宜万铁路岩溶隧道施工技术

宜万铁路岩溶隧道施工技术铁道部宜万铁路建设指挥部二○○九年三月目录1、宜万铁路工程概况及进展2、岩溶分类3、岩溶治理技术及工程案例4、“释能降压法”治理高压富水充填溶腔新技术（专利技术）5、岩溶隧道施工风险管理1、宜万铁路工程概况及进展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、岩溶分类隧道岩溶发育虽千奇百怪、复杂多变，无规律性，但也有其内在的类型特征。针对宜万线已揭示的900余处岩溶及岩溶水，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、岩溶分类相关照片与录像洞穴型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进口正洞DK363+090超前探测涌水录像2、岩溶分类高压富水型齐岳山隧道进口正洞DK363+629超前探测涌水录像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、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：注浆加固+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⑤岩溶水治理：注浆堵水方案、泄水洞方案、堆积体加固堵水方案、绕避方案3.2工程实例：①洞穴型、管道型岩溶对策：回填方案[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。3、岩溶治理技术及工程案例②充填无水型岩溶对策：周边注浆加固+大管棚方案注浆加固+大管棚方案标准模式图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。3、岩溶治理技术及工程案例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。[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。3、岩溶治理技术及工程案例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[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。3、岩溶治理技术及工程案例[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[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。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。3、岩溶治理技术及工程案例[案例]2006年3月3日，齐岳山隧道施工到PDK366+195，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]2004年5月31日，齐岳山隧道平导施工至PDK361+870处，采用超前炮眼孔进行超前探测时，探孔中射出高压水，射程5m，单孔涌水量60方/小时。随后加强探测，表明：前方发育充水溶槽，溶槽由左上向右下发育，最大宽度12m。测试水压力为0.26MPa，预测涌水量为3000方/小时。考虑到隧道为反坡施工，富水溶腔处理难度大，采取”泄水洞”方案处理。泄水洞方案3、岩溶治理技术及工程案例堆积体加固堵水方案[实例]五爪观隧道DK49+274～DK49+345段与五爪观暗河正交,暗河最大流量36000万方/小时。暗河岩溶大厅横向宽约120m，为巨块状崩塌块石充填。该段路肩设计标高约542m，堆积体顶部标高约582m，岩溶大厅顶板最高处标高约600m。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。卵石磨圆度好，直径2～9cm,个别达11cm以上；顶板及周壁为坚硬完整灰岩。根据该岩溶暗河特点，采取“堆积体加固堵水，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，超前探测表明：前方发育高压动水充填粉细砂层溶洞，溶洞由左向右发育，左侧规模大，右侧规模小，探测表明右侧纵向长度4～5m，但左侧经多次注浆后，由于高压动水粉细砂层注浆难度大，仍无法探到对方基岩。针对齐岳山隧道进口反坡施工特点，以及平导的功能特点，对该岩溶不再处理，采取“绕行”方案。绕行后顺利通过规模较小的充填粉细砂层溶洞。3、岩溶治理技术及工程案例4.1隧道施工中遭遇的高压富水充填溶腔突水突泥（1）野三关隧道“602溶腔”突水突泥：2007年8月5日，野三关隧道出口Ⅰ线施工到DK124+602，遭遇突水突泥灾害，瞬间最大涌水量达15万方/小时，突水持续1小时后稳定为1万方/小时。伴随突水，多台机械设备被冲走、扭曲解体。事后进洞观察，突泥堆积长度约400m，掌子面附近隧道被堵满。突水突泥造成巨大经济损失和人员伤亡。4、释能降压法治理高压富水充填溶腔新技术4、释能降压法治理高压富水充填溶腔新技术（2）大支坪隧道“990溶腔”突水突泥：2006年7月26日，大支坪隧道平导开挖至PDK132+930突发大规模突水涌砂，涌砂量约300方。9月4日，向前开挖到+960时又发生大规模突水，瞬时涌水量达1500方/小时。9月29日，向前开挖到+990时再次发生突水突泥，瞬时涌水量达5000方/小时。2008年4月30日，ⅡDK132+913经注浆后进行开挖，开挖时发生突水涌砂，涌砂量约4000方。4-30突水涌砂录像4、释能降压法治理高压富水充填溶腔新技术（3）云雾山隧道“617、526溶腔”突水涌砂：2008年7月21日，隧道出口DK245+645超前探孔时发生突水涌砂，瞬间涌水量达780方/小时，涌砂约1000方，涌水造成Ⅰ线淹井1035m、Ⅱ线淹井710m。8月26日完成抽水及清砂。9月6日，10#横通道超前探孔时又发生突水涌砂，再次造成淹井。08年10月12日，隧道进口Ⅱ线遭遇ⅡDK245+526溶腔，溶腔内充填泥砂，探测期间突出泥砂约250方，涌水量约为90方/小时。云雾山隧道DK245+617溶腔突水突泥后进洞观察照片4、释能降压法治理高压富水充填溶腔新技术（4）马鹿箐隧道“978溶腔”突水突泥：2006年1月21日，马鹿箐隧道出口平导反坡施工到PDK255+978时，发生突水突泥。平导施工人员立即逃生。突水经横通道涌入正洞，使正洞作业人员遇难。突水时最大涌水量为30万方/小时，持续7小时后，涌水量稳定为300方/小时。马鹿箐隧道1-21突水突泥录像4、释能降压法治理高压富水充填溶腔新技术4.2研究新技术的必要性宜万铁路突水突泥夺走了多名职工的生命，造成了巨大的经济损失，同时，也对宜万铁路正常施工造成影响，令人心痛。痛定思痛，突水突泥的根源是没有一套成熟的、行之有效的，用于解决高压富水充填溶腔安全施工的技术手段。因此，如何掌握高压富水充填溶腔突水突泥规律，顺其自然，规避灾害，研究安全可靠、经济适用的治理技术是宜万铁路参建各方需要共同研究的重要课题。4、释能降压法治理高压富水充填溶腔新技术4.3“释能降压法”概念、内容、施工方针及施作步骤（1）概念：释能降压法是针对高压富水充填溶腔采取有计划、有目的精确爆破，释放溶腔所存储能量，降低溶腔施工及运营过程水土压力。之后，通过配套处治措施完成溶腔治理。（2）主要内容（七项）：溶腔特征分析、临近界面锁定、相邻洞室分隔、洞外排水规划、精确爆破设计、预警预报监控、配套措施实施。（3）二十四字施工方针：探介质、锁边界、选时机、精爆破、严监控、畅排放、细处理、勤检查。4、释能降压法治理高压富水充填溶腔新技术（4）四个施作步骤：查找溶腔阶段、锁定溶腔阶段、打开溶腔阶