朱永全-富水弱胶结砂岩隧道建设技术.ppt

1、20172017年年1010月月富水弱胶结砂岩隧道建设技术富水弱胶结砂岩隧道建设技术报告人：朱永全报告人：朱永全 周晔周晔石家庄铁道大学石家庄铁道大学 中铁十九局中铁十九局一、铁路隧道突水涌泥地质灾害典型事故简介一、铁路隧道突水涌泥地质灾害典型事故简介内容提要一、前言二、第三系系富水砂岩地层性质三、施工方法试验与选择四、洞内外施工降水技术五、超前围岩加固关键技术六、结语一、一、前前 言言 兰渝铁路是西南西北之间最便捷、快速的通道。兰渝铁路是西南西北之间最便捷、快速的通道。北起甘肃省北起甘肃省兰州兰州市枢纽，经渭源、市枢纽，经渭源、岷县岷县、宕昌县、宕昌县、陇南市陇南市（武都区）（武都区），经过

2、陕西省宁强县进入四川省，经，经过陕西省宁强县进入四川省，经广元市广元市、苍溪县、阆中市、南、苍溪县、阆中市、南部县、部县、南充南充市（顺庆区）、武胜县至市（顺庆区）、武胜县至重庆重庆市合川，北碚。市合川，北碚。1.1.兰渝铁路概况兰渝铁路概况一、一、前前 言言 胡麻岭隧道是兰渝铁路的关键性工程，位于甘胡麻岭隧道是兰渝铁路的关键性工程，位于甘肃省定西市境内，全长肃省定西市境内，全长13611m13611m，设计为客货共线双，设计为客货共线双层集装箱，开通时速层集装箱，开通时速200km/h200km/h，为双线大断面隧道，开挖，为双线大断面隧道，开挖断面断面135m135m2 2。2.2.胡麻岭

3、隧道胡麻岭隧道概况概况200km/h200km/h双线隧道断面双线隧道断面一、一、前前 言言 隧道原设计地质以砂岩为主，原设计有隧道原设计地质以砂岩为主，原设计有4 4座斜井，座斜井，因工期满足不了要求，先后增加了因工期满足不了要求，先后增加了5 5号、号、7 7号、号、8 8号三个辅号三个辅助坑道。助坑道。2.2.胡麻岭隧道胡麻岭隧道概况概况一、一、前前 言言 其中其中3#3#、4#4#斜井在施工中遇到了前所未见的第三系弱胶结饱斜井在施工中遇到了前所未见的第三系弱胶结饱和粉细砂岩地层，其成分以石英为主，呈黄色、桔黄色，粉细粒结和粉细砂岩地层，其成分以石英为主，呈黄色、桔黄色，粉细粒结构，泥质

4、弱胶结，局部夹有砾岩薄层，成岩作用极差，属极软岩。构，泥质弱胶结，局部夹有砾岩薄层，成岩作用极差，属极软岩。2.2.胡麻岭隧道胡麻岭隧道概况概况一、前一、前 言言 第三系砂岩在兰州盆地和定西盆地分布范围较广，沉积厚度较大。兰州第三系砂岩在兰州盆地和定西盆地分布范围较广，沉积厚度较大。兰州地区除新城盆地（河口、新城一带）基底为白垩系地层外，榆中（定远）、地区除新城盆地（河口、新城一带）基底为白垩系地层外，榆中（定远）、城关、七里河、安宁堡及西固盆地，下伏基岩均为第三系红色砂岩或碎屑城关、七里河、安宁堡及西固盆地，下伏基岩均为第三系红色砂岩或碎屑岩类，在地貌上多表现为黄土梁峁和河谷阶地上覆风积和冲

5、洪积黄土，下岩类，在地貌上多表现为黄土梁峁和河谷阶地上覆风积和冲洪积黄土，下伏第三系泥岩、砂岩及砾岩伏第三系泥岩、砂岩及砾岩 。3.3.第三系砂岩分布第三系砂岩分布概况概况二、第三系系富水砂岩地层性质二、第三系系富水砂岩地层性质 第三系富水粉细砂岩基本物理力学性能：第三系富水粉细砂岩基本物理力学性能：粉细粒结构，极弱胶结；粉细粒结构，极弱胶结；具有敏感的水稳特性；具有敏感的水稳特性；天然含水率大，渗透系数低；天然含水率大，渗透系数低；地层的孔隙率较高，细度模数小（地层的孔隙率较高，细度模数小（0.50.50.70.7）等基本性质。）等基本性质。1.1.地层基本性质地层基本性质二、第三系系富水砂

6、岩地层性质二、第三系系富水砂岩地层性质 地层天然含水率较高，塑限含水率为地层天然含水率较高，塑限含水率为11.815.6%11.815.6%，液限含水率为，液限含水率为32%32%。地层不同含水率状态下性状变化显著：地层不同含水率状态下性状变化显著：天然含水率下的围岩汗状渗水；天然含水率下的围岩汗状渗水；含水率达到含水率达到11.016%11.016%时围岩呈软塑状；时围岩呈软塑状；含水率达到含水率达到16%30%16%30%时围岩呈流塑状。时围岩呈流塑状。含水率大于含水率大于32%32%呈流砂状。呈流砂状。2.2.地层的性态变化地层的性态变化二、第三系系富水砂岩地层性质二、第三系系富水砂岩地

7、层性质含水率达到含水率达到11.016%11.016%时围岩由固态向塑态转变。围岩开挖后受地下渗时围岩由固态向塑态转变。围岩开挖后受地下渗流作用，在流作用，在5-20min5-20min内产生发汗性渗水，渗水影响围岩表面软化为流泥状，内产生发汗性渗水，渗水影响围岩表面软化为流泥状，围岩受渗水浸泡软化，岩面持续层层剥离，开挖及支护施工困难。围岩受渗水浸泡软化，岩面持续层层剥离，开挖及支护施工困难。3.3.围岩工程特征围岩工程特征（1 1）围岩汗状渗水）围岩汗状渗水 汗状渗水状态汗状渗水状态 二、第三系系富水砂岩地层性质二、第三系系富水砂岩地层性质含水率达到含水率达到16%30%16%30%时围岩

8、转变为流塑状，流塑状围岩从掌子面时围岩转变为流塑状，流塑状围岩从掌子面或初期支护背后挤出，可挤出几十厘米到几米。或初期支护背后挤出，可挤出几十厘米到几米。3.3.围岩工程特征围岩工程特征（2 2）围岩流塑状）围岩流塑状 流塑状态流塑状态 二、第三系系富水砂岩地层性质二、第三系系富水砂岩地层性质在遇水囊、溶腔、岩溶通道或地下河时，会突然间形成突水、在遇水囊、溶腔、岩溶通道或地下河时，会突然间形成突水、涌砂，造成塌方、支护变形破坏，甚至照成机械设备损坏和人员伤涌砂，造成塌方、支护变形破坏，甚至照成机械设备损坏和人员伤害事故。害事故。3.3.围岩工程特征围岩工程特征（3 3）围岩涌砂状）围岩涌砂状涌

9、水、流沙涌水、流沙二、第三系系富水砂岩地层性质二、第三系系富水砂岩地层性质受施工人员、设备持续振动和扰动，会产生振动液化现象。造受施工人员、设备持续振动和扰动，会产生振动液化现象。造成人员施工困难、设备陷入液化围岩中无法移动；可导致结构沉陷成人员施工困难、设备陷入液化围岩中无法移动；可导致结构沉陷变形、仰拱开裂。变形、仰拱开裂。3.3.围岩工程特征围岩工程特征（4 4）围岩易振动液化）围岩易振动液化涌水、流沙涌水、流沙三、施工方法试验与选择三、施工方法试验与选择 1.盾构法方案盾构法方案 (1)(1)胡麻岭盾构所需断面胡麻岭盾构所需断面 拟采用南京过江泥水大盾构拟采用南京过江泥水大盾构三、施工

10、方法试验与选择三、施工方法试验与选择 1.盾构法方案盾构法方案 （2 2）浅埋段（埋深）浅埋段（埋深65m65m ）管片受力分析）管片受力分析 （1 1）管片最大拉应力为）管片最大拉应力为3.94MPa3.94MPa，最大压应力为最大压应力为12.4MPa12.4MPa。管片最大变形量为。管片最大变形量为17cm17cm，理论上可行。长大山岭，理论上可行。长大山岭铁路隧道采用盾构法施工的其铁路隧道采用盾构法施工的其它影响因素较大，实际采用相它影响因素较大，实际采用相当困难。当困难。三、施工方法试验与选择三、施工方法试验与选择 1.盾构法方案盾构法方案 (3)(3)神买断管片受力分析神买断管片受

11、力分析 深埋段实际富水粉细砂厚深埋段实际富水粉细砂厚130m,130m,地表黄土厚地表黄土厚70m:70m:根据计算结果，管片最大根据计算结果，管片最大拉应力拉应力11.5MPa11.5MPa，最大压应，最大压应力力45.4MPa45.4MPa。常规钢筋混凝。常规钢筋混凝土管片从受力变形角度考虑土管片从受力变形角度考虑是不可行的。是不可行的。三、施工方法试验与选择三、施工方法试验与选择 1.盾构法方案盾构法方案 （4 4）隧底设超前降水小盾构试验情况）隧底设超前降水小盾构试验情况 施工中曾在施工中曾在5 5号斜井工区正洞重庆方向隧底设号斜井工区正洞重庆方向隧底设超前降水小盾构工法试验，小盾构直

12、径超前降水小盾构工法试验，小盾构直径1.5m1.5m，施工中小盾构因扎头被卡，试验失败。施工中小盾构因扎头被卡，试验失败。三、施工方法试验与选择三、施工方法试验与选择 2.冻结法方案冻结法方案 冻结帷幕厚度取冻结帷幕厚度取2.5m2.5m，冻结长度，冻结长度30m30m 。同样，富水粉细砂厚度。同样，富水粉细砂厚度60m60m浅埋时，盾构管片受力变形浅埋时，盾构管片受力变形理论上可行；富水粉细砂厚度达理论上可行；富水粉细砂厚度达200m200m深埋深埋时，盾构管片受力变形理论上部可行。时，盾构管片受力变形理论上部可行。积极冻结积极冻结5050天天 三、施工方法试验与选择三、施工方法试验与选择

13、3.矿山法方案矿山法方案 （1 1）埋深）埋深50m50m、降水工况理论分析、降水工况理论分析 由计算结果可知，埋深由计算结果可知，埋深50m50m的富水粉细砂地层，通过降水疏干地层后，的富水粉细砂地层，通过降水疏干地层后，隧道施工整体最大沉降均为隧道施工整体最大沉降均为8cm8cm，隧道顶部最大沉降在，隧道顶部最大沉降在5cm5cm，所以降水后，所以降水后浅埋段使用矿山法开挖是可行的。浅埋段使用矿山法开挖是可行的。无超前加固时的围岩塑性区无超前加固时的围岩塑性区 1.0m1.0m超前加固圈时的围岩塑性区超前加固圈时的围岩塑性区 三、施工方法试验与选择三、施工方法试验与选择 3.矿山法方案矿山

14、法方案 (2)(2)埋深埋深200m200m（130m130m厚粉细砂和厚粉细砂和70m70m黄土）、不降水工况黄土）、不降水工况 从计算结果来看，在施作从计算结果来看，在施作3m3m长长360360加固圈之后的隧道顶部沉降达到加固圈之后的隧道顶部沉降达到1.6m1.6m，底部拱起也达到了，底部拱起也达到了1.2m1.2m以上，隧道整体沉降最大处达到了将近以上，隧道整体沉降最大处达到了将近3m3m。所以，。所以，若隧道顶部若隧道顶部200m200m埋深全部为富水粉细砂，且不降水的情况下，采用矿山法开埋深全部为富水粉细砂，且不降水的情况下，采用矿山法开挖隧道是不可行。挖隧道是不可行。(3)(3)

15、埋深埋深200m200m（130m130m厚粉细砂和厚粉细砂和70m70m黄土）粉细砂、降水施工工况黄土）粉细砂、降水施工工况 从结果可知，从结果可知，130m130m厚粉细砂和厚粉细砂和70m70m黄土地层，在降水和超前加固厚度黄土地层，在降水和超前加固厚度1.0m1.0m条条件下，隧道顶部最大沉降在件下，隧道顶部最大沉降在28cm28cm，隧道的最大沉降有，隧道的最大沉降有40cm40cm，矿山法施工可行。，矿山法施工可行。三、施工方法试验与选择三、施工方法试验与选择 3.矿山法方案矿山法方案 在铁路大断面隧道条件下，不仅采用多分部开挖，而且采用降水、围岩加固多种辅助工在铁路大断面隧道条件

16、下，不仅采用多分部开挖，而且采用降水、围岩加固多种辅助工法。原因是：富水流坍状态的砂层，自身无稳定性，开挖扰动后，地层自重将全部作为荷法。原因是：富水流坍状态的砂层，自身无稳定性，开挖扰动后，地层自重将全部作为荷载作用在隧道结构上，因此深厚地层不进行地层改良，现行各种方法的结构都不可行。载作用在隧道结构上，因此深厚地层不进行地层改良，现行各种方法的结构都不可行。三、施工方法试验与选择三、施工方法试验与选择 多种方法试验失败也说明了该种深厚层富水砂层的特殊性。多种方法试验失败也说明了该种深厚层富水砂层的特殊性。四、洞内外施工降水技术四、洞内外施工降水技术 开挖开挖0 00.50.5小时内含水率较低，小时内含水率较低，约约15%15%16%16%左右；左右；0.50.5小时后含水率开小时后含水率开始快速上升，在开挖后始快速上升，在开挖后1.51.5小时含水率小时含水率达到达到17%17%，砂岩开始发生塑性变形，砂，砂岩开始发生塑性变形，砂岩的稳定性变差；岩的稳定性变差；1.51.5小时后含水率继小时后含水率继续上升，在续上升，在2.52.5小时后砂岩达到饱和状小时后砂岩达到饱和状态，开始发