岩溶隧道及处理PPT课件

1 隧道工程通过岩溶地质地段安全风险控制技术 中铁隧道集团副总工程师汪纲领 2 隧道工程穿越岩溶地质地段具有危害大 预防难的特点 是目前隧道工程施工中尚未很好解决的难题 其主要表现是 当施工冒然揭露岩溶时 有可能产生大量涌水涌泥或突水突泥 造成重大安全事故 轻的对生态环境造成影响 如引起水土流失 地面沉降 地表及地下水径流改道等 甚至会引起生态环境的改变 重则可能会引起洞毁人亡的灾难性事故 给项目带来重大经济损失 3 要保证隧道施工的顺利进行 关键是要预防和控制隧道施工中的地质灾害 如塌方是制约隧道快速施工的最主要因素之一 而断层 岩溶是隧道开挖过程中最常见的不良地质现象 也是引起隧道塌方的 罪魁祸首 之一 据不完全统计 由断层及断层破碎带 岩溶陷落柱等引起的隧道塌方占塌方总数的90 以上 可以说 隧道施工中发生的地质灾害 几乎都与断层 岩溶有关 4 经过广大隧道建设者的多年努力 我国在应对异常复杂岩溶地质隧道施工技术方面积累了丰富经验 达到了世界先进水平 采用超前探测 帷幕注浆 管棚预支护 高压富水溶腔释能降压 迂回绕行 桥梁跨越 防灾预警 救援逃生系统等 探 堵 排 迂 跨 防 等综合施工技术手段和措施 大大增强了隧道施工过程中安全处理大规模岩溶的能力 根据 多源协调原理 选择一套有效的超前地质预测预报技术 探明隧道开挖面前方隐伏断层及岩溶的规模大小 准确位置 充填性与连通性等 采取针对性地处理方案 不仅可以避免隧道塌方 突泥突水等灾害的发生 还可显著加快隧道施工进度 节约工程施工成本 提高项目的经济效益与社会效益 5 下面以岩溶地质隧道施工为案例 论述隧道工程穿越高压富水岩溶地质地段 施工安全风险控制的关键技术问题 6 一 岩溶地质及岩溶地区的工程地质问题 7 1 岩溶地质 1 定义岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层经过化学作用和机械破坏作用而形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称 地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用称为岩溶作用 岩溶是指由岩溶作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象的总和 喀斯特现象 注 可溶性岩石大致可分为如下三大类 碳酸盐类岩石 如石灰岩 白云岩 硅质灰岩和泥灰岩等 硫酸盐类岩石 如石膏 硬石膏和芒硝等 卤盐类岩石 如岩盐和钾盐 8 2 岩溶作用结果 形成地下和地表的各种奇特的地貌现象 地表岩溶有 石牙 溶沟 石林 岩溶漏斗 峰林 峰丛 溶蚀洼地 孤峰与岩溶平原 盲谷 断头河 落水洞等 地下岩溶主要是溶洞和地下暗河 形成特殊的水文地质现象 9 3 作用机理岩溶形成过程中溶蚀作用的机理十分复杂 有地下水和地表水的溶蚀和沉淀 地表水的侵蚀 剥蚀和堆积 地下洞穴高压空气的冲爆和低压空气的吸蚀 地下水的机械潜蚀 冲蚀与堆积 地下洞穴的重力崩塌 坍塌与堆积等 其中主要为地表及地下水的溶蚀作用 从工程地质上讲以地下水对碳酸岩溶蚀作用为主 10 4 岩溶发育的基本条件 具可溶性岩石 可溶岩能提供水渗透和运移空间 具溶蚀能力的水 具良好的水循环条件 补给 排泄 注 运动的水流加速岩溶过程 并使碳酸盐岩岩体产生 碳 水 钙 物质循环 11 5 气候影响 它直接影响参与岩溶作用的水的溶蚀能力 控制着岩溶发育的类型 速度和规模 主要有 气温 降雨量 降水性质 降水季节分配及蒸发量大小的变化 大气降水和气温的演变过程 提供水源和水流运动的梯度场等 12 6 地貌地形的影响地貌条件是影响地下水循环交替条件的重要因素 区域控制地表水文网的发育特点 控制岩溶发育的总趋势 岩溶发育具有明显的叠加性和由分水岭至河谷明显增强的特征 岩溶发育受可溶岩分布 构造特征和构造线方向控制 13 7 地质构造的影响 1 断裂 断裂构造破坏了岩层的完整性 断层带附近岩石破碎 节理裂隙特别发育 极利于岩溶水的循环及溶蚀作用的进行 岩溶常沿各种断层带发育 正断层带通常岩溶很发育 逆断层带岩溶一般不发育 通常上盘比下盘发育 在节理裂隙的交叉处或密集带 岩溶易发育 14 2 褶皱 褶皱轴部岩溶一般较发育 单斜岩层岩溶一般顺层面发育 地层不对称的褶皱中 陡的一翼较缓的一翼发育 各种岩层产状条件下岩溶发育特点 产状水平或缓倾的可溶岩 其上为非可溶岩时 岩溶一般不发育 其下为非可溶岩时 接触面上部岩溶一般发育 陡倾的可溶岩 上覆与下伏为非可溶岩时 上下接触带处岩溶发育 15 3 岩层组合特征影响 厚而纯的碳酸盐岩 有利于形成岩溶 可溶性差的碳酸盐岩 不利于形成岩溶 碳酸盐岩夹非可溶岩 碳酸盐岩与非可溶岩石互层 16 8 构造运动的影响 稳定期 侵蚀基准面 地下水位置 稳定 岩溶发育形成水平岩溶系统 地壳上升 地下水下降 侵蚀基准面下降 侧向岩溶弱 岩溶以垂直发育为主 地壳下降 地下水循环交替好 岩溶减弱 可能造成垂直 水平向发育岩溶叠加 比较复杂 17 9 岩溶发育的三个阶段1 形成阶段 只要满足前述洞穴发育的四个基本条件 即可开始形成洞穴 在这个洞穴形成的初期阶段 洞穴空间规模一般较小 多呈孔隙状 人们无法进入 主要表现为溶蚀现象 2 发展阶段 随着参与洞穴发育的水流流量 流速的增加 洞穴空间逐渐扩大 发展成为具有一定规模的通道系统 主要表现为溶洞和地下暗河 3 衰亡阶段 由于地壳抬升 洞穴逐渐脱离地下水位进入包气带 失去了进一步发展的动力条件 主要表现为崩塌现象显著 钟乳石类次生化学沉积大量发育 洞穴空间逐步壅塞减小 18 10 岩溶区稳定程度评价一般依据地面塌陷情况或地表形成的漏斗数目作为评价稳定性依据 极稳定地段 50年内未发生塌陷或漏斗 稳定地段 20 50年内只有一塌陷或漏斗 KM 中等稳定地段 1 20年内只有一塌陷或漏斗 KM 不稳定地段 每年1 5个坍塌或漏斗 KM 极不稳定地段 一年内5 10个坍塌或漏斗 KM 19 2 岩溶地区的工程地质问题 与岩溶有关的的工程地质问题有 可溶岩石强度的降低对地基稳定性影响 地表岩溶现象 溶沟 石芽 溶蚀漏斗等 地下水岩溶现象 溶洞 溶蚀裂隙 暗河等 岩溶地区修建地下工程设施的安全稳定性 岩溶地区地下水开采对环境的影响 岩溶地区由于岩溶化作用堆积物上的不均匀沉降问题 引起建筑物地基变形破坏 如地基承载力不足 地基石不均匀沉降 地基滑动 地表塌陷等 20 3 岩溶对隧道的危害主要有四种类型 1 洞穴的存在使隧道全部或部分悬空 将极大地降低隧道的使用安全可靠度 2 岩溶水特别是当CO3 等可溶性物质含量增高时 水的流通将给隧道结构带来的侵蚀作用 影响隧道的使用寿命 3 洞穴堆积物因松软易坍塌下沉 改变洞穴周边的应力分布形态 影响隧道的结构稳定 4 隧道中地下水流失 使隧道顶部地面岩溶塌陷 导致环境地质被破坏 也是造成隧道结构不稳定的原因 21 二 超前地质预报技术 22 1 超前地质预报技术的实践意义 进人21世纪 伴随着西部大开发战略的启动 随着交通运输 水利水电 城市地铁和地下空间开发利用 隧道施工技术也取得了长足的进步 隧道工程的规模和数量都有了较大增长 目前 中国是世界上隧道最多的国家 是地质最复杂的国家 也是今后隧道发展最快的国家 随着隧道应用领域的不断拓展 也带来了新的地质难题 由于隧道长度 埋深等各方面因素的影响 地质条件越趋复杂 隧道施工中遇到的问题也会相应地增多 不可预料的地质灾害如突泥 突水 塌方等成为困绕工程施工的主要难题 23 就地质工程而言 对于地质条件的预测及地质灾害的预报问题一直困扰着工程建设者 往往成为大型工程项目的重难点问题 地质灾害常常导致隧道建设严重受挫 即使工程规模较小 若地质条件差 施工技术措施不当 也会变成相当困难的工程 24 地质条件具有复杂性 特殊性和不确定性 由于勘察手段的局限性 使得勘察成果往往不能满足施工方案对地质条件的需求 为了避免在工程施工过程中由于地质条件突变而形成地质灾害 加强对超前地质预测预报的研究显得越来越重要 超前地质预报技术出现在上个世纪中后期 是工程地质的一个分支 我国从上个世纪70年代后期逐渐开始重视这一方面的研究 并且在隧道施工中发挥了重要作用 25 2 超前地质预报思路 多源协同预报原则 岩溶区涌水预报是施工地质预报工作中难度很大的预报 主要难在岩溶形态与分布的定量化确定难度大 地下水径流途径和运动方式确定困难 地下水储量及运动状态参数的获取困难几方面 因此 这一直是国内外施工地质预报的重点研究课题 26 目前 地质预报方法主要是单一手段的孤立探测成果加预报人员的经验判断而进行的预报 具有很大的局限性 在复杂地质条件下的预报效果不佳 近年来 随着预报工程实践数量的增加和经验的积累 人们逐渐认识到 隧道施工地质预报工作需要采用多手段的探测方法作支持 各手段探测信息相互印证 取长补短 于是出现了多种物探 钻探的探测技术 但是 在预报方法上仍采用经验判断为主的方法 这种状况使得预报水平差距较大 因此 需要研究预报理论与预报方法相结合的载体 近年来发展起来的多源协同预报的思想以及相应的预报信息提取与处理技术 为这一目标的实现提供了一条途径 27 岩溶的发育分布规律与可溶岩的分布 纯度 可溶岩与非可溶岩的接触关系 地质构造的发育分布规律 地下水动力条件 包括溶蚀 溶解 冲刷能力 赋存运移规律 密切相关 因此 弄清隧道穿越区岩溶发育分布规律 探索岩溶区隧道施工配套技术 制定施工预防措施 无疑对避免岩溶地质灾害发生有着重要的指导作用 28 3 预报方法与手段 1 管理原则及配套技术将地质预测预报纳入工序管理 按照 物探先行 钻探验证 有掘必探 先探后掘 的原则 采用多源协同预报技术 将地质调绘与洞内物探 钻探相结合 对开挖面前方断层 节理裂隙 破碎带 接触带 地层含水性 地应力状况及岩性和围岩级别等进行预报 利用长短结合 上下对照 定性与定量相结合的办法以保证预报的准确性 采用配套技术进行地面及洞内工程地质及水文地质调查 结合勘察设计资料拟定预报分级管理标准 划分出重点不良地质区段 对重点预报区段采用宏观控制预报 准确预报 验证预报三级预报方法 保证施工安全 29 2 预报方法与手段建议采用TSP203探测地质构造 断层 节理 裂隙 直流电法探测地下水 物探异常区采用RPD 150C钻机和YT 28风钻长短接合钻探进行地质验证 工作面地质素描预报地质素描在隧道施工中全段进行 根据开挖段围岩的工程地质 水文地质特征进行预报结果的验证 提出是否修改预报方法及参数的意见 提出注浆止水方案的建议 30 TSP203 直流电法仪超前地质预报每开挖100m通过TSP203和YDZ型直流电法仪对开挖前进方向进行中长距离预报 TSP203对平直状地质界面 断层 节理 裂隙 的空间位置探测效果较好 准确率通常在80 左右 探测范围在隧道轴线方向可达百米 横向探测范围通常在40 50m 直流电法对地下水具有较好的探测效果 有效探测距离一般不超过85m 31 工作面超前地质钻孔探测预报钻探法是迄今为止地质预报最为直接 最为可靠的方法 在隧道施工通过岩溶 断层破碎带时 每开挖一段 30m左右 利用RPD 150C钻机采用钢丝绳取芯工法超前钻孔对开挖前进方向进行30 50m的钻探 该钻机适用于各种不同地层的岩芯取样 使用一个取样器即可完成任何地层的取样作业 钻孔取芯比一般钻机快5 6倍 不需要撤钻杆就可取芯 钻杆可起到防止孔壁坍塌的套管作用 可以垂直方向和水平方向钻孔取样 施工中结合超前探测结果的异常段 增设钻孔 利用YT28钻机进行5m长的常规钻探 对洞身前方进行全方位空间探测 探孔成放射形布设 32 其它预报 a 调查断层破碎带形态b 对隧道两侧各1 5公里与居民生活 生产关系密切的泉水 井水等进行监测 c 对涌水动态的实时监测 d 当开挖面前方的自重应力 接近或等于岩爆临界应力值时 对前方围岩进行原岩应力测试 做出岩爆评估 33 3 信息收集与整理 地质预报由专门的地质专业工程师负责 设专职地质组 其它施工 质检人员予以配合 进行资料收集 统计 分析和编制信息预报成果 报设计 监理单位 不断总结经验 对已揭示的实际地质情况与前期地质预报内容相比较 评估预报的准确性 为以后的超前预报工作积累经验 34 三 岩溶高风险隧道防坍 防突技术 35 1 隧道突泥突水判断标准 按照充足理由律 突出必须同时具备以下三个条件 才能形成 溶腔内存在 大体积的可流动性充填物 小体积无妨 不具有破坏能力 充填物不具有流动性无妨 不具有势能 动能转化条件 高势能且有流动通道 溶腔处于低位及无流动通道无妨 不具有势能 动能转化条件 短时间 内涌出 若能控制排放 延长涌出时间 小动能也不具有破坏能力 大体积 高势能 包括流动性与通道 是地质状态 是必要条件 短时间涌出是充分条件 探明地质 识别必要条件 留下石门 锁住出口 控制处理 是为了消除突出的充分条件 36 2 将地质预测预报纳入工序管理 突出往往与冒撞冒进相联系 短时间内巨大能量被释放 现场施工人员避之不及 先脱衣后脱皮 惨剧就这样形成了 防突必须杜绝冒撞冒进 超前地质预报是基本手段 施工现场成立专家组 专门对地质预测预报及重难技术问题进行联合攻关 按照 物探先行 钻探验证 有掘必探 先探后掘 的原则组织施工 隧道穿越岩溶区的地质预测预报工作 主要是对开挖面前方地质条件的预测 对断层 长大节理裂隙 破碎带 接触带 地下水状况以及岩性和围岩等级进行预报 37 树立新理念 确保不良地质不坍不突十分重要 在强富水 岩溶发育的不良地质段 留下石门 锁住出口 控制处理 是我们采用的防突原则 而突出必须在 大体积 高势能 短时间 同时发生时才能形成 大体积 高势能 是地质状态 但时间是我们可以控制的 依靠科技 探明地质是 留下石门 锁住出口 控制处理 的前提条件 将超前地质预报工作纳入工序进行管理 是隧道施工安全的制度保证 方法上 物探与钻探相结合 是准确无误地探明前方地质状态的技术保证 留下石门 锁住出口 控制处理 是隧道施工防止突出的重要手段 38 3 制定针对性的施工方案 1 溶洞处理的难点分析溶洞处理一是方案难制定 二是难实施 溶洞的大小 规模 发育 充填性以及与隧道的相对关系 这些边界条的排列组合 保守计算大于十的二十三方 是一个天文数字 而这些因素恰恰又是制定岩溶处理方案 判断突出条件的重要依据 由于溶洞的边界条十分复杂 决定了处理经验的可复制性是一个小概率事件 也就是说 溶洞处理方法虽有规律可循 但经验不可简单复制 准确 先进的地质预测 预报手段对于溶洞的处理非常重要 探测结果越准确 越有利于作出科学判断 制定针对性的处理措施 如果对地质情况认识不清 措施不当 就会走弯路 甚至带来安全风险 39 溶洞处理方案实施难度大 主要体现在如下几个方面 对溶洞的揭示需要一个很长的过程 严重影响隧道的施工进度 涌出物多含有大量泥砂 清理 抽排困难 岩溶一般都有较强的连通性 注浆封堵难 首先是如何准确确定浆液的凝结时间 凝结时间过长 浆液来不及凝结就会被水流冲走 凝结时间过短 又会因凝结过快而造成注浆管堵塞 针对这一问题 现场往往要对注浆顺序和凝结时间的不断实践 数据收集 反复比选 才能找出理想的浆液凝结时间 40 溶洞揭示后再封堵十分困难 成功率较低 首先是止浆难 尤其是高压富水溶腔 其次是浆材与注浆方式的选择困难 往往要采取前进式 后退式 分段式等多种注浆方法反复钻 注才能成功 对于充填泥沙富水溶腔 一般采取帷幕注浆方式 往往由于可注性差 通过十分艰难 41 2 方案制定流程 关键是预防突出 隧道在穿越强富水岩溶发育区时 隧道施工易产生突泥 突水 坍塌 基底塌陷等岩溶地质灾害 施工前采用多源协同超前地质预报技术 查明溶洞分布范围 类型 规模大小 有水无水 是否在发育中 填充物 与地表连通性 岩层的稳定程度以及地表 地下水情况等 按照动态设计施工的方法 针对性地进行处理 42 方案制定流程图 超前地质预报 突出性判断 制定方案 针对性处理 置换方式 加固方式 控释制能排降放压 封堵隔断方式 管道连通方式 桥梁跨越方式 绕行方式 否 是 突出判断标准 43 四 施工方法 44 1 溶洞处理动态施工程序 隧道施工过岩溶地质段 物探异常区采用超前钻探 依据探测结果针对性地制定处理方案 严格按动态设计程序执行 程序见下图 45 溶洞处置动态施工程序 46 2 处置方法 1 洞口岩土交界面溶槽 溶坑 石牙状溶蚀地层段的处理 施工前弄清岩土交界面的岩面起伏状况及其与隧道的空间关系 当地质条件复杂时 提出详细的岩溶地质补充探测建议 对前方不良地质情况进一步探明 在对地质条件有充分了解的基础上 制定安全 切实可行 经济合理的施工方案 在岩土交界面起伏多变段 加强隧道开挖轮廓线周边岩体厚度的探测 探明隧道开挖轮廓线周边岩层厚度 自身强度 节理裂隙发育情况 在保证围岩稳固的情况下方可采用石质围岩支护参数 47 在岩土交界面起伏多变段 当难以保证开挖后围岩自稳的情况下 采用大角度超前小导管预注浆 洞内超前帷幕注浆等措施 在地形条件允许的情况下可采用地表注浆的方式加固围岩 岩土交界面对隧道开挖后围岩自稳能力有影响的地段遵循 强支护 弱爆破 的方式 尽量减少开挖引起的围岩扰动 加强溶洞相对隧道处于不同方位的溶洞探测 对溶洞处于隧道边墙以下 仰拱一下位置而对隧道结构有影响时 可采用封闭仰拱 注浆回填 换填等处理措施 48 2 洞身岩溶发育段处理 隧道洞身段溶洞分布可能主要有以下六种形式 拱腰以上小溶洞 基础及路面下小溶洞 边墙溶洞 拱腰以上无填充物大溶洞 拱腰以上有填充物大溶洞 基础及路面下大溶洞 分别采用图1 图7所示七种方案进行处理 49 图1 小溶洞在拱腰部发育 50 图2 溶洞在边墙发育图3 溶洞在基础及路面下发育 51 图4 拱腰以上无充填物大溶洞图5 拱腰以上有充填物大溶洞 52 图6 大溶洞在基础及路面下发育 1 图7 大溶洞在基础及路面下发育 2 53 特别注意 岩溶地段仰拱施工前 对基底进行探测 15米左右 确保仰拱下一定厚度范围无溶洞 以此确保隧道施工期间及运营期间的安全 54 3 岩溶高风险隧道施工管理 隧道施工通过溶洞发育强烈 暗河体系复杂 高压富水岩溶地质段时 对物探异常区必须采用超前钻探 依据 突出判断标准 首先确认地质状态是否具有突出的必要条件 再针对性地制定处理方案 55 理念要正确 正确的理念是溶洞处理 有规律可循 但经验不可复制 现实中往往犯 经验 简单复制的错误 探明隧道开挖前方的地质状态 针对性地制定处理方案是隧道施工通过岩溶地质段的基本原则 56 意识最重要 必须提高对高风险岩溶隧道施工安全 如临深渊 如履薄冰 如坐针毡 的危机认识 建立和完善高风险隧道管理专项机制体系及管理办法 分解 细化各项管理目标 明确责任人 落实责任制 强化施工组织设计 专项技术方案及安全预案的编制与管理工作 始终坚持 以人为本 把保证人的生命安全作为第一目标 针对岩溶隧道的高风险特点 应始终坚持 掘进不探不挖 地质不明不挖 的 两不挖 原则 紧紧抓住超前地质预报和方案制定两个关键技术环节 更新理念 从施工工艺 技术手段 工程措施入手提高施工过程中的预警和防灾能力 强化施工人员的安全意识 重视隧道掌子面安全管理与细节管理 配足经验丰富的专职安全员 杜绝人员的不安全行为 57 方法要有效 方法的选择有很强的针对性 施工方法不同对精度有不同的要求 总体概念是 各种物探方法都有其适应范围