6宜万铁路齐岳山隧道629高压充水溶腔处理技术

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(6)隧道结构按K1.0MPa抗水压衬砌结构考虑。初期支护采用20cm厚网喷混凝土,内置I18钢架,钢架间距0.5m/榀。二次衬砌采用50cm厚C35防水钢筋混凝土。
5
(1)齐岳山隧道通过超前深孔钻探发现溶腔,之后,相继进行了注浆试验和放水试验,最后通过判释溶腔,采取释能降压技术,从而很好地处理了该溶腔。这种“查找问题→分析问题→现场试验→决策方案→准确实施”的施工模式是解决风险隧道施工难题的最佳模式,通过实施这种模式,解决了工程难题,避免了灾害的发生,值得推广应用。
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4.2.2
通过平导实施横向泄水支洞,加强超前探测,锁定泄水支洞溶腔边界如图8。
图8溶腔边界锁定(单位:cm)
由锁定的边界来看,溶腔极不规则,掌子面前方溶腔整体发育偏左,掌子面左下方距离溶腔最近距离为2.35m。
4.3
4.3.1
由于溶腔主要以充填水为主,为了减少释能降压时将溶腔壁附着的破碎岩体大量携带出来,因此,在进出口平导贯通后,通过钻孔进行放水,形成低水位,然后再进行释能降压。
(a)横断面图(b)平面图
图2齐岳山隧道629溶腔型态图
图3齐岳山隧道629溶腔探孔涌水照片
3
3.1
遭遇溶腔后,对溶腔处理方案进行研究,考虑到隧道进口工期压力大,同时,进口反坡施工,排水条件极其困难,因此,确定对溶腔进行注浆试验。
采用普通水泥-水玻璃双液浆对溶腔进行充填注浆试验。水泥-水玻璃双液浆配比为:水泥浆水灰比0.6:1~0.8:1、水泥浆与水玻璃体积比1:0.3~1:0.5、水玻璃浓度35Be’。浆液凝胶时间控制在15sec~30min。
4
4.2.
如图7,释能降压掌子面有三个方案可以选择,方案一是正洞反向掌子面,方案二是正洞正向掌子面,方案三是通过平导施作泄水支洞掌子面。
图7溶腔释能降压掌子面方案选择图
对三个方案优缺点进行比较,见表2。
表2释能降压掌子面方案比较表
序号
释能降压掌子面位置
优点
缺点
方案一
正洞反向掌子面
(1)不需要增加工程量;(2)顺坡排水。
(2)该工程试验证明,针对较大规模的充水溶腔,采取注浆措施,注浆量难以确定,且会受地下动水影响,注浆法难以在短时间内达到注浆堵水效果,因此,该类工程不宜采取注浆法治理。
(3)针对高压充水溶腔,采取释能降压法处理,处治速度快,安全有保证,且变暗为明,结构可靠,因此,释能降压法是处理类似高压充水溶腔的合理方案。
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0.52
根据测试数据汇制放水试验过程的水压力变化曲线,如图4。
图4齐岳山隧道放水试验水压力变化曲线
宜万铁路齐岳山隧道DK363+629高压充水溶腔处理技术
黄鸿健1,张民庆1
(1.铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施445000)
摘要:宜万铁路齐岳山隧道进口施工过程中,通过超前钻孔,探测到DK363+629溶腔,溶腔内充填物以清水为主,含少量泥砂,实测水压力0.68MPa,单孔最大涌水量450m3/h。针对该溶腔,先后进行了注浆试验和放水试验。注浆试验表明,在规模较大的充水溶腔中,注浆量难以确定,且会受动水影响,难以达到理想的注浆效果。放水试验表明,由于溶腔水的补给量难以确定,规模较大的溶腔补给量往往较大,因此仅通过钻孔放水是难以在短时间内达到排泄溶腔水的目的,且排水受地表降雨影响很大。在隧道进出口平导贯通后,通过方案比选,利于平导施作泄水支洞,对溶腔实施释能降压,然后爆开揭示溶腔进行观察,使溶腔处理变暗为明,从而可以得到可靠的处理方案。针对该溶腔,释能降压后,对溶腔基底采取换填,对隧道两侧设置护墙,对岩溶水采取引排、限排措施,隧道结构采取加强措施。
当水量大时,对溶腔处理影响较大。
方案二
正洞正向掌子面
不需要增加工程量。
(1)反坡排水,影响施工;(2)当水量大时,对溶腔处理影响较大。
方案三
泄水支洞掌子面
采取单独洞室进行排水,利于溶腔处理。
需要增加工程量
通过对三个方案进行比选,考虑到溶腔处理是关键,并且通过平导增加泄水支洞工程量不大,因此,现场采取方案三对溶腔进行释能降压处理。
关键词:宜万铁路;充水溶腔;注浆;释能降压;处理
作者简介:黄鸿健(1962– ),男,山东蓬莱人,教授级高级工程师,主要从事隧道及地下工程施工与管理。地址:湖北省恩施市东风大道503号铁道部宜万铁路建设指挥部,邮编445000,电子信箱hhj201@sohu.com,电话:13972403548
1
齐岳山隧道是宜万铁路八座Ⅰ级风险隧道之一,隧道全长10528m(DK361+255~DK371+783),隧道最大埋深670m。隧道进口标高1126m,自进口至出口为单面下坡,坡度依次为-13‰(345m)、-15.3‰(9300m)、-6‰(883m)。为保证隧道施工工期,设置贯通平行导坑(隧道左侧30m处)和斜井各一座。
放水措施通过在正洞正向掌子面12个φ108mm钻孔,以最大放水能力3000m3/h进行控制排水,共放水65万m3,水压力逐渐下降,稳定在0.01MPa。现场控制放水照片如图9。
图9现场控制放水照片
4.3.2
由于溶腔的边界极不均匀的,为了提高一次爆开溶腔的面积,按图10,依次进行①→②→③部位的局部爆破切块,从而修正泄水支洞爆破掌子面。
放水试验从2006年9月1日开始至9月10日结束,历时10天。放水试验时,根据进口设置的大型泵站抽水能力,采用2000~3000m3/h的放水速度进行放水。监测放水试验过程放水速度、水压力、地表降雨量等水文参数,测试结果见表1。
表1齐岳山隧道629溶腔放水试验测试结果表
日期
放水量/(m3/h)
降雨量/ mm
在现场注浆施工中,当注浆量达到1613m3时,钻孔过程中仍有高压水喷出,这表明,采取注浆措施,难以在短时间内达到有效堵水效果。同时,考虑到溶腔规模较大,采用大量的注浆材料填充富水溶腔造价高,且可能地下动水会对注浆效果产生较大的影响。因此,停止对该溶腔实施注浆堵水处理方案。
3.2
为进一步查明溶腔的水文地质条件,对该溶腔进行了放水试验。
通过进行放水试验,说明溶腔规模较大,地下水补给量大。考虑到进口处于反坡施工,抽水能力有限,溶腔水难以在短时间内排放完毕,并且,直接揭示溶腔存在淹井危险。为此,停止试验,采用混凝土挡墙封闭掌子面,待进出口平导贯通后,利用顺坡条件进行处理。
4
4.1
4.1.1
629溶腔位于齐岳山背斜西翼,该地段除发育溶腔外,地质条件为Ⅱ级二叠系长兴组灰岩,围岩完整,节理裂隙不发育。岩层产状310°∠45°,岩层走向近似垂直隧道。629溶腔处地表标高为1750m,隧道轨面标高约为1096m,隧道埋深约646m。629溶腔地段工程地质纵剖面如图5。
4.4
4.
溶腔爆破揭示于2009年11月25日实施,通过平导采用视频监控现场释能降压照片如图11。
图11629溶腔实施释能降压视频监控照片
4.4
实施释能降压后进入溶腔观察,照片如图12。
图12释能降压后进入溶腔观察照片
针对该溶腔,采取如图13处理措施。
图13溶腔结构处理示意图(单位:cm)
(1)清除溶腔基底松散填充物,采用C30混凝土换填。换填时,按0.6~1m厚从下到上分层浇筑,每层底部纵向设置I18工字钢,横向间距0.5m,并采用φ22mm钢筋焊接,钢筋间距0.5m。
每孔药/kg
小计/kg
1
掏槽眼
0.9
6
4
0.8
4.8
1
1.6
6
6
1.2
7.2
3
2
辅助眼
上部孔1.6m
中部孔1.2m
下部孔0.8m
9
6
1.2
10.8
5
3
周边眼
10
4
0.8
8
7
4
底板眼
4
2.5
0.5
2
9
合计
35
32.8
开挖面积/m2
4.981
炮眼密度/(个/m2)
7
预计进尺/m
1.5
单位用药量/(kg/m3)
由水压力变化曲线来看,放水试验可分为两个阶段。
第一阶段:2006年9月1日至9月5日,通过钻孔采取以3000m3/h的速度进行放水,在无降雨的条件下,水压力由0.43MPa降低到0.18MPa,之后开始稳定。
第二阶段:2006年9月5日,地表降雨33.1mm,在排水条件下,溶腔内水压力处于缓慢上升。由此来看,溶腔内水量与地表降雨的关联性较好,采取3000m3/h的速度进行放水,很难在短时间内将水压力再继续降下来。于是,9月8日停止放水。停止放水后,水压力迅速上升,随着地表降雨55.3mm,水压力升高到0.68MPa,随后,水压力下降至0.52MPa。
(2)在隧道右侧边墙外溶腔处施作C25混凝土护墙,护墙顶宽1.5m,底宽4m。
(3)对隧道右侧岩溶水,通过在换填混凝土层中埋设5根φ300mm钢管,将水引排到左侧。为防止钢管堵塞,除在钢管端头设置滤网外,并在右侧设置碎石过滤层。
(4)为保证左侧边墙稳定,在隧道左侧设置2m厚C25混凝土护墙。
(5)在泄水支洞中设置厚2m的C25混凝土挡墙,在挡墙上安装12根φ300mm钢管,并设置阀门,对岩溶水实现限排,限排量为500~1000m3/h。
水压力/MPa
2006-9-10:00
3000
0
0.43
2006-9-112:00
3000
0
0.40
2006-9-2 0:00
3000
0
0.38
2006-9-2 12:00
3000
0
0.36
2006-9-3 0:00
3000
0
0.33
2006-9-3 12:00
3000
0
0.29
2006-9-4 0:00
图1齐岳山隧道工程地质图
2
2006年5月25日,齐岳山隧道进口正洞施工至DK363+629里程,采用地质钻机进行超前水平钻探。当钻至DK363+631时,由钻孔内射出高压水,实测单孔最大涌水量450m3/h,水压力0.68MPa。随后加强超前钻探,确定隧道前方发育大型高压富水溶腔。溶腔由右上侧向左下侧发育,横向宽度大于80m,在隧道范围内纵向发育长度约12m。溶腔内充填介质主要为清水,含少量泥砂。溶腔型态如图2。溶腔钻孔涌水照片如图3。
图5齐岳山隧道629溶腔地段工程地质纵剖面图
4.1.2
溶腔地段水文地质如图6。溶腔主要受地表槽谷洼地降雨补给,地表汇水面积6.1km2。预测溶腔五十年一遇最大涌水量10189m3/h。
图6齐岳山隧道629溶腔地段水文地质图
4.1.3
针对629溶腔,通过注浆试验,难以达到理想的注浆堵水效果。分析溶腔的工程地质及水文地质特征,溶腔处隧道埋深大,地表汇水面积有限,因此,适合于采取释能降压法处理该溶腔。在进出口平导贯通后,对该溶腔实施释能降压法处理。
齐岳山隧道主要地质构造为齐岳山背斜、箭竹溪向斜,以及规模较大的断层15条,其主要不良地质有岩溶、岩溶水、断层破碎带、天然气、煤系瓦斯、高地应力和地温等,其中齐岳山背斜和得胜场槽谷区被称为该隧道施工的两大难题。地勘表明,隧道周围主要发育得胜场地下暗河体系、大鱼泉地下河系统、小鱼泉地下河系统。预测隧道正常涌水量17.6万m3/d,最大涌水量74.2万m3/d。其中齐岳山背斜地段正常涌水量3.7万m3/d,最大涌水量17.7万m3/d。
如图1,齐岳山隧道穿越中、下侏罗统上、下沙溪庙组、新田沟组、自流井组、珍珠冲组和三叠系须家河组、巴东组、嘉陵江组、大冶组,以及二叠系长兴组、吴家坪组、茅口组等地层,其中可溶岩长4.7km,占全隧总长度的45%,可溶岩均处在隧道进口端。
齐岳山隧道穿越区段可分为中山区(进口~DK364+900)、中山谷地(DK364+900~DK365+150)和低中山区(DK365+150~出口),三个区域分别对应齐岳山构造溶蚀地貌、中部得胜场溶蚀槽谷地貌、西部碎屑岩剥蚀地貌。
(a)修正前掌子面(b)修正后掌子面
图10修正爆破掌子面示意图
4.3.
根据锁定的溶腔型态,利用修正后的爆破掌子面,对溶腔进行精确爆破设计。爆破设计如图10。爆破参数见表3。
图10溶腔爆破设计图(单位:cm)
表3专项精确爆破装药参数表
序号
炮眼名称
炮眼深度/m
炮眼数量/个
装药量
雷管段别
每孔药卷数/(卷/孔)
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