李術(shù)才-隧道與地下工程重大突涌水災(zāi)害治理關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用

隧道與地下工程突水突泥災(zāi)害控制關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用李術(shù)才山

東

大

學(xué)2015年10月 太原一、研究背景與總體思路二、突涌水注漿擴散與封堵機理三、突涌治理新材料、裝備及配套工藝四、突涌水治理設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)五、工程應(yīng)用及典型案例2匯報提綱一、 研究背景與總體思路3交通水電工程：到2020年，我國高速公路和鐵路均將超過12萬公里鐵路隧道將達(dá)到1萬公里高速公路鐵路我國交通網(wǎng)規(guī)劃?建設(shè)中心向西部縱深轉(zhuǎn)移，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道（洞）比例大?特點：大埋深、長洞線、高應(yīng)力、強巖溶、高水壓、大流量、構(gòu)造復(fù)雜，施工風(fēng)險極高一、研究背景與總體思路研究背景礦山工程

隨著我國對資源需求量的日益增加，礦山開采逐步向深部轉(zhuǎn)移

深部開采帶來了一系列技術(shù)難題，礦壓大、水壓大、溫度高，突涌水、巖爆等時有發(fā)生

“十一五”期間，全國煤礦共發(fā)生水害事故306起、死亡1325人，非煤礦山水害更為突出一、研究背景與總體思路研究背景隧道及地下工程災(zāi)害統(tǒng)計突涌水

40%塌方

36%巖爆其他7%11%瓦斯

6%建設(shè)中經(jīng)常遭遇突水、塌方等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害，突涌水約占40%2005年至今，共發(fā)生突涌水災(zāi)害294起，2036人死亡人員傷亡機械損壞工期延誤停建或改線重大突涌水危害一、研究背景與總體思路6研究背景某工程馬鹿箐隧道：大規(guī)模突水19次，15人死亡，工期延誤2年一、研究背景與總體思路研究背景7運營期冰凌災(zāi)害8運營期突水

運營期塌方突涌水災(zāi)害治理不徹底，將造成隧道施工期和運營期的重大安全隱患，嚴(yán)重影響交通運輸安全運營期結(jié)構(gòu)破壞房屋破壞9地表塌陷水資源枯竭誘發(fā)地表塌陷、農(nóng)田毀壞、房屋破壞、水資源枯竭等后續(xù)環(huán)境災(zāi)害農(nóng)田毀壞突涌水災(zāi)害治理已成為隧道建設(shè)中亟需解決的重大難題沒有動水

注漿封堵理論地質(zhì)環(huán)境和突水過程復(fù)雜缺乏有效

注漿封堵材料尚無全壽命周期設(shè)計方法與治理技術(shù)流量大，水壓高施工期破壞性強難以一次性封堵威脅后續(xù)交通安全突涌水封堵困難理論材料設(shè)計、技術(shù)一、研究背景與總體思路10總體思路15項國家級課題，40余項重大突涌水災(zāi)害治理工程項目03年1任務(wù)來源項目名稱國家973項目深長隧道突水重大災(zāi)害致災(zāi)機理及預(yù)測預(yù)警與控制理論國家973課題突水前兆信息演化規(guī)律及實時監(jiān)測理論國家杰出青年基金裂隙巖體力學(xué)特性及錨固效應(yīng)研究始

國家基金重點項目隧洞突水災(zāi)害超前預(yù)報方法及災(zāi)害發(fā)生機理與控制研究國家科技支撐計劃突水重大災(zāi)害實時監(jiān)測預(yù)警技術(shù)江西省交通科技項目吉蓮高速永蓮隧道突涌水機理及治理技術(shù)研究湖北省交通科技項目深長巖溶隧道施工安全風(fēng)險管理及災(zāi)害控制技術(shù)中國建筑五局隧道公司中梁山隧道灰?guī)r角礫巖涌水綜合治理技術(shù)研究中鐵隧道集團有限公司隧道突涌水風(fēng)險及災(zāi)害控制關(guān)鍵技術(shù)中鐵十六局集團有限公司青藏鐵路西格二線關(guān)角山隧道突涌水治理關(guān)鍵技術(shù)研究1一、研究背景與總體思路總體思路動水注漿材料裝備與工藝突涌水注漿封堵理論突涌水注漿設(shè)計與治理技術(shù)攻克了重大突涌水災(zāi)害治理難題，形成了實用的成套關(guān)鍵技術(shù)隧道與地下工程重大突涌水災(zāi)害治理關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用多學(xué)科交叉，產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合理論研究關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)應(yīng)用研究一、研究背景與總體思路12總體思路二、突涌水注漿擴散規(guī)律與封堵機理13隧道與地下工程四種典型突涌水1415二、突涌水治理注漿擴散規(guī)律與封堵機理突涌水治理注漿擴散與封堵機理應(yīng)用基礎(chǔ)理論材料設(shè)備設(shè)計方法關(guān)鍵技術(shù)三種突涌水專用注漿材料配套裝備及工藝富水?dāng)鄬悠扑閹挥克卫黻P(guān)鍵技術(shù)巖溶管道突涌水治理關(guān)鍵技術(shù)節(jié)理裂隙高壓突涌水治理關(guān)鍵技術(shù)孔隙微裂隙突水涌砂治理關(guān)鍵技術(shù)一套全壽命周期多類型突涌水治理設(shè)計方法重大突涌水災(zāi)害治理關(guān)鍵技術(shù)二、突涌水治理注漿擴散規(guī)律與封堵機理16突突涌涌水水模模擬擬大大型型模模型型試試驗驗系系統(tǒng)統(tǒng)：：33mm××33mm××22..55mm1動水條件下典型漿液的擴散運移規(guī)律研發(fā)了國內(nèi)外首臺突涌水與注漿治理大型真三維模擬試驗系統(tǒng)系統(tǒng)揭示了注漿擴散封堵機理（415組）注漿治理模擬漿脈二、突涌水治理注漿擴散規(guī)律與封堵機理16動態(tài)態(tài)計計算算分層沉積區(qū)注漿孔1動水條件下典型漿液的擴散運移規(guī)律發(fā)現(xiàn)了典型漿液的U型擴散現(xiàn)象建立了漿液在擴散過程中由流塑態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化的分析方法實現(xiàn)了漿液擴散范圍、速度、壓力的留核沉積區(qū)留核邊界水泥漿液擴散形態(tài)動水漿液擴散運動方程二、突涌水治理注漿擴散規(guī)律與封堵機理172突涌水注漿封堵條件與判據(jù)水泥漿液有效封堵的控制參數(shù)：漿水比有效擴散有效留存成功封堵指導(dǎo)鉆孔設(shè)計確定注漿參數(shù)ξ∈[0.15,1.5]二、突涌水治理注漿擴散規(guī)律與封堵機理182突涌水注漿封堵條件與判據(jù)速凝可控類漿液突涌水封堵判據(jù)漿液驅(qū)替封堵地下水本項目理論為漿液選型、注漿參數(shù)確定提供了依據(jù)實現(xiàn)了注漿封堵從經(jīng)驗性向科學(xué)量化的轉(zhuǎn)變（1）（2）二、突涌水治理注漿擴散規(guī)律與封堵機理19三、

突涌水治理新材料、裝備及配套工藝31

GT-1新型水泥基抗分散注漿材料（注漿封堵材料之一）針對富水軟巖隧道、高壓裂隙涌水等災(zāi)害治理需求，提出新型抗分散材料研發(fā)需求現(xiàn)有注漿材料無法同時滿足上述性能要求！三、突涌水治理新材料、裝備及配套工藝1

GT-1新型水泥基抗分散注漿材料（注漿封堵材料之一）基于高分子聚合物改性原理研發(fā)初終凝時間可調(diào)動水抗分散可泵性好早期強度高環(huán)保無毒凝膠時間終凝時間抗壓強度/MPa動水中結(jié)石率/%1h3h3d28d45s~30min2min

~45min0.5~1.10.5~2.14.1~6.215~21.471~95三、突涌水治理新材料、裝備及配套工藝2水泥基高早強型堵水加固材料（注漿封堵材料之二）富水?dāng)鄬悠扑閹дT發(fā)的突涌水災(zāi)害占60%以上加固堵水以往材料不能同時滿足上述需求，經(jīng)常導(dǎo)致塌方或二次突水等嚴(yán)重災(zāi)害！介質(zhì)特征材料需求三、突涌水治理新材料、裝備及配套工藝23富水破碎巖體堵水加固本材料參數(shù)表2水泥基高早強型堵水加固材料（注漿封堵材料之二）

材料性能：一天強度達(dá)5.7MPa，是傳統(tǒng)水泥基材料的9.5倍，在流速30m/min的動水中留存率高達(dá)91%突破了富水破碎巖體堵水加固的同步、一體化難題破碎巖體材料結(jié)石三、突涌水治理新材料、裝備及配套工藝243新型高膨脹聚氨酯堵水充填材料（注漿封堵材料之三）巖溶管道型突涌水:導(dǎo)水通道寬、瞬時流量大、水壓流速高材料性能：膨脹倍數(shù)25-30倍膨脹速率20倍/min不受水影響環(huán)保無毒解決了管道型突涌水先期快速截流封堵的難題！國外同類材料本項目材料三、突涌水治理新材料、裝備及配套工藝254強滲透硅膠注漿材料（注漿封堵材料之四）孔隙微裂隙型涌水:孔隙率高、孔隙微小、富水性強材料性能：黏度低（接近水）：10

mPa·s滲透性強：可注入0.01mm隙寬固沙強度：0.6~1.0MPa解決以往材料難以注入微小裂隙的難題！三、突涌水治理新材料、裝備及配套工藝265水泥基無機復(fù)合加固材料（注漿材料之五）富水軟弱地層塌方、涌水涌泥形成大規(guī)模空腔或松散體難題一難題二災(zāi)害治理材料用量大注漿成本高工業(yè)生產(chǎn)廢料產(chǎn)出多處理成本高環(huán)境污染重27綠色無機復(fù)合材料三、突涌水治理新材料、裝備及配套工藝節(jié)約了治理費用，保護了生態(tài)環(huán)境！5水泥基無機復(fù)合加固材料（注漿材料之五）28d抗壓強度12-18MPa流動度30.1-31.7cm對比普通水泥節(jié)約40%三、突涌水治理新材料、裝備及配套工藝286注漿配套裝備與工藝研發(fā)了與本項目材料配套的裝備與工藝解決了漿液注入過程中難以實時適應(yīng)地層及水壓、水量變化，雙液孔底混合等技術(shù)難題A液雙液混合漿液擴散B液配套裝備與工藝29三、突涌水治理新材料、裝備及配套工藝注漿材料與裝備產(chǎn)業(yè)化建立了突涌水注漿材料、裝備研發(fā)中心和生產(chǎn)基地，年產(chǎn)值2.9億元三、突涌水治理新材料、裝備及配套工藝30四、重大突涌水災(zāi)害治理設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)321突涌水通道精細(xì)探查技術(shù)提出了以電阻率CT為核心的多場約束探測技術(shù)解決了突涌水通道精細(xì)探查難題約束電阻率跨孔CT探測主導(dǎo)水通道探測突涌水通道揭露情況導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)探測治理區(qū)域

三維地質(zhì)可視化突涌水通道精細(xì)探查最佳分辨率15cm定位誤差<10%32四、重大突涌水災(zāi)害治理設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)降低鉆孔工程量70%實現(xiàn)遠(yuǎn)端截流封堵增大承載圍巖厚度隧道長期運營安全2全壽命周期多類型突涌水治理設(shè)計方法四、重大突涌水災(zāi)害治理設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)33全壽命周期多類型突涌水治理設(shè)計方法探查精細(xì)化探查技術(shù)區(qū)域流場計算分析為治理方案確定提供依據(jù)突涌水通道確定圍巖穩(wěn)定性分析治理方法及參數(shù)初步的鉆孔及注漿方案設(shè)計基于全壽命周期安全的治理方案設(shè)計方案引排關(guān)鍵孔注漿關(guān)鍵孔關(guān)鍵孔優(yōu)選層次分析優(yōu)選設(shè)計注漿參數(shù)實時調(diào)控圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測

漿液配比、注漿壓力鉆孔實時優(yōu)選反饋優(yōu)化設(shè)計實施效果評價注漿參數(shù)優(yōu)化2全壽命周期多類型突涌水治理設(shè)計方法34四、重大突涌水災(zāi)害治理設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)3突涌水治理關(guān)鍵技術(shù)——富水?dāng)鄬悠扑閹退?、重大突涌水?zāi)害治理設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)353突涌水治理關(guān)鍵技術(shù)——其他類型突涌水類型 災(zāi)害特征方法材料巖溶管道型節(jié)理裂隙型孔隙微裂隙型

瞬時大流量突水大面積淋水（水簾洞）模袋高壓封閉系統(tǒng)堵水加固淺部低壓慢滲深部高壓強充徑向孔淺層加固關(guān)鍵孔深部封堵高膨脹高分子注漿材料凝膠可控型注漿材料納米硅膠注漿材料密集高壓涌突水最終形成了重大突涌水災(zāi)害治理綜合技術(shù)體系36四、重大突涌水災(zāi)害治理設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)五、主要工程應(yīng)用及典型案例37新疆江西四川湖北內(nèi)蒙古廣西山西遼寧貴州山東江蘇廣東陜西寧夏河南湖南重慶青海北京吉蓮高速利萬高速鄂西高速樂自高速成蘭鐵路南京地鐵大連地鐵保宜高速五峰鴉來公路十堰高速錦屏水電站西端張馬屯鐵礦開元隧道渝利鐵路長城煤礦青島地鐵深圳地鐵隕十高速沈丹鐵路伊犁河南岸引水工程貴陽地鐵黃島油庫府谷鐵路專線青藏鐵路西格段鄭武高鐵引紅濟石調(diào)水工程青蘭高速小康高速岑水高速武吉高速黑龍江38五、主要工程應(yīng)用及典型案例涵蓋了公路交通、鐵路交通等領(lǐng)域的40余項突涌水治理工程39公路交通江西吉蓮高速永蓮隧道、湖北保宜高速紅巖寺隧道、尚家灣隧道廣西岑水高速岑溪隧道、湖北鄂西高速齊岳山隧道青蘭高速（寧夏境）六盤山隧道、四川樂自高速長山隧道江西武吉高速石壁隧道、昌坊隧道、陜西小康高速包家山隧道鐵路交通河南鄭武高鐵確山隧道、四川成蘭鐵路躍龍門隧道、柿子園隧道青藏鐵路西格段關(guān)角隧道、遼寧沈丹鐵路分水嶺隧道渝利鐵路方斗山隧道、陜西府谷鐵路專線許家粱隧道、二道峁隧道城市交通重慶軌道交通一號線中梁山隧道、濟南開元隧道貴陽地鐵、南京地鐵、大連地鐵、深圳地鐵、青島地鐵水利水電四川錦屏二級水電站（西端）山西引紅濟石調(diào)水工程、新疆伊犁河南岸飲水工程能源領(lǐng)域山東張馬屯鐵礦、郭屯煤礦、鄆城煤礦、王樓煤礦內(nèi)蒙古長城煤礦、黃島國家石油儲備地下水封油庫五、主要工程應(yīng)用及典型案例支撐了數(shù)十個國家重大重點工程的建設(shè)江西吉蓮高速公路青藏鐵路西格段渝利鐵路重慶輕軌一號線錦屏二級水電站（西端）山東郭屯煤礦五、主要工程應(yīng)用及典型案例40富水?dāng)鄬悠扑閹凰こ屉y點：連續(xù)大規(guī)模突水涌泥4萬m3，地表塌陷2000m2

“世界罕見、經(jīng)國內(nèi)外專家多次咨詢，均未得到解決！”本項目貢獻(xiàn):精細(xì)探查技術(shù)、高早強注漿材料、斷層破碎帶治理技術(shù)45cm開挖后漿脈現(xiàn)場鉆孔施工現(xiàn)場突水突涌水通道精細(xì)探測41案例1 江西吉蓮高速公路永蓮隧道地質(zhì)條件極其復(fù)雜斷裂帶 地下水特別發(fā)育 異常豐富水源補給復(fù)雜圍巖風(fēng)化嚴(yán)重巖性種類多組分雜案例1 江西吉蓮高速公路永蓮隧道左洞帷幕注漿設(shè)計臺階法開挖 補充徑向注漿分層漸進(jìn)式精細(xì)化控制注漿工藝左右洞聯(lián)合治理方案設(shè)計止?jié){墻防突 帷幕注漿新型可控速凝膏狀體注漿材料--GT-1案例1 江西吉蓮高速公路永蓮隧道45cm第二循環(huán)第一循環(huán)現(xiàn)場開挖揭露漿脈，漿脈以充填、滲透、劈裂、壓密形式加固圍巖第二循環(huán)452015年1月9日，“國內(nèi)罕見、江西第一難隧道”永蓮隧道全面建成通車，江西省交通廳黨委書記朱希致辭。46朱希書記如此評價山大：“我們得感謝山大，首先你們有個好的方案，其次你們有個好團隊，最后就是取得這樣的效果”。47中國交通報等多家媒體全程跟蹤報道，在帷幕注漿和現(xiàn)場科研攻關(guān)等方面肯定了山東大學(xué)所作出的努力與成績！南京地鐵上元門車站基坑距離長江400m沿江F5斷裂涌水量150立方每小時

基底破碎，無止水巖層經(jīng)半年治理，效果不明顯案例2 南京地鐵基坑涌水探測與治理瞬變電磁、跨孔電阻率CT、地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法綜合探測南京地鐵上元門車站基坑突涌水綜合探測案例2 南京地鐵基坑涌水探測與治理注漿鉆孔出水照片治理后開挖到高程治理后涌水點開挖照片治理前后對比照片南京地鐵上元門車站基坑突涌水治理案例2 南京地鐵基坑涌水探測與治理重慶市軌道交通一號線中梁山隧道穿越膏溶角礫巖帶發(fā)生涌水，水量