巖溶隧道安全施工技術(shù)與管理.ppt

1、,宜萬鐵路建設(shè)總指揮部：張民慶 二六年三月 成都,巖溶隧道 安全施工技術(shù)與管理,第一章 國內(nèi)巖溶隧道工程地質(zhì)災害案例 第二章 巖溶隧道風險等級劃分 第三章 巖溶隧道安全的生產(chǎn)要素、程序和組織 第四章 巖溶隧道安全預測預報 第五章 巖溶隧道安全管理 第六章 巖溶隧道安全設(shè)計 第七章 巖溶隧道安全施工 第八章 巖溶隧道安全逃生 第九章 巖溶隧道安全搶險 第十章 中國古文化對巖溶安全的啟示,第一章 國內(nèi)巖溶隧道工程災害案例 【案例1】渝懷鐵路圓梁山隧道910災害,圓梁山隧道全長11.068km，是渝懷線上最長的隧道。隧道穿越毛壩向斜、桐麻嶺背斜和冷水河淺埋段，穿過三疊系、二疊系、泥盆系、志留系、奧陶

2、系和寒武系等多種地層。設(shè)計階段預測水壓力為4.424.6MPa，全隧正常涌水量98000m3/d，最大涌水量145000m3/d。,（1）910災害前的超前預測預報情況 圓梁山隧道超前地質(zhì)預測預報主要采取TSP202、紅外線和超前探孔三種方式。 2002年8月26日，隧道施工到DK354+726，采用TSP202進行超前預測預報，預報里程為DK354+726+886，預報表明前方無明顯反射信號，巖體較為完整、均一，圍巖級別為級。 2002年9月9日，正洞施工到DK354+870，采用紅外線探水超前預測預報，預報表明前方發(fā)育含水構(gòu)造，但發(fā)生突涌水的可能性較小。 2002年9月10日，正洞開挖到D

3、K354+877.7，采用風鉆實施4個5m超前淺孔鉆探，探孔中無涌水、涌泥。,（2）910事故發(fā)生過程 2002年9月10日，隧道正洞下導坑施工到DK354+879，掌子面為深灰色灰?guī)r，圍巖較完整，無水，圍巖等級為級。 10:05隧道開挖放炮后進行正常出碴。 10:40當進行第三車裝碴時，掌子面底部碴堆發(fā)生輕微移動并出現(xiàn)少量涌泥，于是，現(xiàn)場立即停止出碴，退出所有人員與設(shè)備。,12:00設(shè)計、施工和科研單位召開緊急會議，決定施作止?jié){墻，以保證下一步鉆孔注漿施工。 13:30地質(zhì)及施工工程師到掌子面進行取樣、攝像和地質(zhì)分析。當時，從掌子面右下部一大約高1.5m巖溶管道中擠出黃色硬塑可塑狀粘土，局部

4、可見明顯擦痕，涌泥長度9m，高度接近下導坑拱頂部位，約3.5m，涌泥中無水，但在巖體內(nèi)部可聽見似水流聲音。,14:00涌泥部位右側(cè)有少量地下水流出，水渾濁，濃似泥漿。 14:10施工人員到掌子面進行混凝土止?jié){墻施作。 14:30掌子面突然爆開，隨之，大規(guī)模硬塑可塑狀粘土噴出，約30秒時間，涌泥向外噴出244m，從而塞滿下導坑4200m3空間，受洞內(nèi)停放在DK354+679電瓶車、梭礦阻擋，涌泥速度變緩。突泥過程中有4名人員逃生，9名遇難。之后，涌泥緩慢向洞外繼續(xù)移動，最快7m/h，最慢1m/h，到9月12日11:30，涌泥至DK354+550處基本穩(wěn)定。,10:40,14:30,13:30,災

5、害全過程,（3）910災害值得思索的幾個問題 超前預測預報問題：TSP一次預報距離？、紅外線可信度？、超前深孔鉆探問題？ 涌泥后該進行什么工作？要觀察多長時間？ 安全逃生理念？是逃還是避？ 如何處理以后所遇到的同類地質(zhì)？,水聲,【案例2】宜萬鐵路馬鹿箐隧道121災害,馬鹿箐隧道全長7879m，是宜萬線上長大隧道之一。隧道為金子山復向斜中四方洞向斜南東翼的單斜地層中，隧道區(qū)域漏斗、落水洞、暗河系統(tǒng)十分普遍，巖溶強烈發(fā)育。隧道處于巖溶水平循環(huán)帶和深部滲流帶，管道巖溶水系統(tǒng)極為復雜。設(shè)計預測隧道正常涌水量為170254m3/d，最大涌水量為823961m3/d。,（1）121災害前超前預測預報情況

6、2005年10月29日，隧道出口平導施工到PDK256+011，采用TSP、地質(zhì)雷達及2個超前深孔鉆探對前方進行超前地質(zhì)預測預報，預測預報表明：前方30m左右存在異常，存在溶隙帶，溶隙內(nèi)富水，超前探孔水量為3035m3/h，水量穩(wěn)定4天無任何變化。 11月30日，平導施工到PDK255+992又采用深孔鉆探對前方地質(zhì)進行預測預報，預報表明：前方存在一沿線路方向長28m溶腔，溶腔內(nèi)少量充填黃泥、河砂、礫塊石及木屑等，大部分被水充填，水壓力為0.81.2MPa。初步測算鉆孔出水量為4000m3/d，動水量為2000m3/d。,（2）處理措施 平導遭遇該溶腔后，隨開設(shè)橫通道對正洞進行鉆探，并對平導右

7、側(cè)進行探測，探測表明左、右側(cè)均發(fā)育溶腔，迂回施工難度較大，于是決定對溶腔采取超前帷幕注漿，加固范圍為按正洞斷面開挖輪廓線外58m。注漿后經(jīng)鉆孔檢查，檢查孔均為線狀流水，流水量為0.1L/mmin，水壓力為0.1MPa。,（3）121事故發(fā)生過程 注漿后進行隧道開挖。2006年1月21日，平導開挖至PDK255+978，已進入溶洞4m，經(jīng)觀察，溶洞破碎裂隙被漿液充填，注漿效果較好。 6:30開始進行鉆孔，鉆孔過程中掌子面很穩(wěn)定，無任何異常情況。在鉆孔過程中進行了4個4.5m的超前淺孔鉆探，鉆孔無水。 9:40鉆孔完畢進行裝藥。 10:08開始放炮。 10:1510:30安全員對掌子面進行排險。,

8、10:50正準備進行出碴時，出碴人員聽到掌子面有掉塊、坍方響聲，并伴隨少量流水，于是立即停止出碴，乘電瓶車逃離。由于涌水，洞內(nèi)照明因漏電保護跳閘中斷。平導掌子面突水約5分鐘后（據(jù)推測） ，水通過平導和正洞之間的橫通道涌入正洞，致使正洞作業(yè)人員13人被困。（反坡施工） 11:00平導逃生人員出洞后立即報告，施工單位隨即組織進正洞營救。梭礦車行至DK257600處左右，洞內(nèi)已被水淹沒無法前進，隨即出洞。,11:05水相繼從平導、正洞涌出，大水封閉整個平導、正洞，洞口水面高3.5m，涌水將洞外施工場地部分沖毀，突水持續(xù)約40分鐘后涌水量減弱至300m3/h。經(jīng)事后推算，高峰期最大涌水量72萬m3/h

9、，突水總量約18萬方。突水期間有2個隨突水由正洞沖出獲救，其余11人遇難。,10:50,11:05,（4）121災害值得思索的幾個問題 超前預測預報到有巖溶存在時該怎么辦？是堵還是排？ 如何評價該巖溶所采取的注漿措施？如何評價超前支護措施？ 不同掌子面的同步逃生預警問題？ 逃生應急照明？如何組織逃生？,兩起工程災害是否有共性特點？1、施工單位能力水平？2、進洞人數(shù)？3、平導均只有不到兩公里？,對隧道進行風險等級劃分是十分必要的。對隧道風險等級劃分是依據(jù)勘察階段對隧道工程地質(zhì)及水文地質(zhì)的評價，從宏觀上對隧道風險進行評估，從而引起各方充分重視（意識形態(tài)的提高、費用的增加、工期的合理安排），繼而制定

10、出合理有效的超前預測預報方法、處理方案、應急處理對策，以達到規(guī)避施工風險，避免或最大程度地減少地質(zhì)災害所引起人員傷亡和財產(chǎn)損失。,第二章 巖溶隧道風險等級劃分,第三章 巖溶隧道安全生產(chǎn)要素、程序和組織,1 安全生產(chǎn)六要素 巖溶隧道安全生產(chǎn)是建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位四方共同的責任，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯，對于巖溶隧道，特別是級風險隧道，都有可能造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，因此，各方應各司其職、各負其責。 根據(jù)以往巖溶隧道施工的經(jīng)驗與教訓，巖溶隧道安全生產(chǎn)有六個要素：安全預報、安全管理、安全設(shè)計、安全施工、安全逃生、安全搶險。 2 安全生產(chǎn)程序,第四章 巖溶隧道安全預測預報 （宜

11、萬線實施情況）,（1）預測預報方法：地質(zhì)素描、TSP203、地質(zhì)雷達、紅外線探水、超前水平深孔鉆探和風鉆加深5m淺孔鉆探為必測方法，選定HSP、負視速度法、孔內(nèi)CT和成像為選測項目，在必要時進行。,（2）組織與管理 制度化管理：制定了宜萬線施工地質(zhì)勘察與超前預測預報專項機制，編寫了宜萬線復雜隧道施工地質(zhì)實施細則。 職能化管理：設(shè)計單位為主體，建設(shè)、施工、監(jiān)理單位明確職責、分工合理、相互協(xié)調(diào)、系統(tǒng)管理。 專項性管理：施工單位要有專業(yè)人員和設(shè)備。 納入工序管理：納入施工工序中，施工中做到“有疑必探、不探不挖”的原則。,（3）現(xiàn)場應用效果： 到目前為止，只要是按規(guī)定的項目進行超前預測預報，所遇到的規(guī)

12、模較大的巖溶均探測到。 鉆機選型：全線共有鉆機16種（GY-2PC、HGY-300D、JD-30、LF-100、MGY-60B、MK-3、MK-5、MK-5S、RDP-150C、XY-2、XY-2P、XY-2PC、XY-150、YQ-100、ZD-60、ZYG-150B），使用效果相差很大。其中大部分鉆機鉆進行能力小，這對將鉆孔納入工序管理造成很大影響（約有17%的時間用于鉆孔）。推薦使用MKD-5S（煤科院西安分院產(chǎn)）、 ZYG-150B（煤科院重慶分院產(chǎn)）、 RDP-150C（日本進口）地質(zhì)鉆機 。,超前深孔鉆探基本上探到了所有的大型巖溶，5m淺孔風鉆鉆探基本上探到了所有的涌水。超前鉆探仍

13、是超前地質(zhì)預測預報的主體。 TSP預報率不高，應進一步研究，提高預報率。去年上半年為35%，目前為52%。 地質(zhì)雷達對基底巖溶探測效果很好。對較大規(guī)模的巖溶反映十分敏感。 紅外探水結(jié)論模糊，難以起到應有的作用。,（4）不認真進行預測預報的教訓 2004年9月11日，別巖槽隧道出口上半斷面開挖到DK406+422，掌子面炮眼孔射水，施工人員迅速撤離。12:30分，掌子面爆開，突發(fā)大規(guī)模涌水，突水洪峰流量36000m3/h，洞口涌水高度1.8m，涌水持續(xù)時間40min后穩(wěn)定為500m3/h。該次突水使洞內(nèi)設(shè)備席卷而出，并沖垮洞口場地，使上、下游居民用水受到嚴重影響，造成經(jīng)濟損失約100萬元，,1

14、超前預測預報專項化管理 （1）專項經(jīng)費列入概算 （2）納入施工工序管理（投標階段） （3）物探技術(shù)應走專業(yè)化承包之路 （4）鉆探技術(shù)應配備快速鉆孔機械 （5）加強淺孔風鉆鉆探工作 （6）制定規(guī)范、標準，實現(xiàn)規(guī)范化管理,第五章 巖溶隧道安全管理,2 隧道巖溶治理程序化管理 （1）會商程序：有突涌水可能的，必須由建設(shè)單位組織四方會商。 （2）方案設(shè)計程序：設(shè)計負責、建設(shè)單位審批 （3）施工程序：施工單位編寫施組、監(jiān)理審批、施工單位實施 （4）注漿效果檢查程序：施工單位實施、監(jiān)理簽認、建設(shè)單位對達不到設(shè)計要求的應重新組織會商。,3 隧道巖溶安全制度化管理 （1）制定巖溶隧道防范高風險專項機制 （2）

15、制定巖溶隧道注漿施工管理實施細則 （3）制定巖溶處理的一般原則 4 隧道巖溶治理費用管理 實報實銷？承包？采用承包會帶來很多安全隱患。 5 工期問題 遇到特大巖溶或有涌突水可能時應重新審核工期,第六章 巖溶隧道安全設(shè)計 1 反坡隧道洞內(nèi)抽水系統(tǒng)設(shè)計 2 洞口排水系統(tǒng)設(shè)計 3 注漿堵水設(shè)計 4 注漿效果檢查評定標準建立 5 巖溶管道放水降壓回填處理設(shè)計 6 支護體系設(shè)計 7 二次襯砌設(shè)計 8 暗河處理設(shè)計 9 輔助坑道設(shè)計方案 10 逃生通道設(shè)計 11 同聲光預警系統(tǒng)設(shè)計 12 應急照明設(shè)計 13 逃生線路設(shè)計,注漿施工的七個重要參數(shù) 漿液擴散半徑R基礎(chǔ) 注漿布設(shè)間距ab 注漿分段長度（步距）h

16、 漿液凝膠時間Tg核心（心臟） 注漿速度v（Q）能量（血液） 注漿量Q（Q） 注漿壓力P關(guān)鍵（眼睛）,注漿效果檢查評定標準建立,五類十四種,【圓梁山隧道1#溶洞】注漿中表現(xiàn)兩種P-Q-t曲線。型曲線主要是內(nèi)圈、外圈孔，特別是底部孔。其注漿壓力較小，一般為1.52MPa，注漿速度為4050L/min，隨著注漿的進行，注漿壓力稍有升高，注漿速度略有降低，當達到設(shè)計注漿量時，注漿終壓不能達到設(shè)計終壓，而此時注漿速度仍較大。經(jīng)分析，認為主要是溶洞區(qū)存在一定空隙(洞)，漿液流動的阻力較小，漿液主要表現(xiàn)為填充擴散方式進行加固。,1 注漿過程P-Q-t曲線法,【圓梁山隧道1#溶洞】型曲線主要是上部注漿孔和中

17、部注漿孔所表現(xiàn)，這和注漿設(shè)計意圖所采取的雙序孔約束型注漿措施一致，達到了擠壓密實的目的。注漿過程中，開始時注漿壓力為22.5MPa，注漿速度為3050L/min，隨著注漿進行，壓力上升，注漿速度明顯下降，當達到設(shè)計注漿量時，注漿終壓達到或超過設(shè)計終壓值34MPa，此時注漿速度降至1015L/min，這主要表現(xiàn)為擠壓劈裂再擠壓。,2 注漿量分布特征法,注漿量分布時間效應圖,【圓梁山隧道2#溶洞】 總體可以將注漿量分布時間效應圖分成兩部分，即前期單序孔部分和后期雙序孔部分，明顯單序孔注漿量要比雙序孔注漿量大，這和預期的分序孔注漿原則相一致。前期單序孔階段，注漿量離散性很大，這主要是由于巖溶分布的不

18、均一性特征所引起。,上半斷面注漿量分布空間效應圖,由上半斷面注漿量分布空間效應圖來看：輪廓線外三圈孔注漿量總體是均布的，拱頂處較大 ，這主要是由于上部存在較大的空腔所致。由注漿量分布情況來看，兩側(cè)拱腰處明顯存在著薄弱區(qū)，對此，這應在補孔注漿及檢查孔施工時重點強化處理。,下半斷面注漿量分布空間效應圖,由下半斷面注漿量分布圖來看：注漿量分布比較均勻, 注漿量都比較小，可見水是由上部過來的，上半斷面注漿后，基本上堵住了巖溶水。,（3）涌水量對比法,【圓梁山隧道1#溶洞】超前地質(zhì)探孔涌水量為5070m3/h，注漿施工中涌水量超過10000m3/d。注漿后，該溶洞段涌水量只有510m3/h，注漿堵水率達

19、到90%以上，注漿堵水效果是很明顯的。,【圓梁山隧道2#溶洞】隨著注漿進行，鉆孔涌水量總體呈減少趨勢，由此來看，總體注漿效果明顯，是隨著注漿進行不斷提高。鉆孔中的涌水量表現(xiàn)出明顯的離散性，這和2#溶洞地質(zhì)復雜有關(guān)。,（4）漿液填充率反算法,【深圳市向西路人行地道工程】注漿結(jié)束后，統(tǒng)計注漿總量Q，利用公式Q=Vn(1+)反算出漿液填充率=83.6%，滿足注漿加固堵水要求。在隨后施工中，工程安全順利。,（5）檢查孔觀察法,【圓梁山隧道2#溶洞】注漿結(jié)束后，根據(jù)注漿P-Q-t曲線分析，結(jié)合注漿量分布特征，在注漿薄弱環(huán)節(jié)鉆設(shè)檢查孔。由圖檢查孔來看，檢查孔無涌水、涌砂，且成孔好。檢查孔放置1小時后，仍無

20、坍孔、無涌水、無涌砂，因此，可以判定注漿效果是良好的，能滿足安全開挖要求。,（6）檢查孔取芯法,【廣州地鐵楊體區(qū)間隧道 】注漿結(jié)束后，針對注漿薄弱環(huán)節(jié)進行取芯試驗。取芯表明：巖芯呈柱狀，完整性好，巖芯提取率在60%以上，巖芯加固優(yōu)良率為71.596.6%。對巖芯進行抗壓強度測試，在灰色細砂中為0.2950.428MPa，在黃色中粗砂中為1.153.29MPa。,（7） 檢查孔P-Q-t曲線法,【圓梁山隧道1#溶洞】對檢查孔進行注漿，繪制P-Q-t曲線。由圖來看，開始時，注漿初壓為2MPa，注漿速度為15L/min，隨著注漿進行，注漿壓力和注漿速度基本保持不變，這主要是起到了補充注漿作用，并進一

21、步劈裂強化注漿效果。維持5min后，注漿壓力突然上升，超過設(shè)計注漿終壓3MPa，同時注漿速度急劇下降，當注漿壓力達到4MPa時，地層基本注不進漿，而此時注漿量遠小于設(shè)計注漿量，可見檢查孔區(qū)域已飽和密實，達到注漿設(shè)計要求。,檢查孔P-Q-t曲線,（7） 檢查孔P-Q-t曲線法,（8）滲透系數(shù)測試法,【深圳地鐵益田站】注漿截水帷幕施工結(jié)束后，測試地層滲透系數(shù)為1.810-52.510-6cm/s，滿足工程安全施工要求，達到了注漿截水帷幕的目的。在隨后樁基開挖中，僅有少量滲水，工程得以安全施工。,（9）加固效果觀察法,【圓梁山隧道1#溶洞】對掌子面注漿加固效果進行觀察，注漿后，掌子面淤泥質(zhì)粘土被有效

22、加固，無水，開挖過程中，掌子面自穩(wěn)性好，無任何坍塌。,（10）注漿機理分析法,【圓梁山隧道1#溶洞】在開挖過程中，觀察漿液對地層的加固狀況。漿液加固溶洞地層，主要表現(xiàn)為填充擠壓和剪切劈裂兩種方式。填充擠壓方式主要是當?shù)貙涌紫?洞)較大時，漿液直接填充空隙(洞) ，該加固方式主要發(fā)生在破碎圍巖和粘土的交界面，以及部分空隙率較大的部位。剪切劈裂方式主要是在未擾動的粘土地層，漿液在較高壓力條件下形成劈裂脈，以脈狀擴散方式形成網(wǎng)狀加固結(jié)構(gòu)，以達到固泥堵水的目的。,方式一 填充擠壓方式,方式二 剪切劈裂方式,（11）力學指標測試法,【圓梁山隧道1#溶洞】漿液強度較高，但由于漿液固結(jié)機理主要表現(xiàn)為擠壓填充

23、和剪切劈裂作用，因而漿液加固固結(jié)體測試抗壓強度時，首先固結(jié)體內(nèi)的粘土體被破壞，而此時漿液仍表現(xiàn)為固結(jié)強度，經(jīng)多次取樣測試，其單軸抗壓強度均在0.2MPa左右。注漿前地層為軟塑狀粘土，不能自穩(wěn)，注漿后地層抗壓強度得到了改善。注漿前地層含水量為120.3%，地層空隙率為82.8%，注漿后地層含水量降低到15.729.1%，地層空隙率降低到18.344.2%。,強度與耐久性問題,（12）水位推測法,【以太廣場高級寫字樓保護】在截水帷幕施工前越秀公園站施工中，地下水位變化異常，伴隨著施工的進行與暫停，水位隨之變化，因而無法保證以太廣場的安全穩(wěn)定。通過實施截水帷幕，在之后2001年3月10日以后的越秀公

24、園站施工中，以太廣場內(nèi)側(cè)水位穩(wěn)定，這充分證明了以太廣場復合式截水帷幕施工效果是好的。,（13）變形推測法,【廣州地鐵越秀公園站北基坑圍護樁外注漿】前期挖樁階段地表急劇下沉，最大沉降速率6.9mm/d，最大沉降值32mm。在挖樁至成樁階段，地表下沉速率最大值為1.3mm/d，這一階段累計下沉最大值為7.2mm，由此可見圍護樁外注漿截水帷幕的施作是十分成功的。,（14）物探法,【圓梁山隧道2#溶洞】注漿前后TSP對比,巖溶注漿處理時注漿效果檢查方法與標準（建議） （1）必測項目： P-Q-t曲線法（符合設(shè)計要求，達到設(shè)計注漿量和注漿終壓） 注漿量分布特征法（不能有注漿盲區(qū)） 涌水量對比法（堵水率達

25、到80%，總涌水量5m3/m/d） 檢查孔觀察法（檢查孔無涌水、涌砂，放置一個小時仍無涌水、涌砂。） 滲透系數(shù)測試法（k10-5cm/s） 力學指標測試法(固結(jié)體抗壓強度0.3MPa，注漿后地層含水率35%） （2）選測項目 加固效果觀察法、注漿機理分析法、檢查孔P-Q-t曲線法,第七章 巖溶隧道安全施工,1 安全生產(chǎn)制度及培訓:施工單位應對進洞作業(yè)人員進行安全生產(chǎn)制度培訓，特別是應對掌子面風險標識學會判別，對逃生線路明確。 2 輔助導坑與正洞的協(xié)調(diào)施工原則: 對于長大巖溶隧道，應注意以下幾個輔助導坑與正洞協(xié)調(diào)施工的原則。 （1）堅持“平導超前、盡快貫通”的施工原則。 （2）正洞與平導作業(yè)面應

26、協(xié)調(diào)施工，做到“平導超前、正洞緊跟”，反對平導長距離獨頭掘進，原則上，正洞與平導作業(yè)面的距離不要超過500m。,（3）當平導遇到特大巖溶時，應優(yōu)先考慮采取迂回導坑的措施。當確實沒有迂回條件或迂回工作量特別大時，才考慮處理措施。 （4）當平導遇到特大巖溶時，在平導巖溶超前處理后開挖期間，由平導拐入正洞的獨頭作業(yè)面應停止施工。,（5）當正洞遇到特大巖溶時，應優(yōu)先考慮迂回措施，實現(xiàn)兩端夾擊加固，待平導貫通后處理。 （6）當反坡隧道施工遇到特大巖溶，存在突水、突泥可能時，應重新分析隧道工期，如工期能保證，原則上采取反坡加固，反坡開挖揭示。,3 施工方法的選擇：以短臺階法為主，必要時可采用CRD工法開挖。 4 初期支護：大型充填型溶洞一定要采取大管棚支護。 5 信息化施工：巖溶