巖溶隧道施工技術(shù)探討 PPT課件

巖溶隧道施工技術(shù)探討 李治國(guó)中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心2013年4月11日洛陽(yáng) 主要內(nèi)容 一 概述二 巖溶發(fā)育的主要形式三 巖溶發(fā)育的主要特征四 巖溶隧道施工中面臨的主要難題五 巖溶隧道的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)六 巖溶隧道安全施工技術(shù)措施七 巖溶處理工程實(shí)例八 巖溶隧道施工容易出現(xiàn)的問(wèn)題及對(duì)策九 認(rèn)識(shí)和體會(huì)十 練習(xí)題 一概述 巖溶 karst 是地表水和地下水對(duì)可溶性巖層 碳酸巖類 硫酸巖類 鹵鹽類等 進(jìn)行化學(xué)侵蝕 崩解作用和機(jī)械破壞 搬運(yùn) 沉積作用所形成的各種地表和地下溶蝕現(xiàn)象的總稱 喀斯特 Krast 一詞源自前南斯拉夫西北部伊斯特拉半島碳酸鹽巖高原的名稱 當(dāng)?shù)胤Q為 意為巖石裸露的地方 喀斯特地貌 因近代喀斯特研究發(fā)源于該地而得名 在鐵路 公路 水電 市政等工程中遇到最多是碳酸巖類的巖溶 巖溶隧道就是在巖溶區(qū)修建 可能受到巖溶影響的隧道 我國(guó)可溶巖分布面積廣大 裸露于地表的碳酸鹽巖面積有91萬(wàn)平方公里 加上覆蓋與埋藏于地下的碳酸鹽巖 可溶巖分布面積達(dá)340萬(wàn)平方公里 約占國(guó)土陸地面積的三分之一 南方黔 滇 桂 川 湘 鄂 粵諸省區(qū)為最重要的巖溶區(qū) 碳酸鹽巖沉積總厚度在一萬(wàn)米以上 幾乎分布于各個(gè)地質(zhì)時(shí)代 分布面積廣大的碳酸鹽巖 加上適宜的多種多樣的氣候條件形成了巖溶洞穴 巖溶形成的原因 1 可溶性巖石 1 可溶性巖石種類可溶性巖石是巖溶形成的基本條件 可溶性巖石主要有 碳酸鹽類巖石 石灰?guī)r 白云巖 泥質(zhì)灰?guī)r 硫酸鹽類巖石 石膏 芒硝 鹵鹽類巖石 石鹽和鉀鹽 2 溶蝕作用溶蝕作用取決于溶解度與溶解速度 溶解度 在一定溫度和壓力下 某固態(tài)物質(zhì)在100g溶劑中達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)所溶解的質(zhì)量 溶解速度 在一定溫度和壓力下 在某種溶劑中單位時(shí)間溶解某一物質(zhì)的量 通常把在室溫 20度 下 溶解度在10g 100g水以上的物質(zhì)叫易溶物質(zhì) 溶解度在1 10g 100g水叫可溶物質(zhì) 溶解度在0 01g 1g 100g水的物質(zhì)叫微溶物質(zhì) 溶解度小于0 01g 100g水的物質(zhì)叫難溶物質(zhì) 可見(jiàn)溶解是絕對(duì)的 不溶解是相對(duì) 舉例 如20 時(shí) 食鹽的溶解度是36克 氯化鉀的溶解度是34克 這些數(shù)據(jù)可以說(shuō)明20 時(shí) 食鹽和氯化鉀在100克水里最大的溶解量分別為36克和34克 也說(shuō)明在此溫度下 食鹽在水中比氯化鉀的溶解能力強(qiáng) 溶解度大小依次為 鹵鹽 硫酸鹽 碳酸鹽 鹵化鹽類及硫酸鹽類巖石在地表分布有限 碳酸鹽類巖石分布很廣 且?guī)r體規(guī)模大 所以發(fā)育在碳酸鹽類巖石中巖溶最為常見(jiàn) 從溶解度上看 鹵化鹽巖 硫酸鹽巖 碳酸鹽巖 碳酸鹽類巖石溶解度 從大一小依次為 石灰?guī)r 白云巖 泥灰?guī)r 大量的碳酸鹽巖 硫酸鹽巖和鹵化鹽巖在流水的不斷溶蝕作用下 在地表和地下形成了各種奇特的溶蝕現(xiàn)象 3 巖石結(jié)構(gòu)對(duì)溶解速度的影響 結(jié)晶巖石的晶粒結(jié)晶質(zhì)巖石晶粒愈細(xì)溶解度愈大 隱晶結(jié)構(gòu)一般具有較高的溶蝕率 巖石的結(jié)構(gòu)類型不等粒結(jié)構(gòu)石灰?guī)r比等粒結(jié)構(gòu)石灰?guī)r的相對(duì)溶解度要大 巖石的原生孔隙度孔隙度越高 愈有利于巖溶的發(fā)育 4 溫度對(duì)溶解速度的影響一般情況下 溫度越高 溶解速度越快 白云巖溶解速度最大值一般出現(xiàn)在40 60 而灰?guī)r石和大理巖溶解速度最大值一般為 40 60 是碳酸巖類巖溶發(fā)育最有利的溫度 5 礦物成分對(duì)比溶解度的影響碳酸巖類巖石的比溶解度隨著巖石中方解石含量的增加而增加 隨著白云石含量的增加而減少 a Mg 的比值越大 巖石越容易溶解 2 巖石透水性巖石具有一定的孔隙和裂隙 它們是流動(dòng)水下滲的主要渠道 巖石裂隙越大 巖石的透水性越強(qiáng) 巖溶作用越顯著 在斷層 褶皺 節(jié)理裂隙發(fā)育的巖體中 巖溶作用強(qiáng)烈 地下溶洞和巖溶管道越多 巖溶發(fā)育越復(fù)雜 連通性越強(qiáng) 在復(fù)雜巖溶區(qū)容易形成一個(gè)串珠狀的巖溶網(wǎng)絡(luò) 3 水流的溶蝕作用水的溶蝕能力來(lái)源于二氧化碳 CO2 與水結(jié)合形成的碳酸 H2CO3 二氧化碳是喀斯特地貌形成的主要原因 水中的二氧化碳主要來(lái)自大氣 有機(jī)物在水中的腐蝕和礦物風(fēng)化 下面幾個(gè)化學(xué)方程式反映了巖溶作用的進(jìn)行 CaCO3在CO2的水溶液中溶解的反應(yīng)式如下 CaCO3 CO2 H2O Ca22 2HCO3 CaCO3在不含CO2的純水中的溶解度 理論研究表明 當(dāng)PH 6 36時(shí) 水對(duì)碳酸巖具有強(qiáng)烈的侵蝕性 PH 8 33時(shí) 水對(duì)碳酸巖的侵蝕性明顯變?nèi)?當(dāng)PH 10時(shí) 水逐漸失去對(duì)碳酸巖的侵蝕能力 4 流水的流動(dòng)作用流動(dòng)的水溶蝕性更強(qiáng)烈一些 這是因?yàn)樗械亩趸夹枰玫郊皶r(shí)的補(bǔ)充 水的溶蝕作用才能順利進(jìn)行 水的溶蝕能力才得以鞏固加強(qiáng) 同時(shí) 流動(dòng)的水帶動(dòng)河底砂礫對(duì)巖石進(jìn)行機(jī)械侵蝕 這樣更有利于巖溶作用的深入 5 氣候的影響如我國(guó)西南地區(qū)氣候濕潤(rùn) 降水量大 地表徑流相對(duì)穩(wěn)定 流水下滲作用連續(xù) 并且降水使流水得以更新和有效補(bǔ)充 因此巖溶作用得以持續(xù)進(jìn)行 巖溶形成的主要影響因素第一 可溶性巖石是巖溶產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ) 第二 地質(zhì)構(gòu)造與地層結(jié)構(gòu)的千差萬(wàn)別確定了巖溶類型的多樣性 第三 地表水和地下水補(bǔ)給 徑流 滲透和循環(huán)是巖溶形成和發(fā)育的必要條件 第四 環(huán)境 氣候 生產(chǎn) 生活對(duì)巖溶形成都有一定的影響 第五 考慮巖溶一般發(fā)育規(guī)律時(shí) 應(yīng)注重CO2 而研究巖溶發(fā)育的局部規(guī)律時(shí) 還應(yīng)注意H 離子來(lái)源 二 巖溶發(fā)育的主要形式 1 地表巖溶表現(xiàn)的主要形式 1 溶蝕性巖石 2 巖溶洼地和谷地 3 溶泉 4 落水洞 5 溶溝和石芽溶溝是指地表水沿巖石表面和裂隙流動(dòng)過(guò)程中不斷對(duì)巖石溶蝕和侵蝕 從而形成的石質(zhì)溝槽 石芽指突出于溶溝之間的石脊 其實(shí)它是溶溝形成過(guò)程中的殘余物 云南地區(qū)的石林就是發(fā)育比較好的形態(tài)高大的石芽群 它的形成條件是厚層 質(zhì)純 產(chǎn)狀平緩 垂直節(jié)理稀疏和濕熱的氣候環(huán)境 5 峰林 峰叢 孤峰 天生橋等 2 隧道和地下工程巖溶主要表現(xiàn)形式 1 溶隙 直徑一般應(yīng)小于5cm 2 溶孔 直徑一般小于20cm 3 溶管 直徑一般小于2 0m 4 溶洞 直徑一般應(yīng)大于2 0m 5 暗河 6 其他形式如 二 巖溶發(fā)育的主要特征1 巖溶水動(dòng)力分帶 1 垂直滲流帶或包氣帶 2 季節(jié)變動(dòng)帶 3 水平滲流帶 4 深部緩流帶垂直滲流帶或包氣帶 季節(jié)變動(dòng)帶 水平滲流帶中巖溶比較發(fā)育 巖溶水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 鄒成杰認(rèn)為 1 溶隙型 各種構(gòu)造裂隙經(jīng)過(guò)溶蝕形成 寬度一般在5cm以下 平面延續(xù)性較好 在溶隙中 地下水為滲流 達(dá)西定律可以近似應(yīng)用 2 脈管型 溶隙經(jīng)過(guò)溶蝕進(jìn)一步擴(kuò)大 延長(zhǎng) 呈脈管狀 其寬度5 20cm 平面連續(xù)性好 地下水運(yùn)動(dòng)已經(jīng)不符合大西定律 3 管道型脈管經(jīng)溶蝕進(jìn)一步擴(kuò)大 管道寬度大于20cm 連同性好 地下水的運(yùn)動(dòng)呈管道匯流 而不是滲流 不符合達(dá)西定律 巖溶水基本特征 1 空間分布的不均勻性這主要?dú)w因于含水介質(zhì)的結(jié)構(gòu) 構(gòu)造在三維空間上的非均質(zhì)性和滲透的各向異性 也就是巖溶水循環(huán)系統(tǒng)特征的空間差異性 由于可溶巖巖體內(nèi)構(gòu)造斷裂 節(jié)理裂隙密度不均勻及強(qiáng)度差異 再加之巖性可溶性差異及水動(dòng)力條件的不同 從而產(chǎn)生差異溶蝕作用 不均勻性還表現(xiàn)為巖層富水程度的差異 巖溶空間分布的不均勻性往往造成預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)困難和處理的難度 容易引發(fā)次生災(zāi)害 流態(tài)多變性巖溶水滲流可能是層流 紊流 混合流 在巖溶區(qū) 循環(huán)系統(tǒng)特征空間不均一 水流通道和過(guò)水?dāng)嗝孀兓?過(guò)水通道粗糙程度不同 水力坡度變化大 不同季節(jié) 不同時(shí)段的流量和流態(tài)經(jīng)常變化 導(dǎo)致流態(tài)是多變的 呈穩(wěn)定流或非穩(wěn)定流 發(fā)生管道流時(shí) 流動(dòng)物動(dòng)能大 容易產(chǎn)生較高的水頭壓力 較大的流量 破壞作用強(qiáng) 地下水運(yùn)動(dòng)的基本定律 地下水和地表水相互轉(zhuǎn)化的敏捷性 季節(jié)轉(zhuǎn)化型 洪水期時(shí) 地下巖溶通道過(guò)水?dāng)嗝娌荒軡M足調(diào)洪量的負(fù)載而溢流 以地表河形式排向臨近更低地表河 枯水期時(shí) 地下水一般從某一個(gè)或幾個(gè)排泄面排出 伏流轉(zhuǎn)化型 滲漏型 地表水進(jìn)入溶蝕巖體內(nèi)成為暗流 在巖體另一端又重現(xiàn)為明流 也可能由于下伏管道發(fā)育而發(fā)生滲漏 使地表河流量的一部分轉(zhuǎn)為地下水 阻隔轉(zhuǎn)化型 在巖溶地下水流動(dòng)過(guò)程中 遇到隔水巖層時(shí) 被頂托溢流成為地表河 容易疏干地表水 暴雨季節(jié)隧道水量增大 甚至發(fā)生涌水突泥 巖溶發(fā)育的主要規(guī)律 1 巖溶發(fā)育受巖性影響在可溶巖與非可溶巖接觸帶部位附近 特別當(dāng)非可溶巖為相對(duì)隔水層時(shí) 由于地下水的匯聚 運(yùn)移 溶腐易沿接觸帶部位發(fā)育巖溶 2 巖溶發(fā)育受地形 地貌影響在溝 谷 洼地 河床下巖溶一般比較發(fā)育 向斜軸部巖溶比較發(fā)育 背斜兩翼巖溶比較發(fā)育 3 巖溶發(fā)育受巖體結(jié)構(gòu) 構(gòu)造影響 灰質(zhì)的沉積巖中容易發(fā)育巖溶 石灰?guī)r 白云巖 泥灰?guī)r等 巖溶沿?cái)鄬悠扑閹Оl(fā)育 斷層與裂隙對(duì)巖溶發(fā)育起控制作用 可溶巖層的斷層破碎帶 特別是張性斷層破碎帶 利于地下水的運(yùn)移 地下巖溶特別發(fā)育 常發(fā)育有地下暗河等大型巖溶 在兩條或多條斷層交叉部位常形成大型溶洞 地下暗河及地下湖 池等 巖溶在褶皺軸部發(fā)育比較強(qiáng)烈 在褶曲構(gòu)造軸部 縱張裂隙 斷層 較多 有利于地下水活動(dòng) 地下水易沿著張裂隙溶蝕擴(kuò)展 形成溶蝕裂隙和溶洞 進(jìn)一步發(fā)展成為大型巖溶或暗河 巖溶容易沿著層面構(gòu)造裂隙發(fā)育 在原狀水平巖層褶皺過(guò)程中 巖層往往發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)或滑動(dòng) 在層間可產(chǎn)生層面張裂隙或?qū)用媾ち严?為地下水活動(dòng)提供運(yùn)移通道 易發(fā)育順層巖溶 在含有容易腐蝕礦物和腐蝕性氣體的地層中 巖溶可能比較發(fā)育 由于 等氣體溶于水可產(chǎn)生酸性侵蝕 34 四 巖溶隧道施工中面臨的主要難題 突水 涌泥 隧道大變形 坍塌 地面塌陷 地表水疏干或河流斷流 植被及農(nóng)作物破壞 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂破壞 37 巖溶隧道涌水突泥 38 39 隧道注漿加固后 40 1 2001年7月14日某隧道出口正洞DK361 764處發(fā)生涌水 突泥 最大涌水量為63m3 s 涌水高度達(dá)到3 0m 14 16日內(nèi)突泥 涌砂量達(dá)到15000m3 洪水沖出洞口 導(dǎo)致施工機(jī)械梭礦 噴漿機(jī) 鋼軌等機(jī)械設(shè)備和材料被沖進(jìn)洞口的河水中 42 2 2002年9月10日某隧道進(jìn)口正洞下導(dǎo)坑DK354 879處發(fā)生巨響 產(chǎn)生爆裂和沖擊波 并突出硬塑狀粘土 瞬間突泥量達(dá)4200m3 并伴隨有地下水流出 掩沒(méi)下導(dǎo)坑道244m 造成挖掘機(jī) 電瓶車和梭礦等機(jī)械設(shè)備被淹埋 3 巖溶突水 涌泥造成隧道變形 侵限 開(kāi)裂某隧道平導(dǎo)PDK354 430 470溶洞段 全斷面超前注漿后上半斷面開(kāi)挖至PDK354 461 中臺(tái)階開(kāi)挖至PDK354 457 但在下半斷面施工工程中 由于暴雨影響 水壓和水量增大 發(fā)生涌管突水 涌砂 最大涌水量達(dá)到10000m3 h 大量的涌水 突泥導(dǎo)造成上半斷面初期支護(hù)鋼拱架變形侵限 被迫用混凝土將上半斷面回填 重新進(jìn)行下半斷面超前注漿加固和開(kāi)挖 45 4 巖溶突水 涌泥容易造成地下水大量流失 水位下降 地面沉陷 房屋倒塌 衡廣浮現(xiàn)大瑤山隧道全長(zhǎng)14 295km F9斷層以灰?guī)r和砂巖為主 施工過(guò)程中 平導(dǎo)和正洞遇到了十多處充填飽和砂粘土的溶孔 溶洞 并發(fā)生了多次巖溶水引起的涌水 突泥事故 而且地表出現(xiàn)了多處陷坑 給環(huán)境帶了了不利影響 5 衡廣復(fù)線南嶺隧道全長(zhǎng)6 1km 灰?guī)r占總長(zhǎng)的92 是典型的巖溶隧道 1984年6月11日 平導(dǎo)施工至DK1935 745 4時(shí) 在線路右側(cè)的炮眼中突水 涌泥 噴射距離為15m 涌水量為3600m3 d 當(dāng)繼續(xù)放炮掘進(jìn)時(shí) 突然涌泥2500m3 平導(dǎo)淹沒(méi)170m 其中靠近掌子面70m被泥砂充滿 6月14日下午 地表DK1935 640 676出現(xiàn)了多處較大的陷坑 給施工和環(huán)境都帶來(lái)了較大的影響 南嶺隧道生潮垅洼地 下連系洼地地表陷穴位置示意圖 48 49 地表塌陷 6 巖溶造成地表塌陷 植被破壞 房屋倒塌 房屋倒塌 1 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)內(nèi)容 1 巖溶發(fā)育的規(guī)模 形態(tài) 位置 充填物 水量 水壓大小 2 巖溶發(fā)育與巖性 層理 結(jié)構(gòu) 構(gòu)造之間的關(guān)系 3 巖溶可能帶來(lái)的危害 4 建議采取的工程措施 五 巖溶隧道的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào) 2 總體原則以地質(zhì)分析為基礎(chǔ) 進(jìn)行初步判斷 采用合理的物探手段 進(jìn)行宏觀判斷 依靠鉆探進(jìn)行驗(yàn)證和精細(xì)判斷 3 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)距離短距離 中距離和長(zhǎng)距離相結(jié)合 4 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)建立自動(dòng)化程度較高的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)處理 分析 處理 反饋系統(tǒng) 施工 5 圍巖級(jí)別劃分如進(jìn)行圍巖級(jí)別劃分 應(yīng)進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn) 6 指導(dǎo)施工預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果應(yīng)盡量具體化 定量化 便于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工 巖溶預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的主要方法 1 地面地質(zhì)調(diào)查2 地勘資料分析3 洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查和分析4 施工資料分析5 物探資料6 鉆探資料7 超前導(dǎo)坑法8 綜合分析和判斷 地面地質(zhì)調(diào)查 1 地形地貌 2 巖性 地層在隧道地表的出露及接觸關(guān)系 巖層產(chǎn)狀及其變化 3 地質(zhì)構(gòu)造 斷層 褶皺 裂隙等的分布 性質(zhì) 規(guī)模及其產(chǎn)狀變化 背斜還是向斜 4 地表洼地巖溶發(fā)育位置 規(guī)模及分布規(guī)律 5 特殊地層 煤層 石膏層 在地表的出露位置 規(guī)模及其產(chǎn)狀變化 6 礦坑 巷 和采空區(qū)及其在三維空間上與隧道的關(guān)系 正斷層和逆斷層 正斷層 上盤(pán)相對(duì)下移 下盤(pán)相對(duì)上移 受引張力或重力作用使上盤(pán)向下滑動(dòng)而形成 正斷層的傾角一般較陡 多在50 60 以上 逆斷層 上盤(pán)相對(duì)上移 下盤(pán)相對(duì)下移 受擠壓力沿剪切破壞面形成 常與褶皺同時(shí)伴生 地勘資料分析 1 區(qū)域地質(zhì)資料 2 地面鉆孔描述和巖芯資料 3 壓水試驗(yàn)資料 4 物理和力學(xué)參數(shù)資料 5 圍巖穩(wěn)定性分析 6 圍巖分級(jí)資料 洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查 1 巖性 巖層產(chǎn)狀 接觸關(guān)系 完整性 掌子面穩(wěn)定性觀察 移動(dòng) 響聲 涌水 掉塊 坍塌等 2 地層分界面產(chǎn)狀及其位置 3 結(jié)構(gòu) 整體 塊狀 層狀 碎裂 散體 和構(gòu)造 斷層 褶皺 裂隙等 4 節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì) 包括發(fā)育分布位置 產(chǎn)狀 組數(shù) 節(jié)理面閉合張開(kāi)狀態(tài) 節(jié)理面形態(tài) 節(jié)理面充填情況 5 巖溶充填物 出水位置 水量 水壓測(cè)定 6 特殊地質(zhì)和環(huán)境描述 7 掌子面地質(zhì)素描應(yīng)采用圖示 文字 照片等形式 58 施工資料分析 1 鉆孔情況 鉆孔速度 巖粉 孔內(nèi)涌出物 2 掌子面穩(wěn)定情況3 變形監(jiān)測(cè)情況4 涌水量 水壓力5 超欠挖情況 物探資料分析 1 地震波反射法2 電磁波法3 直流電法4 聲波法5 其他方法 61 地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)儀器 鉆探資料分析 1 探孔分短 中 長(zhǎng)距離探孔 短距離探孔一般應(yīng)超過(guò)為5m 中距離探孔一般為30 50m 長(zhǎng)距離探孔一般超過(guò)超過(guò)50m 2 一般情況下 中距離應(yīng)在掌子面上鉆3 5個(gè) 終孔位置應(yīng)超過(guò)開(kāi)挖輪廓線外3 5m 復(fù)雜條件下 應(yīng)增加鉆孔 3 主要分析鉆孔速度 響聲 巖粉 卡鉆 出水量 水壓力等 4 鉆孔出水量 水壓的綜合對(duì)比分析 5 多鉆孔的區(qū)域分析 63 綜合預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法 地勘資料和地面調(diào)查 隧道內(nèi)掌子面地質(zhì)描述是基礎(chǔ) 物探資料是宏觀和參考 鉆探是驗(yàn)證和根本綜合分析 綜合判斷 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證 不斷優(yōu)化和修整預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法和手段 提高地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)精度 六 巖溶隧道施工安全技術(shù)措施 一 巖溶隧道施工的主要方法一般情況下應(yīng)選擇礦山法 應(yīng)慎重選用盾構(gòu)和TBM法 對(duì)于淺埋隧道 如選用盾構(gòu)和TBM法 應(yīng)提前對(duì)可能影響隧道掘進(jìn)的巖溶管道和溶洞等進(jìn)行處理 二 對(duì)于復(fù)雜巖溶區(qū)段巖溶隧道施工 應(yīng)縮小開(kāi)挖斷面 可選擇臺(tái)階法 CD法 CRD法或雙側(cè)墻導(dǎo)坑法 66 三 多種技術(shù)措施相結(jié)合原則為了保護(hù)隧道周邊環(huán)境及隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全 巖溶處理應(yīng)遵循以采取疏 堵 防 排相結(jié)合 因地制宜 綜合治理的原則 在環(huán)境條件要求嚴(yán)格的地區(qū) 以堵為主 堵混排清 堵大排小 綜合治理 68 1 對(duì)于淺埋巖溶隧道應(yīng)優(yōu)先考慮地面處理 2 對(duì)于深埋巖溶隧道應(yīng)考慮洞內(nèi)處理 3 應(yīng)盡量避開(kāi)大雨或暴雨天氣處理 4 應(yīng)將加固和堵水相結(jié)合 四 洞內(nèi)外處理相結(jié)合 69 降雨量大小的分類 降雨量 從天空降落到地面上的液態(tài)或固態(tài) 經(jīng)融化后 水 未經(jīng)蒸發(fā) 滲透 流失 而在水平面上積聚的深度 降水量以mm為單位 氣象觀測(cè)中取一位小數(shù) 小雨 中雨 大雨 暴雨等 一般以日降雨量衡量 其中小雨指日降雨量在10毫米以下 中雨日降雨量為10 24 9毫米 大雨降雨量為25 49 9毫米 暴雨降雨量為50 99 9毫米 大暴雨降雨量為100 199 9毫米 特大暴雨降雨量在200毫米以上 四 隧道巖溶處理技術(shù)1 地面注漿處理 1 一般適用于淺埋隧道 地表具備施工場(chǎng)地 巖溶為充填型溶洞和巖溶管道 拱頂覆土厚度一般小于50m 2 注漿方法 一般采用袖閥管注漿或鋼管注漿 加固范圍一般隧道開(kāi)挖輪廓線外為 0 5 0 如隧道基底巖溶發(fā)育較深 應(yīng)適當(dāng)加大 3 如巖溶孔洞較大 可填充混凝土或水泥砂漿 71 1 隧道超前預(yù)注漿方法 1 一般適用于深埋隧道 巖溶為充填型溶洞和巖溶管道 水壓力一般大于0 5MPa 2 注漿方法 一般采用前進(jìn)式或全孔一次性注漿 加固范圍一般隧道開(kāi)挖輪廓線外為 0 5 0 注漿材料一般采用雙液漿和單液漿 3 根據(jù)地層情況 可進(jìn)行全斷面 上半斷面或周邊超前預(yù)注漿等 73 74 75 2 隧道徑向注漿技術(shù) 1 適用條件 對(duì)于大面積滲漏水 局部滴漏水或小股狀巖溶水 水壓力不大于0 5MPa 可考慮采用徑向注漿方法進(jìn)行封堵 2 注漿方法一般為全孔一次性注漿或分段后退式注漿 注漿加固范圍一般為隧道開(kāi)挖輪廓線外3 5m 鉆孔一般為梅花型布置 注漿的材料應(yīng)以強(qiáng)度和耐久性較好的單液水泥漿為主 注漿壓力一般為 水壓力 MPa 3 局部注漿方法 1 適應(yīng)條件 巖層的溶隙 溶孔 小型巖溶管道有股狀涌水現(xiàn)象 出水比較清澈 受大氣降雨影響不大 水壓力一般情況下小于0 2MPa 2 一般采用直接封堵法或間接封堵法 局部注漿的材料也應(yīng)單液水泥漿為主 注漿壓力一般為1 2MPa a直接封堵法b間接封堵法局部注漿堵水示意圖 堵水應(yīng)做到 堵渾排清 堵大排小 堵高排低 頂堵墻排 4 基底注漿加固隧道底部巖溶充填物為松散或軟塑狀的泥沙時(shí) 如地基承載能力不足 為了防止列車運(yùn)行過(guò)程中結(jié)構(gòu)產(chǎn)生固結(jié)沉降 如基底溶洞充填物的厚度為隧道仰拱以下一定深度 可考慮采用注漿加固法 鉆孔深度宜深入基巖2 0m左右 孔間距為1 0 2 0m 注漿管宜選用無(wú)縫鋼管 注漿材料應(yīng)以單液水泥漿為主 注漿管上端應(yīng)和仰拱相連 以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度 5 換填方法如隧道拱部 邊墻或底部存在小型干溶洞或空腔 內(nèi)部幾乎無(wú)充填物 無(wú)水 可采用砂石料 漿砌片石 干砌片石 水泥砂漿 混凝土等粗細(xì)骨料全部充填 必要時(shí)設(shè)置排水系統(tǒng) 使填充物不阻斷地下水的過(guò)水通道 換填深度一般不超過(guò)3 0m 6 疏導(dǎo)方法為了不改變地下水的流動(dòng)規(guī)律 溶管水的處理應(yīng)首先選擇連通方案 通過(guò)多種地質(zhì)手段 探明隧道周圍溶管的發(fā)育方向 對(duì)于流動(dòng)路徑比較明確的溶管水 如確系隧道將溶管截?cái)?可以通過(guò)在拱頂 邊墻或底部適當(dāng)部位增加輔助通道將溶管連通 不改變地下水總的流動(dòng)趨勢(shì) a拱部溶管處理b邊墻溶管處理溶管連通示意圖 7 跨越方法 1 涵 管跨越如果隧道底部存在小體積的溶洞空腔或暗河 且流量都較小且比較穩(wěn)定 宜在隧道底部設(shè)置暗涵 管跨越 2 橋梁跨越如隧道底部存在巖溶流量和流速都很大的暗河 宜采用橋梁跨越 但施做橋墩時(shí) 一定要探明河底的地質(zhì)情況 合計(jì)選取樁和承臺(tái)的施工方法 確?；A(chǔ)具有足夠的承載能力 8 放水減壓方法如巖溶水是從比較堅(jiān)硬 完整的巖層中流出 泥砂含量很小 且水量 水壓均不大 且能夠確定溶洞水排放對(duì)周圍環(huán)境和隧道結(jié)構(gòu)安全不會(huì)造成太大的影響 可采用平行導(dǎo)坑 排水洞 橫洞 迂回導(dǎo)坑排水等方法進(jìn)行放水減壓 9 直接排放法如果探水孔流出清水 水壓力P 0 1MPa時(shí) 且能夠確認(rèn)隧道排水不會(huì)影響施工安全和周圍環(huán)境 相鄰建筑物的安全時(shí) 可采用直接排放方案 10溶洞直接揭開(kāi)法 1 適用水量 水壓 規(guī)模不大的小規(guī)模溶洞或巖溶管道 且揭開(kāi)后對(duì)環(huán)境不會(huì)造成破壞 2 作好應(yīng)急預(yù)案和安全防范 盡量一次爆破成功 86 11采用聯(lián)合支護(hù)體系 1 采用周邊注漿 超前小導(dǎo)管和大管棚等超前加固圍巖 采用剛拱架 錨噴網(wǎng)等聯(lián)合支護(hù)體系 2 做好鎖腳錨桿 管 防止拱架下沉 3 采用徑向注漿 限制初期支護(hù)變形 采用抗水壓襯砌 87 88 89 1 加強(qiáng)觀測(cè)和監(jiān)測(cè) 降雨量和涌水量 水壓力觀測(cè) 分析相互關(guān)系 地表沉降和建筑物變形 水井水位監(jiān)測(cè)等 隧道變形監(jiān)測(cè) 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè) 1 南嶺隧道地表注漿處理 南嶺隧道生潮垅洼巖溶注漿處理 七 巖溶處理工程實(shí)例 2長(zhǎng)地隧道基底溶洞換填處理 3鋁廠隧道溶洞回填漿砌片石和注漿處理 4新橋隧道基底巖溶涵管跨越 5高寨一號(hào)隧道基低溶洞換填處理 6普洱渡隧道溶洞泄水洞處理 1 超前鉆探和標(biāo)準(zhǔn)化施工問(wèn)題問(wèn)題 不進(jìn)行超前鉆探或施工不規(guī)范導(dǎo)致隧道涌水突泥 隧道爆破后留下的隔水層太小或直接揭穿溶洞 對(duì)策 嚴(yán)格按設(shè)計(jì)進(jìn)行施工 必要時(shí)增加探孔 每循環(huán)爆破后一定要留下足夠的隔水層 八 巖溶隧道施工容易出現(xiàn)的問(wèn)題及對(duì)策 97 隔水層的抗?jié)撐g厚度若隔水層兩側(cè)含水層中水位不同 則在高水位一側(cè) 產(chǎn)生向低水位一側(cè)的地下運(yùn)動(dòng) 并形成一定的滲透壓力 如果隔水層厚度能夠足以承受這種滲透壓力 則可以認(rèn)為能起到隔水作用 否則 隔水層可能被潛蝕破壞 當(dāng)隔水層兩側(cè)具有一定水位差時(shí) 隔水層的臨界有效厚度可用h0表示 即 98 式中 H為隔水層兩側(cè)的水位差 m 為取決與含水層透水性的水頭折減系數(shù) 一般在0 65 0 95范圍內(nèi)選用 0為根據(jù)隔水層透水性決定的允許水力比降 數(shù)值見(jiàn)下表1 99 h為隔水層的實(shí)際厚度 判斷標(biāo)準(zhǔn)如下 1 h 3h0為可靠隔水層 2 h 1 3 h0為基本可靠隔水層 3 h h0隔水層可能被潛蝕破壞 100 溶洞巖體破碎 節(jié)理裂隙發(fā)育 完整性差 巖體強(qiáng)度低 水量大 水壓高 處理方法為 引排水 施作止?jié){墻 全斷面超前預(yù)注漿封堵 101 巖溶管道周圍巖體條件好 厚度大 完整性好 強(qiáng)度高 采用氣囊止?jié){塞直接塞入固定后注漿封堵 局部檢查和補(bǔ)充注漿 2 孔口管和止水裝置安裝問(wèn)題問(wèn)題 孔口管固定不牢固 被高壓涌水沖出 造成探孔涌水突泥 在高壓富水區(qū)未孔口安裝止水裝置 對(duì)策 孔口管固定牢固 孔口安裝高壓球閥等止水裝置 103 3 多個(gè)爆破孔出水出泥的爆破問(wèn)題問(wèn)題 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個(gè)鉆孔出水出泥或向外噴水 炸藥難以裝入 仍進(jìn)行爆破開(kāi)挖 導(dǎo)致涌突水或淹沒(méi)掌子面 對(duì)策 進(jìn)行掌子面封堵 探測(cè) 并確定處理方案 4 溶洞泥砂排放問(wèn)題問(wèn)題 大量涌水突泥 導(dǎo)致地表塌陷 地表水疏干對(duì)策 采用注漿封堵的辦法 限制泥砂排放 減小水壓力和涌水量 達(dá)到堵大排小 堵混排清 本人觀點(diǎn) 為了環(huán)境保護(hù)和隧道運(yùn)營(yíng)安全 減少維修費(fèi)用 建議排水的水壓力小于0 1MPa 隧道排水量小于0 2 0 5m3 m d 排水的泥沙含量小于1 10000 5 雨季施工問(wèn)題 大雨或暴雨季節(jié)施工導(dǎo)致溶洞被水擊穿 引起涌水突泥 對(duì)策 縮小開(kāi)挖斷面 減小循環(huán)進(jìn)尺 避開(kāi)大雨和暴雨季節(jié)施工 成立應(yīng)急機(jī)構(gòu) 準(zhǔn)備應(yīng)急物資 制定應(yīng)急預(yù)案 6 處理時(shí)機(jī)不合適存在問(wèn)題 由于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確 直接揭穿溶洞 正在涌突高峰時(shí)進(jìn)行處理 對(duì)策 提高預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)精度 加強(qiáng)超前鉆探 在距離溶洞邊緣1 2倍D以上 且不小于5 0m 應(yīng)停止開(kāi)挖 研究處理方案 存在問(wèn)題 涌水突泥還不穩(wěn)定進(jìn)行處理 造成淹沒(méi)洞室和人員傷亡 對(duì)策 加強(qiáng)遠(yuǎn)程觀察 溶洞涌水突泥峰值過(guò)后 涌水量穩(wěn)定后 才能進(jìn)行處理 7 施工工藝問(wèn)題存在問(wèn)題 施工工藝不合理 開(kāi)挖斷面太大 進(jìn)尺太長(zhǎng) 未及時(shí)封閉成環(huán) 二次襯砌距離掌子面太長(zhǎng) 對(duì)策 采用分步開(kāi)挖 減小開(kāi)挖斷面 縮短循環(huán)進(jìn)尺 及時(shí)封閉成環(huán) 二次襯砌保持合適距離 嚴(yán)格執(zhí)行十八字方針 預(yù)加固 短進(jìn)尺 弱爆破 強(qiáng)支護(hù) 快封閉 勤量測(cè) 108 8 掌子面失穩(wěn)破壞存在問(wèn)題 掌子面失穩(wěn)導(dǎo)致隧道坍塌 對(duì)策 軟弱破碎地段 應(yīng)采預(yù)留核心土開(kāi)挖 開(kāi)挖后應(yīng)采用初噴 局部加固 反壓砂袋等措施及時(shí)封閉掌子面 防止掌子面失去穩(wěn)定坍塌 9 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題 圍巖松動(dòng)后 水土壓力太大 支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 剛度 穩(wěn)定性不足 變形大 對(duì)策 在溶洞核心區(qū) 適當(dāng)增加預(yù)留變形量 根據(jù)水土壓力大小 提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 剛度 穩(wěn)定性 考慮水土壓力變化時(shí) 二次襯砌的承載能力 110 10 對(duì)監(jiān)控量測(cè)重視不夠問(wèn)題 未監(jiān)測(cè)或監(jiān)測(cè)不規(guī)范 未及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患 導(dǎo)致初期支護(hù)突然失穩(wěn)破壞 對(duì)策 嚴(yán)格監(jiān)測(cè) 發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)處理 防止支護(hù)結(jié)構(gòu)突然破壞 111 11 抽水能力不足 導(dǎo)致隧道淹沒(méi)問(wèn)題 停電或抽水系統(tǒng)能力不足 突發(fā)涌水 淹沒(méi)隧道 對(duì)策 合理預(yù)測(cè)隧道最大涌水量 合理設(shè)置排水系統(tǒng) 采用備用電源 112 九結(jié)論與體會(huì) 1 巖溶處理是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù) 必須因地制宜 綜合治理 2 地質(zhì)調(diào)查 分析和超前鉆探測(cè)等手段對(duì)于制訂巖溶處理方案非常重要 3 巖溶處理應(yīng)盡量避開(kāi)大雨和暴雨天氣 4 對(duì)溶洞進(jìn)行封堵時(shí) 一定應(yīng)認(rèn)真測(cè)定溶洞的水量 水壓 正確判定水流方向 并對(duì)涌出物進(jìn)行分析 以便合理選擇注漿方式 材料 參數(shù) 工藝 設(shè)備 5 堵排結(jié)合 堵大排小 堵混排清 6 溶洞區(qū)隧道結(jié)構(gòu)一般需要加強(qiáng) 同時(shí)為了運(yùn)營(yíng)以后的維修和補(bǔ)強(qiáng)方便 隧道的開(kāi)挖輪廓線和凈空都應(yīng)適當(dāng)放大 預(yù)留補(bǔ)強(qiáng)空間 7 在設(shè)計(jì)抗水壓襯砌時(shí) 應(yīng)考慮水土壓力的變化 8 巖溶處理一定要嚴(yán)格管理 科學(xué)施工 持之以恒 不能半途而費(fèi) 115 9 為防止次生災(zāi)害發(fā)生和人員傷亡 避免在涌突能量高峰進(jìn)行處理 因此正確決策和指非常重要 10 針對(duì)不同的巖溶類型 實(shí)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和施工 根據(jù)巖溶情況 要靈活應(yīng)變和處理 尤其要防止災(zāi)害擴(kuò)大 116 十練習(xí)題 可溶性巖石包括 A 石灰?guī)r 大理巖 砂巖 B 硫酸類巖石 鹵素類巖石 碳酸類巖石 C 除火成巖以外的所有巖石 D 所有的變質(zhì)巖 答案 B 117 2 巖溶形成的條件應(yīng)具有 A 地形低洼 破碎的可溶性巖體 B 可溶性的巖石和地下水 C 可溶性的巖石 具有一定溶蝕能力和足夠流量的水 地表水及地下水有流動(dòng)的通道 D 可溶性的巖石 有沖刷能力的地表水 答案 118 3 按埋藏條件 巖溶分為 A 裸露型 覆蓋型 埋藏型 B 地上型 地下型 C 基巖型 覆蓋型 D 固定型 流動(dòng)型 深藏型 答案 A 119 巖溶的形態(tài)分為 A 完整形態(tài)和破碎形態(tài) B 地表形態(tài) 石芽 溶溝 溶蝕洼地等 地下形態(tài) 溶泉 天窗 暗河等 C 自然形態(tài)和后期人為破壞形態(tài) D 火成巖形態(tài) 沉積巖形態(tài) 變質(zhì)巖形態(tài) 答案 B 120 5 巖土工程中 土洞是指 A 土中的動(dòng)物洞穴 B 古代人類生產(chǎn) 生活的土中洞穴 C 土中的所有洞穴 D 可溶性巖層上覆土層中 與巖溶拌生的空洞 答案 D 121 6 有關(guān)土洞的正確說(shuō)法是 A 有適宜被沖蝕的土體 有水的流動(dòng) 有排泄 儲(chǔ)存沖蝕物質(zhì)的通道和空間 B 強(qiáng)大的水流和松散的土體 C 只有黃土地區(qū)才有土洞 D 巖溶地區(qū)的土層中都有土洞 答案 A 122 7 巖溶和土洞的關(guān)系為 A 有巖溶必然有土洞 B 土洞發(fā)育區(qū)必然是巖溶發(fā)育區(qū) C 巖溶和土洞之間沒(méi)有關(guān)系 D 有土洞不一定有巖溶 答案 B 123 8 同等條件下 硫酸巖的溶蝕速度 碳酸巖的溶蝕速度 A 大于 B 小于 C 等于 D 沒(méi)有可比性 答案 A 124 9 巖溶的勘察方法宜采用 A 以工程地質(zhì)調(diào)