壁板坡隧道岩溶发育地段施工方案

壁板坡隧道岩溶富水地段施工的预防和控制华铁咨询/德铁国际沪昆铁路客运专线云南段监理项目部：汪景勋摘要：岩溶这种地质现象，由于其隐蔽性和不可预见性，在隧道施工中一直是个难题，虽然目前有多种预测预报方法，但准确率存在一定局限性。新建沪昆铁路客运专线（云南段）JL1标管段穿越岩溶地区，且岩溶发育强烈，富水量大，为确保施工安全和今后的运营安全,有针对性的研究制定隧道岩溶富水地段预防和控制方案，是我们监理和施工单位面临的重大课题.引言:当隧道掘进时遇到有水溶洞、暗河，由于事先没有进行超前地质预测预报或预报有误，在施工过程中可能会发生突泥、突水，造成人员伤亡和财产损失。当隧道穿过有填充物的溶洞时，溶洞填充物由于自身稳定性极差，多会发生坍塌事故。当隧道底部有溶洞没有被发现，在施工或运行中由于重载施工机械、列车运行时常会发生塌陷。因此在岩溶隧道施工前,按照工程设计，编制有效的预防和控制方案，并严格规范和要求施工，就可以减少和避免灾害和事故带来的损失。一、工程概况壁板坡隧道全长14756m，是全线重难点、控制性工程和3座I级风险隧道之一。该隧道为特长隧道,中心里程为DK985+035,起讫里程DK977+657～DK992+413，全长14756m,进口位于贵州盘县红果镇上纸厂村，出口位于云南省富源县后所镇三丘田村。进口合修、出口分修，分修起点为DK979+020,合修段长度1363m，分修段长度13393m。辅助坑导为贯通平导，长度14717m，平导进出口均设在左线左侧，分修段平导设于左右线之间。线路纵坡设计为“人”字坡，变坡点DK985+200，最大坡度25‰,最大埋深为735米，隧道洞身穿过地层岩性以砂泥岩、灰岩、白云岩、玄武岩、泥质白云岩和碎屑岩为主.设计隧道正常涌水量Q＝75700m［3］/d，雨洪期最大涌水量Q=184100m[3］/d。隧道不良地质现象主要有坍塌、岩溶、涌水、煤层瓦斯等.二、岩溶地段施工的基本原则根据沪昆铁路客运专线设计等级、工期要求和地质条件，首先应重视超前地质预测预报，通过预测预报充分了解前方的地质情况，查明溶洞分布范围，类型情况，岩层的稳定程度,溶洞内填充物和地下水流情况等，在对地质情况有充分了解的前提下，采取有针对性的施工方法。在施工过程中,一旦发现浑水、携带泥沙、顶钻、高压喷水、水量突然增大等异常情况，应立即停止施工，分析原因，采取措施进行处理。三、溶地区隧道的施工，可采用下列技术措施进行处理岩溶隧道的施工应按“以疏为主、堵排结合、因地制宜、综合治理”的原则，岩溶隧道施工的技术措施可总结为：绕、截、排、堵、越，与分部开挖,加强支护相结合.本项目在岩溶地段隧道施工时，根据现场实际情况可选用以下措施.⑴、经超前地质预报确认岩溶发育,岩层破碎、地下水发育，可能发生涌水、突水或岩体结构性能软弱，开挖后开挖后极可能导致掌子面失稳诱发突水、突泥的段落,采取超前帷幕注浆方式对周边岩体进行固结,达到止水的目的。⑵、可采用暗管、涵洞、小桥或泄水洞、平行导坑等排水方法，将溶洞积水或暗河水排走.⑶、当不能排水,或由于溶洞规模大且溶洞填充物为含水量较大的岩溶泥时，可采用封堵的方法。当溶洞在隧道底部时可采用旋喷桩，在边墙及拱部时可采用注浆、管棚等，形成堵水墙（边墙）和防水帷幕(拱部）。⑷、对于停止发育、跨径较小，且无水的中、小型溶洞,可根据其与隧道相交的位置及其填充情况,采用干砌片石、浆砌片石或低等级混凝土进行填充。⑸、溶洞仅在隧道底部且较大较深，或者填充物松软不能承载结构物时,可采用旋喷桩进行地基加固处理或设置梁、拱跨越。四、岩溶隧道施工的准备工作在岩溶地区隧道施工过程中,应根据可能发生的地质灾害作好相应的应急预案和准备工作,贮备相关应急物资，并根据可能发生的突发事故进行应急演练，让全体施工人员对突发事故的应急处理有所了解，在发生突发事故时能正确进行处理，确保施工安全。⑴、根据设计文件中明确可能发生的突发事故，制定相应的应急预案,并组织全体施工人员学习,让全体员工对施工过程中存在的安全风险有所了解,组织施工人员进行现场应急演练，让大家在发生突发事故时能有针对性地高效率地进行应急处理。⑵、本隧道属高风险隧道，超前地质预报工作由设计院负责，经理部、分部应派专人负责超前地质预报的协调管理工作，收集预报信息并及时反馈至领导层和作业层，以便于领导正确决策,便于作业层采用正确的施工方法。施工作业班组在施工过程中如发现有异常情况或者与施工图、超前地质预报出入较大时,应及时向分管超前地质预报管理工作的人员反映，以便及时与设计单位勾通进行复查。⑶、在预测预报前方为岩溶发育地段时，应根据设计地质情况和超前地质预报情况和岩溶地段可能发生的危害，按照应急预案作好应急物资、机械、抢险人员等相应的应急准备工作。⑷、经TSP预测预报并经超前钻孔验证的富水地段,在钻孔时应预埋孔口管,以便测定水量、水压等参数.⑸、经TSP预测预报并经超前钻孔验证的富水地段，应及时将预测预报结果反馈至监理单位、设计院配合组和曲靖指挥部，根据四方共同意见对前方采取预注浆加固等处理措施。五、超前地质预测预报为保证隧道的顺利施工，避免地下水发育地段突水、突泥及洞身坍塌事故的发生，防止地表水、地下水流失,破坏当地生态环境，确保施工安全，需要采取有效措施对隧道掌子面地质情况进行较为准确的预测预报。施工中将超前地质预报工作作为一个关键工序来进行安排，建立地质预报管理组织机构，成立专业超前地质小组。经过超前地质预报，在开挖后对地质条件再次认知，通过对比反馈信息和分析，逐步提高对围岩的预报判释能力。六、岩溶隧道超前地质预报的原则内外兼顾,内为重；长短结合,短为重；直间并用，直为重；综合集成、长期预报。结合隧道不同的地质条件,超前地质工作按照长短结合、上下对照、定性与定量相结合的办法来保证预报的准确性。根据各种探测方法的特点，可分为长距离控制预报、中距离预报、短距离验证预报.1、超前地质预报的主要方法长距离宏观控制预报：在隧道穿过的灰岩地段以及断层在洞身水平方向上采用TSP203超前地质预测预报系统进行距离110m的预报，每次搭接10m中距离预报:采用仪器（红外探测仪）和超前地质钻孔进行的距离在30m的验证预报。短距离预报:地质素描法和采用加长炮眼孔进行的距离小于30m的预报。综合超前地质预报主要措施表措施位置地质素描洞顶及洞壁左侧洞壁、右侧洞壁、洞顶掌子面每10m拍摄一张数码相片计算物探方法TSP（掌子面岩溶，不良地质）洞身每次110m，搭接10m地质雷达（基底岩溶探测)在隧底中心和两侧红外探水根据TSP探测情况有必要时或在富水带进行超前钻孔单孔水平钻探（一般钻孔深度30米)每个断面5个探孔，其中1个取岩芯加深炮孔洞身每次6m，搭接不小于3m基底岩溶勘查地质雷达和钻探根据具体情况测试试验水量、水压力测试洞内断层段、溪谷、岩溶水软岩物理力学、膨胀性试验按50米计划取样一组地下水侵蚀性判定取样灰岩地段每150米计划取样一组2超前帷幕注浆(超前预注浆）根据补充初步设计文件内容,D1K981+400～+585、D1K991+225～+325、D1K992+165～+265三段穿越断层破碎带，拟进行超前帷幕注浆。其它穿越可溶岩与非可溶岩接触带等地段，根据超前地质预测预报结果综合分析确定。3超前帷幕注浆的作用及适用条件在超前探测前方为断层及破碎带段落存在高压富水区、具有较大规模、较大可能的涌水、突水或岩体结构性能软弱，开挖后极导致掌子面失稳诱发突水、突泥的段落。超前帷幕注浆的作用是在一定范围内加固围岩，减小加固围岩体空隙率及渗透系数,控制围岩涌水量。超前帷幕注浆设计加固范围为5m和8m两种，30m为一环。压注纯水泥浆液或多组合浆液，以起到预加固的作用（详见施工图）。4、超前帷幕注浆施工工艺流程图止浆墙制作止浆墙制作测量布孔钻孔钢管加工、制作清孔、孔口管安装洞身开挖及支护下一环超前帷幕注浆施工注浆注浆材料及机具准备5、施工方法⑴、止浆墙制作为保证超前帷幕注浆的效果在第一环注浆时按要求采用C20混凝土制作止浆墙，墙厚为2m（8m）、1。5m（5m）.止浆墙采用搭设脚手架加钢模板并加设斜撑，与开挖面周边接触处用5cm木板进行补充.由于开挖面跨度较大，因此在使用钢模板立模时分段进行，并在混凝土接触面留埋接茬石。混凝土浇筑采用混凝土输送泵。泵送混凝土前按操作规程的要求对管路进行必要的检查，并先用清水对管路进行润湿。正式泵送混凝土前先用两盘砂浆进行试泵，在输送泵运转正常后方可进行混凝土正常泵送作业。混凝土捣固采用插入式振动棒捣固。捣固时严格按要求进行。当需变换其在混凝土中的位置时，应竖向缓慢拔出,不得在混凝土浇筑仓内平拖，其捣固时间宜为10～30s。严禁漏捣和过捣。当混凝土强度达到设计的70%后方可进行下段混凝土的施工,直至整个止浆墙施作完成。⑵、测量布孔根据设计的要求孔位在止浆墙上成圆环型布置，8m超前帷幕注浆孔为306个，5m注浆孔为190个。布孔时按照先外后内的原则先标识出最外侧孔位，待外侧孔位钻完成并注浆完成后再布设内侧孔位。孔位布设时严格按设计进行，其孔位偏差不大于±5cm。⑶、钻孔①、钻孔采用地质钻机进行,其钻孔顺序为先外后内,同一环钻孔时应间隔进行。成孔后其孔径要求为：开孔直径不小于108mm,终孔直径不小于90mm。②工艺要求a钻机就位时用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线和导向轴线相吻合。b由于开挖面高度过大，因此，在钻凿上部眼时需搭设钻孔平台。钻孔平台搭建时必须有足够的强度和刚度，并应满足承受机具、材料、人员荷载要求，连接牢固、稳定，防止施钻时产生不均匀的下沉、摆动、位移等影响钻孔的质量。c钻孔时经常测量孔的斜度，发现误差超限应及时纠正，至终孔仍然超限者应封孔，原位重钻.以保证钻孔完成后其底线在预加固范围之内。d在钻孔时,若出现卡钻、塌孔时应注浆后再钻。钻孔时,应有针对性地填好钻孔记录，并根据钻孔出屑或取芯情况详细记录前方地质情况，以达到超前探测围岩的目的。⑷、清孔、孔口管安装钻孔完成后及时用高压风和高压水对成孔进行清扫，清除孔内石碴和灰土。并根据设计的要求在孔口段安装3m长的Φ108mm,壁厚5mm的热轧无缝钢管。孔口管安装采用人工进行，人工安装有困难时可辅以适当的锤击.孔口管安装完成后再用M5砂浆对孔口管四周进行封闭,以确保注浆作业时不出现漏气现象。⑸、注浆①、孔口管安装完成后即可进行注浆，注浆材料及配合比为：水泥浆水灰比＝0.8~1，水泥浆:水玻璃浆液＝1:0。8.②、工艺要求a注浆时先内圈后外圈,同一圈孔间隔施工，5、6、7、8环各孔采取后退式注浆，其注浆范围为孔底至开孔方向5m;1、2、3、4环各孔采取前进式注浆。注浆压力1.5~2Mpa。注浆前应做压水或吸水试验，并根据实际地质情况调整浆液浓度和注浆压力，以选择最为合适的注浆参数.b注浆过程中应做好施工记录，包括孔位、孔径、孔深、浆液配比、注浆压力、注浆量等。C单孔结束标准：注浆压力逐步升高至设计终压,并继续注浆10min以上，注浆结束时的进浆量小于20L/min，检查孔涌水量小于0.2L/m。min。全段结束标准：所有注浆孔均已符合单孔注浆条件，无漏注现象；注浆后预测涌水量小于3m3d注浆效果直接影响防水和预加固的效果,因此，在施工过程中应采用措施保证注浆时能达到预期目的。e注浆完成后应进行注浆效果检查。当注浆达不到预期效果时应及时进行补注。达到预期效果后方可进行开挖作业。6、超前帷幕注浆施工技术要点⑴、每一环注浆长度30m，开挖25m，并保留5m止浆岩盘。⑵、注浆孔开孔直径不小于108mm，终孔直径不小于90mm;孔口管采用Φ108mm，壁厚5mm的热轧无缝钢管，管长3m.⑶、钻孔和注浆顺序由外向内，同一圈孔间隔施工.注浆形式采用后退式注浆，岩层破碎易造成坍孔时，采用前进式注浆。⑷、钻进过程中遇涌水或因岩层破碎造成卡钻时，应停止钻进，进行注浆扫孔后再行钻进。⑸、注浆完成后应进行注浆效果检查。检查时在开挖轮廓线范围内打设检查孔。检查孔的出水量＜0.2L/min,任一孔出水量＜5L/min；或者进行压水检查，在1。0Mpa压力下吸水量＜2L/min，则判定注浆达到效果，否则应该进行补注浆.注浆达到效果后方可进行开挖。7、超前周边注浆当遇到断层及其破碎带段落，且非高压富水区以及地下水发育的可溶岩的接触带段落以及地表环境敏感、因地下水流失可能引发地表植被或居民生产、生活受到影响的段落.其注浆范围为开挖轮廓线外5m.施工工艺可参照超前帷幕注浆，在进行了超前地质预测预报并经各方会商采取超前周边注浆后，按照周边注浆参数进行施工作业。⑴、每循环共设4环注浆孔，注浆长度30m，开挖25m,预留5m止浆岩盘。⑵、注浆孔直径不小于108mm，终孔直径不小于90mm。⑶、钻孔和注浆顺序为由外向内,同一圈孔间隔施工。⑷、原则上采取后退式注浆，如岩层破碎容易造成坍孔时，可采用前进式施工.⑸、钻进过程中遇涌水或因岩层破碎造成卡钻时，应停止钻进，进行注浆、扫孔后再行钻进。8、超前局部注浆适用范围超前探测前方遇溶洞、溶槽涌水时，采取超前局部注浆堵水处理。⑴、涌水量及涌水压力不大时(小于0.5MPa)使用孔口安装止浆塞直接利用探水孔进行注浆，若涌水量及压力较大，则在出水孔口处2～4m范围内钻一至二个分流孔,以减小涌水压力,有利于注浆，探水孔和分流孔均作为注浆孔。⑵、若孔口段岩石破碎，应安设孔口管，孔口管安设前先用麻丝棉纱等缠绕孔口管，然后打入注浆孔，孔口与岩壁之间用膨胀快硬水泥堵塞，然后注浆，注浆完毕后，封堵孔口.⑶、注浆材料具体按施工图要求，可参考采用水泥浆，水灰比1：1～1：0.6；注浆终压:P［水压］+2Mpa。⑷、若涌水压力较小，且空洞较大时,可考虑采用混凝土输送泵压注C15混凝土充填。超前局部注浆示意图8、施工工艺及方法⑴、超前局部围岩注浆施工作业流程图施工准备施工准备测量布孔钻孔初期支护施作下一环局部围岩注浆施工注浆注浆材料及机具准备⑵、施工工艺及方法①、测量布孔岩面有裂隙线状出水及面状淋渗水时，应先明确出其范围，并标识清楚。当为裂隙线状出水时布孔宜疏,钻孔宜深；当为面状淋渗水时布孔宜密，钻孔宜浅。②、钻孔A、钻孔采用手风钻进行,其钻孔顺序为由低到高、由下往上、由少水处到多水处进行。成孔后其孔径为50mm.B、工艺要求a采用手风钻造孔其开孔角度与围岩应尽量采用大角度，根据设计要求开孔处与裂隙面间距为150cm,孔口间距1。0～1.5m。b当裂隙面较高在钻凿上部眼时需搭设钻孔平台。钻孔平台搭建时必须有足够的强度和刚度，并应满足承受机具、材料、人员荷载要求，连接牢固、稳定，防止施钻时产生不均匀的下沉、摆动、位移等影响钻孔的质量。c钻孔前先由技术室计算好开孔角度，在钻进过程中施钻手应根据开孔角度时时检查，当偏差较大时应予以调整，以确保钻孔位置正确无误.d在钻孔时，若出现卡钻、塌孔时应注浆后再钻,或采用砂浆进行封孔后,在偏离原孔位10cm左右处重新开孔.③、注浆A、钻孔完成清孔后即可进行注浆.B、注浆参数:a单孔扩散半径1。5m，注浆孔与出水裂隙面尽量大角度相交.b注浆压力大于水压0.5MPa。c注浆材料采用水泥浆,水灰比1：1~1:0.6。C、工艺要求a注浆时遵循由低到高、由下往上、由少水处到多水处的顺序.注浆前应做压水或吸水试验，并根据实际地质情况调整浆液浓度和注浆压力，以选择最为合适的注浆参数。孔口间距1～1。5m，根据现场情况可适当调整。止浆塞止浆,浆塞胶圈尺寸应与注浆孔径相配.岩溶缝隙涌水量较大时,应先钻引水孔泄压，再对裂隙注浆，最后用膨胀快硬水泥对引水孔进行封堵处理。b注浆过程中应做好施工记录,包括孔位、孔径、孔深、浆液配比、注浆压力、注浆量等。c注浆结束应满足各孔段达到设计压力并稳定10min，且注浆量不小于设计注浆量的80％、进浆速度为开始进浆速度的1/4。注浆结束后用M5砂浆进行封堵。d注浆效果直接影响防水的效果,因此，在施工过程中应采用措施保证注浆时能达到预期目的。9、超前局部围岩注浆及疏水施工技术要点⑴、当开挖后岩面裂隙出现线状出水和面状淋渗水时应及时采取注浆堵水措施.当开挖截断原水流通道时（水量较大），应及时采取疏水引排的措施恢复原水流通道。⑵、注浆孔采用手风钻开孔，成孔孔径为50mm。开孔位置与裂隙间距为150cm,并采用大角度与出水裂隙面相交。⑶、钻孔和注浆顺序由低到高、由下往上、由少水处到多水处钻注，在多水地段，应先两头向中间钻注.⑷、钻进过程中遇涌水或因岩层破碎造成卡钻时，应停止钻进，进行注浆扫孔后再行钻进。⑸、注浆材料采用纯水泥浆液及特种浆液（无收缩多液固堵剂、发泡注浆抢堵剂、TGRM固结剂等)。注浆压力0.5～1Mpa.注浆结束后应确保岩面无渗水。⑹、疏水管道埋设时应牢固，其管径选择时应满足排水的要求,并预留一定的富余量。管道埋设后与开挖面最外侧应有不少于5cm的保护层。10、回填在本管段内若遇已停止发育、路径较小、无水的溶洞时，初步拟定直接采用C15片石混凝土或M5.0浆砌片石进行回填处理。拱顶以上的空溶洞应采用喷锚支护加固，或加设护拱并对空腔回填处理。若有少量渗水可采用先回填再注浆的方式进行处理.11、旋喷桩地基加固处理当隧道施工中遇有充填物的溶洞时，一般其充填物的承载力均较弱,达不到隧道底板地基强度的要求,故可以采取旋喷桩对隧底充填物进行加固处理，以满足隧道基底强度要求。其具体参数由设计根据溶洞充填物的具体参数进行设计，施工工艺及方法参照旋喷桩施工方案。12、跨越溶洞施工工艺当溶洞较大较深时,可根据实际情况采用跨越方式处理.（1)、边墙跨越托梁施工变更设计、确定托梁形式和结构布筋变更设计、确定托梁形式和结构布筋两端基础处理和加固可与桥台同时施工处理搭设支承架立底模灌注托梁砼放置旧钢轨和绑扎钢筋养生拆模灌注边墙砼(边墙砼也可同托梁砼一起灌注)（2）、隧底部跨越桥梁施工变更设计、确定桥梁结构形式变更设计、确定桥梁结构形式测量放线桥台基础开挖(与托梁基础一起施工)搭设浇筑梁部支架、立底模桥台浇筑绑扎梁部钢筋和立侧模板灌注梁部砼养生、拆模七、富水地段超前地质钻探防突措施超前钻探钻进过程中应防止地下水突出，可采取安设孔口管和控制闸阀等措施，确保工作人员和机械设备的安全，同时应使地下水处于守口如瓶状态。⑴、在富水区实施超前地质预报钻孔作业，必须先安设孔口管，并将孔口管固定牢固，装上控制闸阀，进行耐压试验，达到设计承受的水压后,方可继续钻进。特别危险的地区，应有躲避场所，并规定避灾路线。当地下水压力大于一定数值时,应在孔口管上焊接法兰盘，并用锚杆将法兰盘固定在岩壁上。⑵、富水区隧道超前地质钻探时，发现岩壁松软、片帮或钻孔中的水压、水量突然增大，以及有顶钻等异状时，必须停止钻进，立即上报有关部门，并派人监测水情。当发现情况危急时，必须立即撤出所有受威胁地区的人员，然后采取措施，进行处理.⑶、孔口管锚固可采用环氧树脂、锚固剂，亦可采用快凝高强度微膨胀浆液锚固，锚固长度宜为1.5～2.0m,孔口管外端应露出工作面0.2～0。3m，用以安装高压球阀。1、施工安全保证措施⑴、在施工过程中,一旦发现浑水、携带泥沙、顶钻、高压喷水、水量突然增大等异常情况，应立即停止施工。待查明原因并采取相应的措施处理，确认已无危险时方可继续施工。⑵、建立健全安全生产管理体制，贯彻执行国家的安全生产法令、法规,按照“安全第一、预防为主”指导方针制定切实可行的安全安全生产措施。⑶、成立以项目经理挂帅的安全领导小组，以“三无、一杜绝,一控、三消灭”为安全管理目标，开展施工生产的各项工作；落实安全生产责任制,实行安全管理“职、责、权”相结合并与经济挂钩的原则。⑷、建立有效的监控量测管理体系，及时埋设监控量测点，并取得基准值,按要求开展监控量测；及时根据量测结果，评价支护的可靠性和围岩的稳定性,调整支护参数，确保施工安全。⑸、各特殊工种严格实行持证上岗制度，严格按本工种的《安全技术操作规程》进行作业。严禁非专业人员从事特殊工种。⑹、对施工机械定期进行检查，及时进行维修和养护，确保机具设备的施工安全.⑺、施工现场装备行业统一规定的标准电源箱。对电气设备平时不带电的金属外壳，用专门设置的接地板进行接地，以防止由于绝缘损坏等原因而造成意外。定期对用电设备进行安全检查、测试。⑻、所有电线、电缆、闸刀等应悬挂在洞壁，防止被水浸泡，并加强对电线、电缆绝缘性能和完好程度的检查工作,预防电击事故的发生.⑼、切实搞好洞身找顶工作，要经常检查及时处理危石，遇溶洞、断层破碎带等特殊地段支护工作应及时进行.必要时进行加强支护，预防坍塌