关角隧道突水机理及处治技术PPT幻灯片课件.ppt

,关角隧道突水机理及处治技术,中铁十六局集团有限公司西格二线工程指挥部钱富林,1,一、摘要二、突涌水机理分析三、突涌水模式四、隧道突涌水处治技术六、结束语,主要内容,2,一、摘要,本文立足于关角隧道建设实践，研究关角隧道突涌水灾害的发生机理，分析突涌水的形成条件、类型，提炼突涌水的水文地质概念模型和突涌水模式；采用理论分析、数值模拟、经验总结等方法，归纳总结了一套突涌水处治技术，包括超前地质预报方案、注浆方案、地表导流，针对不同的突涌水模式采取相应的处治方案。,3,在关角隧道施工过程中，穿越了长大段落岩溶富水区域，涌水压力基本超过2MPa，涌水量较大，水文地质复杂，为工程施工带来了极大的影响。其中，最为突出的问题是：隧道内地下水补给及处治问题。隧道的开挖、贯通，改变了原有的温度场、应力场和地下水流场，传统的施工方法受到挑战。为了克服和解决富水环境对施工的影响，通过对隧道突涌水机理分析，采取了必要的超前探水、水泥-水玻璃浆液和化学浆液相结合的注浆堵水措施、施工方法，确保了隧道顺利穿越富水区域施工。,4,二、突涌水机理分析,1、突涌水形式,根据现场勘察分析，关角隧道的地下水类型为基岩裂隙水和岩溶裂隙水，施工中遇到的突涌水主要出现在3号、4号斜井II-IV级灰岩地层中，主要表现形式为：,突涌水表现形式一：涌水点主要分布在拱部及边墙，以股状涌水及淋雨状涌水形式沿裂隙出露，具有出水点多、单孔涌水量小、总涌水量大及水压较低的特点。,突涌水表现形式二：涌水点较为集中，股状涌水、涌水量较大、水压较高（1.34.5MPa）。,5,2、地表水流量监测,2008年8月16日，分别在3、4号斜井所处的克德拢沟距4号斜井口约1.2km的上游处和距斜井口约0.4km的下游处布置流量测试断面和测试断面，对地表水流量采用浮标法进行测试，测试的结果见下表：,由测试结果看出，地表水在流经断面和断面（间距约0.8km）的过程中流量损失约23093m3/d。由此克德拢沟谷地表水对斜井具有一定的侧向径流补给。,6,为进一步查明地表水与3、4号斜井的水力联系，在3、4号斜井上游布置实验坑进行连通实验（如图所示），实验试剂采用红色氧化铁粉，同时在洞内进行颜色观测和取样化验分析，实验结果：,1）经过72小时的观测，3、4号斜井洞内涌水未见颜色的变化，结果分析为，洞内涌水较大，对颜色的稀释是导致观测结果不理想的直接原因。2）水质分析结果：4号斜井投放示踪剂后48小时铁离子含量为实验前的6.4倍。3号斜井投放示踪剂后48小时铁离子含量为实验前的2.2倍。实验结果表明：克德拢沟地表水与4号斜井具有较好的水力联系，与3号斜井具有一定的水力联系，是隧道涌水的重要补给来源。,7,2、突涌水水文地质概念模型,由于气候和地质条件的不同，关角隧道岩溶区普遍发育强径流带，地下暗河极不发育。岩溶地下水系统不论是地下水赋存空间，还是径流空间，主要受构造裂隙（岩溶裂隙）控制，主干裂隙是径流通道（强径流带），次级裂隙为赋存空间。关角隧道围岩含水介质为裂隙-溶隙含水介质。按照隧道所处的岩溶水系统的垂向循环带、季节变动带、水平循环带、深部循环带和强径流带，可将其概化为如下五种水文地质概念模型：模型1：隧道位于区域最高地下水位以上，一般不存在稳定的涌突水问题，主要表现为沿裂隙和溶隙的滴水和渗水，雨季会有短期的小流量股状涌水，由于埋深浅，没有形成自由水面，基本不会形成较大的水压力，对工程正常施工影响不大，风险性较小。这种模式基本位于隧道的进出口部位。模型2：隧道处于区域地下水最高水位和最低水位之间，主要表现为沿裂隙和溶隙的渗水、涌水现象，在枯水期水量较小或无水，在雨季或丰水期洞内裂隙出水量增大或会形成新的涌水点，量集中、变幅大、突发性强，危害性也较大，在排水能力充足的情况下，对工程正常施工影响不大。,8,模型3：隧道位于区域最低地下水位下方数十米范围，基岩裂隙发育程度较低，主要表现为沿裂隙和溶隙的涌水现象，雨季时涌水量会增大，涌水量相对比较稳定，揭示涌水量与正常涌水量差异不大，在采取相应的堵水、排水措施条件下，对工程正常施工影响不大，一般不存在严重的突水问题。模型4：隧道位于区域地下水位下方数百米，其突水的特征一般以清水为主，裂隙-溶隙不发育，水量相对比较稳定，初次揭示涌水量与正常涌水量差异不大。由于地下水的水压力较大，易发生大规模突涌水，风险性较大。模型5：隧道处于裂隙-溶隙极发育的构造破碎带含水介质中，属于地下岩溶水系统的强径流带，隧道涌突水量与地表降雨和地表水体关系极为密切，当隧道处于岩溶水系统的下游，在高水压作用下容易同时诱发破碎围岩崩塌，突水灾害的危害性巨大。该模式突水特征为初次揭示涌水量、正常涌水量和水压力极大，且相对比较稳定。,9,表12008年1月8月降雨量统计表,关角隧道4号斜井2008年7月30日，实测涌水量为81009200m3/d，之后水量持续增大，2008年9月28日实测水量为24000m3/d；2008年7月19日实测洞内涌水量为8617.2m3/d，2008年9月16日实测水量为16456.0m3/d（峰值涌水量为23000m3/d）。不同时期的涌水量相差巨大，隧道在雨季的突涌水风险性大，而枯水季节突涌水的风险性相对较小。,另外隧道突涌水发生除与水文地质概念模型有关外，还与降雨期也有关，不同降雨时期降水量不同，洞内涌水量大小也不一样。根据天峻县气象站的降雨资料（见表1），关角隧道地区7月份最大降雨量为153.7mm，为30年一遇的强降雨，相比历史同期增加了92%，单日最大降雨量为2008年7月28日的42.8mm。,10,通过以上对不同水文地质模型下隧道涌突水特点的分析可以看出，关角隧道是揭穿型突涌水，受蓄水构造和地区大气降水因素的影响明显。将各种突涌水按发生条件和机理划分为洞身突涌水型和掌子面突涌水型两种突涌水模式。1、掌子面突涌水模式掌子面突涌水模式包括裂隙-溶隙和构造带两种突涌水模式，两种模式的突水机理差异较大。1）裂隙-溶隙型突涌水模式主要表现为地下水从掌子面局部节理和裂隙中淋出或涌出，由于裂隙-溶隙含水介质的过水和蓄水能力有限，涌水的水量和水压较小。2）构造带突涌水模式主要是由于掌子面前方的构造带中赋存丰富的地下水，由于储水构造形成时间较长，赋存了较大的水量，具有较大水压，当较完整的隔水层不足以承受构造带的水压发生破坏时，大量的地下水随之突然涌出。,三、突涌水模式,11,2、洞身突涌水模式,关角隧道3号斜井长1667m、4号斜井长1571m，斜井坡度大，长距离反坡排水是施工面临的一大难题，因此对斜井洞室开挖后的洞身突涌水模式研究至关重要。研究资料表明，与岩溶弱径流区（裂隙-溶隙不发育）比较，强径流带地下水动态相当稳定，无论是地下水位还是流量，其变化幅度都比弱径流小的多。这是因为巨厚的包气带及弱径流区对地下水调蓄作用的结果。强径流区地下水位年变幅一般为313m，弱径流区地下水位年变幅可达16112m，隧道通过强径流区时可不考虑地下水变化的影响。关角隧道岩溶段属于裸露型岩溶，受大气降水补给明显，弱径流区地下水位变幅大。当洞身穿越季节变动带段，在枯水期时，地下水处于低水位，洞身地下水状态主要为无水或渗水。在丰水期时，地下水达到高水位，巨大的水位差会造成洞身段出水点涌水量剧增或出现新的涌水点出现。这种枯水期和丰水期涌水量的巨大差距，往往会导致在枯水期施工时不能准确判断地下水状态，没有采取相应的处理措施就继续施工。而在丰水期时，由于斜井内反坡排水能力有限，当涌水量高于排水量时就会酿成大型突涌水灾害。,12,洞身段处于垂直循环带和水平循环带时，由于水头不高，主要表现为地下水沿隧道壁汇集，成股或成点滴落或流下，通过后注浆措施即可控制。处于深部循环带时，高压突水地段，在开挖施工时已进行超前封堵处理，洞身也不会出现大的涌水点，因此一般不会对地下工程造成很大的排水压力，对地下工程的衬砌也不会产生很大的水压力。综上所述，洞身突涌水模式应以洞身处于季节变动带时为典型进行预防和处理。通过以上隧道突涌水机理分析、突涌水水文地质概念模型、突涌水模型等一系列的研究分析，关角隧道突涌水存在以下几个特点：第一、关角隧道岩溶段受大气降水补给明显，弱径流区地下水位变幅大第二、隧道与地下水位之间的关系难于掌握，突涌水形式具有不可预见性。第三、隧道突涌水多以掌子面突涌水为主，水压较高、水量较大，堵水施工难度较大。第四、隧道洞身单点高压涌水与段落渗水并存，单一的堵水施工方案难以达到预期的堵水效果。针对关角隧道突涌水的几大特点，就要在施工过程中，形成整套的突涌水防治与处治技术。,13,四、隧道突涌水处治技术,1、超前探水方案,针对关角隧道地质的复杂性和多变性，施工中采取综合超前地质预报的手段，即按照“长短结合、上下对照、定性与定量相结合”的原则，在隧道风险分级的基础上，采用相对应的综合预报方案。其中长期超前地质预报应连续在本标段隧道进行，短期地质预报只在重点地段，如断层破碎带、富水区段进行。,隧道内超前地质预报,超前地质预报措施,14,针对隧道不同段落的地质复杂程度和既有的地质资料，将关角隧道的地质风险划分为A、B、C三个等级，具体分级及预测预报项目如下：,表2关角隧道施工地质分级和预测预报项目表,超前地质预报地质分级及预报项目,15,1）TSP203预测预报的最有效距离是掌子面前方100m，并且两次预报应有至少10m的搭接，保证不遗漏隧道不良地质的预报。当预报前方有非常不良的工程地质情况出现时，应当提高预报频率，并且缩小预报距离的范围，同时还应增加预报位置的搭接长度。2）将地质雷达的预报距离应严格限定在30m以内，其中20m以内效果最好。两次预报之间的搭接长不应低于5m。3）红外线超前探水预测距离应在30m以内，两次预报之间的搭接长不应低于5m。4）掌子面地质素描需要在隧道施工全程的实施；每各开挖循环做一次。5）超前钻探主要应用于长期、短期预报确定的主要不良地质区段，依据工程地质情况，钻探法可以分为长距离超前水平钻探、短距离超前钻探和加深炮孔法三种。其中长、短距离超前水平钻探是采用水平地质钻机完成的，加深炮孔是通过加深掌子面钻孔完成的。,超前地质预报技术标准,16,图4超前地质探孔纵、剖面示意图,长距离超前水平钻探实施在规模较大的重大灾害隐患地段，钻探的距离30100m，应当一次性穿过不良地质的地段。掌子面中部探孔水平布置，拱底和拱顶探孔终孔位置应布置在轮廓线外34m处（图4）。钻好的孔应进行压水渗漏性试验。短距离钻探法钻探距离2030m，搭接长度5m，对于一般断层破碎带，每个掘进工作面布设超前取芯探孔13个；对于多水、富水带，应增设23个探水孔，分别位于拱顶和拱腰部位，超前探水孔终孔位于隧道开挖轮廓线外1.5m3.0m。,17,图5超长炮孔纵、剖面示意图,超长炮孔法通过加深炮孔到510m探测前方的工程地质情况，沿掌子面周边布置，并分别以3045的外插角实施（图5）。,2、止浆墙安全厚度分析,掌子面突涌水一般分为裂隙-溶隙型和构造带型突涌水模式，当构造裂隙和隧道之间的岩柱不足以抵抗构造裂隙中的水压时，构造裂隙中的水就可能向着临空面及隧道方向突出，形成灾害。因此，为有效预防掌子面突涌水现象的发生，需要预留足够厚度的岩盘抵抗水压力。,18,根据文献，可将掌子面前方岩墙简化为弹性厚板模型，根据边界条件解答出岩墙中的正应力和剪应力，以抗拉破坏和剪切破坏为控制条件，采用厚板理论确定岩盘安全厚度。计算时假定止水岩盘周边固定，均匀连续、各向同性，按轴对称问题求解得出：抗拉强度控制的安全厚度。,抗拉轻度控制的安全厚度分析,19,经分析得出：相同水压下，岩盘越厚，岩盘的最大应力越小，岩盘的最大应力随厚度的增大呈指数型衰减趋势。相同岩盘厚度时，不同级别围岩的岩盘最大应力相差不大。,同时也会得出：以抗拉强度控制计算安全厚度时，在不同埋深下，、级围岩的安全厚度基本相同，安全厚度/隧道等效直径为0.130.18，变化不大。级围岩安全厚度明显大于、级围岩的安全厚度，安全厚度/隧道等效直径为0.160.35。,20,根据隧道力学理论，隧道开挖后，其掌子面前方将会出现一个塑性区，该区内岩层的渗透系数增大，岩层的阻水能力急剧下降，为保障安全，只考虑为真正能起阻水作用的岩层。构造裂隙在隧道前方，如由上图所示，取岩柱块体用结构力学剪切破坏理论进行分析，此块体的受力如右下图所示，从而得出块体平衡方程如下：,剪切破坏控制的安全厚度分析,21,同一水压力时，围岩质量越好，所需的安全厚度越小。说明围岩完整、岩块强度高时，水压力的增大对岩柱安全厚度的影响不大。,隧道埋深越大，当水压力增大时，所需安全厚度的增量越小。说明埋深较浅时，岩柱安全厚度主要取决于水压力的大小；当隧道埋深增大达到一定程度后，岩柱安全厚度主要受地应力控制，水压力的增大对岩柱安全厚度的影响不大。,同一水压力下，随侧压力系数增大，安全厚度明显增大，说明在确定岩盘安全厚度时，应重视构造应力的影响。,22,通过以上对抗拉强度控制和抗剪切强度控制的安全厚度的计算分析看出，以抗剪切强度控制的安全厚度明显大于以抗拉强度控制的安全厚度，因此关角隧道的安全厚度采用抗剪切强度控制方法进行计算，安全厚度（安全厚度/隧道等效直径）取值见表3（实际使用时应考虑一定安全系数）。,关角隧道各级围岩预留安全厚度建议值,关角隧道现场施工过程中，采取超前探孔预测到前方存在大型隐伏蓄水构造时，如果前方蓄水构造突水压力大，水量丰富，根据围岩质量等级和水压力，保留310m的防突岩盘（围岩质量差时取大值，围岩质量好时取小值）。,23,3、突涌水处理措施的选择,为减小施工期间的排水压力，保证隧道运营期间斜井内汇水可通过正洞安全排出，根据涌水的形式，针对不同情况，采用不同的注浆堵水措施。注浆浆液类型，根据实际情况确定，以水泥-水玻璃浆液为主、化学浆液为辅。,未开挖段，单孔涌水量40m3/h，围岩较好,涌水主要为溶隙水，超前顶水注浆,24,未开挖段掌子面单孔涌水量：40m3/h，围岩破碎，级，根据涌水情况，采用分区治理或周边帷幕注浆,当出水点较多，涌水量较大时，基于基岩裂隙水体空间分布，采用分区注浆技术，首先将注浆区分为左上、右上、左下、右下四个区域（图7所示），并根据探孔出水量判别标准划分为弱水区或强水区（当出水量5m3/h时，为强水区；当出水量40m3/h，断层破碎带，全断面帷幕注浆,帷幕注浆前后对比图,26,已开挖段单孔涌水量540m3/h,且出水点众多，出水段落较长，径向注浆,已开挖段边墙或拱部单孔涌水量：40m3/h，对施工进度、运营排水有较大影响，围岩较好,涌水主要为溶隙水，局部顶水注浆,27,4、浆液的选择及配合比选择,根据隧道突涌水特点，裂隙-溶隙及溶腔等情况，采取不同的注浆堵水材料，具体如下：,掌子面突涌水，水压较高、水量较大，采取帷幕注浆，注浆材料采取水泥-水玻璃浆液，普通水泥42.5水泥、水玻璃双液浆（水：水泥：水玻璃=1：1：0.60.7）,洞身裂隙水，水压较小，水量较大，采取径向注浆，注浆材料采取马丽散堵水材料（树脂：催化剂=1:1），膨胀系数为325倍左右（无水时膨胀系数大于3，有水时膨胀系数大于10）,28,5、施工方案、工艺及实施,由于涌水面多存在集中出水点水压较大，孔口管施工难度大及围岩较破碎，封水施工难于控制，为确保安全，不能进行扩孔及加强支护，因此在不存在搭接注浆段落施工止浆墙，在施工过程中，预埋端部带法兰盘的孔口管。止浆墙设计厚度3m，采用C25混凝土浇筑，嵌入隧道开挖周边轮廓1m。采用架立钢模板，脚手架加固，输送泵泵送混凝土施工。在长距离持续注浆段落除出现特殊情况，影响注浆施工及安全情况下补做止浆墙外，其余均预留5m作为下循环注浆止浆岩盘。,止浆墙及预埋孔口管施工,29,止浆墙施工完成后，在周边及拱部局部出现涌水，故在止浆墙出水部位钻孔后安装端部带法兰盘的孔口管，孔口管采用锚固剂及棉、纤维、木楔等物固定于钻孔内，并安装阀门。安装完成后进行封闭止浆墙注浆施工，注浆材料采用水泥、水玻璃双液浆，水灰比1：1，水玻璃浓度35Be，模数3.2，水泥浆与水玻璃体积比1：0.7，保证浆液的胶凝时间在20s之内。注浆封闭效果达到孔口管阀门关闭时，止浆墙整体不能出现渗水、漏水现象。,孔口管埋设及止浆墙封闭,止浆墙埋设孔口管及封闭,30,钻机钻孔及前进式注浆,采用C6钻机通过预埋孔口管间隔钻孔，先钻最外圈的注浆孔，考虑注浆扩散半径对注浆效果的影响，一次性钻孔长度为8m，然后进行注浆，待浆液基本凝固后，再次对原注浆孔进行钻孔注浆，直至达到设计长度。按照上述前进式注浆施工工序，依次完成三环超前帷幕注浆孔的钻孔及注浆施工。为了保证浆液的扩散半径、