岩溶隧道安全施工技术与管理

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1、,宜万铁路建设总指挥部：张民庆 二六年三月 成都,岩溶隧道 安全施工技术与管理,第一章 国内岩溶隧道工程地质灾害案例 第二章 岩溶隧道风险等级划分 第三章 岩溶隧道安全的生产要素、程序和组织 第四章 岩溶隧道安全预测预报 第五章 岩溶隧道安全管理 第六章 岩溶隧道安全设计 第七章 岩溶隧道安全施工 第八章 岩溶隧道安全逃生 第九章 岩溶隧道安全抢险 第十章 中国古文化对岩溶安全的启示,第一章 国内岩溶隧道工程灾害案例 【案例1】渝怀铁路圆梁山隧道910灾害,圆梁山隧道全长11.068km，是渝怀线上最长的隧道。隧道穿越毛坝向斜、桐麻岭背斜和冷水河浅埋段，穿过三叠系、二叠系、泥盆系、志留系、奥陶

2、系和寒武系等多种地层。设计阶段预测水压力为4.424.6MPa，全隧正常涌水量98000m3/d，最大涌水量145000m3/d。,（1）910灾害前的超前预测预报情况 圆梁山隧道超前地质预测预报主要采取TSP202、红外线和超前探孔三种方式。 2002年8月26日，隧道施工到DK354+726，采用TSP202进行超前预测预报，预报里程为DK354+726+886，预报表明前方无明显反射信号，岩体较为完整、均一，围岩级别为级。 2002年9月9日，正洞施工到DK354+870，采用红外线探水超前预测预报，预报表明前方发育含水构造，但发生突涌水的可能性较小。 2002年9月10日，正洞开挖到D

3、K354+877.7，采用风钻实施4个5m超前浅孔钻探，探孔中无涌水、涌泥。,（2）910事故发生过程 2002年9月10日，隧道正洞下导坑施工到DK354+879，掌子面为深灰色灰岩，围岩较完整，无水，围岩等级为级。 10:05隧道开挖放炮后进行正常出碴。 10:40当进行第三车装碴时，掌子面底部碴堆发生轻微移动并出现少量涌泥，于是，现场立即停止出碴，退出所有人员与设备。,12:00设计、施工和科研单位召开紧急会议，决定施作止浆墙，以保证下一步钻孔注浆施工。 13:30地质及施工工程师到掌子面进行取样、摄像和地质分析。当时，从掌子面右下部一大约高1.5m岩溶管道中挤出黄色硬塑可塑状粘土，局部

4、可见明显擦痕，涌泥长度9m，高度接近下导坑拱顶部位，约3.5m，涌泥中无水，但在岩体内部可听见似水流声音。,14:00涌泥部位右侧有少量地下水流出，水浑浊，浓似泥浆。 14:10施工人员到掌子面进行混凝土止浆墙施作。 14:30掌子面突然爆开，随之，大规模硬塑可塑状粘土喷出，约30秒时间，涌泥向外喷出244m，从而塞满下导坑4200m3空间，受洞内停放在DK354+679电瓶车、梭矿阻挡，涌泥速度变缓。突泥过程中有4名人员逃生，9名遇难。之后，涌泥缓慢向洞外继续移动，最快7m/h，最慢1m/h，到9月12日11:30，涌泥至DK354+550处基本稳定。,10:40,14:30,13:30,灾

5、害全过程,（3）910灾害值得思索的几个问题 超前预测预报问题：TSP一次预报距离？、红外线可信度？、超前深孔钻探问题？ 涌泥后该进行什么工作？要观察多长时间？ 安全逃生理念？是逃还是避？ 如何处理以后所遇到的同类地质？,水声,【案例2】宜万铁路马鹿箐隧道121灾害,马鹿箐隧道全长7879m，是宜万线上长大隧道之一。隧道为金子山复向斜中四方洞向斜南东翼的单斜地层中，隧道区域漏斗、落水洞、暗河系统十分普遍，岩溶强烈发育。隧道处于岩溶水平循环带和深部渗流带，管道岩溶水系统极为复杂。设计预测隧道正常涌水量为170254m3/d，最大涌水量为823961m3/d。,（1）121灾害前超前预测预报情况

6、2005年10月29日，隧道出口平导施工到PDK256+011，采用TSP、地质雷达及2个超前深孔钻探对前方进行超前地质预测预报，预测预报表明：前方30m左右存在异常，存在溶隙带，溶隙内富水，超前探孔水量为3035m3/h，水量稳定4天无任何变化。 11月30日，平导施工到PDK255+992又采用深孔钻探对前方地质进行预测预报，预报表明：前方存在一沿线路方向长28m溶腔，溶腔内少量充填黄泥、河砂、砾块石及木屑等，大部分被水充填，水压力为0.81.2MPa。初步测算钻孔出水量为4000m3/d，动水量为2000m3/d。,（2）处理措施 平导遭遇该溶腔后，随开设横通道对正洞进行钻探，并对平导右

7、侧进行探测，探测表明左、右侧均发育溶腔，迂回施工难度较大，于是决定对溶腔采取超前帷幕注浆，加固范围为按正洞断面开挖轮廓线外58m。注浆后经钻孔检查，检查孔均为线状流水，流水量为0.1L/mmin，水压力为0.1MPa。,（3）121事故发生过程 注浆后进行隧道开挖。2006年1月21日，平导开挖至PDK255+978，已进入溶洞4m，经观察，溶洞破碎裂隙被浆液充填，注浆效果较好。 6:30开始进行钻孔，钻孔过程中掌子面很稳定，无任何异常情况。在钻孔过程中进行了4个4.5m的超前浅孔钻探，钻孔无水。 9:40钻孔完毕进行装药。 10:08开始放炮。 10:1510:30安全员对掌子面进行排险。,

8、10:50正准备进行出碴时，出碴人员听到掌子面有掉块、坍方响声，并伴随少量流水，于是立即停止出碴，乘电瓶车逃离。由于涌水，洞内照明因漏电保护跳闸中断。平导掌子面突水约5分钟后（据推测） ，水通过平导和正洞之间的横通道涌入正洞，致使正洞作业人员13人被困。（反坡施工） 11:00平导逃生人员出洞后立即报告，施工单位随即组织进正洞营救。梭矿车行至DK257600处左右，洞内已被水淹没无法前进，随即出洞。,11:05水相继从平导、正洞涌出，大水封闭整个平导、正洞，洞口水面高3.5m，涌水将洞外施工场地部分冲毁，突水持续约40分钟后涌水量减弱至300m3/h。经事后推算，高峰期最大涌水量72万m3/h

9、，突水总量约18万方。突水期间有2个随突水由正洞冲出获救，其余11人遇难。,10:50,11:05,（4）121灾害值得思索的几个问题 超前预测预报到有岩溶存在时该怎么办？是堵还是排？ 如何评价该岩溶所采取的注浆措施？如何评价超前支护措施？ 不同掌子面的同步逃生预警问题？ 逃生应急照明？如何组织逃生？,两起工程灾害是否有共性特点？1、施工单位能力水平？2、进洞人数？3、平导均只有不到两公里？,对隧道进行风险等级划分是十分必要的。对隧道风险等级划分是依据勘察阶段对隧道工程地质及水文地质的评价，从宏观上对隧道风险进行评估，从而引起各方充分重视（意识形态的提高、费用的增加、工期的合理安排），继而制定

10、出合理有效的超前预测预报方法、处理方案、应急处理对策，以达到规避施工风险，避免或最大程度地减少地质灾害所引起人员伤亡和财产损失。,第二章 岩溶隧道风险等级划分,第三章 岩溶隧道安全生产要素、程序和组织,1 安全生产六要素 岩溶隧道安全生产是建设单位、设计单位、施工单位、监理单位四方共同的责任，其中任何一个环节出现差错，对于岩溶隧道，特别是级风险隧道，都有可能造成重大的经济损失和人员伤亡，因此，各方应各司其职、各负其责。 根据以往岩溶隧道施工的经验与教训，岩溶隧道安全生产有六个要素：安全预报、安全管理、安全设计、安全施工、安全逃生、安全抢险。 2 安全生产程序,第四章 岩溶隧道安全预测预报 （宜

11、万线实施情况）,（1）预测预报方法：地质素描、TSP203、地质雷达、红外线探水、超前水平深孔钻探和风钻加深5m浅孔钻探为必测方法，选定HSP、负视速度法、孔内CT和成像为选测项目，在必要时进行。,（2）组织与管理 制度化管理：制定了宜万线施工地质勘察与超前预测预报专项机制，编写了宜万线复杂隧道施工地质实施细则。 职能化管理：设计单位为主体，建设、施工、监理单位明确职责、分工合理、相互协调、系统管理。 专项性管理：施工单位要有专业人员和设备。 纳入工序管理：纳入施工工序中，施工中做到“有疑必探、不探不挖”的原则。,（3）现场应用效果： 到目前为止，只要是按规定的项目进行超前预测预报，所遇到的规

12、模较大的岩溶均探测到。 钻机选型：全线共有钻机16种（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。其中大部分钻机钻进行能力小，这对将钻孔纳入工序管理造成很大影响（约有17%的时间用于钻孔）。推荐使用MKD-5S（煤科院西安分院产）、 ZYG-150B（煤科院重庆分院产）、 RDP-150C（日本进口）地质钻机 。,超前深孔钻探基本上探到了所有的大型岩溶，5m浅孔风钻钻探基本上探到了所有的涌水。超前钻探仍

13、是超前地质预测预报的主体。 TSP预报率不高，应进一步研究，提高预报率。去年上半年为35%，目前为52%。 地质雷达对基底岩溶探测效果很好。对较大规模的岩溶反映十分敏感。 红外探水结论模糊，难以起到应有的作用。,（4）不认真进行预测预报的教训 2004年9月11日，别岩槽隧道出口上半断面开挖到DK406+422，掌子面炮眼孔射水，施工人员迅速撤离。12:30分，掌子面爆开，突发大规模涌水，突水洪峰流量36000m3/h，洞口涌水高度1.8m，涌水持续时间40min后稳定为500m3/h。该次突水使洞内设备席卷而出，并冲垮洞口场地，使上、下游居民用水受到严重影响，造成经济损失约100万元，,1

14、超前预测预报专项化管理 （1）专项经费列入概算 （2）纳入施工工序管理（投标阶段） （3）物探技术应走专业化承包之路 （4）钻探技术应配备快速钻孔机械 （5）加强浅孔风钻钻探工作 （6）制定规范、标准，实现规范化管理,第五章 岩溶隧道安全管理,2 隧道岩溶治理程序化管理 （1）会商程序：有突涌水可能的，必须由建设单位组织四方会商。 （2）方案设计程序：设计负责、建设单位审批 （3）施工程序：施工单位编写施组、监理审批、施工单位实施 （4）注浆效果检查程序：施工单位实施、监理签认、建设单位对达不到设计要求的应重新组织会商。,3 隧道岩溶安全制度化管理 （1）制定岩溶隧道防范高风险专项机制 （2）

15、制定岩溶隧道注浆施工管理实施细则 （3）制定岩溶处理的一般原则 4 隧道岩溶治理费用管理 实报实销？承包？采用承包会带来很多安全隐患。 5 工期问题 遇到特大岩溶或有涌突水可能时应重新审核工期,第六章 岩溶隧道安全设计 1 反坡隧道洞内抽水系统设计 2 洞口排水系统设计 3 注浆堵水设计 4 注浆效果检查评定标准建立 5 岩溶管道放水降压回填处理设计 6 支护体系设计 7 二次衬砌设计 8 暗河处理设计 9 辅助坑道设计方案 10 逃生通道设计 11 同声光预警系统设计 12 应急照明设计 13 逃生线路设计,注浆施工的七个重要参数 浆液扩散半径R基础 注浆布设间距ab 注浆分段长度（步距）h

16、 浆液凝胶时间Tg核心（心脏） 注浆速度v（Q）能量（血液） 注浆量Q（Q） 注浆压力P关键（眼睛）,注浆效果检查评定标准建立,五类十四种,【圆梁山隧道1#溶洞】注浆中表现两种P-Q-t曲线。型曲线主要是内圈、外圈孔，特别是底部孔。其注浆压力较小，一般为1.52MPa，注浆速度为4050L/min，随着注浆的进行，注浆压力稍有升高，注浆速度略有降低，当达到设计注浆量时，注浆终压不能达到设计终压，而此时注浆速度仍较大。经分析，认为主要是溶洞区存在一定空隙(洞)，浆液流动的阻力较小，浆液主要表现为填充扩散方式进行加固。,1 注浆过程P-Q-t曲线法,【圆梁山隧道1#溶洞】型曲线主要是上部注浆孔和中

17、部注浆孔所表现，这和注浆设计意图所采取的双序孔约束型注浆措施一致，达到了挤压密实的目的。注浆过程中，开始时注浆压力为22.5MPa，注浆速度为3050L/min，随着注浆进行，压力上升，注浆速度明显下降，当达到设计注浆量时，注浆终压达到或超过设计终压值34MPa，此时注浆速度降至1015L/min，这主要表现为挤压劈裂再挤压。,2 注浆量分布特征法,注浆量分布时间效应图,【圆梁山隧道2#溶洞】 总体可以将注浆量分布时间效应图分成两部分，即前期单序孔部分和后期双序孔部分，明显单序孔注浆量要比双序孔注浆量大，这和预期的分序孔注浆原则相一致。前期单序孔阶段，注浆量离散性很大，这主要是由于岩溶分布的不

18、均一性特征所引起。,上半断面注浆量分布空间效应图,由上半断面注浆量分布空间效应图来看：轮廓线外三圈孔注浆量总体是均布的，拱顶处较大 ，这主要是由于上部存在较大的空腔所致。由注浆量分布情况来看，两侧拱腰处明显存在着薄弱区，对此，这应在补孔注浆及检查孔施工时重点强化处理。,下半断面注浆量分布空间效应图,由下半断面注浆量分布图来看：注浆量分布比较均匀, 注浆量都比较小，可见水是由上部过来的，上半断面注浆后，基本上堵住了岩溶水。,（3）涌水量对比法,【圆梁山隧道1#溶洞】超前地质探孔涌水量为5070m3/h，注浆施工中涌水量超过10000m3/d。注浆后，该溶洞段涌水量只有510m3/h，注浆堵水率达

19、到90%以上，注浆堵水效果是很明显的。,【圆梁山隧道2#溶洞】随着注浆进行，钻孔涌水量总体呈减少趋势，由此来看，总体注浆效果明显，是随着注浆进行不断提高。钻孔中的涌水量表现出明显的离散性，这和2#溶洞地质复杂有关。,（4）浆液填充率反算法,【深圳市向西路人行地道工程】注浆结束后，统计注浆总量Q，利用公式Q=Vn(1+)反算出浆液填充率=83.6%，满足注浆加固堵水要求。在随后施工中，工程安全顺利。,（5）检查孔观察法,【圆梁山隧道2#溶洞】注浆结束后，根据注浆P-Q-t曲线分析，结合注浆量分布特征，在注浆薄弱环节钻设检查孔。由图检查孔来看，检查孔无涌水、涌砂，且成孔好。检查孔放置1小时后，仍无

20、坍孔、无涌水、无涌砂，因此，可以判定注浆效果是良好的，能满足安全开挖要求。,（6）检查孔取芯法,【广州地铁杨体区间隧道 】注浆结束后，针对注浆薄弱环节进行取芯试验。取芯表明：岩芯呈柱状，完整性好，岩芯提取率在60%以上，岩芯加固优良率为71.596.6%。对岩芯进行抗压强度测试，在灰色细砂中为0.2950.428MPa，在黄色中粗砂中为1.153.29MPa。,（7） 检查孔P-Q-t曲线法,【圆梁山隧道1#溶洞】对检查孔进行注浆，绘制P-Q-t曲线。由图来看，开始时，注浆初压为2MPa，注浆速度为15L/min，随着注浆进行，注浆压力和注浆速度基本保持不变，这主要是起到了补充注浆作用，并进一

21、步劈裂强化注浆效果。维持5min后，注浆压力突然上升，超过设计注浆终压3MPa，同时注浆速度急剧下降，当注浆压力达到4MPa时，地层基本注不进浆，而此时注浆量远小于设计注浆量，可见检查孔区域已饱和密实，达到注浆设计要求。,检查孔P-Q-t曲线,（7） 检查孔P-Q-t曲线法,（8）渗透系数测试法,【深圳地铁益田站】注浆截水帷幕施工结束后，测试地层渗透系数为1.810-52.510-6cm/s，满足工程安全施工要求，达到了注浆截水帷幕的目的。在随后桩基开挖中，仅有少量渗水，工程得以安全施工。,（9）加固效果观察法,【圆梁山隧道1#溶洞】对掌子面注浆加固效果进行观察，注浆后，掌子面淤泥质粘土被有效

22、加固，无水，开挖过程中，掌子面自稳性好，无任何坍塌。,（10）注浆机理分析法,【圆梁山隧道1#溶洞】在开挖过程中，观察浆液对地层的加固状况。浆液加固溶洞地层，主要表现为填充挤压和剪切劈裂两种方式。填充挤压方式主要是当地层孔隙(洞)较大时，浆液直接填充空隙(洞) ，该加固方式主要发生在破碎围岩和粘土的交界面，以及部分空隙率较大的部位。剪切劈裂方式主要是在未扰动的粘土地层，浆液在较高压力条件下形成劈裂脉，以脉状扩散方式形成网状加固结构，以达到固泥堵水的目的。,方式一 填充挤压方式,方式二 剪切劈裂方式,（11）力学指标测试法,【圆梁山隧道1#溶洞】浆液强度较高，但由于浆液固结机理主要表现为挤压填充

23、和剪切劈裂作用，因而浆液加固固结体测试抗压强度时，首先固结体内的粘土体被破坏，而此时浆液仍表现为固结强度，经多次取样测试，其单轴抗压强度均在0.2MPa左右。注浆前地层为软塑状粘土，不能自稳，注浆后地层抗压强度得到了改善。注浆前地层含水量为120.3%，地层空隙率为82.8%，注浆后地层含水量降低到15.729.1%，地层空隙率降低到18.344.2%。,强度与耐久性问题,（12）水位推测法,【以太广场高级写字楼保护】在截水帷幕施工前越秀公园站施工中，地下水位变化异常，伴随着施工的进行与暂停，水位随之变化，因而无法保证以太广场的安全稳定。通过实施截水帷幕，在之后2001年3月10日以后的越秀公

24、园站施工中，以太广场内侧水位稳定，这充分证明了以太广场复合式截水帷幕施工效果是好的。,（13）变形推测法,【广州地铁越秀公园站北基坑围护桩外注浆】前期挖桩阶段地表急剧下沉，最大沉降速率6.9mm/d，最大沉降值32mm。在挖桩至成桩阶段，地表下沉速率最大值为1.3mm/d，这一阶段累计下沉最大值为7.2mm，由此可见围护桩外注浆截水帷幕的施作是十分成功的。,（14）物探法,【圆梁山隧道2#溶洞】注浆前后TSP对比,岩溶注浆处理时注浆效果检查方法与标准（建议） （1）必测项目： P-Q-t曲线法（符合设计要求，达到设计注浆量和注浆终压） 注浆量分布特征法（不能有注浆盲区） 涌水量对比法（堵水率达

25、到80%，总涌水量5m3/m/d） 检查孔观察法（检查孔无涌水、涌砂，放置一个小时仍无涌水、涌砂。） 渗透系数测试法（k10-5cm/s） 力学指标测试法(固结体抗压强度0.3MPa，注浆后地层含水率35%） （2）选测项目 加固效果观察法、注浆机理分析法、检查孔P-Q-t曲线法,第七章 岩溶隧道安全施工,1 安全生产制度及培训:施工单位应对进洞作业人员进行安全生产制度培训，特别是应对掌子面风险标识学会判别，对逃生线路明确。 2 辅助导坑与正洞的协调施工原则: 对于长大岩溶隧道，应注意以下几个辅助导坑与正洞协调施工的原则。 （1）坚持“平导超前、尽快贯通”的施工原则。 （2）正洞与平导作业面应

26、协调施工，做到“平导超前、正洞紧跟”，反对平导长距离独头掘进，原则上，正洞与平导作业面的距离不要超过500m。,（3）当平导遇到特大岩溶时，应优先考虑采取迂回导坑的措施。当确实没有迂回条件或迂回工作量特别大时，才考虑处理措施。 （4）当平导遇到特大岩溶时，在平导岩溶超前处理后开挖期间，由平导拐入正洞的独头作业面应停止施工。,（5）当正洞遇到特大岩溶时，应优先考虑迂回措施，实现两端夹击加固，待平导贯通后处理。 （6）当反坡隧道施工遇到特大岩溶，存在突水、突泥可能时，应重新分析隧道工期，如工期能保证，原则上采取反坡加固，反坡开挖揭示。,3 施工方法的选择：以短台阶法为主，必要时可采用CRD工法开挖

27、。 4 初期支护：大型充填型溶洞一定要采取大管棚支护。 5 信息化施工：岩溶处理中及处理后，应加强监控量测，及时根据监测成果进行必要的二次衬砌。 6 二次衬砌施作原则：长大岩溶隧道，二次衬砌应及时，原则上掌子面与二次衬砌间距离不得大于200m。当遇到高压富水岩溶时，应采取二次衬砌紧跟。,7 洞内外抽排水系统：反坡岩溶隧道施工时，施工单位必须设置不少于20000m3/d的排水能力的洞内抽水系统。洞口排水系统必须确保通畅，对于洞口及排水下游民房存在安全隐患时，必须予以拆除。 8 专职安全员设立:岩溶隧道施工中，施工单位必须设立专职安全员，负责全隧道的安全风险识别，负责预警系统和应急照明系统的开启。

28、,第八章 岩溶隧道安全逃生,1 不安全标识 岩溶突水的最可能位置为两种岩层的接触带，大型富水溶腔是最不安全的风险源。 在隧道穿越富水构造时，当掌子面有掉块声、硬塑状涌泥、渗漏水量逐渐变大时，为突水、突泥风险标识，应及时逃生，经观察确实不存在大量突水、突泥时，方可进入工作面。,2 风险时刻,3 逃生组织 洞内逃生由专职安全员负责，安全员应在最为危险的掌子面。当遇到险情时，安全员应及时启动预警系统和应急照明系统，由工班长组织逃生。逃生时，必须按设定的逃生线路逃生。反坡隧道施工时，除司机外，工班内至少有两名以上人员具备有开车能力，以防止意外发生。,4 逃生通道 当隧道遇到大型岩溶进行处理时，应设计必

29、要的逃生通道。对于有平导的隧道，应在原设计的平导与正洞横通道间增设逃生通道，应满足掌子面后退1000m内通道之间间距不大于200m，以利于现场逃生。逃生通道断面为2m（宽）2.5m（高），逃生通道内不得放置杂物和停放机械，确保畅通。逃生通道处应标明标记，以使进洞人员明确通道设计意图。,5 同声光预警系统,6 应急照明,7 逃生线路设计,8 逃生工具,9 逃生演习 为确保遇到险情时顺利逃生，对于长大复杂岩溶隧道，施工单位必须每季度组织一次逃生演习。,第十章 中国古文化对岩溶安全的启示 突水、突水、突泥、涌砂（沙）、逃生 世间没有比水更柔弱的，然而攻击坚强的东西，没有能胜过水的，水性至柔，却无坚不摧。老子,谢谢,