巖溶隧道安全施工技術與管理.ppt

1、,宜萬鐵路建設總指揮部：張民慶 二六年三月 成都,巖溶隧道 安全施工技術與管理,第一章 國內巖溶隧道工程地質災害案例 第二章 巖溶隧道風險等級劃分 第三章 巖溶隧道安全的生產要素、程序和組織 第四章 巖溶隧道安全預測預報 第五章 巖溶隧道安全管理 第六章 巖溶隧道安全設計 第七章 巖溶隧道安全施工 第八章 巖溶隧道安全逃生 第九章 巖溶隧道安全搶險 第十章 中國古文化對巖溶安全的啟示,第一章 國內巖溶隧道工程災害案例 【案例1】渝懷鐵路圓梁山隧道910災害,圓梁山隧道全長11.068km，是渝懷線上最長的隧道。隧道穿越毛壩向斜、桐麻嶺背斜和冷水河淺埋段，穿過三疊系、二疊系、泥盆系、志留系、奧陶

2、系和寒武系等多種地層。設計階段預測水壓力為4.424.6MPa，全隧正常涌水量98000m3/d，最大涌水量145000m3/d。,（1）910災害前的超前預測預報情況 圓梁山隧道超前地質預測預報主要采取TSP202、紅外線和超前探孔三種方式。 2002年8月26日，隧道施工到DK354+726，采用TSP202進行超前預測預報，預報里程為DK354+726+886，預報表明前方無明顯反射信號，巖體較為完整、均一，圍巖級別為級。 2002年9月9日，正洞施工到DK354+870，采用紅外線探水超前預測預報，預報表明前方發(fā)育含水構造，但發(fā)生突涌水的可能性較小。 2002年9月10日，正洞開挖到D

3、K354+877.7，采用風鉆實施4個5m超前淺孔鉆探，探孔中無涌水、涌泥。,（2）910事故發(fā)生過程 2002年9月10日，隧道正洞下導坑施工到DK354+879，掌子面為深灰色灰?guī)r，圍巖較完整，無水，圍巖等級為級。 10:05隧道開挖放炮后進行正常出碴。 10:40當進行第三車裝碴時，掌子面底部碴堆發(fā)生輕微移動并出現少量涌泥，于是，現場立即停止出碴，退出所有人員與設備。,12:00設計、施工和科研單位召開緊急會議，決定施作止?jié){墻，以保證下一步鉆孔注漿施工。 13:30地質及施工工程師到掌子面進行取樣、攝像和地質分析。當時，從掌子面右下部一大約高1.5m巖溶管道中擠出黃色硬塑可塑狀粘土，局部

4、可見明顯擦痕，涌泥長度9m，高度接近下導坑拱頂部位，約3.5m，涌泥中無水，但在巖體內部可聽見似水流聲音。,14:00涌泥部位右側有少量地下水流出，水渾濁，濃似泥漿。 14:10施工人員到掌子面進行混凝土止?jié){墻施作。 14:30掌子面突然爆開，隨之，大規(guī)模硬塑可塑狀粘土噴出，約30秒時間，涌泥向外噴出244m，從而塞滿下導坑4200m3空間，受洞內停放在DK354+679電瓶車、梭礦阻擋，涌泥速度變緩。突泥過程中有4名人員逃生，9名遇難。之后，涌泥緩慢向洞外繼續(xù)移動，最快7m/h，最慢1m/h，到9月12日11:30，涌泥至DK354+550處基本穩(wěn)定。,10:40,14:30,13:30,災

5、害全過程,（3）910災害值得思索的幾個問題 超前預測預報問題：TSP一次預報距離？、紅外線可信度？、超前深孔鉆探問題？ 涌泥后該進行什么工作？要觀察多長時間？ 安全逃生理念？是逃還是避？ 如何處理以后所遇到的同類地質？,水聲,【案例2】宜萬鐵路馬鹿箐隧道121災害,馬鹿箐隧道全長7879m，是宜萬線上長大隧道之一。隧道為金子山復向斜中四方洞向斜南東翼的單斜地層中，隧道區(qū)域漏斗、落水洞、暗河系統(tǒng)十分普遍，巖溶強烈發(fā)育。隧道處于巖溶水平循環(huán)帶和深部滲流帶，管道巖溶水系統(tǒng)極為復雜。設計預測隧道正常涌水量為170254m3/d，最大涌水量為823961m3/d。,（1）121災害前超前預測預報情況

6、2005年10月29日，隧道出口平導施工到PDK256+011，采用TSP、地質雷達及2個超前深孔鉆探對前方進行超前地質預測預報，預測預報表明：前方30m左右存在異常，存在溶隙帶，溶隙內富水，超前探孔水量為3035m3/h，水量穩(wěn)定4天無任何變化。 11月30日，平導施工到PDK255+992又采用深孔鉆探對前方地質進行預測預報，預報表明：前方存在一沿線路方向長28m溶腔，溶腔內少量充填黃泥、河砂、礫塊石及木屑等，大部分被水充填，水壓力為0.81.2MPa。初步測算鉆孔出水量為4000m3/d，動水量為2000m3/d。,（2）處理措施 平導遭遇該溶腔后，隨開設橫通道對正洞進行鉆探，并對平導右

7、側進行探測，探測表明左、右側均發(fā)育溶腔，迂回施工難度較大，于是決定對溶腔采取超前帷幕注漿，加固范圍為按正洞斷面開挖輪廓線外58m。注漿后經鉆孔檢查，檢查孔均為線狀流水，流水量為0.1L/mmin，水壓力為0.1MPa。,（3）121事故發(fā)生過程 注漿后進行隧道開挖。2006年1月21日，平導開挖至PDK255+978，已進入溶洞4m，經觀察，溶洞破碎裂隙被漿液充填，注漿效果較好。 6:30開始進行鉆孔，鉆孔過程中掌子面很穩(wěn)定，無任何異常情況。在鉆孔過程中進行了4個4.5m的超前淺孔鉆探，鉆孔無水。 9:40鉆孔完畢進行裝藥。 10:08開始放炮。 10:1510:30安全員對掌子面進行排險。,

8、10:50正準備進行出碴時，出碴人員聽到掌子面有掉塊、坍方響聲，并伴隨少量流水，于是立即停止出碴，乘電瓶車逃離。由于涌水，洞內照明因漏電保護跳閘中斷。平導掌子面突水約5分鐘后（據推測） ，水通過平導和正洞之間的橫通道涌入正洞，致使正洞作業(yè)人員13人被困。（反坡施工） 11:00平導逃生人員出洞后立即報告，施工單位隨即組織進正洞營救。梭礦車行至DK257600處左右，洞內已被水淹沒無法前進，隨即出洞。,11:05水相繼從平導、正洞涌出，大水封閉整個平導、正洞，洞口水面高3.5m，涌水將洞外施工場地部分沖毀，突水持續(xù)約40分鐘后涌水量減弱至300m3/h。經事后推算，高峰期最大涌水量72萬m3/h

9、，突水總量約18萬方。突水期間有2個隨突水由正洞沖出獲救，其余11人遇難。,10:50,11:05,（4）121災害值得思索的幾個問題 超前預測預報到有巖溶存在時該怎么辦？是堵還是排？ 如何評價該巖溶所采取的注漿措施？如何評價超前支護措施？ 不同掌子面的同步逃生預警問題？ 逃生應急照明？如何組織逃生？,兩起工程災害是否有共性特點？1、施工單位能力水平？2、進洞人數？3、平導均只有不到兩公里？,對隧道進行風險等級劃分是十分必要的。對隧道風險等級劃分是依據勘察階段對隧道工程地質及水文地質的評價，從宏觀上對隧道風險進行評估，從而引起各方充分重視（意識形態(tài)的提高、費用的增加、工期的合理安排），繼而制定

10、出合理有效的超前預測預報方法、處理方案、應急處理對策，以達到規(guī)避施工風險，避免或最大程度地減少地質災害所引起人員傷亡和財產損失。,第二章 巖溶隧道風險等級劃分,第三章 巖溶隧道安全生產要素、程序和組織,1 安全生產六要素 巖溶隧道安全生產是建設單位、設計單位、施工單位、監(jiān)理單位四方共同的責任，其中任何一個環(huán)節(jié)出現差錯，對于巖溶隧道，特別是級風險隧道，都有可能造成重大的經濟損失和人員傷亡，因此，各方應各司其職、各負其責。 根據以往巖溶隧道施工的經驗與教訓，巖溶隧道安全生產有六個要素：安全預報、安全管理、安全設計、安全施工、安全逃生、安全搶險。 2 安全生產程序,第四章 巖溶隧道安全預測預報 （宜

11、萬線實施情況）,（1）預測預報方法：地質素描、TSP203、地質雷達、紅外線探水、超前水平深孔鉆探和風鉆加深5m淺孔鉆探為必測方法，選定HSP、負視速度法、孔內CT和成像為選測項目，在必要時進行。,（2）組織與管理 制度化管理：制定了宜萬線施工地質勘察與超前預測預報專項機制，編寫了宜萬線復雜隧道施工地質實施細則。 職能化管理：設計單位為主體，建設、施工、監(jiān)理單位明確職責、分工合理、相互協(xié)調、系統(tǒng)管理。 專項性管理：施工單位要有專業(yè)人員和設備。 納入工序管理：納入施工工序中，施工中做到“有疑必探、不探不挖”的原則。,（3）現場應用效果： 到目前為止，只要是按規(guī)定的項目進行超前預測預報，所遇到的規(guī)

12、模較大的巖溶均探測到。 鉆機選型：全線共有鉆機16種（GY-2PC、HGY-300D、JD-30、LF-100、MGY-60B、MK-3、MK-5、MK-5S、RDP-150C、XY-2、XY-2P、XY-2PC、XY-150、YQ-100、ZD-60、ZYG-150B），使用效果相差很大。其中大部分鉆機鉆進行能力小，這對將鉆孔納入工序管理造成很大影響（約有17%的時間用于鉆孔）。推薦使用MKD-5S（煤科院西安分院產）、 ZYG-150B（煤科院重慶分院產）、 RDP-150C（日本進口）地質鉆機 。,超前深孔鉆探基本上探到了所有的大型巖溶，5m淺孔風鉆鉆探基本上探到了所有的涌水。超前鉆探仍

13、是超前地質預測預報的主體。 TSP預報率不高，應進一步研究，提高預報率。去年上半年為35%，目前為52%。 地質雷達對基底巖溶探測效果很好。對較大規(guī)模的巖溶反映十分敏感。 紅外探水結論模糊，難以起到應有的作用。,（4）不認真進行預測預報的教訓 2004年9月11日，別巖槽隧道出口上半斷面開挖到DK406+422，掌子面炮眼孔射水，施工人員迅速撤離。12:30分，掌子面爆開，突發(fā)大規(guī)模涌水，突水洪峰流量36000m3/h，洞口涌水高度1.8m，涌水持續(xù)時間40min后穩(wěn)定為500m3/h。該次突水使洞內設備席卷而出，并沖垮洞口場地，使上、下游居民用水受到嚴重影響，造成經濟損失約100萬元，,1

14、超前預測預報專項化管理 （1）專項經費列入概算 （2）納入施工工序管理（投標階段） （3）物探技術應走專業(yè)化承包之路 （4）鉆探技術應配備快速鉆孔機械 （5）加強淺孔風鉆鉆探工作 （6）制定規(guī)范、標準，實現規(guī)范化管理,第五章 巖溶隧道安全管理,2 隧道巖溶治理程序化管理 （1）會商程序：有突涌水可能的，必須由建設單位組織四方會商。 （2）方案設計程序：設計負責、建設單位審批 （3）施工程序：施工單位編寫施組、監(jiān)理審批、施工單位實施 （4）注漿效果檢查程序：施工單位實施、監(jiān)理簽認、建設單位對達不到設計要求的應重新組織會商。,3 隧道巖溶安全制度化管理 （1）制定巖溶隧道防范高風險專項機制 （2）

15、制定巖溶隧道注漿施工管理實施細則 （3）制定巖溶處理的一般原則 4 隧道巖溶治理費用管理 實報實銷？承包？采用承包會帶來很多安全隱患。 5 工期問題 遇到特大巖溶或有涌突水可能時應重新審核工期,第六章 巖溶隧道安全設計 1 反坡隧道洞內抽水系統(tǒng)設計 2 洞口排水系統(tǒng)設計 3 注漿堵水設計 4 注漿效果檢查評定標準建立 5 巖溶管道放水降壓回填處理設計 6 支護體系設計 7 二次襯砌設計 8 暗河處理設計 9 輔助坑道設計方案 10 逃生通道設計 11 同聲光預警系統(tǒng)設計 12 應急照明設計 13 逃生線路設計,注漿施工的七個重要參數 漿液擴散半徑R基礎 注漿布設間距ab 注漿分段長度（步距）h

16、 漿液凝膠時間Tg核心（心臟） 注漿速度v（Q）能量（血液） 注漿量Q（Q） 注漿壓力P關鍵（眼睛）,注漿效果檢查評定標準建立,五類十四種,【圓梁山隧道1#溶洞】注漿中表現兩種P-Q-t曲線。型曲線主要是內圈、外圈孔，特別是底部孔。其注漿壓力較小，一般為1.52MPa，注漿速度為4050L/min，隨著注漿的進行，注漿壓力稍有升高，注漿速度略有降低，當達到設計注漿量時，注漿終壓不能達到設計終壓，而此時注漿速度仍較大。經分析，認為主要是溶洞區(qū)存在一定空隙(洞)，漿液流動的阻力較小，漿液主要表現為填充擴散方式進行加固。,1 注漿過程P-Q-t曲線法,【圓梁山隧道1#溶洞】型曲線主要是上部注漿孔和中

17、部注漿孔所表現，這和注漿設計意圖所采取的雙序孔約束型注漿措施一致，達到了擠壓密實的目的。注漿過程中，開始時注漿壓力為22.5MPa，注漿速度為3050L/min，隨著注漿進行，壓力上升，注漿速度明顯下降，當達到設計注漿量時，注漿終壓達到或超過設計終壓值34MPa，此時注漿速度降至1015L/min，這主要表現為擠壓劈裂再擠壓。,2 注漿量分布特征法,注漿量分布時間效應圖,【圓梁山隧道2#溶洞】 總體可以將注漿量分布時間效應圖分成兩部分，即前期單序孔部分和后期雙序孔部分，明顯單序孔注漿量要比雙序孔注漿量大，這和預期的分序孔注漿原則相一致。前期單序孔階段，注漿量離散性很大，這主要是由于巖溶分布的不

18、均一性特征所引起。,上半斷面注漿量分布空間效應圖,由上半斷面注漿量分布空間效應圖來看：輪廓線外三圈孔注漿量總體是均布的，拱頂處較大 ，這主要是由于上部存在較大的空腔所致。由注漿量分布情況來看，兩側拱腰處明顯存在著薄弱區(qū)，對此，這應在補孔注漿及檢查孔施工時重點強化處理。,下半斷面注漿量分布空間效應圖,由下半斷面注漿量分布圖來看：注漿量分布比較均勻, 注漿量都比較小，可見水是由上部過來的，上半斷面注漿后，基本上堵住了巖溶水。,（3）涌水量對比法,【圓梁山隧道1#溶洞】超前地質探孔涌水量為5070m3/h，注漿施工中涌水量超過10000m3/d。注漿后，該溶洞段涌水量只有510m3/h，注漿堵水率達

19、到90%以上，注漿堵水效果是很明顯的。,【圓梁山隧道2#溶洞】隨著注漿進行，鉆孔涌水量總體呈減少趨勢，由此來看，總體注漿效果明顯，是隨著注漿進行不斷提高。鉆孔中的涌水量表現出明顯的離散性，這和2#溶洞地質復雜有關。,（4）漿液填充率反算法,【深圳市向西路人行地道工程】注漿結束后，統(tǒng)計注漿總量Q，利用公式Q=Vn(1+)反算出漿液填充率=83.6%，滿足注漿加固堵水要求。在隨后施工中，工程安全順利。,（5）檢查孔觀察法,【圓梁山隧道2#溶洞】注漿結束后，根據注漿P-Q-t曲線分析，結合注漿量分布特征，在注漿薄弱環(huán)節(jié)鉆設檢查孔。由圖檢查孔來看，檢查孔無涌水、涌砂，且成孔好。檢查孔放置1小時后，仍無

20、坍孔、無涌水、無涌砂，因此，可以判定注漿效果是良好的，能滿足安全開挖要求。,（6）檢查孔取芯法,【廣州地鐵楊體區(qū)間隧道 】注漿結束后，針對注漿薄弱環(huán)節(jié)進行取芯試驗。取芯表明：巖芯呈柱狀，完整性好，巖芯提取率在60%以上，巖芯加固優(yōu)良率為71.596.6%。對巖芯進行抗壓強度測試，在灰色細砂中為0.2950.428MPa，在黃色中粗砂中為1.153.29MPa。,（7） 檢查孔P-Q-t曲線法,【圓梁山隧道1#溶洞】對檢查孔進行注漿，繪制P-Q-t曲線。由圖來看，開始時，注漿初壓為2MPa，注漿速度為15L/min，隨著注漿進行，注漿壓力和注漿速度基本保持不變，這主要是起到了補充注漿作用，并進一

21、步劈裂強化注漿效果。維持5min后，注漿壓力突然上升，超過設計注漿終壓3MPa，同時注漿速度急劇下降，當注漿壓力達到4MPa時，地層基本注不進漿，而此時注漿量遠小于設計注漿量，可見檢查孔區(qū)域已飽和密實，達到注漿設計要求。,檢查孔P-Q-t曲線,（7） 檢查孔P-Q-t曲線法,（8）滲透系數測試法,【深圳地鐵益田站】注漿截水帷幕施工結束后，測試地層滲透系數為1.810-52.510-6cm/s，滿足工程安全施工要求，達到了注漿截水帷幕的目的。在隨后樁基開挖中，僅有少量滲水，工程得以安全施工。,（9）加固效果觀察法,【圓梁山隧道1#溶洞】對掌子面注漿加固效果進行觀察，注漿后，掌子面淤泥質粘土被有效

22、加固，無水，開挖過程中，掌子面自穩(wěn)性好，無任何坍塌。,（10）注漿機理分析法,【圓梁山隧道1#溶洞】在開挖過程中，觀察漿液對地層的加固狀況。漿液加固溶洞地層，主要表現為填充擠壓和剪切劈裂兩種方式。填充擠壓方式主要是當地層孔隙(洞)較大時，漿液直接填充空隙(洞) ，該加固方式主要發(fā)生在破碎圍巖和粘土的交界面，以及部分空隙率較大的部位。剪切劈裂方式主要是在未擾動的粘土地層，漿液在較高壓力條件下形成劈裂脈，以脈狀擴散方式形成網狀加固結構，以達到固泥堵水的目的。,方式一 填充擠壓方式,方式二 剪切劈裂方式,（11）力學指標測試法,【圓梁山隧道1#溶洞】漿液強度較高，但由于漿液固結機理主要表現為擠壓填充

23、和剪切劈裂作用，因而漿液加固固結體測試抗壓強度時，首先固結體內的粘土體被破壞，而此時漿液仍表現為固結強度，經多次取樣測試，其單軸抗壓強度均在0.2MPa左右。注漿前地層為軟塑狀粘土，不能自穩(wěn)，注漿后地層抗壓強度得到了改善。注漿前地層含水量為120.3%，地層空隙率為82.8%，注漿后地層含水量降低到15.729.1%，地層空隙率降低到18.344.2%。,強度與耐久性問題,（12）水位推測法,【以太廣場高級寫字樓保護】在截水帷幕施工前越秀公園站施工中，地下水位變化異常，伴隨著施工的進行與暫停，水位隨之變化，因而無法保證以太廣場的安全穩(wěn)定。通過實施截水帷幕，在之后2001年3月10日以后的越秀公

24、園站施工中，以太廣場內側水位穩(wěn)定，這充分證明了以太廣場復合式截水帷幕施工效果是好的。,（13）變形推測法,【廣州地鐵越秀公園站北基坑圍護樁外注漿】前期挖樁階段地表急劇下沉，最大沉降速率6.9mm/d，最大沉降值32mm。在挖樁至成樁階段，地表下沉速率最大值為1.3mm/d，這一階段累計下沉最大值為7.2mm，由此可見圍護樁外注漿截水帷幕的施作是十分成功的。,（14）物探法,【圓梁山隧道2#溶洞】注漿前后TSP對比,巖溶注漿處理時注漿效果檢查方法與標準（建議） （1）必測項目： P-Q-t曲線法（符合設計要求，達到設計注漿量和注漿終壓） 注漿量分布特征法（不能有注漿盲區(qū)） 涌水量對比法（堵水率達

25、到80%，總涌水量5m3/m/d） 檢查孔觀察法（檢查孔無涌水、涌砂，放置一個小時仍無涌水、涌砂。） 滲透系數測試法（k10-5cm/s） 力學指標測試法(固結體抗壓強度0.3MPa，注漿后地層含水率35%） （2）選測項目 加固效果觀察法、注漿機理分析法、檢查孔P-Q-t曲線法,第七章 巖溶隧道安全施工,1 安全生產制度及培訓:施工單位應對進洞作業(yè)人員進行安全生產制度培訓，特別是應對掌子面風險標識學會判別，對逃生線路明確。 2 輔助導坑與正洞的協(xié)調施工原則: 對于長大巖溶隧道，應注意以下幾個輔助導坑與正洞協(xié)調施工的原則。 （1）堅持“平導超前、盡快貫通”的施工原則。 （2）正洞與平導作業(yè)面應

26、協(xié)調施工，做到“平導超前、正洞緊跟”，反對平導長距離獨頭掘進，原則上，正洞與平導作業(yè)面的距離不要超過500m。,（3）當平導遇到特大巖溶時，應優(yōu)先考慮采取迂回導坑的措施。當確實沒有迂回條件或迂回工作量特別大時，才考慮處理措施。 （4）當平導遇到特大巖溶時，在平導巖溶超前處理后開挖期間，由平導拐入正洞的獨頭作業(yè)面應停止施工。,（5）當正洞遇到特大巖溶時，應優(yōu)先考慮迂回措施，實現兩端夾擊加固，待平導貫通后處理。 （6）當反坡隧道施工遇到特大巖溶，存在突水、突泥可能時，應重新分析隧道工期，如工期能保證，原則上采取反坡加固，反坡開挖揭示。,3 施工方法的選擇：以短臺階法為主，必要時可采用CRD工法開挖。 4 初期支護：大型充填型溶洞一定要采取大管棚支護。 5 信息化施工：巖溶