交流材料北天山隧道

突涌水（泥）地段施工技术交流材料中铁一局集团有限公司精伊霍铁路工程指挥部2009年6月一、工程概况1隧道简况北天山隧道为精伊霍铁路的主要控制工程，位于北天山西段的中山区内，全长13610m。洞身线路纵坡为人字坡，进口段3810m为3‰的上坡，中部400m为8‰的下坡，出口段8550m为17‰、350m为13‰和500m为1‰下坡。进出口地形陡峻，岭顶地形起伏较大，岭脊两侧沟谷发育，地形条件十分复杂。隧道最大埋深约1038m。隧道按钻爆法方案设计，设置全长平行导坑，平导长13540m，位于正线隧道左侧，与隧道中线线间距30m。在施工阶段利用平导超前探明地质情况，辅助正洞施工、排水、出碴运输等，使正洞的施工得以安全、快速的掘进。在运营阶段作为排水、救援、防灾通道。平导纵坡与正洞纵坡一致，平导坑底高程低于正洞线路路肩高程2地层岩性隧道岩性复杂，岭北为石炭系下统岩层，岩性主要为砂岩、灰岩、砾岩、页岩。洞身大部通过奥陶系上统岩层，主要为石灰岩，局部夹长石砂岩、页岩。岭南为石炭系下统岩层，岩性为英安斑岩、凝灰岩。3地质构造隧道位于博罗科努地槽褶皱带，地质构造复杂，断层、褶皱非常发育，走向以北西西—南东东及近东西向为主，具有切割深、延伸长、规模大的特点。隧道除通过蒙马拉尔复式背斜和F14、F15和F16三条区域性断层外，还通过许多小的背斜、向斜及小断层、节理密集带。4水文地质特征隧道通过区地下水类型主要为岩溶裂隙水、基岩裂隙水和构造裂隙水。岩溶裂隙水主要发育于隧道中部的奥陶系上统石灰岩岩层中，基岩裂隙水发育于进、出口段石炭系下统岩层中，构造裂隙水主要发育于断层中。5隧道涌水量隧道主要穿越石灰岩地层，原设计总的正常涌水量约为55815m3/d，根据隧道开挖后实际统计，进口段总涌水量约为77400m3/d，出口段总涌水量约为44945m3/d，隧道总的正常涌水量约为122345m北天山隧道分段涌水量统计表表1隧道里程长度（m）正常涌水量（m3/d）地下水类型备注DK109+240～DK110+77015301000基岩裂隙水DK110+770～DK111+0202504000构造裂隙水DK111+020～DK111+280260500岩溶裂隙水DK111+280～DK112+26598530500岩溶裂隙水DK112+265～DK112+5002354700岩溶裂隙水DK112+500～DK114+75018504921岩溶裂隙水DK114+750～DK115+900155031000岩溶裂隙水DK115+900～DK116+200300798岩溶裂隙水DK116+200～DK117+00080016000岩溶裂隙水DK117+000～DK117+200200532岩溶裂隙水DK117+200～DK117+6004008000岩溶裂隙水DK117+600～DK118+5009002394岩溶裂隙水DK118+500～DK119+52010208338岩溶裂隙水DK119+520～DK120+2207001862岩溶裂隙水DK120+220～DK120+57035042构造裂隙水DK120+570～DK122+85022807758基岩裂隙水合计136101223456突涌水（泥）特征隧道进口段平导施工期间共发生了八次较大的突、涌水（泥），其特征如下：DzK110+825～DzK110+858段该段为F14断层破碎带，属正断层，带内物质以断层角砾岩为主（局部为奥陶系上统石灰岩）。2005年8月22日平导掘进至DzK110+825处，掌子面奥陶系石灰岩层理面较清晰，涌水沿左侧底部层理面、裂隙面涌出，涌水量约14210m3/d。随着掌子面试探性向前掘进，涌水量逐渐增加，9月10日达到最大，约38850m3/dMPa。目前基本无涌水，属构造裂隙水。DzK112+021～DzK112+042段2006年2月10日平导掘进至DzK112+021处时，拱顶左侧出现股状涌水，约4000m3/d。2月15日开挖至DzK112+042处时，由于DzK112+040处发育有宽约2～3m的小断层，随着基岩裂隙水的不断涌出，节理裂隙带的细小充填物被带出，涌水量不断增加，2月18日达到最大，约24000m3/d，MPa。目前涌水量维持在5000m3/dDzK112+220～DzK112+226段该段位于构造破碎带，岩性为石灰岩夹碳质页岩。2006年4月4日裂隙水开始在掌子面拱顶左侧呈滴状、线状涌出，12小时后呈股状涌出，水量4000～5000m3/d，Mpa，涌水为岩溶裂隙水。DzK112+265处2006年4月15日，在平导掘进至DzK112+265处时，掌子面左上部裂隙出现涌水并伴有泥砂，涌水处直径约50cm，水质时清时浊，最大涌水量约12000～13000m3/d，最大水压4.5Mpa，涌水为岩溶裂隙水2006年9月15日，在平导掘进至处时，掌子面左侧开挖轮廓线以外发现一小断层，断层内物质主要为断层角砾，角砾成分主要为大理岩。断层近东西走向，平导与断层夹角较大。至9月16日，左侧起拱线以上冲出一长、宽、高为4m×3m×4m的空腔，集中出水点位于空腔体的左边墙，掌子面涌水量最大达20000m溶裂隙水。开挖通过后实施径向注浆处理，目前基本无涌水。DzK113+452处2007年2月2日上午9点，平导掘进至DzK113+452处时，从右侧宽的平移断层中涌出清水，围岩为石灰岩，整体性较好。当天下午积水已淹没平导通道约350m（8‰下坡），最大涌水量达15000m3/d，1.5MPa。目前涌水量已衰减至6000m3/d左右DzK114+701处2007年10月8日平导掘进至DzK114+701时，掌子面右侧钻孔眼出现喷射水，10月9日左侧底板以上处钻入后出现压力水，其涌水量达20000m3/d，现场量测水压最大2.0MPa。目前水量已衰减至3000m3/d左右，图5DzK114+701处涌水涌水为岩溶裂隙水。DzK114+780处2007年10月27日上午平导掘进至DzK114+780时，在掌子面出碴过程中，发现左侧有一直径约的空洞口，继而不断突出流体状泥夹石，突出物质为断层角砾夹断层泥，断层角砾主要为碎裂灰岩、页岩碎块，出水一开始呈灰色，后逐渐变为灰黑色，出水量约50～60m3/h，在清理过程中空洞口不断扩大，达到2.1×1m，最大涌水量约2000～3000m3/d，MPa。目前涌水量维持在300m3北天山隧道线路概况、水文地质特征、突涌水（泥）等情况示意图见图7。二、交流材料概述北天山隧道自2004年11月22日开工，于2008年12约28日贯通。我们查阅了国内外大量的相关文献资料，并在工地进行了室内和现场试验，结合隧道的水文1高压富水地段突、涌水处理的施工技术总结对于平导突、涌水段采取强行措施开挖通过。在平导前三次涌水前，根据综合超前地质预报结果分析，确定地下水为处于深部滞流带的构造裂隙水和岩溶裂隙水，均未发现有溶洞和岩溶管道及大量填充物的存在，地下水主要沿节理和层面裂隙排出，地层挤压紧密，围岩稳定性好，发生大的突泥水灾害的可能性小，鉴于这种情况对前三段涌水均采取强行措施开挖通过。图7线路概况、水文地质特征、突涌水（泥）情况示意图1.2对于高压富水地段突、涌水处理采取平导“以排为主，先行通过”和正洞“以堵为主，适量排放”的施工原则。在平导2006年4月15日出现第四次涌水前，根据地质超前预报结果分析，若要采取强行开挖通过措施，将存在很大安全隐患。图8DzK112+265处帷幕注浆效果为确保施工安全，采取了全断面帷幕注浆措施。由于水压太高，止浆墙施工过程中先后失败三次，导致近五个月无开挖进度，工期严重滞后。鉴于以上情况，为确保“平导早日贯通”的目标实现，经过反复对比、论证，最后提出了在确保施工安全的前提下，平导“以排为主，先行通过”和正洞“以堵为主，适量排放”相结合的总体施工原则。2006年9月6日铁道部组织了国内有图9铁道部专家组现场研讨关专家对北天山隧道进行了现场调研，针对隧道的高压，突涌、水处理措施和施工原则进行了研讨，这一施工原则最后得到了专家们的基本认同。在平导以后的三次较大涌水处理时，我们按照这一总体施工方案组织施工，将平导作为泄水、排水通道，减弱了正洞的水压和涌水量，确保了正洞施工安全和快速掘进。实践证明这一方案是正确的，可行的。1.3对于高压富水段突、涌水的处理结合现场施工实际，根据不同地质条件、水压和涌水量等实际情况，分别采取了径向注浆、周边帷幕注浆、全断面帷幕注浆、超前管棚注浆等多种注浆堵水处理措施。实践证明，采取这一灵活的处理措施很好地解决了施工防排水这一技术难题，实现了快速掘进的效果，确保了施工安全，降低了工程成本。2长大隧道反坡排水施工技术总结隧道施工排水应遵循“因地制宜、综合治理”的原则，并应优先采用施工简单、效果显著、降低造价的措施。2.2根据北天山隧道线路特征，长大反坡地段采用固定泵站和移动泵站相结合的排水方法。隧道洞身线路纵坡为人字坡，进口段3810m为3‰的上坡，中部400m为8‰的下坡，出口段8550m为17‰、350m为13‰和500m为1‰下坡。图10平导顺坡段排水进口段工区共承担6805m正洞和平导的施工任务，反坡地段2995m需机械排水，该段最大涌水量为92447m3图11平导抽排水管路图12平导反坡抽排水北天山隧道进口反坡段施工排水泵站、排水管路布设见图13。图13北天山隧道进口反坡段施工排水泵站、排水管路布设三、超前预注浆施工技术1施工方案选择根据北天山隧道不同的地质条件、水压、涌水量等特点和围岩地质条件，针对高压富水段突、涌水处理采取平导“以排为主，先行通过”和正洞“以堵为主，适量排放”相结合的施工原则，选择最合理的处理方案。确定实施最合理方案的主要方法是通过超前探孔，判定水流方向，测算总涌水量，确定裂隙发育段和裂隙发育程度，从而判析出前方地层在开挖后是否能够自稳，是否存在大量涌水、突泥砂的可能，是否能保证涌水量不会对施工造成太大影响，并确定在开挖后能否对涌水量进行控制等。根据施工现场的技术研究，决定排水、堵水方案的具体条件如下：（1）当平导开挖前方围岩状况较好，无论涌水量大小，均采取排水通过的施工方案。当正洞开挖前方围岩状况较好，超前探孔单孔涌水量Q单＜50m3/h；总涌水量稳定，当顺坡施工时Q总＜500m3/h，当反坡施工时，Q总＜300m3/h，在这种条件下采取开挖通过后实施径向注浆堵水的施工方案。探孔区段总涌水量稳定，但总涌水量超过500m3（2）当探孔区段总涌水量稳定，并小于500m3/h时，若钻孔范围内裂隙分布均散，涌水段裂隙分布范围大于3m以上，在这种条件下采取（3）开挖掌子面前方为淤泥质或粉细砂层等软弱、流塑性断层地层，且有流动水，这会造成开挖后掌子面不能自稳，施工中易出现坍方、突泥、涌砂等灾害，因此，在这种情况下，无论正洞或平导均采取超前预注浆加固方案。在北天山隧道高压富水段突、涌水处理过程中，主要采用了以下措施：对DzK112+043～DzK112+246、DK110+815~DK110+870、DK112+200~DK112+256、DK113+440~DK113+455富水段，采用开挖通过后小导管径向注浆和支护加强处理措施。对DzK112+246~DzK112+274、DK112+040~DK112+080、DK112+256~DK112+281段采用超前帷幕注浆处理措施；对平导DzK110+825～DzK110+858段、DzK112+021～DzK112+042段、DzK113+452处、DzK114+701处采取了以排水减压为主，加强支护通过的处理措施。2超前预注浆施工2.1超前预注浆方案实施的条件当不能满足径向注浆等堵水加固条件时，实施超前预注浆加固方案。北天山隧道超前预注浆主要采用帷幕注浆的注浆堵水方式。2.2为防止钻孔过程中出现坍孔，北天山富水隧道的超前帷幕注浆均采取分段式前进注浆施工工艺（见图14）。2.3止浆墙施工止浆墙施工是在注浆时为满足抵抗注浆施工过程中注浆压力的要求采取的止浆模式，同时，采用止浆墙也可以将孔口管预埋、固定，减少在钻孔注浆过程中因安设孔口管而影响钻孔注浆的施工进度，因此，在进行超前预注浆前必须设置一定厚度的混凝土止浆墙。在多环帷幕注浆时，可预留一定长度的止浆岩盘作为止浆墙。止浆墙厚度确定非常重要，厚度过小，无法抵抗注浆压力，厚度过大造成成本增加，增加无效钻孔长度。由于止浆墙面积较大，可采用平板理论进行抗压、抗剪计算确定。采用抗压、抗剪计算公式计算出止浆墙厚度一般较大，因此，采用国内煤矿部门进行注浆施工时的经验数值进行止浆墙厚度取值：当注浆压力P<2MPa时，止浆墙厚度取值1m当注浆压力P=2～5MPa时，止浆墙厚度取值1.5～2.0m。图14分段式前进注浆工艺流程图当注浆压力P=5～MPa时，止浆墙厚度取值～3.0m。根据北天山隧道开挖断面、注浆压力和工作条件等因素，平导DzK112+246~DzK112+274段，正洞DK112+040~DK112+080、DK112+256~DK112+281段帷幕注浆止浆墙厚度均采取3m。北天山富水隧道止浆墙结构均采用全断面嵌入式，施作位置根据现场情况进行确定。为确保止浆墙的稳定，在止浆墙位置的断面加宽50cm，并安装间距1m×1m，长度2m的径向锚杆嵌入断面内部；拱墙布设遇水膨胀止水条，间距为50～80cm，以增强混凝土与岩面的密实度；当开挖面水量较大，采用砂袋将开挖工作面设置一道挡水墙，并设置排水管将水引出，并在排水管上安装高压闸阀。在止浆墙灌注混凝土时，仓内做好疏、排水工作，加强混凝土振捣，确保混凝土密实，并在工作面按照方案预埋孔口管；混凝土强度达到设计强度的75％以上后方可进行钻注施工。2.4孔口管安装孔口管安装主要分为预埋法和后装法两种，这两种方法各有优缺点。预埋法密封性好，注浆过程中不易漏浆，但存在不易定位、钻机施钻难度大的弊端，同时在混凝土浇筑过程中可能出现孔口管移位；后装法钻机容易定位，可以根据需要进行开孔，但孔口不易锚固，注浆过程中容易出现漏浆，影响注浆效果或无法进行注浆。后装法根据封口方式可以分为两种：一是直接采用麻丝+速凝高强水泥系材料固定孔口管，如图15；二是采用麻丝+锚杆固定孔口管，如图16。图15麻丝＋速凝高强水泥材料固定孔口管示意图图16麻丝+锚杆固定孔口管示意图两种孔口管固定方案进行比较分析，如表1。孔口管固定方案比较表表1方案固定方式固定力优点缺点一麻丝+速凝高强水泥材料一般施工简单孔口管较难重复利用，密闭性一般。二麻丝+锚杆较高孔口管能重复利用主要靠锚杆拉拔力固定，施工较复杂，密闭性差。根据施工现场实际和方案对比结果，北天山富水隧道在施工中主要采用的是预埋法，孔口管（长度）随止浆墙安装模板时一起安装预埋。在施工过程中对偏差较大的孔位进行纠偏，重新进行钻孔安装孔口管，主要采用麻丝+速凝高强水泥材料的方法。2.5注浆参数北天山隧道帷幕注浆参数见表2。帷幕注浆参数表表2序号参数名称帷幕注浆1加固范围开挖轮廓线外4~6m2扩散半径3注浆管直径110mm4孔底间距3m5水泥标号6水玻璃浓度35Beˊ7单液浆、水泥浆浓度1:1～0.6:18双液浆、水泥浆浓度1.25:1～0.8:19水泥浆与水玻璃体积比1:1～0.6:110缓凝剂掺量水泥用量的2～2.5%11浆液初凝时间1～2分钟12注浆终压/MPa8～10注：1、平导加固范围：开挖轮廓线外4m、正洞加固范围：开挖轮廓线外6m。2、现场注浆施工中，注浆参数可根据情况进行动态调整优化。2.6注浆方法注浆方法一般分为前进式分段注浆、后退式分段注浆、全孔一次性注浆三种方法。由于北天山隧道地质情况复杂，难以一次性成孔，在施工中采取分段前进式的注浆方法，即采取钻、注交替作业的一种注浆方式，在施工中，实施钻一段、注一段，再钻一段、再注一段的钻、注交替方式进行钻孔注浆施工。2.7注浆分段长度前进式分段注浆，每次钻孔注浆分段长度3～5m，对于软断层、软弱破碎带分段长度更小。对于断层影响带由于孔壁、围岩相对较完整，水量较大时分段长度可采用5m或5m以上注浆（此时是裂隙充填注浆模式）。断层前影响带分段注浆长度为长度8～10m，进入断层带与基岩面的分界处时，钻注分段长度采用2m（此时是劈裂、渗透注浆模式）。对于断层、软弱破碎带加强注浆是防止突泥（砂）、涌水的关键。2.8钻注顺序采用约束型的多次钻注顺序施工，先注入凝结时间较短的浆液，充填大裂隙、空洞，后注入充填剩余的小孔隙，如图17。选择合适的注浆顺序就是从外部达到“围、堵、截”的目的和内部达到“填、压、挤”的目的，从而使注浆取得更好的效果。在注浆施工中遵循“分区注浆原则、跳孔注浆原则、由下游到上游原则、由下到上原则、由外到内原则、约束发散原则、定量定压相结合原则、多孔少注”的原则。实施中根据实际情况确定多种原则进行综合应用，提高注浆效果。为确保加固效果和提高工效，根据施工现场情况，北天山隧道采用先下部后上部、同一部位为先外圈后内圈、同一圈按隔孔钻注的钻注顺序。图17约束型的多次钻注顺序施工图2.9注浆结束标准及效果检查北天山隧道注浆结束采用以下标准：单孔结束标准：当达到设计终压并继续注浆10min以上，单孔进浆量小于20~30L/min，检查孔涌水量小于/min。全段结束注浆标准：所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏浆现象；注浆后段内涌水量不大于1m3MPa压力下，进水量小于2L注浆结束后，检查比较注浆前后的涌水量，观察裂隙浆液充填情况，利用钻孔、注浆记录，分析注浆是否达到要求，综合评价注浆效果。若达到设计要求，可进行开挖；反之，应进行补孔注浆。通过对北天山隧道平导DzK112+246~DzK112+274，正洞DK112+256~DK112+281段采用超前帷幕注浆，注浆结束后，注浆段基本无水，达到了设计要求的各项标准，实践证明注浆堵水非常成功，满足了正洞“以堵为主，适量排放”的施工原则。3效益分析针对北天山富水隧道多次涌水原因进行了科学的分析，总结出了根据不同水文地质和工程地质条件、水压、涌水量，设计多种施工预案，并结合现场实际情况采取相应的注浆堵水技术、参数和开挖方法，很好地解决了防涌水与防塌方问题。加快了施工进度，保证了施工安全。但由于还缺乏一定经验，在隧道注浆堵水施工中还存在一些技术问题，这些问题还有待于进一步研究改进。通过对突涌水处理地段施工费用与原设计方案的比较，经济效益明显，节约资金约130万元（节约费用只含工、料、机使费等工程直接费用，不含工期提前产生的效益），施工工期提前了3~4个月。四、长大隧道反坡排水施工技术1施工原理隧道洞内反坡段施工排水以设计为依据，统筹全局。根据现场坡度和涌水量的变化情况及时调整施工排水方案，坚持动态设计、动态施工和动态管理的原则。洞内工作面积水采用移动潜水泵抽至就近泵站内，其余已施工地段出水经临时积水坑（道）自然汇集后引至附近泵站水仓，再由工作泵从水仓将水抽排至下一水仓，如此分段接力排至变坡点处，再由排水沟自然排出洞外，经净化处理后排放。2隧道长大反坡排水施工2.1方案选择原则隧道施工排水应遵循“因地制宜、综合治理”的原则。并应优先采用施工简单、效果显著、降低造价的措施。2.2施工排水措施2自然排水当隧道向上坡方向开挖时，利用其自然坡度将水集中于排水沟内排出洞外。施工时根据用水量大小、开挖坡度及排水沟材料，选择合理的水沟断面，排水沟断面必须满足隧道最大涌水量的排出需要，排水沟应经常清理，防止淤塞。自然排水系统的设置应与运营后的排水系统一致，以节省建造费用。2反坡排水隧道反坡排水一般采用反坡水沟逐段排水和排水管一次（分级）排水两种方法。“1”反坡水沟逐段排水（见图18）图18反坡水沟逐段排水示意图分段最大长度根据隧道坡度、水沟底坡度及水沟深度计算。Lk=hk/（is+ik）式中：LK——分段最大长度（m）；hk——水沟开挖最大深度（不大于1m）；is——线路坡度（不小于3‰）；ik——水沟底坡度。这种方法的优点是，水泵功率小，且位置固定，不需要水管。缺点是水泵用量多，增大了开挖排水沟的工作量。一般隧道较短和坡度较小时采用。“2”反坡排水管一次（分级）排水（见图19）图19排水管一次（分级）排水平面示意图在工作面用潜水泵或辅助小水泵将工作面积水排至积水坑内，然后由主水泵通过管道一次（或分级）将水排出洞外。这种方法的优点是，水泵用量少，不需开挖排水沟。但需要大量排水管和大功率水泵，且随着工作面向前推进，需要接长排水管和移动泵站，增加了施工程序。水泵及管路选择见表3、表4。表3水泵及管路选择表项目计算公式说明泵的排水能力（流量）(m3/h)C—涌水不均匀系数，取1.3～1.5；M—水泵的时间利用系数，0.6～0.65；Q—涌水量(m3/h)。水泵的扬程H=(L1+L2)sinα(1+K)(m)L1—排水管长度(m)；L2—吸水管长度(m)；K—管路阻力换算扬程系数，见表4；α—排水管路的倾角。水泵的轴功率(kW)—水的容重，1.0～1.1(t/m3)；—水泵效率，0.50～0.60。排水管直径(m)(cm)—水在排水管内的平均速度1.5～2.2m/s吸水管直径d1=d+25(mm)吸水管最大长度(m)Hs—水泵允许吸上真空高度(m)—莲蓬头上面的水位高度(m)表4管路阻力换算扬程系数K实际扬程(m)管路直径（mm）200以下250～300350以上K（%）1030～5020～4010～2010～3020～4015～305～1530以上10～3010～203～102.3北天山隧道反坡排水施工泵站和排水管路设置反坡地段设置机械排水，可根据坡度、水量和设备情况布置管路、集水坑和泵站，分段接力排出洞外。反坡段施工排水管路和水泵配置见表5、表6。表5排水管路型号、数量、长度及布置形式统计表序号位置规格、型号根数（根）长度（m）备注11#水仓前钢管φ3505395水仓间排水管路21#～2#水仓钢管φ3504410水仓间排水管路32#～3#水仓钢管φ3504417水仓间排水管路43#～4#水仓钢管φ3503480水仓间排水管路54#～5#水仓钢管φ3503480水仓间排水管路6移动泵钢管φ1504480移动泵排水管路说明：移动泵所用管路随着工作面推进拆除、移动、接长。表6水泵型号、功率、台数、抽水能力统计表序号泵站350QW1500-15-90（90kW）WQ400-10-22（22kW）泵站抽水能力（m3/h）工作备用抽水能力（m3/h）工作备用抽水能力（m3/h）11号泵站3115002450