马桑哨隧道穿越暗河处理综合施工技术.pdf

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·隧道/地下工程·收稿日期:20150422基金项目:中铁二十二局集团有限公司科技研究开发计划项目(2011-09A)马桑哨隧道穿越暗河处理综合施工技术戴培义白明禄(中铁二十二局集团第五工程有限公司重庆400042)摘要结合沪昆铁路客运专线马桑哨隧道穿越暗河的工程实践,介绍了隧区地层岩性、地质构造、水系和岩溶发育特征。根据隧区水文地质条件,分析了隧道遇到暗河系统的发育规模、涌水特征、稳定性等;根据该暗河系统的工程水文地质条件及与隧道的空间关系,对增设泄水洞方案、注浆封堵方案进行了对比和甄选;并详细介绍了复杂岩溶地质条件、穿越暗河地段容易引发隧道岩溶突水、突泥风险,以及施工过程中为预防涌突水而采取的工艺、方法等,对类似工程具有一定的借鉴意义。关键词隧道穿越暗河注浆封堵突水中图分类号U455.49文献标识码B文章编号10094539(2015)07000105ComprehensiveProcessingConstructionTechnologyonMasangshaoTunnelPassingThroughtheUndergroundRiverDaiPeiyi,BaiMinglu(ChinaRailway22ndBureauGroupCo.Ltd.,Chongqing400042,China)AbstractCombinedwiththeengineeringpracticeofMasangshaoTunnelofShanghaiKunmingRailwayPassengerDedicatedLinepassingthroughtheundergroundriver,thestratumlithology,geologicalstructure,characteristicsofwatersystemandkarstdevelopmentwereintroducedinthispaper.Accordingtothehydrogeologicalconditionsofthetunnel隧,thedevel‰°“”′∶≥Ⅱ°,waterburstingfeaturesandstabilityoftheundergroundriversystemintunnelareawereanalyzed;compari隧sonandselectionweremadefortheschemesonincreasingwaterreleasetunnelandgroutingandsealingbasedonthespatialrelationshipbetweenthehydrogeological隧conditionsandtunnelⅣ”×°“°“°′′”°‰;somepointssuchascom隧plicatedgeologicalconditionsinthekarstarea,karstwaterburstingontheoccasionoftunnelpassingthroughtheunder隧groundriver,risksofmudsurgingaswellasthetechnologiesandmethodsofpreventingwaterburstingandmudsurgingwereintroducedindetail,whichcouldprovideacertainreferenceforsimilarprojects.Keywordstunnel;passingthroughtheundergroundriver;groutingandsealing;waterbursting1工程概况1.1隧道概况及周边环境沪昆客专CKGZTJ-12标马桑哨隧道位于贵州省盘县两河乡海铺村至红果镇沙坡柳树湾村境内,隧道中心里程D1K967+612.5,全长4725m。沿线属亚热带湿润季风气候,气候温和,雨量充沛,阴雨天多,年平均降雨量1200~1500mm,5~10月份为雨季,占年降雨量的80%。全隧沿线路呈‰18.3单面下坡,不良地质为岩溶及岩溶水。本隧道在DK966+870段下穿地下暗河,DK966+842~DK968+142段隧道突水突泥问题突出,对隧道安全施工影响大。在临近本项目该段有同期进行开发建设的红果经济开发区两河新区建设项目,开发区覆盖马桑哨隧道施工区,地表岩溶洼地、落水坑、水塘等进行了填碴造地、挖填平衡施工作为建筑用地,隧道区岩溶洼地规模大幅减少,一定程度上对地下赋存水、径流补给量有削弱影响。1铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2015(7)·隧道/地下工程·1.2地质构造及水文地质特征隧道区域构造上位于扬子准地台黔北台隆六盘水断陷盘县、兴义莲花状构造变形区。隧道地表可溶岩分布广泛,溶蚀洼地、漏斗、竖井、落水洞普遍分布,岩溶水赋存于隧道穿越段的三叠系中统关岭组二段(T2g2)灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩组成的碳酸盐岩类含水岩组中。地下水主要通过地表串珠状洼地汇聚,经岩溶洼地落水洞、溶蚀裂隙渗入地下,在深部则以网络状岩溶裂隙、岩溶管道以及巨大的溶蚀~侵蚀洞穴为主,地下水具有庞大复杂的运移赋存空间,地下水十分丰富,迳流复杂。隧道区西侧近南北向的拖长江是当地最低侵蚀基准面,控制着区内地表和地下水的排泄,在小水田至马桑哨一带,存在一条地下岩溶管道,隧道线路比小水田岩溶管道进口高程低,该岩溶管道进、出口高程为1893m和1833m,地下水纵坡降为‰45,由笼莽棵一带地表水从小水田发育的落水洞流入地下后,以岩溶管道形式迳流,形成地下暗河,在马桑哨岩溶洼地东侧边缘地表,总流量52.54L/s,排泄口高程1827m。隧道线大部分区域在地下水位线以下,位于水平循环带。隧道标高低于该暗河,施工中遇到地下暗河的可能性大。根据设计方案,为满足施工及运营期间排水问题,于D1K968+870处可能穿越暗河处右侧约350m处预设计一泄水洞,与隧道左右线路中线的平面夹角为38°,纵向单面下坡,设计纵坡为4%。泄水洞是否实施,需根据隧道开挖揭示暗河水位高程1865.00m与隧道工程的相对关系再确定施作时机。隧道正洞、预设泄水洞位置与地下暗河关系见图1。图1隧道正洞、预设泄水洞位置与地下暗河关系1.3隧道地下水文监测为了掌握大气降水与隧道涌水的关系,施工中在马桑哨隧道进口段D1K965+370~D1K966+870段建立了水文监测点。水监测的主要内容包括地表洼地、水塘、隧道所在区域的当地气象资料以及隧道内出水量。截止2013年10月31日,洞内总排水时间870d,共排水694289.9m3,平均每天排水798.03m3/d,折合每小时33.25m3/h。其中监测D1K966+710至D1K966+890段出水量最大为2673.6m3/d,远小于设计最大涌水量88394m3/d,隧道洞内采用反坡排水施工。通过水量监测数据分析得知,隧道覆盖区域受降雨量的关系呈正相对关系,即隧道内出水随着降雨量大小变化。2隧道穿越地下暗河技术现状研究帷幕注浆技术在近代隧道穿越喀斯特地质工程中得到广泛应用,特别是在地下岩溶暗河的加固治理方面有了显著的优越性,国内对穿越地下暗河隧道工程应用帷幕注浆技术也有成功的应用实例。如五爪观隧道穿越地下暗河,在岩堆体敞开式边界“条件及高富流动水状态下,采用了分区分序、多泵”联合、多浆组合、快凝早强等技术[1],解决了注浆截流、抬高水位、隧道下穿暗河堆积体开挖支护的施工难题。其关键技术是通过改善注浆、强化快凝技术在穿越段围岩的加固效果,但必要条件是对岩溶规模和发育方位探测精度要求较高。在马桑哨隧道工程实际中,外部环境因素、降雨量的大小能够影响地下水渗流补给,但对于隧道下穿暗河段的岩溶发育规模、涌水量大小及稳定性尚不确定,为更好探查马桑哨隧道在D1K966+870附近岩溶发育规模、揭穿地下暗河的可能性,预设泄水洞实施的可行性,我们在超前地质预报的基础上,采取围“”岩截水探、注结合的方法进行分析和考证。3“”围岩截水探、注结合施工工艺3.1工艺原理“”围岩截水探、注结合施工方法主要是指:根据综合预报物探的方法予以判定有无赋存岩溶水或方位,然后通过先导探孔的方法探测地下岩溶水发育规模、涌水特征、稳定性等,在先导孔验证岩溶发育规模及涌水特征的条件下,划分重点注浆、正常注浆、选择性注浆和检查性注浆4个区域模型,通2铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2015(7)·隧道/地下工程·过先导孔注浆、加密钻孔强化注浆的模式,实施信息化动态注浆,不断完善和加强隧道岩溶注浆富、弱水区阻截、加固效果。3.2施工方法特点(1)先探后注,探注结合的注浆方法,对于探查岩溶发育规模,研究暗河水文地质周围环境影响及稳定性有重要的意义。(2)按照《高速铁路隧道工程施工技术指南》[2]“”要求,铁路隧道防排水必须遵循防、排、截、堵结合,因地制宜,综合治理的原则。隧道施工可能揭开或改变的岩溶暗河自然排泄通道,采取围截注浆方法,能够对其有效地整治。(3“”“”“)按照围、截的注浆原则,利用判定围”“”“”岩、分区定位、动态注浆的注浆思路,进行信息化动态注浆,有的放矢,达到注浆加固、截水的目的。(4)对于工程投资、隧道运营期安全有良好的控制和保障。(5)对预防断层破碎带塌方、岩溶塌陷等隧道病害,有较好的围岩加固和支护稳定作用。3.3注浆施工流程为探测出隧道地下暗河、岩溶富水体构造的发育规模、稳定性,施工于D1K966+805~D1K966+905段共100m,作为地下岩溶暗河管道影响辐射范“”围,并进行围岩截水探、注结合注浆加固施工。施工工艺流程见图2。图2“”围岩探、注结合注浆加固施工工艺流程3.4超前地质预报采用地质素描、物探与钻探结合的综合预报方法,预报原则为物探先行,钻探验证,现场钻探时,安全岩盘按照预留3~8m进行控制。通过综合地质物探和超前钻探结合的方法,能够清晰地反映掌子面前方的水体分布、围岩裂隙及溶洞等情况。施工中遇到超前地质预报无异常情况,原则可指导现场进行开挖施工。但为确保围岩外圈安全岩盘厚度、探明有无储水构造和岩溶洞隙,施工过程中应进行局部径向注浆。3.5注浆材料及注浆参数注浆材料:水泥水玻璃双液浆或水泥浆。(1)注浆材料主要为水泥浆液,封孔或涌突水时采用水泥水玻璃双液注浆。(2)水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥,水玻璃波美度′Be=40,水泥浆水灰比=(0.8~1)∶1,水泥浆∶水玻璃浆液∶=10.8。注浆参数见表1。表1注浆参数序号参数名称参数值备注1注浆范围纵向注浆加固长度为30m/循环径向隧道开挖轮廓线外5m2浆液扩散半径/m2岩溶破碎地段R=1~2.0m3终孔间距/m2.6保证注浆终孔浆液扩散交圈4注浆压力/MPa5~6达到设计终压,并持压10min5钻孔孔径/mm目108/目90开孔直径≥108mm,终孔直径≥90mm6注浆孔数28~32根据溶隙和涌水情况调整7注浆方式分段前进式注浆加固采取3~5m前进式注浆,动态指导注浆施工3.6“”围岩探、注结合施工“”围岩探、注结合的注浆方法是建立在以放射状钻探孔形成的一个隧道围岩加固环基础上,通过每个先导探孔在钻探时钻进速度、钻机冲击力、卡钻情况、涌水颜色、涌水大小、流出固体粉末情况,综合判断围岩完整性、岩溶涌水特征、岩溶发育程度、稳定性,通过先导孔注浆吃浆量情况判别岩溶发育规模以优化调整钻孔注浆方案。这些特性数据最主要是为判别富水区、一般区、弱水去、无水区,实施过程需建立一个信息化地质注浆模型。3铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2015(7)·隧道/地下工程·3.6.1地质注浆模型根据注浆参数设定,隧道周边探孔、注浆孔形成一个放射状圆形加固环,将注浆加固环区划分成左上、右上、左下、右下四个扇区。地质注浆模型见图3。图3地质注浆初模型(示意)3.6.2初步注浆设计方案根据地质注浆初步模型进行地质注浆初步设计,初步设计布孔方案:布设一环注浆孔30孔为I序孔,每孔孔深30m,终孔成环分布在隧道开挖轮廓线外5m,初步设计布孔方案见图4,在每个扇区选取2个孔做先导探孔,编号为T1~T8,8个孔将4个扇区再划分成8个扇区,开孔孔口布置和注浆孔终孔布置见图5、图6。3.6.3先导孔钻探、注浆施工“”按照先导探孔、钻注结合的施工原则,先行施工探孔(编号T1~T8),使用RPD-150C型自行式钻灌一体机进行钻孔。为控制好钻孔偏角,施工用罗盘仪开孔的竖直角,采取钻杆与隧道中线拉线距的方法控制水平角,钻孔应匀速钻进,便于先导探孔在钻探时检查钻进速度、钻机冲击力、突进和卡钻情况等,钻进过程中应观察是否涌水、涌水颜色、涌水大小、流出固体粉末情况等,便于探查岩溶溶洞、裂隙、含水体发育情况,完善地质注浆实施模型。图4注浆纵断面布置图5A-A开孔孔口布置图6B-B终孔孔口布置对DK966+805~DK966+870段共实施了3个先导孔钻探循环,根据先导孔钻探揭示情况,第一循环段DK966+805~DK966+835,T1、T2探孔钻探10~14m范围有溶腔,且有水,T3、T4探孔无水,但存在溶腔构造,判定右侧拱顶存在水压;第二循环段DK966+830~DK966+860,T1、T2探孔钻探15.8~19.5m范围有溶腔,有水,T3、T4探孔少量出水,但存在溶腔构造,判定右侧拱顶、边墙存在水压;第三循环段DK966+855~DK966+885,T1、T2探孔钻探偶有溶腔,少量出水,T3、T4探孔钻探141~21.0m中范围有溶腔有水,判定左侧拱顶、边墙存在水压;先导孔探测岩溶发育情况见图7。图7先导孔探测岩溶发育分布3.6.4地质注浆实施模型在注浆初摸型的基础上,根据先导探孔钻探、注浆揭示情况,并根据出水量的大小予以分出富水区、一般区、弱水区、无水区。根据本工程工程实际情况,富水区按水量>15m3/h,15m3/h>一般区>10m3/h,10m3/h>弱水区>5m3/h,无水区<1m3/h进行划定。根据不同区域的涌水特征、水量大小,应予分别采用重点注浆、正常注浆、选择性注浆和检查性注浆的注浆方案。通过先导探孔收集的信息,完善地质注浆模型。地质注浆模型对于优化注浆方式、调整注浆材料、浆液配比、注浆压力和分序钻孔、注浆有直接的指导作用。DK966+805~DK966+835段先导孔钻探,地质注浆实施模型见图8。4铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2015(7)·隧道/地下工程·图8地质注浆实施模型3.6.5优化注浆方案根据地质注浆模型,在I序注浆孔的基础上,进行Ⅱ序注浆加密孔施工。即在强水区加密布孔,使注浆加固环区强化对岩溶水裂隙水的阻截,一般区、弱水区简化布孔。通过信息化动态注浆方法,分序实施注浆,强化强弱水区围岩堵水加固效果。分序注浆加固方案见图9和图10。图9优化注浆加固开孔布置图10优化注浆加固终孔布置4预设泄水洞可行性评价根据DK966+855~DK966+885段先导孔钻探揭示情况可知,出现最大涌水流量154.6m3/h,折算每天流量为3710.4m3/d<Q设=6809.2m3/d,且远小于预测隧道最大涌水量77730m3/d,出现突水突泥风险相对较小。综合预报、高分辨直流电法超前预测预报分析资料,提示在D1K966+870处下穿暗河段溶洞发育规模不大,未揭穿岩溶暗河管道,亦未出现较大的富水体,地下水整体发育主要多见于岩溶裂隙间。马桑哨单元区地表溶蚀洼地、落水洞已被回填造地,尤其以小水田岩溶暗河入口段落水洞、水塘、洼地等被回填后,岩溶水补给区规模大幅缩减,供给排泄区隙流、洞流规模也随之降低。暗河位于洞顶以上约40~50m,设计下穿该段为Ⅳ级围岩,围岩整体性较好,隧道顶溶洞底板安全稳定性除局部受岩溶溶洞、溶腔、溶蚀破碎带影响外,其余地段均较好。对于实施泄水洞排水可行性评价:从工程投资、工期、涌水规模情况,增设泄水洞设计不必要。而优化采“”用围岩截水探、注结合施工技术,针对性分序实施注“浆加固,能够起到较好的效果。应用施工防、排、堵、”截理念,只要排水设备配置及加强反坡排水施工管理,不具备造成发生较大涌水或突水突泥的风险。5反坡排水措施采用集水坑反坡道排水方式,在隧道施工过程中分段开挖反坡排水沟,在每一段的终点开挖集水坑,设抽水机一台,把积水抽至最后一段反坡,最后一个抽水机将积水排除洞外,采用接力的方式将水抽至洞外的污水沉淀处理池。见图11。图11集水坑接力式反坡排水方式立面示意(下转第15页)5铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2015(7)·隧道/地下工程·加快了进度。(4)缩短了移位时间。拱形导向架程控液压旋喷钻机配合掌子面钻杆定位装置,实现了钻杆定位快、精度高。每移位、定位一次耗时约0.5h,普通旋喷钻机移位、定位一次耗时约2.5h,大幅提升了定位速度,在加快定位的同时,也提高了钻进精度,使断桩和相互咬合不良现象得到了有效控制,成桩质量得到了保证。(5)节约了电费。该技术中间不需要拆、装钻杆,改间断作业为连续作业,加快了成桩速度,据统计改进后每米节约电量45kW/h。(6)环境、节能效益显著。该技术降低了施工成本,缩短了工期,节省了燃油和电力等能量的消耗。(7)施工中,操纵翻转油缸可使工作平台翻转,保证了钻机工作平台始终处于水平位置,有利于施工;同时,液压油缸设置了液压安全锁,保证了施工安全。参考文献[1]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003:78.[2]关宝树,赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京:人民交通出版社,2011:156-157.[3]卢纳尔迪.隧道设计与施工-岩土控制变形分析法(ADECORS隧)[M].北京:中国铁道出版社,2011:261-269.[4]肖广智,游旭.高压水平旋喷桩超前支护技术在铁路隧道工程中的应用[J].现代隧道技术,2014,51(2):108-114.[5]孙付峰,刘涛.新意法在富水砂层的适用性研究[J].现代隧道技术,2014,51(1):檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪171-178.(上接第5页)考虑隧道反坡施工较长以及水泵扬程等因素,分别在DK965+777、DK966+063、DK966+800处各设置一处集水池(排水泵站)。泵站水仓容量计算按该段15min的汇水量加上施工用水合计确定,其结构尺寸为10m(长)×4m(宽)×3m(深),容量120m3,泵站统一设置在洞内中心水沟右侧。实际施工时如遇到涌水量较大时可根据具体情况加密。马桑哨隧道反坡排水泵站选用设备见表2。表2泵站位置及选用设备施工工区最大涌水量泵站位置水泵型号水泵数量备用数量抽水能力D1K965+379~D1K966+355段9821.5m3/dD1K965+777D1K966+063IS100-65-250AIS100-65-250A221193.5m3/h×293.5m3/h×2D1K966+355~D1K966+842段8839.4m3/dD1K966+800IS100-65-250A2193.5m3/h×2D1K965+379~D1K966+842段临时集水坑开挖上台阶ISW-40-250ISW-40-250221225m3/h×225m3/h×26结束语“”“”“采取按照围、截的注浆原则,利用判定围”“”“”岩、分区定位、动态注浆的注浆思路,采用围“”岩截水探、注结合的施工工艺,充分发挥钻探和注浆在隧道周边快速形成注浆加固环的特点,进行信息化动态注浆,有的放矢,达到注浆加固、截水的目的;且经过加密分序实施注浆,起到了较好的围岩强化注浆加固作用,可避免隧道岩溶塌陷或断裂破碎带坍方等施工安全隐患。经过5“个循环探、”注施工后,除在下穿暗河段除局部地段出现线状水、小股状水出流外,未出现较大涌突水现象。对预防断层破碎带塌方、岩溶塌陷等隧道病害,有较好的围岩加固和支护稳定作用。优化取消泄水洞工程,洞内实施加密超前预报和加强反坡排水的方案,节约了项目投资成本;并在确保隧道安全监测和防护的前提下,极大节省了施工工期,具有较大的经济、社会效益;且采取该优化方案,对于工程投资、隧道运营期安全有良好的控制和保障。参考文献[1]魏家君.隧道下穿暗河施工技术[J].铁道工程学报,2007(7):71-75.[2]中铁二局集团有限公司,中华人民共和国铁道部.铁建设[2010]241号高速铁路隧道工程施工技术指南[较].北京:中国铁道出版社,2011:112-113.51铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2015(7)
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