高压富水岩溶深埋特长隧道修建技术二

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高压富水岩溶深埋特长隧道修建技术

2主要汇报内容一、工程背景二、关键技术三、主要创新点四、推广应用价值五、经济、社会及环境效益3

一、工程背景

1、xx隧道全长11.070km，是新建铁路xx线上最长的单线电化铁路隧道，最大开挖宽度14m,高度为12m，最大开挖断面120m2。

2、正洞右侧30m为设贯通平导，无斜井和竖井。

3、隧道主要穿越毛坝向斜、冷水河浅埋段、桐麻岭背斜，最大埋深780m。

4、隧道2001年1月开工，200４年１1月完成了全部施工任务。45xx铁路建设是中国人的百年梦想

xx铁路的设想是1918年孙中山先生提出的《建国方略》粤-襄-渝铁路的重要组成部分，由于当时国力孱弱，技术落后，无法修建。二十世纪五十年代，国家曾对该条铁路开展地质调查工作，由于以xx隧道为代表的复杂岩溶问题从技术上无法解决，工程不能开工,该条线路曾被苏联专家判定为“铁路修建的禁区”。在xx线开通以前，重庆至怀化要在贵阳周转，交通十分不便，它的建成将使川渝地区与东南沿海地区的客货运输距离缩短550公里。通车后客运从重庆到湖南怀化将从以前的18小时缩短到8个小时，到上海和广州的时间也将缩短10个小时。

因此，xx线作为西部大开发的十大标志性工程，于2000年开工建设，xx隧道是关键性控制工程。

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地质条件

1、毛坝向斜的地表的空间形态呈长舟形，中间低、四周高，为地下水的汇集和下渗创造了条件,地下水和地表水有一定的水力联系。

2、岩性主要为石灰岩、白云质灰岩、砂岩、泥岩、页岩，灰岩长度占整个隧道长度65%,岩溶十分发育。

3、毛坝向斜遇到了3组大型高压、富水、充填型溶洞,全隧共穿越1１条断层。7隧道地质纵断面图8

工程难点和重点

1、岩溶及岩溶突水、涌泥

三个区段：毛坝向斜段2400m；冷水河浅埋段200m；桐麻岭背斜段1800m。毛坝向斜隧道开挖共揭示3处大型溶洞和1处岩溶管道，桐麻岭背斜主要遇到1处大型溶洞1处岩溶管道。施工中发生了多次涌水、突泥。

2、水量大、水压高

全隧最大涌水量２４×104m3/d，最大水压力4.６MPa。高水压区段主要位于毛坝向斜和桐麻岭背斜段。相当于在460m的水下修建隧道

9岩溶高压、涌水10

3、煤系、瓦斯、石油、天然气

主要位于二叠系栖霞组沥青质灰岩及奥陶系（0）和志留系（S）接触地带中。实测最高瓦斯浓度达到2.64%。

4、环境保护十分重要

隧道山顶有4个乡镇，5万多居民，隧道须不漏、不渗，地表水不流失，居民能正常生活。

5、施工通风困难

隧道全长１1.070km两端掘进，无竖井和斜井，通风十分困难。

因此，xx隧道被专家称为“国内外罕见，具有挑战性的地质难题”。

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施工中的岩溶突水、突泥

1、1号溶洞正洞及平导DK354+230～290溶洞涌水、突泥溶洞填充物以淤泥质粘土为主，地层自稳能力很差，正常涌水１５０m3/h，最大涌水量为500m3/h。

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2、2号溶洞正洞DK354+450～+500溶洞突水、突泥情况

主要充填物为粉细砂、砾石和溶蚀灰岩，钻孔中高压水喷射约30m，开挖过程中发生多次突水、涌泥，正常涌水量５００～１０００m3/h左右，最大涌水量１００００m3/h，发生多次发生突水、涌砂。

2号溶洞正向涌水133、3号溶洞正洞和平导DK354+870～+920溶洞

2002年9月11日在正洞中导坑开挖止DK354＋879处突然喷发出硬塑～软塑状粘性土，并伴随剧烈爆响及冲击波，瞬时塞满掌子面附近244m的下导坑空间，随后继续涌泥，涌泥量4200m3。14

4、桐麻岭背斜DK361+764溶洞涌水、突泥

2001年7月14日，正洞开挖至DK361+764处（距出口769m）爆破后，线路右墙拱脚处突然发生溶洞突水突泥，高峰持续时间28分钟，涌出物达11×104m3,突泥过后，洞内淤泥深达1.2～4.5m,淤泥量约15000m3。洞内和洞口部分材及机具被冲入洞口的炭厂河中。15二、关键技术

1、岩溶及地下水超前探测及预测预报技术2、高压、富水、粉细砂溶洞注浆技术3、隧道快速施工技术与机械设备配套4、特长隧道多作业面条件下通风技术5、高压、富水隧道结构防排水技术6、隧道开挖数值模拟及信息化施工技术7、隧道衬砌混凝土耐久性提高技术

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1、岩溶及地下水超前探测及预测预报技术

采用了以超前钻探为主，以常规地质分析、地质雷达、红外线探水、TSP地震波为辅助手段的地质超前综合预测、预报岩溶技术，可以比较准确判断掌子面前方30m、隧道开挖轮廓线内及距离隧道开挖轮廓线距离小于10m的溶洞位置、形态及充填物、水量、水压大小,准确率较高。

17(1)超前钻探

超前钻探是最直接和最准确的地质预测预报方法，它是验证物探方法预报结果和实现精确预报的基础，它可以准确探明大型溶洞和岩溶管道的位置。一般情况下，对于正洞，长距离宏观地质超前预测预报，一般钻2～4个钻孔，钻孔深度一般应控制在

100m以内，终孔位置一般控制在开挖轮廓线外10m左右，短距离地质预测预报，一般钻4～6个钻孔，钻孔深度一般控制在30m，终孔位置一般控制在开挖轮廓线外５～10m

,根据物探结果和前面钻孔的探测情况，可适当加密钻孔，达到精确探测的目的。18(2)常规地质分析

主要根据环境条件、地勘资料及掌子面开挖揭示的地质情况，通过常规地质分析，可以初步判断判岩体的结构、构造、岩性、结构面的产状、岩溶发育的位置、范围、规模大小及可能对施工安全和隧道稳定性带来的不利影响，从而为选择更准确的地质预测、预报方法提供依据。19(3)红外线探水

在高压、富水、岩溶区进行红外线探水，研究和试验确定场强差大于或等于10uw/cm2可作为有水和无水的临界值，并且纵向探测曲线呈单调增加或减小，否则可作为无水判断。判断30m之内有水的准确率可达到86%，判断30m之内无水的准确率可达到88%。图2-1一般灰岩段的无水探测曲线图2-2PDK354+246、DK354+460溶洞探测曲线20（4）地质雷达探测

地质雷达用于隧道周边和底部岩溶检测，发现异常53处，经验证17处发育有岩溶和地下水。准确率为30%。

图2-3地质雷达35MHz天线探测2号溶洞掌子面前方21（5）TSP眠202地震波效探测主要座探测协距离卸掌子鲁面200付m以内涨的不撑良地蜜质体泼结构膜面及荐溶洞声界面洲。结节构面酱的验膨证率（±1兴0m范围买内为枪准确吨）：76%。TSP算202地震波寻的预测甩、预报梅距离较嘴远，对夸断层、染弱硬岩浓层、大栋型溶洞很接触面当等面状宪结构预涝报时，名反射信漠号较为咱明显，参预报精言度较高颗，对于弟岩溶管哗道的预毛测、预宜报方法水技术还刃需要进愚一步研梨究探讨摔。图２-5阻T锁SP2短02对平导1号溶妇洞的搞预测沸预报盐结果图２-6士TS驶P2钓02对正洞2号溶挡洞的映预测续预报民结果22超前宫钻探荐红青外线董探水地质彼雷达TSP矩202地震天波探晌测图1TSP203原理图地层或断层入射波前反射波前震源检波器检波器隧道23图2-7摩1号溶按洞地劣质综柄合预午测预胜报结巴果图2-须8女2号溶洞学地质综肌合预测费预报结也果242、昼高压宰、富蓄水、天粉细喝砂溶婶洞注诉浆技膛术通过高庸注浆压陕力、密睡孔、多游种注浆纳材料、耻反复检死查、逐知渐强化杆的综合过渐进式合注浆技盏术解决制了大型吸、高压锐、富水系、充填锈型溶洞榆注浆加谁固的技这术难题尿，注浆阀堵水率菊较高。25（1）4种注藏浆方孙法方法1：大范些围超前虚预注归浆：梨注浆圾有效夫加固很范围赠为：销正洞跳为挖雾轮廓踏线外8m，平街导为钥开挖烟轮廓鸭线外5m，包缩慧括开杀挖工傍作面刷；方法2：小范轰围超前预充注浆：孙注浆有柳效加固拍范围为孔：正洞虎为挖轮抹廓线外5m，平导塘为开挖门轮廓线摆外3m，包案括开直挖工舅作面简；方法3：开挖后愤全断面友径向注笋浆：正益洞注浆础加固范炼围为隧橡道开挖瞒轮廓线5m,平导为扣开挖轮泥廓线外3m；方法4：局部注担浆和补步充注浆斑，主要橡针对掌娃子面及娃初期支暖护结构圈表面的梁局部出长水点或群渗漏水妨点进行硬局部钻隔孔封堵26（2）6种注浆屯材料及枣浆液配迹比表

浆液名称

原材料浆液配比普通水泥单液浆32.5R硅酸盐水泥W:C=0.6:1～0.8:1超细水泥单液浆D90≦20μm超细水泥W:MC=0.8:1～1:1TGRM单液浆D90≦15μm

W:C=0.8:1～1:1HSC单液浆D90≦10μmW:C=0.8:1～1:1普通水泥-水玻璃浆32.5R硅酸盐水泥35Be′以上水玻璃W:C=0.6:10.8:1

C:S=1:0.3～1:1超细水泥-水玻璃浆超细水泥水玻璃W:MC=0.6:1～0.8:1MC:S=1:0.3～1:127（3）粉隙细砂层千中主要鞠注浆参赶数（4）济粉细昼砂层百中4种注报浆工访艺（a)前进式择注浆；切（b)后退肯式注舱浆；平（c)全孔都一次免式酒（d)大直饥径TS予S管式每循环注浆长度20～30m扩散半径0.5～2.0m孔间距注浆速度１.732Ｒ10～100l/min注浆终压6.0～10.0MPa单段注浆量根据地层情况确定28（5）钻黎孔及堡注浆径机械蕉设备MK逆-5畅S钻机：回转扭祝矩：18掠50枪N填.M，给史进能力韵：105大KN起拔能智力：73密KN，钻迈孔最狂大深盒度35阵0餐m尊,终孔菜直径94挣mm。ZJ月B/剂BP碎-1盈10兄/3大0（单液裹泵）速：最高压闻力30荒MP农a，最失大流予量11晋0斗l/滥mi换n。KB还Y5呀0/匀70（双暗液泵柄）：：最高董压力7M骡Pa，最大依流量70澡l/m种in。29钻孔亡、注剪浆及荡大管洪棚施亲工CRD方法和开挖302号溶洞班正洞注浆荡堵水畜、加潜固效枪果313、隧道搞快速施佛工技术翻与机械兴设备配洁套研究快睡速钻孔刻、注浆的、装药叮、爆破鉴、装碴毙、运输延技术及院机械设遗备配置削，并应台用了挖嗽装机装牌碴、重价轨重载尝运输模漠式，即：LW1能50+絮GK1孤6+X项K15罢-7/脉256凭+38丽Kg/饲m和常较规装烘运模啊式：LZ索12愁0+阿S1丘4A挂+C教DX木T1波-1夹2+抓24资Kg藏/m相比爪，每循庸环节段省时百间40～60分钟兴。并纳且隧缸道运态输长伤度超笑过3km以后施职工效率富提高很茅大。出口平么导平均吐掘进速胀度达到33肝3m谅,并创聪造了46酒3m的国播内平纪导单陆口施遮工新夸记录迎。3233开挖及尸衬砌施草工344、特长万隧道多捧作业面拦条件下期通风技商术（1）根据足特长邻隧道迫两端录掘进销（无糟竖井扣和斜膨井）镜的特覆点，懂研究委和应灶用了换通风以距离惑在7k呜m以上的施平行双郑洞射流喂通风技兆术。通邻过优化户通风方掏案，建咱立瓦斯秤自动监插测系统恋和通风骂专业化荷管理，惭获得了烘良好的鱼通风效虹果。饱（2）建立袜了施工申通风模蚊型，提稍出了计亏算方法守；并开否发了相食应的计却算软件蚊。从而访解决了内平行双栏洞隧道药施工射务流通风圆的计算掏问题。跪（3）解筹决了xx隧道牛瓦斯碗区段秀的通邀风问堡题，索保证寺了平迫导单刚口掘死进765香0m及正洞110舞70m多工副作面个平行世作业乌过程衬中的雁空气跑质量严。35多工作园面射流狂通风方邀式36开发滔通风感软件菠，计蓝算和镇模拟丙风流性规律软件钓的输隙入参绒数分寻为三坟类造：第一宁类是贸通风草系统卖的几驶何参僻数，扮包括兄隧道签尺寸馒、长邪度，盐软风取管直抬径，及风机券的位路置。第二类呈是流动缠参数，料包括开域挖面的向空气预略期流量性，射流纹风机的相出口流捕速，通辫风时间日。第三描类是栗与污脱染源叉有关置的参慕数，泛包括斑炸药商数量办、单胸位质译量炸摸药爆厉破后涂产生诉的有壮害气榨体量骑。37开挖面牌附近流财场三维畜模拟计荣算图7-1之3剖面A-A速度矢龄量（主育洞）图7-1疤6剖面B-B速度蹄矢量姥（主剧洞）图7-1个9剖面C-色C速度矢蔑量（主挡洞）38瓦斯云检测换及通崖风效娘果通风辫管路互射流否风机395、高压驴、富水屠区结构遣防排水召技术提出只了高仅压、乖富水文、岩侵溶区棕隧道梢结构种防排倒水设殃计原伏则和熔方法妥，通于过以好堵为浩主，己限量翅排放输，分刊区设浊防、贤分段伟抗压鼻，可赞有效妙地控称制和经减小岸作用边在衬破砌上锦的水范压力埋，从克而使梨结构狡更加予安全再、经铸济、眠合理圈。解涨决了晶高水挖压下市的结脉构防速排水常设计猎问题彻。针皮对高允压、事富水首、岩猎溶区毁，在垮一般北富水阶区段旨采用你了YK1耳.0M步Pa、YK1杰.5M砍Pa、YK2冠.5M给Pa的抗斥水压拳衬砌集，在详溶洞歉核心马区采树用了YK价4.5仓MPa的衬砌奸结构，袭满足了余不同地罗质条件雷下的结薄构安全形需要。防排笋水形经式及鸡抗压指等级一般网富水钟区YK1秋.0断面YK1木.5断面41高、枣低过拖渡段YK2芝.5断面形核心雹区K4.析5断面42不同振区段明施工锋缝处妙理方甘法一般富怕水区早过渡段倍溶央洞核心停区43隧道实牙际防排轿水效果在高蒸压、隙富水孙、岩升溶区贴，通凳过注串浆加奸固圈货、防傻水板妄、排槽水盲菜管、姥防水准混凝怨土及销施工体缝的艘不同尸处理恩形式宗，形次成了讯一套战完整动的防宗排水伯体系执，在束高压杀、富震水区略达到葵了堵塔水降僚压、帮排水斯限压卧、大剩堵小毙排、来综合流治理眼的目监的。玩隧道扇进口罗的总片涌水钉量控师制在1.遵5m3/m载.d左右,隧道虹出口鼠的总菊涌水避量控忆制在0.5醉m3/m买.d以内蠢，均置小于将隧道末的允弯许排洒水量3.轧0m3/m农.d，取得持了良好沫的防排满水效果挣。44(1)傅2号溶丸洞CRD工法竟开挖童数值普模拟首计算2号溶勇洞CRD工法开忍挖6、隧道题开挖数席值模拟做及信息害化施工45计算网耗格划分a.纵断冶面图b.立体图46A断面x（水平筛）方向竭的位移A断面Z方向(垂直)位移A断面Y（水迎平）胀方向郑的位晌移A断面塑菜性区47(2蜻)计算结胖果分析位移强计算圣结果菜表位移位置左侧边墙水平内移（mm）右侧边墙水平内移(mm)拱顶下沉(mm)仰拱上升(mm)纵向位移(mm)A断面4.08065.572119.47213.5944.8127B断面11.0585.244418.85213.5946.8403C断面7.83345.1851

16.04810.7017.2408备注计算时的坐标系为：X代表水平方向，Z代表垂直方向，Y代表隧道纵向从计算里结果看浩，总之，窜从计算借结果看痕，2号溶洞佣全断面耕注浆加港固8.告0m后，锁采用CRD工法开剃挖，可易以保证干施工安锹全和结风构稳定芹。如考泊虑大管器棚和径红向注浆母的作用通，隧道控的稳定罩程度更垂高。实蔑际施工称过程也薯比较顺捏利，仅酸用了四撤个月就疫完成了2号溶咸洞施融工。48(3始)提出了携净空收炕敛、收抵敛速率恨、应力祝及应变市管理基先准：(a)拱顶下率沉最大涂值为12c森m，周泡边收阿敛最券大值凝为24c貌m。(b驾)钢筋的艇允许强绵度值为f=3农00M陆Pa盾(明c)1找8号工逮字钢们及H型钢的残允许强设度为33它5M旷Pa，(d宰)钢轨卷的允沟许强搭度指笔标为883映MP哈a。(e怒)混凝土匙应变控踏制基准强度种类符号混凝土应变允许值C30C40抗压允许应变ε压0.000670.00082549(4)变形测太试情况2号溶洞筐拱顶下凭沉及周骗边收敛僻监测结窃果:里程DK354+464+468+474+479+485+493+500拱顶下沉最大值（mm）40.023.427.037.054.032.010.0周边收敛最大值(mm)17.058.440.9备注周边收敛为2台阶的周边收敛监测表叉明：高裙压、富食水、岩薄溶区隧椅道的拱脑顶下沉父和周边涉收敛均抄可控制鹿在60m钻m以内定，在编允许书范围雷之内纷。50围岩压出力监测誓结果钢筋应例力监测富结果高压攻、富著水、钥岩溶信区水圆压力沾沿隧裁道纵伙向分日布(5)结构蛮应力任及应市变实惜际监巨测情喘况（04年9月3号溶洞咬）51混凝般土应春变监猛测结烘果结构盏受力很监测乎结果膜表明隆：展钢筋亿应力秧在100圾MPa之内利，混闷凝土疾压应岭变在0.0诸005之内。朴且结构境受力比稼较均匀悉，主要控受压应街力作用冤，说明指结构是扯安全稳筝定的。结构欺稳定特性总枣结评顶价：截数值能模拟达计算皱及现称场监敏测结循果均扰表明摩：隧率道结叛构是劲安全绵和稳列定的小。527、混凝艺土耐久挎性研究(1无)分析棵了影箩响混厅凝土涨耐久愿性的撑主要笑因素,提出狱了预额防措框施。(2)分析了忽外加剂托、钢纤原维、硅才粉、微嗽纤维对绳混凝土爬耐久性省的影响舞，试验洽研究了摊混凝土穿的配合钳比和施吃工工艺同。(3)进行了造耐久性懒指标的看测试。53三、主悄要创新谜点1、研究祝和应用滑了以超雾前钻探杆为主要狐手段，港以地质煤素描、巾地质雷坏达、红赔外线探蛾水、TS厕P2沿02为辅眯助手参段的制超前率地质毁综合羡预测姥、预趁报岩邻溶技某术，盒从而厦解决招了溶紧洞预愿测预初报问员题。2、研亮究和目应用苦了高痒压、删富水药区结厚构防登排水血设计帅原则尸及防范排水材体系朝，通构过以颜堵为晴主，歪限量勇排放某，分周区设断防，搅可有甜效地亏控制箱和减馒小作言用在永衬砌婆上的撇水压泄力，恰从而雁使结秀构更肾加安薄全、遭经济鞭、合联理，宗从而咏解决己了高拾水压姿下的共结构拾设计吩问题队。543、采禽用高龙压力从、多熄种注疾浆材勒料、厨反复类检查帽、渐泻进式芝注浆为技术闲解决窃了高度压、嘱富水光、深误埋、次充填退型溶宽洞的驼注浆篮加固终难题平。4、研如究和榴应用趣了特杰长隧中道平栗行双辛洞射巾流通单风系元统，微从而红解决聋了平攀导单狡口掘舌进76喝50辛m和无斜萝井及竖半井条件半下正洞110研70m的通风芦问题。555、针对裹特长隧叹道施工怨，研究汇了注浆贩、开挖鼻、装碴肢、运输叹、支护泉、通风靠机械设哭备配套吨模式和次快速施腾工技术毙及施工洁管理，誓并应用借了重轨贤重载运竞输系统俊，实现艘了快速议施工,