隧道岩溶管道群涌水处理技术.doc

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圆梁山隧道岩溶管道群涌水处理技术

摘 要 文章介绍了圆梁山隧道出口工区DK361+764处岩溶管道大规模涌水、突泥的过程，揭示了石灰岩地区背斜构造中岩溶的发育特点及其对隧道施工的危害，阐述了该岩溶的治理措施及施工过程，取得的经验可供今后处理同类岩溶问题时借鉴。

   关键词 圆梁山隧道 岩溶隧道 涌水治理 施工方法

   中图分类号：

U457+．2   文献标识码：

A

   1 工程概况

   新建铁路渝怀线圆梁山隧道地处渝、鄂、黔三省市毗连地区，全长11070m（DK351+465—DK362   +535）。

该隧道穿越乌江水系与沅江水系的分水岭——武陵山脉。

该地区主要发育有毛坝向斜和桐麻岭背斜及其伴生或次生断裂等构造，工程地质条件异常复杂，主要工程地质问题有岩溶涌突水、高水位引起的高水压、高地应力等。

隧道出口DK360十675-DK362+530段属桐麻岭背斜东翼（图1），岩性以结晶白云岩、白云质灰岩、灰岩为主。

由于受多期构造演化的强烈影响，顺层裂隙和横向裂隙强烈发育，加之该地区位于地下水水平循环带和垂直循环带，因此岩溶非常发育，并通过岩溶管道与地表相通。

   施工前期采用TSP202超前地质预报系统在DK361+940处又才正洞DK361+790—+740段进行探测，在DK361+764附近未发现地质异常现象，超前平导在该对应里程处也顺利通过。

   2 涌水、突泥过程

   2001年7月14日13点22分，出口平导开挖至PDK361+566处、正洞开挖至DK361+764处时，正洞掌子面爆破后，线路右侧边墙及底部遇溶洞并突发大规模涌水、突泥，最大瞬时流量达54m3／s，水位高达3m，大规模涌水持续28min，涌水量近80000m3，致使洞底淤积泥沙0．7—2．5m，整个掌子面被泥沙覆盖。

26日，当清理洞内泥沙至掌子面时，该岩溶再次发生涌水、突泥，水压为0．5—1．0MPa，持续75min，涌水量约160000m’，洞底再次淤积泥砂（厚0．4m）。

之后，该溶洞涌水量随洞外雨量变化而变化，为150—4600m3／h，当涌水量超过1600m3／h时，正洞停工。

   3 岩溶管道形态分析

   岩溶洞穴发育于寒武系耿家店组（正，g）中下部重结晶白云岩、灰质白云岩夹薄层状泥质白云岩、泥页岩地层中，岩层产状为N21oE／43oSE。

在DK361+764—+758地段，顺层发育两条溶蚀大裂隙，均充填灰色、黄色淤泥，偶夹白云岩、灰岩碎块。

大规模涌水、突泥后，充填物被冲刷带走，岩层坍塌形成约为5．4mX3．4mXl0．0m的顺层倾斜坍塌型洞穴。

    为进一步了解该处岩溶发育情况，采用SIB2000探地雷达系统对DK361+730～+830段，特别是DK361+764附近隧道顶部及底部岩溶发育情况进行了探测，查明其空间形态、发育深度、填充物成分以及与其它岩溶管道的关系。

探测结果如下：

    （a）隧道右侧已揭露溶洞处（DK361+755）底板右侧靠近边墙部位3—4m深处存在向出口方向断续延伸的岩溶管道，管道直径为20-30。

   （b）隧道在DK361十730-DK361+830段底板的左侧部分存在裂隙岩溶发育带，距隧道底板的埋深约2—4m，围岩破碎，含水量大，反射强烈。

   （c）在正洞隧道底板（DK361+750—DK361+760段）轨道中心处垂向剖面显示出距隧道底板约15m深处存在较强烈雷达波反射异常区，可能为岩溶空洞。

   （d）两侧边墙除已揭露岩溶之外，各个剖面均未见较大规模异常区。

    4 溶洞处理方案及施工方法

   处理原则：

以堵为主，适量排放。

DK361+710—+790段按溶洞段处理，二次衬砌采用抗水压衬砌。

   4．1 溶腔处理

   对溶腔回填混凝土，1*、2*溶管压浆回填。

封堵范围不小于一倍洞径。

具体方法如下：

（1）1#、2#溶管口采用临时挡水措施，并架设钢管将水临时引排，钢管端部伸人1#、2#溶管不小于5m，钢管尾部安设阀门（图4）。

实际施工时，为保证施工安全，铺设了4根钢管。

2根手89钢管作为泵送混凝土输送管；另外2根吵159钢管，前期作为泄水管，后期兼作注浆管。

（2）清除洞内填充物及溶壁附着物，扩挖洞穴底部2-3m深，清除底部虚碴，并铺设钢轨（43kg／m，间距0．4m），且钢轨两端置于完整基岩上的长度不小于1m。

   （3）溶壁施做φ,42（长3．5m）钢花管，间距1．5m，梅花型布置，管外露1．5m，并通过钢花管向岩体注浆，以封堵、充填洞穴裂隙。

实际施工时，由于溶壁基岩完整、致密，除个别地方外，绝大部分未注进浆液。

   （4）浇注C15混凝土回填岩溶洞穴，人工架立组合钢模板，泵送混凝土人模，拱部以上通过预埋管灌注?

昆凝土。

   （5）待回填混凝土达到设计强度后通过预留排水钢管泵送C207昆凝土回填洞穴上部，封堵高度超过隧道拱顶约9m，然后压注水泥浆（图5）。

   4．2 二次衬砌

   DK361+710—+790段采用抗水压衬砌结构，抗水压力值由下式确定：

   Vmax式中 ——从炮孔中涌水的最大水平喷射速度；

   Smax——从炮孔中涌水的最大水平喷射距离 （30．3m）；

    h——炮孔距底板高度（0．86m）。

   则Vmax72．32m／s；

   最大静水位：

（2g）：

266．85m。

水头压力折减系数按经验值取0．65，则：

抗水压力水头为：

266．85mX0．65二173．45m。

   由于溶洞已回填，部分围岩已注浆加固，并采取了防排水措施和初期支护，因此，二次衬砌抗水压力

采用1MPa。

经结构检算，确定支护参数如下：

（1）初期支护

   网喷C20混凝土，其中DK361+740～+770段喷20em厚，其余地段喷5em厚，并设置拱墙格栅

钢架（每米1榀）。

（2）抗水压衬砌

   拱、墙及仰拱采用C30钢筋混凝土，其它部位为C20混凝土，混凝土抗渗等级为P12，衬砌厚80em。

   （3）排水系统

   拱、墙铺设CCR防水板，环向设MFl0盲管（5m一道），施工逢采用嵌链式橡胶止水带。

    5 拱脚及边墙基础溶管涌水及处理

   5.1 涌水过程

   2002年2月11日，线路右侧溶洞封堵完毕。

12日，天降大雨，溶洞处从预留排水管中涌出的水量开始增大，当水量增至88m3／min时，从线路左侧哄脚处突然涌出一股水，直径约40cm，涌水量约L36m3／min，泥沙含量约30％。

经分析确定，该处乐为一由块石土填充的溶蚀裂隙，在高压水作用下，其填充物被冲出，形成3#岩溶管道（图6）。

   3月初，3#溶管水量剧减，采取引排措施后，开始施做该段仰拱。

3月10日凌晨，天降大雨，洞内涌水量骤增，DK361十764处线路左侧边墙基础突发大规模涌水，并伴有突石、突泥，持续时间约75分钟，最大涌水量达350m3／min，冲出最大石块365ke，淤积泥沙约1100m’。

   经分析，右侧2#溶管、左侧拱脚处3#溶管及其边墙基础处4“涌水管道为同一地下水系，相互连通。

由于右侧溶洞及1#、2*管道被封堵，水位上升，当水压达到一定值时，将左侧拱脚处原为一溶蚀裂隙的弱岩冲破，形成3#岩溶管道，后该管道被块石及泥沙堵塞，水量锐减，而此时该段正在捡底施做仰拱，基底上部压力减小，致使右边墙基础溃底，造成突水、突泥、突石，并形成4管道（图6）。

   5．2 初拟处理措施及施工方案

（1）DK361+710～+790段，衬砌进一步加强，在原基础上增加钢纤维，掺量为80kg／m3；  

（2）利用Φ159钢管将边墙基础出水点的水引出，然后进行该段的铺底；

   （3）仰拱及铺底完成后开始进行拱墙衬砌，当衬砌到4*管道出水口时，在边墙基础上预留1．5mX2．5m（宽X高）的缺口，暂不衬砌，以作为临时排水口。

   5．3 DK361+764处左侧溶洞形态

   2002年6月中旬，除左侧预留排水口外，该段衬砌全部完成，枯水期时再对排水口进行封堵。

   7月4日，出口地区普降暴雨，从DK361+764预留排水口处涌出大量砂石，出水口处石碴堆积高达3．3m，最大石块为1．8mXl．5mXl．2m。

后将溶洞存水抽干，发现边墙外3m为一大型溶洞，由松散的碎石填充，经多次涌水后已将部分充填物冲出，显现出巨大空穴。

溶洞底部全被碎、块石填充，深度不详。

溶腔管道分支发育，为向上或斜向上伸展，大部分已被填充物充填密实，仅有少量渗水逸出（图7）。

   6 泄水洞方案的确定

   DK361+764处溶洞探明后，DK360+873、+875、+890、+950等处又出现出水点（主要为线路左侧），尤以+873拱脚处涌水量最大。

对这些出水点封堵后，又在DK360+860、+895、+920等处出现新的出水点。

并且该段已衬砌部分暴雨后牙裂严重，说明DK360+800—DK361+700段岩溶水呈串通趋势。

   由于出口段大部分已施作了衬砌，而该衬砌不具抵御大于1MPa之静水压，因此在线路左侧增设泄水洞。

泄水洞距隧道30m，长度为1718m，坡度为19％o，终点与DK360+800处对应。

      7 几点体会

（1）西南石灰岩地区，在地下水水平循环带和垂直循环带交汇处，岩溶管道极为发育、复杂，规律

 性很差。

在对应里程附近，平导未遇岩溶，正洞却有可能遇到，甚至正洞的导洞通过了，扩挖时也有可能遇上岩溶，施工时应加强探测，不可主观臆断。

（2）岩溶处理较为复杂，没有固定模式。

一般原则为：

对开挖轮廓线外的岩溶尽量不去触动，加强   初期支护，提高二次衬砌强度，通过即可。

对与隧道相交但规模不是很大的岩溶，可钻孔泄水减压后进行开挖，将岩溶中的水和充填物清出后进行封堵处理。

如果岩溶中有补给水，可将水通过管道排出，岩溶封堵完后，再利用注浆或其它措施将管道堵死。

规模大的岩溶，要视发育情况采取具体的处理措施。

   （3）对于地下水与地表水有直接水力联系的隧道，由于地下水水量及水压随雨量变化，施工中应尽快将围岩自身承载力、初期支护和二次衬砌有机地结合起来，共同抵御水压，避免各工序间隔时间过长，造成单一支护方式抵抗水压的情况。

此外，当二次衬砌不能紧跟时，应考虑提高初期支护强度。