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1、超长连续溶蚀断层破碎带及软岩大变形隧道施工关键技术研究报告中铁十四局集团有限公司二零一零年十二月v目 录第一章 概 述11.1 研究背景与意义11.1.1 研究背景11.1.2 研究意义71.2 依托工程概况81.2.1 工程概况81.2.2 地形地貌91.2.3 水文地质91.2.4 气象地震101.3 工程的特点和难点101.3.1 工程主要特点101.3.2 工程主要难点111.4 研究内容与关键技术121.4.1 主要研究内容121.4.2 关键技术问题131.5 主要创新点13第二章 隧址区岩溶发育规律及风险分析152.1 岩溶发育基本规律152.1.1 基本规律152.1.2 地质
2、控制因素182.1.3 岩溶水流域232.1.4 流场的若干水文地质特点332.2 依托工程岩溶发育规律402.2.1 自然地理概况402.2.2 地质地层条件412.2.3 岩溶发育特征412.2.4 岩溶水文地质条件422.3 岩溶涌泥突水条件及风险分析432.3.1 岩溶涌泥突水灾变条件432.3.2 岩溶涌泥突水前兆特征472.3.3 岩溶涌泥突水风险分析482.4 本章小结50第三章 超长连续溶蚀断层破碎带大规模52涌水突泥施工及治理技术523.1 工程地质概况523.1.1 地形地貌523.1.2 地质构造523.1.3 水文地质533.2 连续涌水突泥概况563.2.1 第一次突
3、水突泥563.2.3 第二次突水突泥573.2.4 第三次突水突泥583.2.5 第四次突水突泥593.3 隧道涌水突泥机理623.3.1 流体动力学控制方程623.3.2 VOF自由液面追踪技术643.3.3 隧道突水仿真分析663.4 注浆加固机理研究793.4.1 注浆理论793.4.2 注浆材料试验与注浆设备研制1273.4.3 岩溶区浆液扩散的控制方程863.4.4 控制方程的数值解法943.5 超长连续溶蚀断层涌水突泥施工技术1563.5.1 负压排水技术1563.5.2 钢棚架穿越技术1603.5.3 控制液注浆加固技术1643.6 涌水突泥及坍塌处置工程实例1683.6.1 涌
4、水坍塌概况1693.6.2 第一次坍塌的基本情况及所采取的措施1723.6.3 第一次突水涌泥的基本情况及采取的措施1743.6.4 第二次突水涌泥的基本情况及采取的措施1753.6.5 第二次坍塌的基本情况及采取的措施1863.6.6 第三次突水涌泥的基本情况及采取的措施1863.6.7 第四次涌泥的基本情况及采取的措施1873.7 突水涌泥段施工安全保证措施1933.8 本章小结194第四章 炭质页岩不整合带软弱破碎围岩大变形综合施工技术1954.1 深埋软弱围岩变形的地质成因及变形特征1954.1.1 龙潭隧道软弱围岩变形地质成因1954.1.2 炭质页岩特性1964.1.3 深埋软弱围
5、岩变形特征1974.2 国内外隧道大变形的基本特征用分析1984.2.1 工程实例1984.2.2 大变形隧道的基本特征2014.2.3 大变形控制技术2024.3 软弱破碎岩大变形规律研究2034.3.1 软弱破碎围岩施工过程模型试验2034.3.3 隧道开挖数值模拟2074.4 炭质页岩不整合带软岩大变形隧道施工技术2184.4.1 开挖方法及支护措施2184.4.2 监控量测措施2184.4.3 支护参数加强2194.4.4 支护措施改进2204.4.5 侵限处理方案2204.5 小结227第五章 特长岩溶隧道不良地质综合预报体系及预警机制2285.1 概述2285.2 常用的超前地质预
6、报方法及特点2305.2.1 地质分析法2315.2.2 地球物理法2335.2.3 小结2395.3 地质灾害综合超前预报方法与体系2395.3.1 实施综合超前地质预报的必要性和意义2405.3.2 综合超前预报的方法、内容和手段2415.3.3综合超前地质预报的体系与实施程序2445.4 预警机制2495.4.1 建立预警机制的必要性2495.4.2 预警机制2515.4.3 小结2595.5 工程实例2605.5.1 工程概况2605.5.2 隧道超前地质预报2605.6 隧道开挖后的变形监控量测2635.6.1 隧道变形监控量测2635.6.2 隧道塌方、涌水涌泥事故2655.7 小
7、结266第六章 公路隧道长距离独头掘进施工与通风技术2676.1 概述2676.2 长距离独头掘进施工技术2676.2.1 自卸车走行简易开挖台架掘进2676.2.2 轨行式电力驱动台架掘进2686.3 通风竖井施工技术2686.3.1 施工工艺及要点2696.3.2 劳动力组织2856.3.3 施工机具设备配置2866.3.4 质量要求2866.3.5 安全措施2876.4 巷道式通风与压入式通风方案的比选2886.4.1 巷道式通风方案2886.4.2 压入式独立通风方案2936.5 巷道式通风方案的应用2956.5.1 通风设备技术参数2956.5.2 隧道进尺0m2000m阶段2956
8、.5.3 隧道进尺2000m3500m阶段2956.5.4 隧道进尺3500m4300m阶段2976.6 小结297第七章 主要成果社会经济效益和推广前景2987.1 主要研究成果2987.2 创新点2997.3 展望299 概 述我国岩溶地区分布广泛，可溶岩层分布面积约占国土总面积的1/3，其中以西南部云、贵、桂和川、鄂、湘等部分地区岩溶最为发育。随着我国西部大开发建设的蓬勃发展，岩溶地区修建交通隧道、水电站、跨流域调水以及深部矿产等地下工程中不断遇到岩爆、塌方、瓦斯、涌泥等大型地质灾害，其中以岩溶突水涌泥最为严重。从目前国内外隧道施工现状及发展趋势来看，岩溶地区富水地段修建长大深埋隧道的技
9、术尚不成熟，尤其是穿越岩溶堆积体地段将面临突水涌泥和软岩大变形的双重风险。因此，开展岩溶堆积体软岩大变形隧道施工控制关键技术研究，有效遏制突水、涌泥等灾害事故的发生，保障地下工程的安全施工，已成为目前隧道与地下工程研究领域急需解决的关键科学技术难题。1.1 研究背景与意义1.1.1 研究背景岩溶突水涌泥已成为岩溶地区隧道建设的主要地质灾害之一。在国内外隧道特大事故中，突水事故在死亡人数和发生次数上均居于前列，给隧道工程界带来的人身伤亡和经济损失极为惨重18。随着我国交通隧道、矿山、水利以及其它地下工程建设的迅猛发展，所遇到的工程地质条件日趋复杂，面临的问题也越来越具有挑战性，高压岩溶突水、涌泥
10、地质灾害屡有发生，地下深埋工程施工期间处在各种突发性灾害的巨大威胁之中，尤其是高压、富水区、高埋深岩溶隧道面临高压突水、涌泥的危险。据相关资料统计9，仅上世纪八十年代，我国特长岩溶隧道共计26座，约占隧道总数量的40%，其中西南、中南地区17座，占岩溶隧道数量的65%左右，且在施工过程中均遭受到不同程度岩溶水的侵害，其中10座发生了较大岩溶突水地质灾害。据西部已建和在建隧道的不完全统计，位于岩溶地区的隧道占50%，且多条隧道发生了大型突水、涌泥地质灾害。如渝怀线铁路圆梁山隧道在毛坝向斜处多次发生大规模突水、涌泥和涌砂地质灾害，最大突水量为，其中3#溶洞曾发生爆喷型涌泥，瞬间涌泥量高达，塞满下导
11、坑空间；广渝线公路华蓥山隧道施工中发生多次突水灾害，同时局部伴随大量涌泥，左洞左侧底板突水量高达，涌泥砂；渝怀线铁路武隆隧道施工揭穿4条特大暗河，最大突水量；显然，突水已成为岩溶隧道施工和运营中最常见的一种地质灾害和工程隐患。大规模的突水、涌泥不但危及隧道施工和人员安全，一旦处理不当便会造成隧道建成后运营环境恶劣，地下水运移系统和地表环境恶化，给人们的生产和生活造成重大损失。此外，当隧道穿越岩溶堆积体、高地应力、较大残余构造应力、浅埋偏压区域及软弱破碎围岩体时，围岩大变形是一种常见的、危害极大的施工地质灾害，围岩大变形已是困扰地下工程界的一个重大问题1-4。隧道围岩大变形是围岩体在地应力、工程
12、扰动和地下水活动等环境条件下，围岩岩体的一种变形破坏现象，其实质是由于围岩开挖引起的地应力重分布超过岩体的丧失或部分丧失，变形得不到有效的约束，围岩发生塑性变形破坏，从而使围岩支护遭到不同程度的破坏5。19世纪中叶，铁路隧道底鼓、仰拱破坏就已经出现并引起人们的关注(Pressel和Kauffmann,1860)，但首例严重的交通隧道软弱围岩大变形应该是1906年竣工的长19.8km的辛普伦线隧道5。此后，国外如日本的惠那山(Enasan)公路隧道、奥地利的陶恩(Tauern)隧道、阿尔贝格(Arlberg)隧道等都是典型的隧道围岩大变形灾害实例。我国国内如青藏线4.0km长的关角隧道、宝中线3
13、.136km长的木寨岭隧道及1.904km长的堡子粱隧道、南昆线上的穿越煤系地层的家竹箐铁路隧道等工程均出现了不同形式和程度的围岩大变形情况，给工程建设造成极大的困难6。从目前地下工程修建历史来看，岩溶突水涌泥和软岩大变形的主要危害如下：（1）造成工程灾害和人员伤亡一般来说，强岩溶地区具有高压、富水和富泥砂特征，当岩溶隧道修建过程中发生特大突水时，常伴随涌泥、涌砂，从而淹没隧道、冲毁机具，轻则中断施工，重则造成隧道废弃易址，更甚者会造成重大的人员伤亡。 图1.1 宜万线野三关隧道突水 图1.2 沪蓉线龙潭隧道突泥宜万线铁路野三关隧道穿越强岩溶地区，由于连续降雨，地表水与地下溶腔及断层水相通，其
14、I线DK124+602掌子面在爆破后不久后发生大型突水涌泥地质灾害，见图1.1，突水量约为，并伴有大量泥沙涌出，突水部位的水量最终稳定在左右，造成10人死亡；沪蓉线龙潭隧道左线曾发生大型突泥地质灾害，见图1.2，淹没隧道约，突泥量高达，并伴有稳定流量的水流，造成施工中断数月之久；雅砻江水电站深埋勘探导洞发生高达的岩溶大突水，冲毁施工设施并废弃一条施工隧洞；宜万线铁路马鹿箐隧道平导施工上覆溶腔水体压裂拱部围岩，发生特大突水灾害，最大突水量高达，造成11人死亡；衡广线铁路大瑶山隧道在选择竖井时忽略了槽谷地区岩溶现象及岩溶水与断层的连通性，当隧道掘进至时，发生突水淹井事故，最大突水量达到，水中含砂量高达20%，致使水下六台高扬程水泵(200D658)因叶轮淤堵磨损而全部失效。后经开挖迂回平行导洞排水清淤才重新开工，造成工程停工达一年之久。近些年，随着隧道埋深的增加、施工条件的日趋复杂和生产机械化程度的提高，突水涌泥带来的经济损失以及造成的人员伤亡呈增长趋势。因此，岩溶地区隧道施工突水涌泥的预测与防治工作形势相当严峻。软岩大变形同样造成严重的工程损失和人员伤亡，青藏线4.0Km长的关角隧道、保中线3.136Km长的大寨岭隧道、南昆线上穿越煤系地层被称为“天下第一险洞”的家竹箐隧道、在建的317线鹧鸪山公路隧道(4.442Km)等工程均出现了不同形式和程度的围岩大变形情况，给工程建
