青函隧道施工中出水PPT演示课件

2020/5/19,1,青函隧道施工中出水的处理,2020/5/19,2,青函隧道施工中出水的处理,日本在修建青函隧道过程中，曾遇到4次大出水事故，都得到处理，作为参考，现将其处理措施，介绍如下。青函隧道是一座海底隧道，高压涌水是不可避免的，为了隧道的掘进，除了止水没有其它方法。因此要基于对前方状况的掌握，进行确实的压注是关键。作为预知前方状况的方法，主要是超前钻孔。但即使如此，仍然在斜井出水1次，作业坑道出水3次。幸好没有出大事，这也说明压注的重要性。出水地点的地质状况，4次中有3次是断层破碎带，1次是火山岩岩脉的裂隙带。,2020/5/19,3,青函隧道施工中出水的处理,一、四次大出水概况四次异常出水的状况参见表1。,2020/5/19,4,异常出水事故一览表,2020/5/19,5,2020/5/19,6,青函隧道施工中出水的处理,（1）本州侧海底工程本段工程长约7425m，在1974年12月，遭遇异常出水事故，淹没约130m坑道，花了半年时间进行处理。此段地质主体是凝灰岩，含有泥岩、砂岩、砾岩等。1974年12月5日21时，在龟飞作业坑道中，从掌子面（16k890m）出水，水量在8001000L/min，之后的最大涌水量为6m3/min，淹没坑道130m。出水过后的22时，水线已到达距掌子面100m的横洞附近。为了增强排水能力开始做截水壁。到第2天的1时40分，完成截水壁施工。此时的涌水量约在45m3/min。接着在其后方又修筑第2道截水壁。排水设备从一开始的6m3/min，逐渐增加到8m3/min（6日12时30分）和12m3/min（7日11时30分）。出水的同时，土砂流出约1300m3，一直流到90m左右。,2020/5/19,7,青函隧道施工中出水的处理,（2）32k747m附近的异常出水32k747m是F10断层，围岩是稳定的、硬质的安山质凝灰岩。开挖中没有涌水，仅仅钻孔中有一些水。从32k760m附近开始进入脆弱带，到32k746m85，开挖时支撑脚部发生挤出现象（图1）。,2020/5/19,8,2020/5/19,9,青函隧道施工中出水的处理,为此，停止了掌子面开挖，从32k758m45开始采用200H圆形支撑，间距0.7m。到年末进到32k749m25。74年1月8距掌子面1m40处开始喷混凝土，但在早5时30分发生带有土砂的360L/min的涌水。8日9时距掌子面7m处做了防止土砂的设施，但多被土砂埋没，同时也埋没了在距掌子面40m处做的截水壁，因此在距掌子面220m处又设了一道截水壁，但水线也到达了此处，涌水量到达500L/min，但没有超过泵的排水能力。其后转入排水作业，到27日把流出的土砂清除完毕。根据现场研究结果，从工期、对主洞的影响、埋没坑道内的施工性等，决定采用直进方法进行施工。从75年1月重新开始开挖。此断层破碎带是比较稳定的安山质凝灰岩和多孔质凝灰岩，其间有玄武岩脉侵入，在龟裂发育的凝灰岩前后边界有破碎粘土形成滑面。因此预计出水的原因是开挖使围岩松弛，涌水浸透，孔隙水压在多孔质凝灰岩背后诱发水路而出水。,2020/5/19,10,青函隧道施工中出水的处理,（3）31k669m附近的异常涌水从32k656m附近采用马蹄形150H支撑（间距1.21.3m）施工一直到出水地点出水前的2个月的进尺都在150m/月左右。超前钻孔在31k692m附近因为有3.7m3/min的涌水和土砂流出，故掌子面在31k680处停止开挖。钻孔的涌水最大是30L/min。掌子面的地质是砂质凝灰岩，部分粘土化。31k692附近龟裂发育，出现滑面，一部分可见剥落。因此缩小支撑间距到0.7m，涌水在30L/min左右（图2）。,2020/5/19,11,2020/5/19,12,青函隧道施工中出水的处理,76年5月6日2时25分在31k669m15的掌子面，从顶部出现15L/min左右的涌水，3时左右掌子面顶板及底部合计出现500L/min的涌水。3时30分，涌水量增加到4m3/min，掌子面开始滞水。14时40分涌水量急剧增加，瞬间涌水量最大达85m3/min。因为出水异常大，不得不放弃了31k912m、32k106m、32k483m的截水壁。而封闭了设置在33k156m的紧急用防水门，并在其后方修筑截水壁。水流入主洞，涌水量的减少和水淹没坑道的速度也减小。在34k686m设置了30m3/min的排水基地，开始排水，到34k683m的水位趋于平衡。排水按经由作业坑道15m3/min，经由超前导坑58m3/min进行。5月31日主洞完成排水，作业坑道也开始对掌子面进行充填压注。到7月12日恢复出水前的排水量（图34）。,2020/5/19,13,2020/5/19,14,2020/5/19,15,青函隧道施工中出水的处理,根据超前钻孔岩心的情报判断，在断层破碎带中有龟裂集中的部分。围岩富水，虽然压注止水，但龟裂多的软弱地层因开挖松弛，压注范围外的水使围岩脱离，水脉扩大等而让海水直接流入。,2020/5/19,16,青函隧道施工中出水的处理,（4）本州侧的斜井此斜井长1315m，坡度25，断面约30m2，施工中曾遇到0k900和1k220m的出水，花了4年5个月才完工。地质主要是安山岩，贯入石英粗面岩岩脉而变质，产生破碎带和大量的涌水(图5)。开挖时最重要的是，用超前钻孔预测、确认前方的地质，在坑道两侧每200m设置了6个超前钻孔用坑道（图6）。,2020/5/19,17,2020/5/19,18,在1k220m附近的开挖中，出现11t/min的异常涌水，约淹没斜井150m，流出土砂300m。在0k900m附近的玄武岩破碎带中出现1.5t/m的涌水，淹没了掌子面。,2020/5/19,19,青函隧道施工中出水的处理,二、出水地段的恢复施工恢复施工有2个方法，一个是直进方法，一个是迂回方法。四次出水中，龟飞斜井1223m、吉冈作业坑道3509m两处采用直进方法，另外两处采用迂回方法。,2020/5/19,20,青函隧道施工中出水的处理,吉冈作业坑道（3509m）复旧施工流程（图7）。从3445m进行超前钻孔从截水壁向流出土砂压注在掌子面后方左右开挖压注用洞室进行周边压注处理流出土砂到3484m90处，并修筑截水壁（流出土砂的固结强度约10kg/cm2）开挖左右压注横洞从压注横洞和3484掌子面进行地层压注向前开挖，并在3507m15修筑截水壁从3507m12掌子面进行地层压注向前开挖到3519m20从3519m20掌子面进行地层压注向前开挖到3530m70通过断层破碎带,2020/5/19,21,2020/5/19,22,青函隧道施工中出水的处理,龟飞作业坑道3690m、吉冈作业坑道4588m出水后的复旧方法采用迂回方法。即采用在确认土砂稳定后，修筑截水壁、进行压注止水后，放弃此坑道，用迂回坑道对断层再次进行压注，再开挖的方法（图8、图9）。之所以采用迂回方法，理由是：根据钻孔调查作业坑道左侧没有看到断层出现；如直进，掌子面依然有4m/min的涌水，玄武岩岩脉侵入，施工可能极为困难。,2020/5/19,23,青函隧道施工中出水的处理,迂回坑道的设置原则如下。开挖断面与作业坑道相同；迂回导坑与作业坑道中心距采用25m；为掌握迂回导坑的地质状况，在TSB8横洞进行超前钻探；为防止崩塌土砂流失，用石碴填充。在进行迂回坑道开挖前，进行了钻孔调查并增设了12m2/min的后方排水设备。开挖方法也改为圆形断面的短台阶法。,2020/5/19,24,2020/5/19,25,2020/5/19,26,青函隧道施工中出水的处理,三、本州龟飞工区第4、5主洞出水断层的施工青函隧道龟飞工区包括陆域段长约2km在内总长13km（图10）。在主洞16k890m附近遇到异常出水。,2020/5/19,27,2020/5/19,28,青函隧道施工中出水的处理,下面简要说明断层异常出水的处理。（1）出水断层处主洞的施工计划1）地质概况作业坑道出水以后，实施9个超前钻孔，探明和掌握主洞出水断层的位置、规模。第4主洞（16k08016k550m）地质是比较好的，采用下导坑超前的施工方法，到16k550m改为侧壁导坑法施工。为了探明此地段的断层状况，从16k693m又钻了2个超前钻孔。从调查结果可以看出：出水断层，在第4主洞16k780m附近出现，倾角约25、横断主洞；出水断层的地质已粘土化，固结度低的凝灰角砾岩及凝灰岩，是比较脆弱的围岩；在横断主洞的16k800m附近，有含有蒙脱土的粘土层构成的破碎带，围岩软弱易崩塌，掌子面难于自稳；出水断层靠海侧是比较坚硬的砂岩、泥岩互层，但受断层的影响，裂隙发育，涌水量约在4002000L/min，易于剥离。,2020/5/19,29,青函隧道施工中出水的处理,2）施工基本计划为了突破出水断层，要求采用能够处理大量涌水和粘土化的软弱围岩的施工方法。为了止水，在软弱部分压注范围采用4R以上，增加压注孔数量（120孔以上），要求形成均质密实的压注带，软弱部分要求断面早期闭合，增大超前支护强度。预计钻孔比较困难，故设置了23个压注点（左右导坑及上部断面）同时压注。断层的边界靠陆侧是粘土化的围岩、在海侧是坚硬的砂岩泥岩互层，涌水量也大，因此为了提高压注效果，从良好侧切断水的供给源是上策，故突破断层是从第5主洞侧向陆域侧进行的。压注计划如下。压注范围，因为是破碎带取4R，压注长度及压注搭接长度列于表2。,2020/5/19,30,2020/5/19,31,压注孔间距在4R线上是6m，压注的最终压力是70kg/cm2。导坑支护采用125H钢支撑，上半断面开挖采用250H钢支撑，间距0.7m。整个施工过程如下。左右导坑、上半断面同时压注开挖导坑浇注导坑边墙衬砌开挖上部弧形断面浇注拱部衬砌开挖上部核心部分开挖仰拱部分浇注仰拱。为了承受土压，衬砌采用双层衬砌。为了控制异常出水，在第5联络坑道安装止水门，把异常出水封闭在第4、第5主洞内。同时在16k680、760、790m附近的导坑及上半断面设置量测断面，进行量测。,青函隧道施工中出水的处理,2020/5/19,32,青函隧道施工中出水的处理,在第5联络坑道的断层位置，根据事前的钻孔探明出现在坑道40m处，断层是粘土化的凝灰岩，接着是比较坚硬的泥岩。在联络坑道包括从9号横洞进行的压注，实施了3次压注，合计压注孔69孔，总涌水量10.7t，总压注量483m3。开挖一开始采用150H马蹄形钢支撑（间距1.0m）进行到25m处，开始出现变异，涌水量也开始增加，在进行补强的同时，又从9号横洞向断层部进行压注（孔数11孔，总涌水量91L、总压注量48m3）。压注后，又采用200H圆形钢支撑用短台阶法开挖。由于上半断面的支撑被挤出，涌水量也增加，又再次喷射补强，之后出现玄武岩，接触部的凝灰岩已粘土化，到32m附近，右肩发生剥落，出现20L/min左右的涌水，因此停止掌子面开挖，全面喷射正面混凝土。并进行第3次压注（孔数8孔，总涌水量63L/min，总压注量17.6m3）并在下半断面钻排水孔。,2020/5/19,33,青函隧道施工中出水的处理,再开挖后，一直通过断层部。在出水断层以前进行了第15次压注18次压注（17k01416k832m）。压注状况列于表3，因为围岩比较好，钻孔过程没有发生什么问题，但在第18次压注时，发现靠山侧的钻孔速度因受断层的影响有变慢的趋势。,2020/5/19,34,压注状况,2020/5/19,35,青函隧道施工中出水的处理,从涌水看，从压注横洞（16k862m附近）压注的压注效果是关键。在第15次压注中，总涌水量达27t/min，是比较大的。第16、17次压注总涌水量是7t/min左右，而且压注量也达到7001000m3以上。从开挖看，因是比较坚硬的砂岩、泥岩互层，导坑平均日进4.3m，仅有滴水程度的涌水，压注效果是比较显著的。青函隧道龟飞工区于1974年12月5日，在作业坑道16k890m附近（水深77.8m、埋深101.9m）发生出水事故，花了6个月时间进行处理，使该区间的第4主洞安全通过。出水掌子面附近的地质，在出水事故后从作业坑道的钻孔调查结果看，主洞16k800m是断层的边界，凝灰岩已粘土化，且有玄武岩岩脉不规则地侵入，而断层靠近北海道侧是比较稳定的泥质凝灰岩及砂质凝灰岩互层（图1214）。,2020/5/19,36,2020/5/19,37,2020/5/19,38,2020/5/19,39,青函隧道施工中出水的处理,第4主洞16k080m17k030m，长约980m。从1975年7月开始施工。因为16k080m16k550m（470m）是比较好的围岩，16k550m以后开始接近破碎带，因为要通过作业坑道引起出水事故的断层破碎带，开始采用下导坑上半断面超前的施工方法。开始还比较顺利，但到16k630m附近导坑支撑发生挤出变异。经过研究，在此点前方45m内，进行围岩压注，并停止开挖。决定从第5主洞向反向施工。理由是：,2020/5/19,40,青函隧道施工中出水的处理,断层破碎带靠第3主洞侧是涌水比较少的粘土化的凝灰岩；第5主洞侧，涌水多，但是固结的砂质凝灰岩；砂质凝灰岩可以确实的、而且安全的进行断层压注；软质地层的压注比硬断层压注困难等。断层破碎带的地层压注基准设定如下。压注从左右导坑和上半断面3处进行；压注范围取4R（通常为3R）；一次压注长度取60m（通常为70m），搭接长度30m（通常为20m），即：60m压注后，开挖30m，在进行下次压注；最少的压注孔数为82孔（通常为38孔）。压注孔布置参见图15、16。,2020/5/19,41,2020/5/19,42,2020/5/19,43,青函隧道施工中出水的处理,四、通过涌水砂层的压注1980年7月在超前导坑9k530m处进行的深200m的超前钻孔确认没有取到岩心，呈泥土状，约7m左右。其后在深300m附近出现约600L/min的涌水，而且有近5m的土砂从孔内突出。因为确认是崩塌性的地层，为了掌握其状况，继续在同一位置进行超前钻孔，结果判明前方是含砂量极其丰富的，层厚约2m的砂质凝灰岩层，其上面是厚约25m的不良泥质围岩（图17）。,2020/5/19,44,2020/5/19,45,青函隧道施工中出水的处理,根据调查砂质凝灰岩的粒度分布与流沙近似，在一些类似地层中，频发崩塌事故。因此，在海底隧道中更要慎重施工。研究结果按以下原则施工。突入砂层前，要尽可能地通过地质调查掌握地质状况；即使有少量的涌水，也会发生管涌现象，因此要完全止水；压注范围取5R；开挖前，先在断面外施工排水孔，确实校核残留水，除去坑道周边的水压；采用弧形开挖，控制爆破振动，开挖后尽快喷射混凝土；提高压注基准，提高压注效果；压注基准列于表4。对压注材料进行试验研究，决定采用水泥系双液ES材料进行压注，固结效果好。,2020/5/19,46,表4砂层的压注基准,2020/5/19,47,青函隧道施工中出水的处理,五、压注中几个问题的解决根据青函隧道的压注实践，参与青函隧道设计施工的技术专家在总结时提出以下建议。1、在什么情况下进行压注？由于粘土化而形成涌水带的，F10岩脉侵入的如F14、F15伴随软岩中涌水的如F10小规模、裂隙发育的如F50等不良地质条件如涌水砂层等。,2020/5/19,48,青函隧道施工中出水的处理,2压注目的尽量减少强制排水的费用；对软弱破碎地段进行补强；尽可能地