楊玉銀，盧學文，魏豫，張葉祥，李鵬
(中國水利水電第五工程局有限公司，成都610066)
摘 要：針對某隧洞發生的隧洞開挖史上罕見的特大湧渣流砂事故，闡述了湧渣流砂形成的條件及基本原理，分析了事故原因，總結了經驗教訓；並對施工地質條件極差的隧洞開挖爆破方案的選擇提出了具體建議。可供同類工程借鑑．對預防同類事故的發生有著重要意義。
關鍵詞：隧洞開挖；湧渣流砂；事故原因；爆破方案；經驗教訓
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的，但一次出現湧渣流砂幾千方、甚至上萬方，將出渣裝載機、自卸汽車衝出500餘米且完全解體、掩埋的現象卻是罕見的。本文所述隧洞為四川某水電站引水洞，該洞出口端工作面開挖掘進到428m時，發生第1次湧渣流砂3900餘方，之後在處理過程中按正常支護方法清渣到距掌子面17m左右時，掌子面上方再次突然衝出湧渣流砂11800餘方，將洞內的1臺裝載機和1臺自卸汽車瞬間由洞內推出洞外後，繼續向前推進92m，整個推出距離503m，並將兩臺設備完全解體、掩埋，洞口堆渣厚1.02m，洞內所有施工設備、用電線路全部報廢。對於這樣的突發事故，在隧洞開挖史上也是不多見的。
為了在以後的隧洞開挖施工中避免同類慘痛事故的發生，筆者對該洞事故發生的經過進行了描述，對事故發生的原因進行了分析，並總結了經驗教訓，提出了有關隧洞開挖爆破的建議方案，供廣大地下工程施工人員遇到同類問題時引以為鑑。
2 工程概況
該水電站引水隧洞洞長1188m，分進、出口兩個作業面。該洞開挖斷面為城門洞形，Ⅲ類圍巖，設計開挖斷面尺寸為4.80m×4.38m(寬×高)，支護主要採用錨噴支護，局部掛網：錨杆採用砂漿錨杆、Ф22mm螺紋鋼、長3m、間排距均為3750px；噴混凝土採用C25混凝土，厚125px；局部掛網採用ф8mm，網格尺寸500px×500px。原設計Ⅳ、V類圍巖設計開挖斷面尺寸為5.50m×5.08m(寬×高)，採用錨、網、噴結合鋼格柵的支護方法：錨杆採用砂漿錨杆、Ф22mm螺紋鋼、長3m、間排距均為2500px；噴混凝土採用C25混凝土，厚250px；局部掛網採用Ф8mm，網格尺寸375px×375px；鋼格柵由Ф18mm螺紋鋼製成，斷面尺寸375px×375px。在出現流砂現象後，Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖斷面尺寸變更為5.90m×5.85m(寬×高)，支護採用超前小導管結合鋼支撐加強支護：小導管採用Ф48mm普通鋼管、間距30～1000px；噴混凝土厚度由原設計的250px調整為750px；鋼格柵改為鋼支撐，由I18工字鋼製成；掛網仍採用ф8mm，網格尺寸375px×375px。
招標文件中地質條件：該洞洞身段全長1188m，沿線地形完整，隧洞埋深一般140～300m。巖體新鮮較堅硬，主要以Ⅲ類圍巖為主。由於該洞埋藏深度大、巖體新鮮完整、地下水較豐富，開挖時需採取相應的疏排措施；地應力屬中高量級，局部洞段可能發生劈裂、剝落、巖爆，對圍巖穩定不利，開挖時應採取防護措施。
在招標文件中該洞圍巖以Ⅲ類圍巖為主，洞口及局部有Ⅳ、Ⅴ類圍巖。而在實際開挖後，地質條件出入較大。該洞出口作業面實際開挖的428m中，Ⅲ類圍巖13m、Ⅳ類圍巖85m、Ⅴ類圍巖330m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖佔97％，共揭露斷層11條、巖脈19條。
3 隧洞湧渣流砂事故發生過程
3.1 第1次事故發生經過
2009年6月3日凌晨5：00，引水洞出口開挖至樁號K0+773部位，對邊頂拱超前支護完畢後，右側頂拱掌子面出現突發性的湧渣，湧渣量約110m3；上午10：00，K0+773掌子面右邊頂拱湧水量突然增大，但無渣體湧出；中午12：45再次發生突發性的湧渣，渣體湧至K0+870樁號，12：50在洞口放置警戒線；下午16：30隨著洞內轟鳴聲，大量泥石流狀渣體湧出來，樁號K1+080位置淤渣約750px厚。樁號K1+043至掌子面共271m，風水管線被衝斷或擰成麻花狀，洞內電路中斷，混凝土噴射機、手風鑽、電焊機、風鎬、配電櫃、注漿機、注漿泵、漿液攪拌機、鼓風機及其他大量物資被掩埋，幸好無人員傷亡。經測算，本次共發生湧渣流砂3900餘方。
湧渣流砂事故發生後，業主為了確保引水洞按期使用，加快工程進度，經與設計、監理協調，在沒探明事故發生原因及地質結構的情況下，要求施工單位於2009年6月10日開始對洞內湧渣進行清理，並按設計要求對破壞洞段進行重新支護。
3.2 第2次事故發生經過
2009年8月5日凌晨2：10，已清理的破壞段重新支護完畢，開始自K0+791樁號出渣，出渣採用ZL50裝載機裝兩臺5t自卸汽車。凌晨4：43，當出渣到距掌子面17m的K0+790樁號時，掌子面再次突然湧出大量流砂，瞬間將洞內的1臺裝載機和自卸汽車衝出洞外。流砂和設備巨大的衝擊力，將洞軸線上、洞外施工場地上機械設備及洞口防護欄衝垮，兩臺出渣設備衝下洞口公路，並衝垮公路邊防撞欄杆，直射出去，最終落人公路邊山坡下的砂石骨料倉內，整個行程軌跡長503m。此時，洞口部位淤積流砂厚度1.02m。公路上淤砂厚O.6～0.8m，裝載機和自卸汽車全部被埋人山坡下的料倉內。後經挖出兩臺設備已被徹底解體。經初步測算，本次出現湧渣流砂11800餘方，且洞口湧出的渣料均為乾淨、質量良好的青砂。
4 湧渣流砂的形成條件和基本原理
4.1 浦渣流砂的形成條件
經過分析，隧洞發生湧渣流砂現象必須同時具備以下四個基本條件：
(1)隧洞頂部圍巖存在大量的鬆散碎屑固體渣料。
(2)洞頂以上有高水頭地下水，且有充足的地下水源補給。
(3)存在有利於渣料存積、運動的通道。
(4)掌子面頂部空腔內外壓力平衡被破壞。
4.2 湧渣流砂形成的基本原理
在隧洞未開挖至湧渣流砂掌子面附近時，湧渣流砂掌子面頂部鬆散體和高水頭地下水與洞內壓力是平衡的。隨著洞挖的向前推進，這種平衡被逐漸破壞，高水頭地下水開始從節理裂隙極發育或屬於散體結構的圍巖中滲出，並隨著向前掘進滲流量逐漸增大，地下水向洞內滲出的同時，逐漸帶走了洞頂鬆散體內的大量細小黏土顆粒。洞頂鬆散體結構本來是靠這些黏土顆粒的黏結及支撐作用形成整體的，這些細小顆粒的流失使洞頂散體結構的整體性遭到徹底破壞，顆粒之間不再有黏結作用。因此，當開挖至湧渣掌子面時，徹底打破了頂部鬆散體和高水頭地下水與洞內壓力的平衡，大量地下水攜帶著頂部鬆散體衝入洞內，形成湧渣流砂。
由於湧渣掌子面頂部圍巖節理極發育、鬆散破碎，總體呈鬆散體結構，穩定性極差、透水性強，掌子面湧渣達一定程度後，形成的頂部空腔內壓力與洞內壓力再次達到暫時平衡，湧渣流砂暫時停止。此時，空腔內高水頭地下水不斷滲入洞內，空腔內鬆散體在高水頭地下水流動的裹脅下，不斷塌落沉積於空腔內，頂部空腔快速擴大，地下水位迅速上漲，空腔內水壓力不斷升高，當空腔內外壓力差達到一定程度時，就不可避免地再次發生了湧渣流砂。在湧渣流砂掌子面洞頂具備足夠鬆散體和充足高水頭地下水的條件下，隨著洞頂空腔的增大，隨後重複發生的湧渣流砂量將一次比一次大，直到湧渣流砂體產生的阻力與最高壓力水頭達到平衡為止，才能在一定時間內暫停湧渣流砂。可見如果高水頭地下水問題得不到徹底、有效地處理，再次進行出渣時將會產生更大規模的湧渣流砂。
5 隧洞湧渣流砂事故發生原因分析
5.1 地質構造的影響形成了渣料豎向運輸通道
該引水洞位於海流溝擠壓破碎帶影響範圍內，所處山體發生過大的構造運動，受構造運動影響，出口已開挖的428m共發育有斷層11條、輝綠巖脈19條。在引水洞發生湧渣流砂的掌子面K0+773處發育有βjd19輝綠巖脈，產狀為N30°W／SW50°，寬4.0m，呈碎裂散體結構，兩側及上部均為易於儲水的強～全風化花崗巖。βjd19輝綠巖脈形成了向下運輸渣料的初期通道，並且逐漸向上、向兩側擴大至花崗巖強～全風化層範圍。
5.2 風化花崗巖提供了大量鬆散碎屑固體渣料
引水洞已開挖的出口洞段所處山體，主要地層巖性為灰白色中粒黑雲二長花崗巖。K0+773掌子面附近及頂部圍巖，呈全～強風化狀態，由於結構構造和礦物成分的特點，遇水易於崩解，形成碎屑和砂粒，並且儲量極其豐富，這就為湧渣流砂提供了大量固體渣料。
5.3 長時間降雨提供了高水頭和充足的地下水
根據中水顧問集團成都勘測設計研究院提供的地質資料，該引水洞正常地下水位距洞頂的水頭高差達到85m左右。該區域地處中高山地區，海拔1100～1800m，為亞熱帶河谷季風氣候。該地區在6～8月份雨量非常充沛，據鄉政府附近雨量監測站資料顯示，僅7月15日至8月5日，降雨量為231mm，最近一周降雨量69.2mm。監測結果為河谷地段數據，高山區應比監測結果大。大量的地下水滲透填充於山體強～全風化花崗巖鬆散破碎巖體內，使之趨於飽和狀態，從而使洞頂以上地下水頭超過100m成為現實。另外，山體內發育有海流溝一切刀崖斷裂含水帶，儲水量極豐富，是山體內另一充足的水源。這種長期存在的高水頭和充足的地下水為湧渣流砂提供了強大的動力。
5.4 大量流動的地下水使空腔內部結構不斷變化
6月4日至8月5日，再次發生大規模湧渣流砂事故，平均每天自湧渣流砂的空腔內流出的地下水量都在180m3／h以上。6月4日以後，這種高水頭、大流量的地下水，不斷衝刷空腔兩側及頂部鬆散破碎的花崗巖體，使之大量沉積於空腔內，並且空腔內水頭不斷升高，直至與山體內最高地下水位持平。這種巨大的壓力與洞內淤積的湧渣流砂體產生的阻力暫時處於平衡狀態。長期流動的地下水不斷帶走空腔內積渣及洞內腔體附近淤積體中的細小黏土顆粒，使空腔內及腔體附近堆積體中的顆粒完全處於獨立狀態，徹底成為砂粒狀散體結構，完全失去了相互之間的黏結支撐力。對於這種暫時狀態的平衡，稍有觸動，便頃刻間崩塌，這種巨大勢能瞬間釋放，迅速轉化成衝擊能量，從而造成大量湧渣流砂事故。
5.5 後期清譴活動誘發了本次湧渣流沙事故
在2009年8月5日凌晨4：43以前，由於6月3日湧出來的渣料形成的洞內自然堆積料體長達307m，其產生的水平抗滑力足以抵抗湧渣空腔內產生的向下壓力。隨著清渣工作的進行，洞內渣料堆積體產生的抗滑力逐漸減小，直到清理至距掌子面17m的K0+790樁號時，這種平衡狀態完全被打破，湧渣腔體內巨大的勢能瞬間轉化為強大的洞內水平方向衝擊能量，於是發生了8月5日凌晨4：43的特大湧渣流砂事故。此次發生湧渣流砂事故的過
程示意圖如圖1所示(略)。
6 經驗教訓與建議
6.1 有關事故教訓總結與建議
本次事故教訓是慘痛的，事故發生時間剛好在8月5日凌晨5點鐘前後，洞外及路邊下方骨料倉內均無施工人員，否則後果不堪設想。通過這次事故，不管是業主、設計、監理還是施工單位，都應該謹記這一沉痛的教訓。
(1)第1次發生大體積的湧渣事故後，不要急於對湧出的渣料進行清理，也不要急於研究支護方案，應該認真觀察湧渣掌子面上方腔體出露情況，如果是出露在外的，說明腔體內渣料數量是可以預計的。如果是淹沒的，那麼腔體內的淤渣數量是未可知的，需要進一步探明，並且其內部水頭差會進一步升高，可能發生更大的湧渣流砂事故。
(2)發生湧渣事故後，要認真觀察地下水的流量變化情況。如果湧渣後地下水流量迅速減少，說明地下水屬於裂隙潛水，這種沒有後續地下水的湧渣是比較易於處理的；如果後續地下水流量比較大，且流量穩定，說明存在地下水補給水源，由於這種地下水的影響，將造成湧渣後的空腔進一步擴大、變高，可能造成更大的湧渣事故。
(3)在地下水補給情況、空腔上部圍巖情況沒探明或地下水沒徹底治理前，不要急於清理湧渣後的積渣，以免沉積在空腔內的渣料和高水頭地下水突然湧出，進一步造成設備、人員傷亡。
(4)在設計階段洞軸線選址時，應按設計要求加密鑽孔增加取芯數量，切實為施工階段探明可供參考的圍巖及地下水發育情況。
(5)第1次發生大規模湧渣流砂事故後，業主單位應邀請相關專家對隧洞的安全情況進行評估，以確認隧洞進一步開挖的可行性。
6.2 有關隧洞開挖方案選擇的建議
該類隧洞一般地質條件極差，多受過大的構造運動影響，巖體破碎、節理裂隙發育、風化程度高，圍巖強度極低，多屬堅固係數f=1～2的軟質圍巖。該類圍巖開挖爆破的一個關鍵技術是控制開挖爆破對圍巖的擾動破壞，儘可能減少爆破振動對圍巖的影響。採用常規的光面爆破、預裂爆破，均難以取得較好的爆破開挖輪廓及減振效果。儘管光面爆破和預裂爆破採用不耦合裝藥，但畢竟設計開挖輪廓線上的周邊孔要進行裝藥爆破，無論孔內裝藥量控制的多好，其爆破振動對圍巖及開挖輪廓的影響都是不容忽視的。這樣不僅不會在開挖輪廓上留下半孔，甚至還會造成塌方。
對於該類圍巖，如果人工配合反鏟能挖得動，儘可能不採用爆破方法。如果人工配合反鏟開挖有難度，建議採用文獻[3]中提出的周邊密空孔鑽爆法。該方法是在設計開挖輪廓上，鑽一排密集的鑽孔，形成密集孔幕，孔內不裝藥，這種密孔幕主要起減振作用。孔距根據圍巖軟硬情況，取孔徑的2～5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計。外圈崩落孔與周邊密孔幕間的巖體稱為保護層。根據圍巖軟硬情況，保護層厚度可取25～1250px，巖石軟取大值。
根據多年來現場施工經驗，該爆破方法對軟質圍巖開挖極為有效，在以往同類隧洞開挖施工中均取得了較好的減振爆破效果，並形成了平整、光滑的設計開挖輪廓。
7 結 語
在地下工程施工中，要特別重視對地下水變化的研究工作，注意開挖過程中的超前探水。如果注意觀察，應該說所有的地質變化都是有前兆的，對於發現的重大變化情況要及時妥善處理；對於已經發生大規模湧渣事故的隧洞，必要時應邀請相關專家對在建地下工程的地下水、圍巖等地質情況及隧洞的安全穩定情況作進一步的評估，以確保後續施工的安全。
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摘自《工程爆破》總第61期