岩溶高风险隧道安全施工技术

岩溶高风险隧道安全施工技术铁道部宜万铁路建设指挥部二○○九年五月1.宜万铁路工程概况2.岩溶分类3.岩溶治理技术及工程案例4.岩溶高风险隧道专项设计5.“释能降压法”治理高压富水充填溶腔新技术6.岩溶隧道施工风险管理我国岩溶地质、地貌集中分布于云、贵、川三省及两广、两湖部分地区，随着国民经济发展需要，西部大开发战略的实施，上述地区基础设施建设力度进一步加大，近期贵广、渝利、兰渝、成兰、沪昆、新南昆铁路等工程陆续开工建设，需要处理大量由于岩溶地质引起的工程问题，特别是岩溶隧道工程问题。由于铁路设计标准的提高，受线路纵坡、曲线半径限制，不可避免地出现长大、深埋型岩溶隧道。同时，受勘察技术手段、勘察周期的限制以及岩溶发育本身的无规律性，很难在勘察设计阶段完全查清隧道通过地段具体的岩溶形态，在隧道建设过程中遭遇不同形态体量、不同危害的岩溶概率极高，因此修建岩溶隧道如何规避施工风险，保证施工及运营安全极为重要。1.宜万铁路工程概况及进展宜万铁路东起宜昌，西至万州，全长377km。宜昌至土城约30km为长江中下游平原构造侵蚀丘陵区。土城至齐岳山约300km为清江与长江分水岭靠北侧地带，属构造溶蚀侵蚀中低山区，岩溶极其发育。齐岳山至万州约50km为川东红层构造侵蚀、剥蚀中低山区。宜万铁路共有隧道159座，其中：八字岭、野三关、大支坪、云雾山、马鹿箐、齐岳山和别岩槽被称为宜万铁路八座Ⅰ级风险隧道。目前，除齐岳山隧道外，全线其它隧道均已贯通。1.宜万铁路工程概况及进展2.岩溶分类以宜万线为例，所揭示的900余处岩溶及岩溶水，岩溶发育千奇百怪、复杂多变，无规律性，但也有其内在的类型特征。根据其不同的类型特征，采取五种分类方式，从而“对症下药”，制定出“规模对策”、“充填性对策”、“充填物对策”和“水对策”，实现岩溶“标准化”治理。2、岩溶分类洞穴型2、岩溶分类无充填大型干溶洞2.岩溶分类龙麟宫隧道DK231+796半充填大型溶洞2006年8月5日揭示该溶洞。溶洞发育纵向长100m、横向宽150m、向上高出拱顶以上10m、向下深21m。半充填大型干溶洞2.岩溶分类充填块石土型2.岩溶分类充填粉细砂型2.岩溶分类充填泥水型2.岩溶分类充填清水型2.岩溶分类隧道与暗河正交型2.岩溶分类高压富水型齐岳山隧道出口F11断层超前探孔涌水录像3.岩溶治理技术及工程案例3.1岩溶及岩溶水治理基本对策根据岩溶分类，针对不同类型岩溶，制定基本处治对策。①洞穴型、管道型岩溶：回填方案②充填型岩溶：大、小管棚方案、注浆加固（帷幕、周边）+大管棚方案③过水型岩溶：引排方案④大型干溶洞（主要针对基底处理）：托梁+板跨方案、型钢混凝土+板跨方案、钢管群桩方案、桩基+承台方案、路基填筑方案、梁跨方案、弹性地基板梁方案⑤岩溶水治理：注浆堵水方案（帷幕、周边）、泄水洞方案、堆积体加固堵水方案、绕避方案加固方法适用范围溶洞位于拱部回填溶洞向拱顶以上发育规模较小，无水（少水）的空腔、半充填型溶洞护拱溶洞向拱顶以上发育规模较小或溶洞尽管向上发育较高但宽度很窄喷锚网防护溶洞纵、横向发育范围较广，溶洞顶板稳定性较好立柱支顶溶洞纵、横向发育范围均较广，溶洞顶板发育在隧道拱顶以上10m以内拱罩防护溶洞纵、横向发育范围均较广，溶洞顶板发育在隧道拱顶以上10m以上，顶板整体稳定性较好，仅存在小块落石的可能，且清除危石难度较大溶洞地段隧道加固参考表（一）3.岩溶治理技术及工程案例加固方法适用范围溶洞位于底部回填发育在隧底附近的小型空腔或半充填溶洞注浆（钢管桩）隧底10m～15m的溶洞充填物，通过注浆或钢管桩注浆形成具有足够承载力的注浆改良复合地基板（梁）跨越发育至隧底以下深度较大的充填型溶洞，充填物具有一定的密实度及承载力，但均匀性较差，通过板（梁）调整地基的整体均匀性，控制差异沉降拱桥跨越发育至隧底以下深度较大且纵向发育范围有限的空腔桩基承台（托梁）发育至隧底以下深度较大的空腔、溶洞充填物承载力很低，注浆效果难以保证的充填型溶洞、不易封堵的过水通道路基填筑发育至隧底以下深度较大的空腔，纵横向发育规模较大，通过复合地基及隧道内预留沉降空间解决工后沉降问题溶洞地段隧道加固参考表（二）3.岩溶治理技术及工程案例加固方法适用范围溶洞位于侧部护墙防护侵入隧道开挖轮廓线范围有限的溶洞护墙支顶溶洞发育范围较宽广，溶洞侵入隧道范围较大或横穿隧道溶洞地段隧道加固参考表（三）3.岩溶治理技术及工程案例3.2工程实例：①洞穴型、管道型岩溶对策：回填方案3.岩溶治理技术及工程案例[案例]2004年10月3日，八字岭隧道DK108+865处揭示岩溶洞穴，直径约3m。针对该岩溶洞穴，采用I18钢架C20砼护拱，外设干砌片石缓冲层。溶洞内预埋竖向排水盲管。②充填无水型岩溶对策：注浆加固+大管棚方案注浆加固+大管棚方案3.岩溶治理技术及工程案例3.岩溶治理技术及工程案例[案例]2005年10月15日，云雾山隧道开挖揭示DK247+562特大型充填块石土岩溶，岩溶纵向发育Ⅰ线为DK247+563～+445(长118m)，Ⅱ线为ⅡDK247+573～+435(长138m)，溶腔向线左发育，宽约60m，基底以下局部深度超过80米。对该溶腔采取“超前注浆+大管棚”方案处理后通过。注浆前注浆后注浆加固3.岩溶治理技术及工程案例③过水型岩溶对策：引排方案针对过水型岩溶，原则上引排维持既有通道方案处治，不得随意对岩溶管道堵塞，以免形成水害。3.岩溶治理技术及工程案例[案例]2005年8月11日，野三关隧道进口开挖揭示DK119+512隧底发育过水型岩溶，右侧为岩溶大厅。岩溶为两头窄的芒果状，最宽处约18.3m，岩溶水流自左向右流入大厅消水洞，旱季水流量为43m3/h。针对该岩溶：清除大厅内堆积体，锚网喷防护，隧道基底采用“托梁+钢筋砼板”跨越，隧道结构加强。3.岩溶治理技术及工程案例[案例]2005年3月29日，王家岭隧道开挖到DK61+473，超前探测表明前方为正交型过水岩溶管道，经放水试验，最大流水量为540m3/h。后爆破开挖，发现管道由左拱腰向右拱脚发育。入水口直径分别为1.5m和0.7m，出水口直径为1.5m。针对该岩溶，采用φ600mm波纹管引排、浆砌片石回填、隧道结构加强。④大型干溶洞：托梁+板跨方案、型钢混凝土+板跨方案、钢管群桩方案、桩基+承台方案、填筑路基方案、梁跨方案3.岩溶治理技术及工程案例[案例]2005年6月20日，长鹰坝2#隧道开挖到DK240+890处，隧道左边墙发育一横向溶槽，宽6m，纵向长20m，向下深不见底。针对该岩溶，基底采取“型钢混凝土+板跨”方案、隧道结构加强。3.岩溶治理技术及工程案例[实例]高坪1#隧道开挖到DK139+598时，揭示出一条斜穿隧道的干溶洞。溶洞自左上向右下发育，横向宽30m，纵向长9m，向上高20m，向下深6.5m。针对该岩溶，基底采“钢管群桩注浆加固”方案、隧道结构加强。[案例]2005年4月23日，鲁竹坝2#隧道开挖到DK204+610处揭示大型半充填型干溶洞，溶洞纵向长125m。DK204+610～+654段发育1#溶腔，左侧最宽41m，右侧最宽21.6m，轨面以上15m，轨面以下约0～10m；DK204+677～+735段发育2#溶腔，左侧最宽6.3m，右侧最宽20.5m，轨面以上12m，轨面以下左墙脚下0～11m；DK204+654～+677段为1#、2#溶腔连接通道，通道宽4～13m，高1.5～4m。针对该岩溶，基础采取“桩基+承台”方案。3.岩溶治理技术及工程案例3.岩溶治理技术及工程案例1#溶腔采用桩基承台1#、2#溶腔间隧底注浆加固，边墙挡护▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲≮2003.岩溶治理技术及工程案例[案例]2005年6月4日，龙麟宫隧道出口施工到DK232+467时，揭示DK232+467～+397特大型溶洞。溶洞纵向长约70m，横向宽约50m，深约80m，基底为堆积体。受施工爆破影响，6月19日18:48顶部覆层坍塌。该岩溶基底采取“路基填筑、注浆加固”方案。▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲740580720700680660640620600▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲15°标高（m）3.岩溶治理技术及工程案例隧道位置3.岩溶治理技术及工程案例[案例]2006年1月2日，下村坝隧道施工至DK237+091处，揭示一溶腔，该溶腔沿线路纵向发育30m，拱顶以上发育20～30m，隧底以下发育10～20m。溶腔横穿隧道，发育至隧道左侧边墙外28m，隧道右侧边墙外约22m斜向下发育一落水洞，落水洞深度未知。针对该隧道基底，采取“拱跨”方案。采用1-22.5m实腹式拱跨结构，拱圈为半径18.75m的钢筋混凝土圆弧板拱，矢高3.75m，矢跨比1:6。拱桥拱圈及拱座上回填C15混凝土形成桥面。对局部溶腔，采用C40混凝土回填。⑤对岩溶地下水的对策：注浆堵水方案（帷幕、周边）、泄水洞方案、堆积体加固方案、绕行方案3.岩溶治理技术及工程案例序号治理方案适用范围1注浆堵水方案充填型贫水溶洞、富水裂隙带、低压富水充填型溶洞、断层等2泄水洞方案大型高压富水溶洞、高压富水溶槽等3堆积体加固堵水方案大型堆积体、暗河大厅堆积物4释能降压大型高压富水溶洞5绕避方案边界明确的溶洞及溶槽[案例]齐岳山隧道施工进行超前水平钻探，探孔深度38m，单孔最大涌水量700m3/h，水压力3.1MPa。针对该地下水，采取“注浆堵水”方案。⑤对岩溶地下水的对策：注浆堵水方案、泄水洞方案、堆积体加固方案、绕行方案注浆堵水方案3.岩溶治理技术及工程案例齐岳山隧道出口PDK366+195高压水录像3.岩溶治理技术及工程案例3.岩溶治理技术及工程案例[案例]地形地质条件允许、对环境没有影响时优先采用泄水洞方案。泄水洞方案3.岩溶治理技术及工程案例暗河堆积体加固堵水方案[实例]五爪观隧道与五爪观暗河正交,暗河最大流量36000方/小时。暗河岩溶大厅横向宽约120m，纵向长60米，高30米，巨块状崩塌块石充填。暗河岩溶大厅堆积体上部为巨块状崩塌块石，下部为卵石土、块石土及粉质黏土夹砾砂等组成，饱和、透水性好。根据该岩溶暗河特点，采取“堆积体加固堵水，分段抬升暗河”方案，总体处理顺序为：清除堆积物→施做大里程端底板→分段施做截流区注浆、挡水坝→排水渠区注浆、修建排水渠、导流→大里程区钻孔注浆、小里程区底板→小里程区钻孔注浆。3.岩溶治理技术及工程案例3.岩溶治理技术及工程案例五爪观隧道暗河堆积体注浆及开挖效果3.岩溶治理技术及工程案例绕行方案[案例]齐岳山隧道进口平导施工至PDK364+005时，探遇大规模高压动水充填粉细砂层溶洞。针对反坡、平导的功能特点，采取“绕行”方案。绕行后顺利通过。节约时间、节省投资，不影响辅助导坑的使用功能。3.岩溶治理技术及工程案例4.岩溶高风险隧道专项设计马鹿箐隧道2006年“1.21”突水突泥后，对宜万线可能发生突水、突泥灾害的隧道进行系统排查，针对加强安全设计、反坡隧道施工、安全施工管理等问题进行了专题研究。根据每座隧道的工程地质、水文地质条件，发生突涌水突泥的几率、规模、危害程度等，确定其风险等级。野三关、马鹿箐等8座长大隧道岩溶发育、暗河众多、地下水丰富，个别工区为反坡施工，施工中极有可能发生大规模突水突泥的地质灾害，风险等级为一级。堰湾一号、堰湾二号、景阳坪等26座岩溶隧道施工中可能出现局部突水、突泥或大型溶腔，风险等级为二级。其余岩溶隧道为一般风险隧道。4.岩溶高风险隧道专项设计4.1岩溶高风险隧道专项设计目的及主要内容一级风险隧道专项设计包括水文监测、复杂岩溶隧道施工防灾报警系统、结构安全性监测三个方面专项设计。水文监测专项设计主要是系统的进行隧道水文地质监测，为水文地质评价和风险源的防灾预警提供水文地质方面的依据，完善