浅谈岩溶隧道设计、施工与管理

1、浅谈岩溶隧道设计、施工与管理张民庆 目 录1 国内岩溶隧道工程地质灾害案例2 岩溶隧道风险等级划分3 岩溶隧道预测预报4 岩溶隧道管理5 岩溶隧道设计6 岩溶隧道施工7 岩溶隧道逃生圆梁山隧道全长11.068km，是渝怀线第一长隧。隧道穿越毛坝向斜、桐麻岭背斜和冷水河浅埋段，穿过三叠系、二叠系、泥盆系、志留系、奥陶系和寒武系等多种地层。预测水压力为4.424.6MPa，正常涌水量98000m3/d，最大涌水量145000m3/d。1 国内岩溶隧道工程地质灾害案例【案例1】渝怀铁路圆梁山隧道910灾害1910灾害前超前预测预报TSP202：岩体较为完整、均一，围岩级别为级。红外线探水：发生突涌水

2、的可能性较小超前浅孔钻探：探孔中无涌水、涌泥2910事故发生过程2002年9月10日，隧道正洞下导坑施工到DK354+879，掌子面为深灰色灰岩，围岩较完整，无水，围岩等级为级。10:05 开挖放炮、正常出碴。10:40 进行第三车装碴时，掌子面底部碴堆发生轻微移动并出现少量涌泥，于是，现场立即停止出碴，退出所有人员与设备。12:00 设计、施工和科研召开三方紧急会议，决定施作止浆墙，以保证下一步钻孔注浆施工。13:30 地质及施工工程师到掌子面进行取样、摄像和地质分析。当时，从掌子面右下部一大约高1.5m岩溶管道中挤出黄色硬塑可塑状粘土，局部可见明显擦痕，涌泥长度9m，高度接近下导坑拱顶部位

3、，约3.5m，涌泥中无水，但在岩体内部可听见似水流声音。14:00 涌泥部位右侧有少量地下水流出，水浑浊，浓似泥浆。14:10 施工人员到掌子面进行止浆墙施作。14:30 掌子面突然爆开，随之，大规模硬塑可塑状粘土喷出，约30秒时间，涌泥向外喷出244m，从而塞满下导坑4200m3空间，受洞内停放在DK354+679电瓶车、梭矿阻挡，涌泥速度变缓。突泥过程中有4名人员逃生，9名遇难。之后，涌泥缓慢向洞外继续移动，最快7m/h，最慢1m/h，到9月12日11:30，涌泥至DK354+550处根本稳定。 10:4014:3013:30灾害全过程3910灾害值得思索的几个问题超前预测预报问题：TSP

4、一次预报距离？红外线可信度？超前深孔钻探问题？涌泥后该做什么工作：观察多长时间？工程灾害发生后怎么办：是逃还是避？如何处理以后所遇到的同类地质？马鹿箐隧道全长7879m，是宜万线上长大隧道之一。隧道为金子山复向斜中四方洞向斜南东翼的单斜地层中，隧道区域漏斗、落水洞、暗河系统十分普遍，岩溶强烈发育。隧道处于岩溶水平循环带和深部渗流带，管道岩溶水系统极为复杂。预测隧道正常涌水量170254m3/d，最大涌水量823961m3/d。【案例2】宜万铁路马鹿箐隧道121灾害1121灾害前超前预测预报2005年10月29日，隧道施工到PDK256+011，采用TSP、地质雷达及2个超前深孔钻探对前方进行超

5、前地质预测预报，预测预报说明：前方30m左右存在异常，存在溶隙带，溶隙内富水，超前探孔水量为3035m3/h，水量稳定4天无任何变化。11月30日，施工到PDK255+992加强深孔钻探说明：前方存在一沿线路方向长28m溶腔，溶腔内少量充填黄泥、河砂、砾块石及木屑等，大局部被水充填，水压力为0.81.2MPa。初步测算钻孔出水量为4000m3/d，动水量为2000m3/d。2处理措施迂回施工难度较大，对溶腔采取超前帷幕注浆，加固范围为正洞开挖轮廓线外58m。注浆后经钻孔检查，检查孔均为线状流水，水量为0.1L/mmin，水压力为0.1MPa。3121事故发生过程2006年1月21日，平导开挖至

6、PDK255+978，已进入溶洞4m，经观察，溶洞破碎裂隙被浆液充填，注浆效果较好。6:30 开始钻孔，掌子面稳定，无任何异常情况。4个4.5m超前浅孔钻探无水。9:40 装药10:08 放炮10:15 排险10:50 正准备出碴，出碴人员听到掌子面有掉块、坍方响声，并伴随少量流水，于是立即停止出碴，乘电瓶车逃离。由于涌水，洞内照明因漏电保护跳闸中断。平导掌子面突水约5分钟后据推测 ，水通过平导和正洞之间的横通道涌入正洞，致使正洞作业人员13人被困。反坡施工11:00逃生人员出洞后立即报告，施工单位随即组织营救。梭矿车行至DK257600处左右，洞内已被水淹没无法前进。11:05水相继从平导、

7、正洞涌出，大水封闭整个平导、正洞，洞口水面高3.5m，涌水将洞外施工场地局部冲毁，突水持续约40分钟后涌水量减弱至300m3/h。经事后推算，顶峰期最大涌水量72万m3/h，突水总量约18万方。突水期间有2个随突水由正洞冲出获救，其余11人遇难。10:5011:054121灾害值得思索的几个问题超前预测预报到有岩溶存在时该怎么办？是堵还是排？如何评价注浆措施？如何评价超前支护措施？不同掌子面的同步逃生预警问题？逃生应急照明？如何组织逃生？2 岩溶隧道风险等级划分风险等级评价标准级风险隧道长大隧道、隧道穿越可溶岩、地表岩溶强烈发育、隧道处于水平岩溶循环带、隧道周围存在暗河系统、隧道穿越背斜或向斜

8、构造、隧道穿越规模宏大的断层、隧道反坡施工级风险隧道长大隧道、隧道穿越碳酸盐岩地层、地表岩溶强烈发育、隧道处于水平岩溶循环带附近、隧道穿越规模较大的断层一般岩溶隧道中短隧道、隧道穿越碳酸盐岩地层、地表岩溶发育、隧道穿越规模较小的断层、隧道穿越垂直岩溶循环带3 岩溶隧道预测预报四类十八种宜万铁路实施情况1预测预报方法：必测工程： 必要时选测：地质素描 HSPTSP203 负视速度法地质雷达 孔内CT成像红外线探水超前深孔钻探风钻加深5m浅孔钻探等级工程地质特征预测预报项目A级A+(1)极有可能存在重大地质灾害的地段，如极有可能遭遇大的暗河体系，发育重大软弱、富水、导水性良好的断层。(2)存在重大

9、物探异常，极有可能发生大于10000m3/h以上的特大型突水突泥，并极有可能诱发重大环境地质灾害的地段。(3)高地应力、瓦斯等灾害极其严重地段。地质素描、TSP203(100m)、地质雷达(1530m)、红外线探水(20m)、超前水平探孔(3060m)13孔、超前水平探孔(30m)6孔、超前浅孔钻探(5m)5孔、HSP或负视速度法(50m)、孔中CT成像A(1)可能存在重大地质灾害的地段，如可能遭遇大的暗河体系，发育重大软弱、富水、导水性良好的断层。(2)存在重大物探异常，极有可能发生大于1000m3/h以上的大型突水突泥，并可能诱发重大环境地质灾害的地段。(3)高地应力、瓦斯等灾害严重地段。

10、地质素描、TSP203(100m)、地质雷达(1530m)、红外线探水(20m)、超前水平探孔(30m)13孔、超前浅孔钻探(5m) 35孔等级工程地质特征预测预报项目B级可能发生1001000m3/h的中小型突水突泥地段，存在较大物探异常、断裂带等地段。地质素描、TSP203(150m)、地质雷达(1530m)、红外线探水(20m)、超前水平探孔(30m)13孔、超前浅孔钻探(5m) 3孔C级岩溶水文地质条件较好的碳酸盐岩和碎屑岩地段，发生突水涌泥的可能性不大或规模不会大于100m3/h的突水突泥。地质素描、TSP203(150m)、超前浅孔钻探(5m) 3孔，必要时地质雷达(30m)、超前

11、水平探孔(30m)1孔。2组织与管理制度化管理：制定了?宜万线施工地质勘察与超前预测预报专项机制?，编写了?宜万线复杂隧道施工地质实施细那么?。职能化管理：设计单位为主体，建设、施工、监理单位明确职责、分工合理、相互协调、系统管理。专项性管理：施工单位要有专业人员和设备。纳入工序管理：纳入施工工序中，施工中做到“有疑必探、不探不挖的原那么。 3现场应用效果到目前为止，只要是按规定的工程进行超前预测预报，所遇到的规模较大的岩溶均探测到。钻机选型：全线共有钻机16种GY-2PC、HGY-300D、JD-30、LF-100、MGY-60B、MK-3、MK-5、MK-5S、RDP-150C、XY-2、

12、XY-2P、XY-2PC、XY-150、YQ-100、ZD-60、ZYG-150B，使用效果相差很大。其中大局部钻机钻进行能力小，这对将钻孔纳入工序管理造成很大影响约有17%的时间用于钻孔。推荐使用MKD-5S煤科院西安分院产、 ZYG-150B煤科院重庆分院产、 RDP-150C日本进口地质钻机 。超前深孔钻探根本上探到了所有的大型岩溶，5m浅孔风钻钻探根本上探到了所有的涌水。超前钻探仍是超前地质预测预报的主体。TSP预报率不高，应进一步研究，提高预报率。去年上半年为35%，目前为52%。地质雷达对基底岩溶探测效果很好。对较大规模的岩溶反映十分敏感。红外探水结论模糊，难以起到应有的作用。20

13、04年9月11日，别岩槽隧道出口上半断面开挖到DK406+422，掌子面炮眼孔射水，施工人员迅速撤离。12:30分，掌子面爆开，突发大规模涌水，突水洪峰流量36000m3/h，洞口涌水高度1.8m，持续时间40min后稳定为500m3/h。该次突水使洞内设备席卷而出，并冲垮洞口场地，使上、下游居民用水受到严重影响，造成经济损失约100万元，4不认真进行预测预报的教训暗河断流场地冲垮设备冲毁4 岩溶隧道管理 岩溶隧道平安生产是建设单位、设计单位、施工单位、监理单位四方共同的责任，其中任何一个环节出现过失，对于岩溶隧道，特别是级风险隧道，都有可能造成重大的经济损失和人员伤亡，因此，各方应各司其职、

14、各负其责。 根据以往岩溶隧道施工的经验与教训，岩溶隧道平安生产有六个要素：平安预报、平安管理、平安设计、平安施工、平安逃生、平安抢险。(1)超前预测预报专项化管理专项经费列入概算纳入施工工序管理投标阶段物探技术应走专业化承包之路钻探技术应配备快速钻孔机械加强浅孔风钻钻探工作制定标准、标准，实现标准化管理2隧道岩溶治理程序化管理会商程序：有突涌水可能的，必须由建设单位组织四方会商。方案设计程序：设计负责、建设单位审批施工程序：施工单位编写施组、监理审批、施工单位实施注浆效果检查程序：施工单位实施、监理签认、建设单位对达不到设计要求的应重新组织会商。3隧道岩溶平安制度化管理制定?岩溶隧道防范高风险

15、专项机制?制定?岩溶隧道注浆施工管理实施细那么?制定?岩溶处理的一般原那么?(4)隧道岩溶治理费用管理实报实销？承包？采用承包会带来很多平安隐患。(5)工期问题遇到特大岩溶或有涌突水可能时应重新审核工期5 岩溶隧道设计(1)反坡隧道洞内抽水系统设计(2)洞口排水系统设计(3)注浆堵水设计(4)支护体系设计(5)二次衬砌设计(6)暗河处理设计(7)辅助坑道设计方案(8)逃生通道设计(9)同声光预警系统设计(10)应急照明设计(11)逃生线路设计(1)反坡隧道洞内抽水系统设计抽水能力：按2000030000m3/d 考虑 抽水泵站距离：600800m 集水仓规模：按抽水能力20000m3/d，储水

16、时间510分钟考虑，集水仓规模应不小于100m3。 抽水管径：当隧道复杂，设计涌水量大时，建议采用250mm300mm管径，反之，采用200mm管径，这种管径再利用率也高。 抽水水泵：建议选用流量500700m3/h、扬程3050m水泵。 排水系统储藏：储藏50000m3/d排水能力的机具设备和材料 (2)洞口排水系统设计洞口排水系统应保持畅通，应防止隧道突水对洞口场地和下游居民造成危害。洞口排水系统原那么上应按51万m3/d的原那么进行设计。当洞口排水系统不能满足要求时，应设计排水横洞，从而使水不会直接对洞口范围造成影响。(3)注浆堵水设计序号适用地质条件方案主要内容方案一可溶岩与非可溶岩接

17、触带，断层破碎带及向斜、背斜核部，施工中可能发生严重突水涌泥地段。物探异常地段，超前地质探孔单孔涌水量：Q40m3/h。实测水压：P水2MPa。全断面超前帷幕注浆，注浆加固范围为开挖工作面及开挖轮廓线外正洞8m，平导5m。方案二可溶岩与非可溶岩接触带，断层破碎带及向斜、背斜核部，施工中可能发生严重突水涌泥地段。物探异常地段，超前地质探孔单孔涌水量：Q40m3/h。实测水压：1MPaP水2MPa。全断面超前帷幕注浆，注浆加固范围为开挖工作面及开挖轮廓线外正洞5m，平导3m。方案选择序号适用地质条件方案主要内容方案三一般富水地段，岩体较完整，能保证开挖安全。物探异常地段，超前地质探孔涌水量：2m3

18、/hQ40m3/h，开挖后大面积渗水。实测水压：P水1MPa径向注浆方案，注浆加固范围为开挖轮廓线外正洞5m，平导3m。方案四一般富水地段，岩体较完整，能保证开挖安全。局部出水。初期支护完成后不能满足设计的允许排水标准。局部注浆和局部补充注浆注浆材料注浆材料主要采用普通水泥单液浆简称C浆、普通水泥-水玻璃双液浆简称C-S浆、超细水泥单液浆简称MC浆、超细水泥-水玻璃双液浆简称MC-S浆、TGRM浆简称T浆、HSC浆。序号名 称配比参数水灰比体积比水玻璃浓度1普通水泥单液浆0.6:10.8:12超细水泥单液浆0.6:10.8:13普通水泥-水玻璃双液浆0.6:11:11:11:0.33035Be

19、4超细水泥-水玻璃双液浆0.6:11:11:11:0.33035Be5HSC浆0.8:11:16TGRM浆0.8:11:1注浆材料选择原那么1按照地质构造条件不同，在一般断层破碎地段，宜采用C浆、C-S浆等普通型注浆材料。在砂层地段，应采用MC浆、MC-S浆、T浆和HSC浆等超细型特种注浆材料。2按照注浆方案不同，在径向注浆施工时，一般地段可采用C浆，特殊地段应采用MC浆。在超前帷幕注浆施工时，应综合采用C浆、C-S浆、MC浆、MC-S浆、T浆和HSC浆综合注浆材料体系。3按水文地质条件不同，在一段富水条件下可采用C浆、MC浆。但在高压、强富水条件下，应综合采用C浆、C-S浆、MC浆、MC-S

20、浆、T浆和HSC浆综合注浆材料体系。4采用综合注浆材料体系时，应按照由粗到细、由单液到双液、由高浓度到低浓度三个准那么进行动态调整。注浆施工参数表参数名称径向注浆超前注浆超前小导管、大管棚底部钢管桩凝胶时间28h单液浆28h，双液浆30328h28h注浆速度（L/min）5100101101030520注浆终压（MPa）23693434分段长度（m）全孔一次性砂层12m，其它35m全孔一次性或后退注浆全孔一次性注浆量0.10.5m3/孔（定压）（定压）（定压）注浆工艺 1注浆顺序要求：应按由下到上、由外到内、由远水源处向近水源处、间隔跳孔四个原那么进行。2注浆工艺要求：当注浆段长大于5m时，必

21、须采取分段式注浆，小于5m时，可采取全孔一次性注浆。3可控域注浆要求：应通过调整注浆材料、调控注浆参数等方式进行可控域注浆，从而到达控制注浆量，提高注浆质量的目的。(4)支护体系设计超前支护体系 1当探测到隧道前方岩溶纵向长度小于5m，经确认突发性涌水、突泥可能性不大时，采用密排小导管超前支护，纵向长度为5m，环向间距2030cm。2当探测到隧道前方岩溶纵向长度大于5m，经确认存在突发性涌水、突泥可能时，必须采用超前大管棚超前支护，纵向长度为注浆加固段长度，环向间距3050cm。 初期支护体系表地质条件初期支护设计原则无水溶腔规模5m单线隧道采用格栅钢架，双线隧道采用I18钢架支护，支护间距1

22、榀/0.8m1m。网喷C25砼20cm。溶腔规模5m采用I18钢架支护，支护间距1榀/0.5m0.8m。网喷C25砼20cm。有水水压力0.5MPa采用I18钢架支护，支护间距1榀/1m1.2m。网喷C25砼20cm。0.5MPa水压力1MPa采用I18钢架支护，支护间距1榀/0.8m1m。网喷C25砼20cm。1MPa水压力2MPa采用I18钢架支护，支护间距1榀/0.5m。网喷C25钢纤维砼20cm。2MPa水压力采用I20或HW175钢架支护，支护间距1榀/0.5m。网喷C25钢纤维砼20cm。(5)二次衬砌设计岩溶地段应考虑钢筋砼衬砌，有水压地段应考虑抗水压衬砌结构。(6)暗河处理设计

23、在暗河处理时，宜采取泄水洞方案，不应堵塞暗河通道，以防止对运营形成危害。 (7)辅助坑道设计方案在遇到大型岩溶时，岩溶处理难度大，周期长，因此，原那么上现场应采取迂回导坑方案或增设横洞方案，以满足现场施工要求。(8)逃生通道设计当隧道遇到大型岩溶进行处理时，应设计必要的逃生通道。对于有平导的隧道，应在原设计的平导与正洞横通道间增设逃生通道，应满足掌子面后退1000m内通道之间间距不大于200m，以利于现场逃生。逃生通道断面为2m宽2.5m高，逃生通道内不得放置杂物和停放机械，确保畅通。逃生通道处应标明标记，以使进洞人员明确通道设计意图。 (9)同声光预警系统设计对于复杂岩溶隧道，在洞内作业人员

24、的位置均应安设同声光预警系统，系统应与洞外调度形成网络。施工中一旦任何掌子面发生险情，可以到达洞内采取措施或同步撤离。同声光预警系统可以采用电铃系统简易或光纤光栅传感系统，无论采用何种方式，均应能到达同步知道险情的目的。 (10)应急照明设计当洞内出现水灾时，施工电源会因漏电保护而断电，为保证施工人员撤离迅速，应在洞内重要位置应急照明。(11)逃生线路设计逃生线路是按照隧道的施工现状，及时设计的一种最正确逃生路径。逃生线路应在洞口挂示，洞内设置逃生标志，以使进洞人员一旦遇到险情及时逃生。6 岩溶隧道施工1平安生产制度及培训:施工单位应对进洞作业人员进行平安生产制度培训，特别是应对掌子面风险标识

25、学会判别，对逃生线路明确。2辅助导坑与正洞的协调施工原那么:坚持“平导超前、尽快贯穿的施工原那么。正洞与平导作业面应协调施工，做到“平导超前、正洞紧跟，反对平导长距离独头掘进，原那么上，正洞与平导作业面的距离不要超过500m。当平导遇到特大岩溶时，应优先考虑采取迂回导坑的措施。当确实没有迂回条件或迂回工作量特别大时，才考虑处理措施。当平导遇到特大岩溶时，在平导岩溶超前处理后开挖期间，由平导拐入正洞的独头作业面应停止施工。当正洞遇到特大岩溶时，应优先考虑迂回措施，实现两端夹击加固，待平导贯穿后处理。当反坡隧道施工遇到特大岩溶，存在突水、突泥可能时，应重新分析隧道工期，如工期能保证，原那么上采取反

26、坡加固，反坡开挖揭示。3施工方法的选择：以短台阶法为主，必要时可采用CRD工法开挖。4初期支护：大型充填型溶洞一定要采取大管棚支护。5信息化施工：岩溶处理中及处理后，应加强监控量测，及时根据监测成果进行必要的二次衬砌。6二次衬砌施作原那么：长大岩溶隧道，二次衬砌应及时，原那么上掌子面与二次衬砌间距离不得大于200m。当遇到高压富水岩溶时，应采取二次衬砌紧跟。7洞内外抽排水系统：反坡岩溶隧道施工时，施工单位必须设置不少于20000m3/d的排水能力的洞内抽水系统。洞口排水系统必须确保通畅，对于洞口及排水下游民房存在平安隐患时，必须予以撤除。8专职平安员设立：岩溶隧道施工中，施工单位必须设立专职平

27、安员，负责全隧道的平安风险识别，负责预警系统和应急照明系统的开启。9施工对策迂回导坑回填钢管桩桩基-承台板梁托梁弹性地基旋喷桩注浆堵水泄水洞迂回导坑齐岳山隧道迂回导坑圆梁山隧道迂回导坑回填注浆钢管桩高坪1#隧道+598岩溶适用条件：岩溶纵向跨度较大，向下发育深度不大于30m。桩基-承台鲁竹坝2#隧道+610+775岩溶 适用条件：岩溶纵向跨度大，向下发育深度不大于30m。型钢混凝土+板跨方案 长鹰坝2#隧道+890岩溶 适用条件：岩溶纵向跨度不大，向下深切发育。托梁高坪1#隧道+588岩溶适用条件：岩溶纵向跨度较大，向下发育深度不大。弹性地基龙麟宫隧道+467+397岩溶 适用条件：岩溶发育纵向跨度大，向下发育深度大，根本无填充物。旋喷桩319国道柘村隧道+475岩溶 适用条件：岩溶发育纵向跨度不大，向下发育深度不大，充填粉质粘性土。注浆堵水泄水洞别岩槽隧道+422岩溶暗河 适用条件：发育规模大的岩溶暗河泄排水方案齐岳山隧道+595岩溶