李术才-隧道与地下工程重大突涌水灾害治理关键技术及工程应用

隧道与地下工程突水突泥灾害控制关键技术及工程应用李术才山

东

大

学2015年10月 太原一、研究背景与总体思路二、突涌水注浆扩散与封堵机理三、突涌治理新材料、装备及配套工艺四、突涌水治理设计及关键技术五、工程应用及典型案例2汇报提纲一、 研究背景与总体思路3交通水电工程：到2020年，我国高速公路和铁路均将超过12万公里铁路隧道将达到1万公里高速公路铁路我国交通网规划➢建设中心向西部纵深转移，地形地质条件复杂，隧道（洞）比例大➢特点：大埋深、长洞线、高应力、强岩溶、高水压、大流量、构造复杂，施工风险极高一、研究背景与总体思路研究背景矿山工程

随着我国对资源需求量的日益增加，矿山开采逐步向深部转移

深部开采带来了一系列技术难题，矿压大、水压大、温度高，突涌水、岩爆等时有发生

“十一五”期间，全国煤矿共发生水害事故306起、死亡1325人，非煤矿山水害更为突出一、研究背景与总体思路研究背景隧道及地下工程灾害统计突涌水

40%塌方

36%岩爆其他7%11%瓦斯

6%建设中经常遭遇突水、塌方等严重地质灾害，突涌水约占40%2005年至今，共发生突涌水灾害294起，2036人死亡人员伤亡机械损坏工期延误停建或改线重大突涌水危害一、研究背景与总体思路6研究背景某工程马鹿箐隧道：大规模突水19次，15人死亡，工期延误2年一、研究背景与总体思路研究背景7运营期冰凌灾害8运营期突水

运营期塌方突涌水灾害治理不彻底，将造成隧道施工期和运营期的重大安全隐患，严重影响交通运输安全运营期结构破坏房屋破坏9地表塌陷水资源枯竭诱发地表塌陷、农田毁坏、房屋破坏、水资源枯竭等后续环境灾害农田毁坏突涌水灾害治理已成为隧道建设中亟需解决的重大难题没有动水

注浆封堵理论地质环境和突水过程复杂缺乏有效

注浆封堵材料尚无全寿命周期设计方法与治理技术流量大，水压高施工期破坏性强难以一次性封堵威胁后续交通安全突涌水封堵困难理论材料设计、技术一、研究背景与总体思路10总体思路15项国家级课题，40余项重大突涌水灾害治理工程项目03年1任务来源项目名称国家973项目深长隧道突水重大灾害致灾机理及预测预警与控制理论国家973课题突水前兆信息演化规律及实时监测理论国家杰出青年基金裂隙岩体力学特性及锚固效应研究始

国家基金重点项目隧洞突水灾害超前预报方法及灾害发生机理与控制研究国家科技支撑计划突水重大灾害实时监测预警技术江西省交通科技项目吉莲高速永莲隧道突涌水机理及治理技术研究湖北省交通科技项目深长岩溶隧道施工安全风险管理及灾害控制技术中国建筑五局隧道公司中梁山隧道灰岩角砾岩涌水综合治理技术研究中铁隧道集团有限公司隧道突涌水风险及灾害控制关键技术中铁十六局集团有限公司青藏铁路西格二线关角山隧道突涌水治理关键技术研究1一、研究背景与总体思路总体思路动水注浆材料装备与工艺突涌水注浆封堵理论突涌水注浆设计与治理技术攻克了重大突涌水灾害治理难题，形成了实用的成套关键技术隧道与地下工程重大突涌水灾害治理关键技术及工程应用多学科交叉，产学研用结合理论研究关键技术开发应用研究一、研究背景与总体思路12总体思路二、突涌水注浆扩散规律与封堵机理13隧道与地下工程四种典型突涌水1415二、突涌水治理注浆扩散规律与封堵机理突涌水治理注浆扩散与封堵机理应用基础理论材料设备设计方法关键技术三种突涌水专用注浆材料配套装备及工艺富水断层破碎带突涌水治理关键技术岩溶管道突涌水治理关键技术节理裂隙高压突涌水治理关键技术孔隙微裂隙突水涌砂治理关键技术一套全寿命周期多类型突涌水治理设计方法重大突涌水灾害治理关键技术二、突涌水治理注浆扩散规律与封堵机理16突突涌涌水水模模拟拟大大型型模模型型试试验验系系统统：：33mm××33mm××22..55mm1动水条件下典型浆液的扩散运移规律研发了国内外首台突涌水与注浆治理大型真三维模拟试验系统系统揭示了注浆扩散封堵机理（415组）注浆治理模拟浆脉二、突涌水治理注浆扩散规律与封堵机理16动态态计计算算分层沉积区注浆孔1动水条件下典型浆液的扩散运移规律发现了典型浆液的U型扩散现象建立了浆液在扩散过程中由流塑态向固态转化的分析方法实现了浆液扩散范围、速度、压力的留核沉积区留核边界水泥浆液扩散形态动水浆液扩散运动方程二、突涌水治理注浆扩散规律与封堵机理172突涌水注浆封堵条件与判据水泥浆液有效封堵的控制参数：浆水比有效扩散有效留存成功封堵指导钻孔设计确定注浆参数ξ∈[0.15,1.5]二、突涌水治理注浆扩散规律与封堵机理182突涌水注浆封堵条件与判据速凝可控类浆液突涌水封堵判据浆液驱替封堵地下水本项目理论为浆液选型、注浆参数确定提供了依据实现了注浆封堵从经验性向科学量化的转变（1）（2）二、突涌水治理注浆扩散规律与封堵机理19三、

突涌水治理新材料、装备及配套工艺31

GT-1新型水泥基抗分散注浆材料（注浆封堵材料之一）针对富水软岩隧道、高压裂隙涌水等灾害治理需求，提出新型抗分散材料研发需求现有注浆材料无法同时满足上述性能要求！三、突涌水治理新材料、装备及配套工艺1

GT-1新型水泥基抗分散注浆材料（注浆封堵材料之一）基于高分子聚合物改性原理研发初终凝时间可调动水抗分散可泵性好早期强度高环保无毒凝胶时间终凝时间抗压强度/MPa动水中结石率/%1h3h3d28d45s~30min2min

~45min0.5~1.10.5~2.14.1~6.215~21.471~95三、突涌水治理新材料、装备及配套工艺2水泥基高早强型堵水加固材料（注浆封堵材料之二）富水断层破碎带诱发的突涌水灾害占60%以上加固堵水以往材料不能同时满足上述需求，经常导致塌方或二次突水等严重灾害！介质特征材料需求三、突涌水治理新材料、装备及配套工艺23富水破碎岩体堵水加固本材料参数表2水泥基高早强型堵水加固材料（注浆封堵材料之二）

材料性能：一天强度达5.7MPa，是传统水泥基材料的9.5倍，在流速30m/min的动水中留存率高达91%突破了富水破碎岩体堵水加固的同步、一体化难题破碎岩体材料结石三、突涌水治理新材料、装备及配套工艺243新型高膨胀聚氨酯堵水充填材料（注浆封堵材料之三）岩溶管道型突涌水:导水通道宽、瞬时流量大、水压流速高材料性能：膨胀倍数25-30倍膨胀速率20倍/min不受水影响环保无毒解决了管道型突涌水先期快速截流封堵的难题！国外同类材料本项目材料三、突涌水治理新材料、装备及配套工艺254强渗透硅胶注浆材料（注浆封堵材料之四）孔隙微裂隙型涌水:孔隙率高、孔隙微小、富水性强材料性能：黏度低（接近水）：10

mPa·s渗透性强：可注入0.01mm隙宽固沙强度：0.6~1.0MPa解决以往材料难以注入微小裂隙的难题！三、突涌水治理新材料、装备及配套工艺265水泥基无机复合加固材料（注浆材料之五）富水软弱地层塌方、涌水涌泥形成大规模空腔或松散体难题一难题二灾害治理材料用量大注浆成本高工业生产废料产出多处理成本高环境污染重27绿色无机复合材料三、突涌水治理新材料、装备及配套工艺节约了治理费用，保护了生态环境！5水泥基无机复合加固材料（注浆材料之五）28d抗压强度12-18MPa流动度30.1-31.7cm对比普通水泥节约40%三、突涌水治理新材料、装备及配套工艺286注浆配套装备与工艺研发了与本项目材料配套的装备与工艺解决了浆液注入过程中难以实时适应地层及水压、水量变化，双液孔底混合等技术难题A液双液混合浆液扩散B液配套装备与工艺29三、突涌水治理新材料、装备及配套工艺注浆材料与装备产业化建立了突涌水注浆材料、装备研发中心和生产基地，年产值2.9亿元三、突涌水治理新材料、装备及配套工艺30四、重大突涌水灾害治理设计与关键技术321突涌水通道精细探查技术提出了以电阻率CT为核心的多场约束探测技术解决了突涌水通道精细探查难题约束电阻率跨孔CT探测主导水通道探测突涌水通道揭露情况导水网络探测治理区域

三维地质可视化突涌水通道精细探查最佳分辨率15cm定位误差<10%32四、重大突涌水灾害治理设计与关键技术降低钻孔工程量70%实现远端截流封堵增大承载围岩厚度隧道长期运营安全2全寿命周期多类型突涌水治理设计方法四、重大突涌水灾害治理设计与关键技术33全寿命周期多类型突涌水治理设计方法探查精细化探查技术区域流场计算分析为治理方案确定提供依据突涌水通道确定围岩稳定性分析治理方法及参数初步的钻孔及注浆方案设计基于全寿命周期安全的治理方案设计方案引排关键孔注浆关键孔关键孔优选层次分析优选设计注浆参数实时调控围岩稳定性监测

浆液配比、注浆压力钻孔实时优选反馈优化设计实施效果评价注浆参数优化2全寿命周期多类型突涌水治理设计方法34四、重大突涌水灾害治理设计与关键技术3突涌水治理关键技术——富水断层破碎带型四、重大突涌水灾害治理设计与关键技术353突涌水治理关键技术——其他类型突涌水类型 灾害特征方法材料岩溶管道型节理裂隙型孔隙微裂隙型

瞬时大流量突水大面积淋水（水帘洞）模袋高压封闭系统堵水加固浅部低压慢渗深部高压强充径向孔浅层加固关键孔深部封堵高膨胀高分子注浆材料凝胶可控型注浆材料纳米硅胶注浆材料密集高压涌突水最终形成了重大突涌水灾害治理综合技术体系36四、重大突涌水灾害治理设计与关键技术五、主要工程应用及典型案例37新疆江西四川湖北内蒙古广西山西辽宁贵州山东江苏广东陕西宁夏河南湖南重庆青海北京吉莲高速利万高速鄂西高速乐自高速成兰铁路南京地铁大连地铁保宜高速五峰鸦来公路十堰高速锦屏水电站西端张马屯铁矿开元隧道渝利铁路长城煤矿青岛地铁深圳地铁陨十高速沈丹铁路伊犁河南岸引水工程贵阳地铁黄岛油库府谷铁路专线青藏铁路西格段郑武高铁引红济石调水工程青兰高速小康高速岑水高速武吉高速黑龙江38五、主要工程应用及典型案例涵盖了公路交通、铁路交通等领域的40余项突涌水治理工程39公路交通江西吉莲高速永莲隧道、湖北保宜高速红岩寺隧道、尚家湾隧道广西岑水高速岑溪隧道、湖北鄂西高速齐岳山隧道青兰高速（宁夏境）六盘山隧道、四川乐自高速长山隧道江西武吉高速石壁隧道、昌坊隧道、陕西小康高速包家山隧道铁路交通河南郑武高铁确山隧道、四川成兰铁路跃龙门隧道、柿子园隧道青藏铁路西格段关角隧道、辽宁沈丹铁路分水岭隧道渝利铁路方斗山隧道、陕西府谷铁路专线许家粱隧道、二道峁隧道城市交通重庆轨道交通一号线中梁山隧道、济南开元隧道贵阳地铁、南京地铁、大连地铁、深圳地铁、青岛地铁水利水电四川锦屏二级水电站（西端）山西引红济石调水工程、新疆伊犁河南岸饮水工程能源领域山东张马屯铁矿、郭屯煤矿、郓城煤矿、王楼煤矿内蒙古长城煤矿、黄岛国家石油储备地下水封油库五、主要工程应用及典型案例支撑了数十个国家重大重点工程的建设江西吉莲高速公路青藏铁路西格段渝利铁路重庆轻轨一号线锦屏二级水电站（西端）山东郭屯煤矿五、主要工程应用及典型案例40富水断层破碎带突水工程难点：连续大规模突水涌泥4万m3，地表塌陷2000m2

“世界罕见、经国内外专家多次咨询，均未得到解决！”本项目贡献:精细探查技术、高早强注浆材料、断层破碎带治理技术45cm开挖后浆脉现场钻孔施工现场突水突涌水通道精细探测41案例1 江西吉莲高速公路永莲隧道地质条件极其复杂断裂带 地下水特别发育 异常丰富水源补给复杂围岩风化严重岩性种类多组分杂案例1 江西吉莲高速公路永莲隧道左洞帷幕注浆设计台阶法开挖 补充径向注浆分层渐进式精细化控制注浆工艺左右洞联合治理方案设计止浆墙防突 帷幕注浆新型可控速凝膏状体注浆材料--GT-1案例1 江西吉莲高速公路永莲隧道45cm第二循环第一循环现场开挖揭露浆脉，浆脉以充填、渗透、劈裂、压密形式加固围岩第二循环452015年1月9日，“国内罕见、江西第一难隧道”永莲隧道全面建成通车，江西省交通厅党委书记朱希致辞。46朱希书记如此评价山大：“我们得感谢山大，首先你们有个好的方案，其次你们有个好团队，最后就是取得这样的效果”。47中国交通报等多家媒体全程跟踪报道，在帷幕注浆和现场科研攻关等方面肯定了山东大学所作出的努力与成绩！南京地铁上元门车站基坑距离长江400m沿江F5断裂涌水量150立方每小时

基底破碎，无止水岩层经半年治理，效果不明显案例2 南京地铁基坑涌水探测与治理瞬变电磁、跨孔电阻率CT、地质雷达、高密度电法综合探测南京地铁上元门车站基坑突涌水综合探测案例2 南京地铁基坑涌水探测与治理注浆钻孔出水照片治理后开挖到高程治理后涌水点开挖照片治理前后对比照片南京地铁上元门车站基坑突涌水治理案例2 南京地铁基坑涌水探测与治理重庆市轨道交通一号线中梁山隧道穿越膏溶角砾岩带发生涌水，水量