[PPT]高压富水岩溶深埋特长隧道修建技术_ppt

1、1高压富水岩溶深埋特长隧道修建技术2主要汇报内容一、工程背景二、关键技术三、主要创新点四、推广应用价值五、经济、社会及环境效益3 一、 工程背景 1、xx隧道全长11.070km，是新建铁路xx线上最长的单线电化铁路隧道，最大开挖宽度14m,高度为12m，最大开挖断面120m2。 2、正洞右侧30m为设贯通平导，无斜井和竖井。 3、隧道主要穿越毛坝向斜、冷水河浅埋段、桐麻岭背斜，最大埋深780m。4、隧道2001年1月开工，200年1月完成了全部施工任务。45xx铁路建设是中国人的百年梦想 xx铁路的设想是1918年孙中山先生提出的建国方略粤-襄-渝铁路的重要组成部分，由于当时国力孱弱，技术落

2、后，无法修建。 二十世纪五十年代，国家曾对该条铁路开展地质调查工作，由于以xx隧道为代表的复杂岩溶问题从技术上无法解决，工程不能开工,该条线路曾被苏联专家判定为“铁路修建的禁区”。 在xx线开通以前，重庆至怀化要在贵阳周转，交通十分不便，它的建成将使川渝地区与东南沿海地区的客货运输距离缩短550公里。通车后客运从重庆到湖南怀化将从以前的18小时缩短到8个小时，到上海和广州的时间也将缩短10个小时。 因此，xx线作为西部大开发的十大标志性工程，于2000年开工建设，xx隧道是关键性控制工程。 6 地质条件 1、毛坝向斜的地表的空间形态呈长舟形，中间低、四周高，为地下水的汇集和下渗创造了条件,地下

3、水和地表水有一定的水力联系。 2、岩性主要为石灰岩、白云质灰岩、砂岩、泥岩、页岩，灰岩长度占整个隧道长度65%,岩溶十分发育。 3、毛坝向斜遇到了3组大型高压、富水、充填型溶洞,全隧共穿越1条断层。 7隧道地质纵断面图8 工程难点和重点 1、岩溶及岩溶突水、涌泥 三个区段：毛坝向斜段2400m；冷水河浅埋段200m；桐麻岭背斜段1800m。毛坝向斜隧道开挖共揭示3处大型溶洞和1处岩溶管道，桐麻岭背斜主要遇到1处大型溶洞1处岩溶管道。施工中发生了多次涌水、突泥。2、水量大、水压高 全隧最大涌水量104m3/d，最大水压力4.MPa。高水压区段主要位于毛坝向斜和桐麻岭背斜段。相当于在460m的水下

4、修建隧道9岩溶高压、涌水10 3、煤系、瓦斯、石油、天然气 主要位于二叠系栖霞组沥青质灰岩及奥陶系（0）和志留系（S）接触地带中。实测最高瓦斯浓度达到2.64% 。 4、环境保护十分重要 隧道山顶有4个乡镇，5万多居民，隧道须不漏、不渗，地表水不流失，居民能正常生活。 5、施工通风困难隧道全长1.070km两端掘进，无竖井和斜井，通风十分困难。 因此，xx隧道被专家称为“国内外罕见，具有挑战性的地质难题”。11 施工中的岩溶突水、突泥 1、 1号溶洞正洞及平导DK354+230290溶洞涌水、突泥 溶洞填充物以淤泥质粘土为主，地层自稳能力很差，正常涌水m3/h ，最大涌水量为500m3/h。

5、122、 2号溶洞正洞DK354+450+500溶洞突水、突泥情况 主要充填物为粉细砂、砾石和溶蚀灰岩，钻孔中高压水喷射约30m，开挖过程中发生多次突水、涌泥，正常涌水量 m3/h左右，最大涌水量 m3/h，发生多次发生突水、涌砂。 2号溶洞正向涌水133、3号溶洞正洞和平导DK354+870+920溶洞 2002年9月11日在正洞中导坑开挖止DK354879处突然喷发出硬塑软塑状粘性土，并伴随剧烈爆响及冲击波，瞬时塞满掌子面附近244m的下导坑空间，随后继续涌泥，涌泥量4200m3 。14 4、桐麻岭背斜DK361+764溶洞涌水、突泥 2001年7月14日，正洞开挖至DK361+764处（

6、距出口769m）爆破后，线路右墙拱脚处突然发生溶洞突水突泥，高峰持续时间28分钟，涌出物达11104m3,突泥过后，洞内淤泥深达1.24.5m,淤泥量约15000m3。洞内和洞口部分材及机具被冲入洞口的炭厂河中。15二、关键技术 1、岩溶及地下水超前探测及预测预报技术 2、高压、富水、粉细砂溶洞注浆技术 3、隧道快速施工技术与机械设备配套 4、特长隧道多作业面条件下通风技术 5、高压、富水隧道结构防排水技术 6、隧道开挖数值模拟及信息化施工技术 7、隧道衬砌混凝土耐久性提高技术 161 、岩溶及地下水超前探测及预测预报技术 采用了以超前钻探为主，以常规地质分析、地质雷达、红外线探水、TSP地震

7、波为辅助手段的地质超前综合预测、预报岩溶技术，可以比较准确判断掌子面前方30m、隧道开挖轮廓线内及距离隧道开挖轮廓线距离小于10m的溶洞位置、形态及充填物、水量、水压大小,准确率较高。 17(1)超前钻探 超前钻探是最直接和最准确的地质预测预报方法，它是验证物探方法预报结果和实现精确预报的基础，它可以准确探明大型溶洞和岩溶管道的位置。一般情况下，对于正洞，长距离宏观地质超前预测预报，一般钻24个钻孔，钻孔深度一般应控制在100m以内，终孔位置一般控制在开挖轮廓线外10m左右，短距离地质预测预报，一般钻46个钻孔，钻孔深度一般控制在30m，终孔位置一般控制在开挖轮廓线外10m ,根据物探结果和前

8、面钻孔的探测情况，可适当加密钻孔，达到精确探测的目的。18(2)常规地质分析主要根据环境条件、地勘资料及掌子面开挖揭示的地质情况，通过常规地质分析，可以初步判断判岩体的结构、构造、岩性、结构面的产状、岩溶发育的位置、范围、规模大小及可能对施工安全和隧道稳定性带来的不利影响，从而为选择更准确的地质预测、预报方法提供依据。19(3)红外线探水 在高压、富水、岩溶区进行红外线探水，研究和试验确定场强差大于或等于10uw/cm2可作为有水和无水的临界值，并且纵向探测曲线呈单调增加或减小，否则可作为无水判断。判断30m之内有水的准确率可达到86%，判断30m之内无水的准确率可达到88%。图2-1 一般灰

9、岩段的无水探测曲线图2-2 PDK354+246、DK354+460溶洞探测曲线20（4）地质雷达探测 地质雷达用于隧道周边和底部岩溶检测，发现异常53处，经验证17处发育有岩溶和地下水。准确率为30%。 图2-3 地质雷达35MHz天线探测2号溶洞掌子面前方21（5）TSP202地震波探测 主要探测距离掌子面200m以内的不良地质体结构面及溶洞界面。结构面的验证率（10m范围内为准确）：76%。TSP202地震波的预测、预报距离较远，对断层、弱硬岩层、大型溶洞接触面等面状结构预报时，反射信号较为明显，预报精度较高，对于岩溶管道的预测、预报方法技术还需要进一步研究探讨。 图-5 TSP202对

10、平导1号溶洞的预测预报结果图-6 TSP202对正洞2号溶洞的预测预报结果22 超前钻探 红外线探水 地质雷达 TSP202地震波探测 图1 TSP 203 原理图地层或断层入射波前反射波前震源检波器检波器隧道23 图2-7 1号溶洞地质综合预测预报结果 图2-8 2号溶洞地质综合预测预报结果242、 高压、富水、粉细砂溶洞注浆技术 通过高注浆压力、密孔、多种注浆材料、反复检查、逐渐强化的综合渐进式注浆技术解决了大型、高压、富水、充填型溶洞注浆加固的技术难题，注浆堵水率较高。 25（1） 4种注浆方法 方法1：大范围超前预注浆：注浆有效加固范围为：正洞为挖轮廓线外8m，平导为开挖轮廓线外5m，

11、包括开挖工作面； 方法2：小范围超前预注浆：注浆有效加固范围为：正洞为挖轮廓线外5m，平导为开挖轮廓线外3m，包括开挖工作面； 方法3：开挖后全断面径向注浆：正洞注浆加固范围为隧道开挖轮廓线5m, 平导为开挖轮廓线外3m； 方法4：局部注浆和补充注浆，主要针对掌子面及初期支护结构表面的局部出水点或渗漏水点进行局部钻孔封堵 26 （2） 6种注浆材料及浆液配比表 浆液名称 原材料 浆液配比 普通水泥单液浆 32.5R硅酸盐水泥 W:C=0.6:10.8:1 超细水泥单液浆 D9020m 超细水泥 W:MC=0.8:11:1 TGRM单液浆 D9015m W:C=0.8:11:1 HSC单液浆 D

12、9010mW:C=0.8:11:1普通水泥-水玻璃浆32.5R硅酸盐水泥35Be以上水玻璃W:C=0.6:10.8:1 C:S=1:0.31:1超细水泥-水玻璃浆超细水泥水玻璃 W:MC=0.6:10.8:1MC:S=1:0.31:127 （3） 粉细砂层中主要注浆参数 （4） 粉细砂层中4种注浆工艺 （a)前进式注浆；（b)后退式注浆；（c)全孔一次式 （d)大直径TSS管式每循环注浆长度 2030m扩散半径0.52.0m孔间距注浆速度.73210100l/min注浆终压6.010.0MPa单段注浆量根据地层情况确定28（5）钻孔及注浆机械设备 MK-5S钻机： 回转扭矩：1850 N.M，

13、 给进能力：105KN起拔能力：73KN，钻孔最大深度350 m ,终孔直径94mm 。ZJB/BP-110/30（单液泵） ： 最高压力30MPa，最大流量110 l/min。 KBY50/70（双液泵）： 最高压力7MPa，最大流量70 l/min。 29钻孔、注浆及大管棚施工CRD方法开挖30 2号溶洞正洞注浆堵水、加固效果313、隧道快速施工技术与机械设备配套 研究快速钻孔、注浆、装药、爆破、装碴、运输技术及机械设备配置，并应用了挖装机装碴、重轨重载运输模式，即： LW150+GK16+XK15-7/256+38Kg/m和常规装运模式：LZ120+S14A+CDXT1-12+24Kg/

14、m 相比，每循环节省时间4060分钟。并且隧道运输长度超过3km以后施工效率提高很大。 出口平导平均掘进速度达到333m,并创造了463m的国内平导单口施工新记录。3233开挖及衬砌施工344、特长隧道多作业面条件下通风技术 （1）根据特长隧道两端掘进（无竖井和斜井）的特点，研究和应用了通风距离在7km以上的平行双洞射流通风技术。通过优化通风方案，建立瓦斯自动监测系统和通风专业化管理，获得了良好的通风效果。 （2）建立了施工通风模型，提出了计算方法；并开发了相应的计算软件。从而解决了平行双洞隧道施工射流通风的计算问题。 （3）解决了xx隧道瓦斯区段的通风问题，保证了平导单口掘进7650m及正洞

15、11070m多工作面平行作业过程中的空气质量。 35多工作面射流通风方式36开发通风软件，计算和模拟风流规律软件的输入参数分为三类 ：第一类是通风系统的几何参数，包括隧道尺寸、长度，软风管直径，风机的位置。第二类是流动参数，包括开挖面的空气预期流量，射流风机的出口流速，通风时间。第三类是与污染源有关的参数，包括炸药数量、单位质量炸药爆破后产生的有害气体量。 37开挖面附近流场三维模拟计算图7-13 剖面A-A速度矢量（主洞）图7-16 剖面B-B速度矢量（主洞） 图7-19 剖面C-C速度矢量（主洞） 38瓦斯检测及通风效果通风管路 射流风机395、高压、富水区结构防排水技术 提出了高压、富水

16、、岩溶区隧道结构防排水设计原则和方法，通过以堵为主，限量排放，分区设防、分段抗压，可有效地控制和减小作用在衬砌上的水压力，从而使结构更加安全、经济、合理。解决了高水压下的结构防排水设计问题。针对高压、富水、岩溶区，在一般富水区段采用了YK1.0MPa、YK1.5MPa、YK2.5MPa的抗水压衬砌，在溶洞核心区采用了YK 4.5MPa的衬砌结构，满足了不同地质条件下的结构安全需要。防排水形式及抗压等级一般富水区YK1.0断面 YK1.5断面41高、低过渡段YK2.5断面 核心区 K4.5断面42不同区段施工缝处理方法一般富水区 过渡段 溶洞核心区43隧道实际防排水效果在高压、富水、岩溶区，通过

17、注浆加固圈、防水板、排水盲管、防水混凝土及施工缝的不同处理形式，形成了一套完整的防排水体系，在高压、富水区达到了堵水降压、排水限压、大堵小排、综合治理的目的。隧道进口的总涌水量控制在1.5m3/m.d左右,隧道出口的总涌水量控制在0.5m3/m.d以内，均小于隧道的允许排水量3.0m3/m.d，取得了良好的防排水效果。44(1)2号溶洞CRD工法开挖数值模拟计算 2号溶洞CRD工法开挖 6 、隧道开挖数值模拟及信息化施工45 计算网格划分a. 纵断面图b. 立体图46A断面 x（水平）方向的位移 A断面Z方向(垂直)位移A断面 Y（水平）方向的位移 A断面塑性区47(2)计算结果分析 位移计算

18、结果表位移位置左侧边墙水平内移 （mm）右侧边墙水平内移 (mm)拱顶下沉(mm)仰拱上升(mm)纵向位移(mm)A断面4.08065.572119.47213.5944.8127B断面11.0585.244418.85213.5946.8403C断面7.83345.1851 16.04810.7017.2408备注计算时的坐标系为：X代表水平方向，Z代表垂直方向，Y代表隧道纵向 从计算结果看，总之，从计算结果看，2号溶洞全断面注浆加固8.0m后，采用CRD工法开挖，可以保证施工安全和结构稳定。如考虑大管棚和径向注浆的作用，隧道的稳定程度更高。实际施工过程也比较顺利，仅用了四个月就完成了2号溶

19、洞施工。48(3)提出了净空收敛、收敛速率、应力及应变管理基准： (a)拱顶下沉最大值为12cm，周边收敛最大值为24cm。 (b)钢筋的允许强度值为f=300MPa (c)18号工字钢及H型钢的允许强度为335MPa， (d)钢轨的允许强度指标为883 MPa。 (e)混凝土应变控制基准强度种类符号混凝土应变允许值C30C40抗压允许应变压0.000670.00082549(4)变形测试情况 2号溶洞拱顶下沉及周边收敛监测结果:里程DK354+464+468+474+479+485+493+500拱顶下沉最大值（mm）40.023.427.037.054.032.010.0周边收敛最大值 (

20、mm)17.058.440.9备注 周边收敛为2台阶的周边收敛 监测表明：高压、富水、岩溶区隧道的拱顶下沉和周边收敛均可控制在60mm以内，在允许范围之内。50围岩压力监测结果 钢筋应力监测结果高压、富水、岩溶区水压力沿隧道纵向分布(5) 结构应力及应变实际监测情况（04年9月3号溶洞）51混凝土应变监测结果 结构受力监测结果表明： 钢筋应力在100MPa之内，混凝土压应变在0.0005之内。且结构受力比较均匀，主要受压应力作用，说明结构是安全稳定的。 结构稳定性总结评价：数值模拟计算及现场监测结果均表明：隧道结构是安全和稳定的。527、混凝土耐久性研究(1)分析了影响混凝土耐久性的主要因素,

21、提出了预防措施。(2)分析了外加剂、钢纤维、硅粉、微纤维对混凝土耐久性的影响，试验研究了混凝土的配合比和施工工艺。(3)进行了耐久性指标的测试。53三、主要创新点1、研究和应用了以超前钻探为主要手段，以地质素描、地质雷达、红外线探水、TSP202为辅助手段的超前地质综合预测、预报岩溶技术，从而解决了溶洞预测预报问题。2、研究和应用了高压、富水区结构防排水设计原则及防排水体系，通过以堵为主，限量排放，分区设防，可有效地控制和减小作用在衬砌上的水压力，从而使结构更加安全、经济、合理，从而解决了高水压下的结构设计问题。543、采用高压力、多种注浆材料、反复检查、渐进式注浆技术解决了高压、富水、深埋、充填型溶洞的注浆加固难题。 4、研究和应用了特长隧道平行双洞射流通风系统，从而解决