān)鍵詞：隧洞開(kāi)挖；涌渣流砂；事故原因；爆破方案；經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn) 1 引 言在地下隧洞工程施工中，塌方、冒頂、流砂事故是比較常見(jiàn)的，但一次出現(xiàn)涌渣流砂幾千方、甚至上萬(wàn)方，將出渣裝載機(jī)、自卸汽車(chē)沖出500余米且完全解體、掩埋的現(xiàn)象卻是罕見(jiàn)的。本文所述隧洞

2、為四川某水電站引水洞，該洞出口端工作面開(kāi)挖掘進(jìn)到428m時(shí)，發(fā)生第1次涌渣流砂3900余方，之后在處理過(guò)程中按正常支護(hù)方法清渣到距掌子面17m左右時(shí)，掌子面上方再次突然沖出涌渣流砂11800余方，將洞內(nèi)的1臺(tái)裝載機(jī)和1臺(tái)自卸汽車(chē)瞬間由洞內(nèi)推出洞外后，繼續(xù)向前推進(jìn)92m，整個(gè)推出距離503m，并將兩臺(tái)設(shè)備完全解體、掩埋，洞口堆渣厚1.02m，洞內(nèi)所有施工設(shè)備、用電線(xiàn)路全部報(bào)廢。對(duì)于這樣的突發(fā)事故，在隧洞開(kāi)挖史上也是不多見(jiàn)的。為了在以后的隧洞開(kāi)挖施工中避免同類(lèi)慘痛事故的發(fā)生，筆者對(duì)該洞事故發(fā)生的經(jīng)過(guò)進(jìn)行了描述，對(duì)事故發(fā)生的原因進(jìn)行了分析，并總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出了有關(guān)隧洞開(kāi)挖爆破的建議方案，供廣大地

3、下工程施工人員遇到同類(lèi)問(wèn)題時(shí)引以為鑒。 2 工程概況該水電站引水隧洞洞長(zhǎng)1188m，分進(jìn)、出口兩個(gè)作業(yè)面。該洞開(kāi)挖斷面為城門(mén)洞形，類(lèi)圍巖，設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面尺寸為4.80m4.38m(寬高)，支護(hù)主要采用錨噴支護(hù)，局部掛網(wǎng)：錨桿采用砂漿錨桿、22mm螺紋鋼、長(zhǎng)3m、間排距均為150cm；噴混凝土采用C25混凝土，厚5cm；局部掛網(wǎng)采用8mm，網(wǎng)格尺寸20cm20cm。原設(shè)計(jì)、V類(lèi)圍巖設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面尺寸為5.50m5.08m(寬高)，采用錨、網(wǎng)、噴結(jié)合鋼格柵的支護(hù)方法：錨桿采用砂漿錨桿、22mm螺紋鋼、長(zhǎng)3m、間排距均為100cm；噴混凝土采用C25混凝土，厚10cm；局部掛網(wǎng)采用8mm，網(wǎng)格尺寸15c

4、m15cm；鋼格柵由18mm螺紋鋼制成，斷面尺寸15cm15cm。在出現(xiàn)流砂現(xiàn)象后，、類(lèi)圍巖開(kāi)挖斷面尺寸變更為5.90m5.85m(寬高)，支護(hù)采用超前小導(dǎo)管結(jié)合鋼支撐加強(qiáng)支護(hù)：小導(dǎo)管采用48mm普通鋼管、間距3040cm；噴混凝土厚度由原設(shè)計(jì)的10cm調(diào)整為30cm；鋼格柵改為鋼支撐，由I18工字鋼制成；掛網(wǎng)仍采用8mm，網(wǎng)格尺寸15cm15cm。招標(biāo)文件中地質(zhì)條件：該洞洞身段全長(zhǎng)1188m，沿線(xiàn)地形完整，隧洞埋深一般140300m。巖體新鮮較堅(jiān)硬，主要以類(lèi)圍巖為主。由于該洞埋藏深度大、巖體新鮮完整、地下水較豐富，開(kāi)挖時(shí)需采取相應(yīng)的疏排措施；地應(yīng)力屬中高量級(jí)，局部洞段可能發(fā)生劈裂、剝落、巖爆

5、，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利，開(kāi)挖時(shí)應(yīng)采取防護(hù)措施。在招標(biāo)文件中該洞圍巖以類(lèi)圍巖為主，洞口及局部有、類(lèi)圍巖。而在實(shí)際開(kāi)挖后，地質(zhì)條件出入較大。該洞出口作業(yè)面實(shí)際開(kāi)挖的428m中，類(lèi)圍巖13m、類(lèi)圍巖85m、類(lèi)圍巖330m，、類(lèi)圍巖占97，共揭露斷層11條、巖脈19條。 3 隧洞涌渣流砂事故發(fā)生過(guò)程3.1 第1次事故發(fā)生經(jīng)過(guò)2009年6月3日凌晨5：00，引水洞出口開(kāi)挖至樁號(hào)K0+773部位，對(duì)邊頂拱超前支護(hù)完畢后，右側(cè)頂拱掌子面出現(xiàn)突發(fā)性的涌渣，涌渣量約110m3；上午10：00，K0+773掌子面右邊頂拱涌水量突然增大，但無(wú)渣體涌出；中午12：45再次發(fā)生突發(fā)性的涌渣，渣體涌至K0+870樁號(hào)，12：5

6、0在洞口放置警戒線(xiàn)；下午16：30隨著洞內(nèi)轟鳴聲，大量泥石流狀渣體涌出來(lái)，樁號(hào)K1+080位置淤渣約30cm厚。樁號(hào)K1+043至掌子面共271m，風(fēng)水管線(xiàn)被沖斷或擰成麻花狀，洞內(nèi)電路中斷，混凝土噴射機(jī)、手風(fēng)鉆、電焊機(jī)、風(fēng)鎬、配電柜、注漿機(jī)、注漿泵、漿液攪拌機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)及其他大量物資被掩埋，幸好無(wú)人員傷亡。經(jīng)測(cè)算，本次共發(fā)生涌渣流砂3900余方。涌渣流砂事故發(fā)生后，業(yè)主為了確保引水洞按期使用，加快工程進(jìn)度，經(jīng)與設(shè)計(jì)、監(jiān)理協(xié)調(diào)，在沒(méi)探明事故發(fā)生原因及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的情況下，要求施工單位于2009年6月10日開(kāi)始對(duì)洞內(nèi)涌渣進(jìn)行清理，并按設(shè)計(jì)要求對(duì)破壞洞段進(jìn)行重新支護(hù)。3.2 第2次事故發(fā)生經(jīng)過(guò)2009年8

7、月5日凌晨2：10，已清理的破壞段重新支護(hù)完畢，開(kāi)始自K0+791樁號(hào)出渣，出渣采用ZL50裝載機(jī)裝兩臺(tái)5t自卸汽車(chē)。凌晨4：43，當(dāng)出渣到距掌子面17m的K0+790樁號(hào)時(shí)，掌子面再次突然涌出大量流砂，瞬間將洞內(nèi)的1臺(tái)裝載機(jī)和自卸汽車(chē)沖出洞外。流砂和設(shè)備巨大的沖擊力，將洞軸線(xiàn)上、洞外施工場(chǎng)地上機(jī)械設(shè)備及洞口防護(hù)欄沖垮，兩臺(tái)出渣設(shè)備沖下洞口公路，并沖垮公路邊防撞欄桿，直射出去，最終落人公路邊山坡下的砂石骨料倉(cāng)內(nèi)，整個(gè)行程軌跡長(zhǎng)503m。此時(shí)，洞口部位淤積流砂厚度1.02m。公路上淤砂厚O.60.8m，裝載機(jī)和自卸汽車(chē)全部被埋人山坡下的料倉(cāng)內(nèi)。后經(jīng)挖出兩臺(tái)設(shè)備已被徹底解體。經(jīng)初步測(cè)算，本次出現(xiàn)涌

8、渣流砂11800余方，且洞口涌出的渣料均為干凈、質(zhì)量良好的青砂。 4 涌渣流砂的形成條件和基本原理4.1 浦渣流砂的形成條件經(jīng)過(guò)分析，隧洞發(fā)生涌渣流砂現(xiàn)象必須同時(shí)具備以下四個(gè)基本條件：(1)隧洞頂部圍巖存在大量的松散碎屑固體渣料。(2)洞頂以上有高水頭地下水，且有充足的地下水源補(bǔ)給。(3)存在有利于渣料存積、運(yùn)動(dòng)的通道。(4)掌子面頂部空腔內(nèi)外壓力平衡被破壞。4.2 涌渣流砂形成的基本原理在隧洞未開(kāi)挖至涌渣流砂掌子面附近時(shí)，涌渣流砂掌子面頂部松散體和高水頭地下水與洞內(nèi)壓力是平衡的。隨著洞挖的向前推進(jìn)，這種平衡被逐漸破壞，高水頭地下水開(kāi)始從節(jié)理裂隙極發(fā)育或?qū)儆谏Ⅲw結(jié)構(gòu)的圍巖中滲出，并隨著向前掘進(jìn)

9、滲流量逐漸增大，地下水向洞內(nèi)滲出的同時(shí)，逐漸帶走了洞頂松散體內(nèi)的大量細(xì)小黏土顆粒。洞頂松散體結(jié)構(gòu)本來(lái)是靠這些黏土顆粒的黏結(jié)及支撐作用形成整體的，這些細(xì)小顆粒的流失使洞頂散體結(jié)構(gòu)的整體性遭到徹底破壞，顆粒之間不再有黏結(jié)作用。因此，當(dāng)開(kāi)挖至涌渣掌子面時(shí)，徹底打破了頂部松散體和高水頭地下水與洞內(nèi)壓力的平衡，大量地下水?dāng)y帶著頂部松散體沖入洞內(nèi)，形成涌渣流砂。由于涌渣掌子面頂部圍巖節(jié)理極發(fā)育、松散破碎，總體呈松散體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性極差、透水性強(qiáng)，掌子面涌渣達(dá)一定程度后，形成的頂部空腔內(nèi)壓力與洞內(nèi)壓力再次達(dá)到暫時(shí)平衡，涌渣流砂暫時(shí)停止。此時(shí)，空腔內(nèi)高水頭地下水不斷滲入洞內(nèi)，空腔內(nèi)松散體在高水頭地下水流動(dòng)的裹脅

10、下，不斷塌落沉積于空腔內(nèi)，頂部空腔快速擴(kuò)大，地下水位迅速上漲，空腔內(nèi)水壓力不斷升高，當(dāng)空腔內(nèi)外壓力差達(dá)到一定程度時(shí)，就不可避免地再次發(fā)生了涌渣流砂。在涌渣流砂掌子面洞頂具備足夠松散體和充足高水頭地下水的條件下，隨著洞頂空腔的增大，隨后重復(fù)發(fā)生的涌渣流砂量將一次比一次大，直到涌渣流砂體產(chǎn)生的阻力與最高壓力水頭達(dá)到平衡為止，才能在一定時(shí)間內(nèi)暫停涌渣流砂?？梢?jiàn)如果高水頭地下水問(wèn)題得不到徹底、有效地處理，再次進(jìn)行出渣時(shí)將會(huì)產(chǎn)生更大規(guī)模的涌渣流砂。 5 隧洞涌渣流砂事故發(fā)生原因分析5.1 地質(zhì)構(gòu)造的影響形成了渣料豎向運(yùn)輸通道該引水洞位于海流溝擠壓破碎帶影響范圍內(nèi)，所處山體發(fā)生過(guò)大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影

11、響，出口已開(kāi)挖的428m共發(fā)育有斷層11條、輝綠巖脈19條。在引水洞發(fā)生涌渣流砂的掌子面K0+773處發(fā)育有jd19輝綠巖脈，產(chǎn)狀為N30WSW50，寬4.0m，呈碎裂散體結(jié)構(gòu)，兩側(cè)及上部均為易于儲(chǔ)水的強(qiáng)全風(fēng)化花崗巖。jd19輝綠巖脈形成了向下運(yùn)輸渣料的初期通道，并且逐漸向上、向兩側(cè)擴(kuò)大至花崗巖強(qiáng)全風(fēng)化層范圍。5.2 風(fēng)化花崗巖提供了大量松散碎屑固體渣料引水洞已開(kāi)挖的出口洞段所處山體，主要地層巖性為灰白色中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖。K0+773掌子面附近及頂部圍巖，呈全強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造和礦物成分的特點(diǎn)，遇水易于崩解，形成碎屑和砂粒，并且儲(chǔ)量極其豐富，這就為涌渣流砂提供了大量固體渣料。5.3 長(zhǎng)

12、時(shí)間降雨提供了高水頭和充足的地下水根據(jù)中水顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院提供的地質(zhì)資料，該引水洞正常地下水位距洞頂?shù)乃^高差達(dá)到85m左右。該區(qū)域地處中高山地區(qū)，海拔11001800m，為亞熱帶河谷季風(fēng)氣候。該地區(qū)在68月份雨量非常充沛，據(jù)鄉(xiāng)政府附近雨量監(jiān)測(cè)站資料顯示，僅7月15日至8月5日，降雨量為231mm，最近一周降雨量69.2mm。監(jiān)測(cè)結(jié)果為河谷地段數(shù)據(jù)，高山區(qū)應(yīng)比監(jiān)測(cè)結(jié)果大。大量的地下水滲透填充于山體強(qiáng)全風(fēng)化花崗巖松散破碎巖體內(nèi)，使之趨于飽和狀態(tài)，從而使洞頂以上地下水頭超過(guò)100m成為現(xiàn)實(shí)。另外，山體內(nèi)發(fā)育有海流溝一切刀崖斷裂含水帶，儲(chǔ)水量極豐富，是山體內(nèi)另一充足的水源。這種長(zhǎng)期存在的高

13、水頭和充足的地下水為涌渣流砂提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。5.4 大量流動(dòng)的地下水使空腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷變化6月4日至8月5日，再次發(fā)生大規(guī)模涌渣流砂事故，平均每天自涌渣流砂的空腔內(nèi)流出的地下水量都在180m3h以上。6月4日以后，這種高水頭、大流量的地下水，不斷沖刷空腔兩側(cè)及頂部松散破碎的花崗巖體，使之大量沉積于空腔內(nèi)，并且空腔內(nèi)水頭不斷升高，直至與山體內(nèi)最高地下水位持平。這種巨大的壓力與洞內(nèi)淤積的涌渣流砂體產(chǎn)生的阻力暫時(shí)處于平衡狀態(tài)。長(zhǎng)期流動(dòng)的地下水不斷帶走空腔內(nèi)積渣及洞內(nèi)腔體附近淤積體中的細(xì)小黏土顆粒，使空腔內(nèi)及腔體附近堆積體中的顆粒完全處于獨(dú)立狀態(tài)，徹底成為砂粒狀散體結(jié)構(gòu)，完全失去了相互之間的黏結(jié)支撐

14、力。對(duì)于這種暫時(shí)狀態(tài)的平衡，稍有觸動(dòng)，便頃刻間崩塌，這種巨大勢(shì)能瞬間釋放，迅速轉(zhuǎn)化成沖擊能量，從而造成大量涌渣流砂事故。5.5 后期清譴活動(dòng)誘發(fā)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日涌出來(lái)的渣料形成的洞內(nèi)自然堆積料體長(zhǎng)達(dá)307m，其產(chǎn)生的水平抗滑力足以抵抗涌渣空腔內(nèi)產(chǎn)生的向下壓力。隨著清渣工作的進(jìn)行，洞內(nèi)渣料堆積體產(chǎn)生的抗滑力逐漸減小，直到清理至距掌子面17m的K0+790樁號(hào)時(shí)，這種平衡狀態(tài)完全被打破，涌渣腔體內(nèi)巨大的勢(shì)能瞬間轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的洞內(nèi)水平方向沖擊能量，于是發(fā)生了8月5日凌晨4：43的特大涌渣流砂事故。此次發(fā)生涌渣流砂事故的過(guò)程示意圖如圖1所示(略)。 6

15、 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)與建議6.1 有關(guān)事故教訓(xùn)總結(jié)與建議本次事故教訓(xùn)是慘痛的，事故發(fā)生時(shí)間剛好在8月5日凌晨5點(diǎn)鐘前后，洞外及路邊下方骨料倉(cāng)內(nèi)均無(wú)施工人員，否則后果不堪設(shè)想。通過(guò)這次事故，不管是業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理還是施工單位，都應(yīng)該謹(jǐn)記這一沉痛的教訓(xùn)。(1)第1次發(fā)生大體積的涌渣事故后，不要急于對(duì)涌出的渣料進(jìn)行清理，也不要急于研究支護(hù)方案，應(yīng)該認(rèn)真觀察涌渣掌子面上方腔體出露情況，如果是出露在外的，說(shuō)明腔體內(nèi)渣料數(shù)量是可以預(yù)計(jì)的。如果是淹沒(méi)的，那么腔體內(nèi)的淤渣數(shù)量是未可知的，需要進(jìn)一步探明，并且其內(nèi)部水頭差會(huì)進(jìn)一步升高，可能發(fā)生更大的涌渣流砂事故。(2)發(fā)生涌渣事故后，要認(rèn)真觀察地下水的流量變化情況。如果涌

16、渣后地下水流量迅速減少，說(shuō)明地下水屬于裂隙潛水，這種沒(méi)有后續(xù)地下水的涌渣是比較易于處理的；如果后續(xù)地下水流量比較大，且流量穩(wěn)定，說(shuō)明存在地下水補(bǔ)給水源，由于這種地下水的影響，將造成涌渣后的空腔進(jìn)一步擴(kuò)大、變高，可能造成更大的涌渣事故。(3)在地下水補(bǔ)給情況、空腔上部圍巖情況沒(méi)探明或地下水沒(méi)徹底治理前，不要急于清理涌渣后的積渣，以免沉積在空腔內(nèi)的渣料和高水頭地下水突然涌出，進(jìn)一步造成設(shè)備、人員傷亡。(4)在設(shè)計(jì)階段洞軸線(xiàn)選址時(shí)，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求加密鉆孔增加取芯數(shù)量，切實(shí)為施工階段探明可供參考的圍巖及地下水發(fā)育情況。(5)第1次發(fā)生大規(guī)模涌渣流砂事故后，業(yè)主單位應(yīng)邀請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)家對(duì)隧洞的安全情況進(jìn)行評(píng)估，

17、以確認(rèn)隧洞進(jìn)一步開(kāi)挖的可行性。6.2 有關(guān)隧洞開(kāi)挖方案選擇的建議該類(lèi)隧洞一般地質(zhì)條件極差，多受過(guò)大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、風(fēng)化程度高，圍巖強(qiáng)度極低，多屬堅(jiān)固系數(shù)f=12的軟質(zhì)圍巖。該類(lèi)圍巖開(kāi)挖爆破的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是控制開(kāi)挖爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)破壞，盡可能減少爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的影響。采用常規(guī)的光面爆破、預(yù)裂爆破，均難以取得較好的爆破開(kāi)挖輪廓及減振效果。盡管光面爆破和預(yù)裂爆破采用不耦合裝藥，但畢竟設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線(xiàn)上的周邊孔要進(jìn)行裝藥爆破，無(wú)論孔內(nèi)裝藥量控制的多好，其爆破振動(dòng)對(duì)圍巖及開(kāi)挖輪廓的影響都是不容忽視的。這樣不僅不會(huì)在開(kāi)挖輪廓上留下半孔，甚至還會(huì)造成塌方。對(duì)于該類(lèi)圍巖，如果人工配合反鏟

18、能挖得動(dòng)，盡可能不采用爆破方法。如果人工配合反鏟開(kāi)挖有難度，建議采用文獻(xiàn)3中提出的周邊密空孔鉆爆法。該方法是在設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓上，鉆一排密集的鉆孔，形成密集孔幕，孔內(nèi)不裝藥，這種密孔幕主要起減振作用。孔距根據(jù)圍巖軟硬情況，取孔徑的25倍，巖石軟取大值，反之取小值。將與周邊密孔幕相鄰的外圈崩落孔按軟巖光面爆破設(shè)計(jì)。外圈崩落孔與周邊密孔幕間的巖體稱(chēng)為保護(hù)層。根據(jù)圍巖軟硬情況，保護(hù)層厚度可取2550cm，巖石軟取大值。根據(jù)多年來(lái)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，該爆破方法對(duì)軟質(zhì)圍巖開(kāi)挖極為有效，在以往同類(lèi)隧洞開(kāi)挖施工中均取得了較好的減振爆破效果，并形成了平整、光滑的設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓。 7 結(jié) 語(yǔ)在地下工程施工中，要特別重視對(duì)地下水變化的研究工作，注意開(kāi)挖過(guò)程中的超前探水。如果注意觀察，應(yīng)該說(shuō)所有的地質(zhì)變化都是有前兆的，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的重