145-（旷远许）岩溶、瓦斯地质条件下_r_n 客运专线隧道施工技术初探.doc

岩溶、瓦斯地质条件下 客运专线隧道施工技术初探 旷远许 中铁五局武广项目经理部第一总队 邮编423000 【摘要】本文结合武广线仙殿岭隧道施工，介绍了岩溶、瓦斯地质条件下客运专线隧道的施工技术。 【关键词】岩溶 瓦斯 隧道 施工技术 1工程概况 仙殿岭隧道全长1710m，位于湖南省宜章县太平里乡，起讫里程DK1878988～ DK1880698, 隧道净空有效面积100m2，最大埋深145m，双线隧道。其中DK1879430～1880000为C1d2地层，含鸡窝状煤层，按瓦斯隧道设计。全隧道为灰岩岩性，溶蚀较严重，溶沟槽发育，隧道范围内灰岩裂隙水较大，尤其在DK1879900～DK1880460碎屑岩与可溶岩的接触部位、断层带附近及隧道出口有岩溶洼地发育地段，这些地段易发生突水、突泥等地质灾害，威胁生命和财产安全。 2隧道岩溶段施工技术 岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层经过化学作用和机械破坏作用而形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。岩溶发育区域的隧道施工应考虑岩溶的危害，评价其影响程度，并采取相应处理措施，保证施工质量和安全。 2.1工程地质概述 仙殿岭隧道石质主要以灰岩为主，弱风化，中厚层构造，节理裂隙发育，有方解石岩脉填充，坚硬完整。 水文地质条件地下水类型为岩溶裂隙水，不丰富，接受大气降水补给。 地质调查情况山顶DK1880100、300、400处分别发育有岩溶洼地，并有岩溶通道，雨季洼地大面积汇水并通过。 以上情况表明仙殿岭隧道地处岩溶发育地段，施工中涌水突泥可能性极大，特别是DK1885580～750断层破碎带亦具有溶洞发育条件，局部埋深浅20多米，施工中易出现塌方，应谨慎开挖。 2.2施工原则 隧道遭遇到发展和衰亡阶段的岩溶中的大型溶洞、暗河时，应逐个溶洞逐个处理，不必要寻找标准的设计，设计中的通用原则为确保隧道的衬砌结构有足够的安全保证、在可预见期内洞穴的稳定性有保证、原有水流通道不会被阻断、方案比较经济适用。施工中应本着“有效地质预报、正确方案选择、合理治水措施、安全通过” 的综合原则进行治理。 治水原则对岩溶水的处理通常原则是以“排”为主，截、堵、排、防相结合的综合处理措施， “通”是指尽量保持原有过水通道，不能因为隧道的修建发生大的变化;“截”是指截断原有地下水通道，改走其他通道；“堵”是封死相交的地下水通道；“排”是特指引入隧洞，通过排水沟排走；“防”是指防止地下水进入隧道即可。 施工溶岩地段地下水一般较大，采用“以排为主”可能会影响到生态环境，根据实际情况，采用“以堵为主，限量排放”的原则较有效、可靠、经济合理。如遇地下水压较大的溶洞发育地段，应采取措施维系岩溶暗河的既有通道，严禁随意封堵溶洞、暗河。 2.3地质超前预报 地质预报的途径有系统超前地质预报、正常施工段超前钻孔探测、日常地质调查、素描、和观察。做好地质超前预报这项工作非常重要，它是施工安全、整治质量的保证，有效防范涌水、突泥灾害的主要手段，以及质量监控和检测的途径。武广铁路要求将其作为一必须实施项，并增加在仰拱施作前对隧底等部位的探测。 溶洞的出现往往伴随以下现象岩层裂隙水迹象增多；水成份含有可溶性物质时； 施工中遇到有溶洞搬运物质迹象时，如泥土，松散物；同等围岩抗暴能力下降时； 2.4溶洞的主要处理措施 2.4.1采用Ф42小导管超前支超，具体参数为 管径类型Ф42小导管（无逢钢管）每根长4.2m. 环向间距 0.4m 纵向搭接间距 3.0m 径向3米注浆 使用 R42.5水泥浆注浆，配比宜在11左右。小导管长度、间距应根椐溶洞、溶槽具体情况作适当调整。溶洞、溶槽段支护应根椐施工设计图作适当调整，加强支护参数。溶洞溶槽处渗水量较大时应加强二衬背后防排水措施。 2.4.2常用处置方式 1超前预注浆封堵方法 对可能发生大规模的突水、突泥的岩溶段施工，需要维系岩溶水通畅时，上报监理和设计单位进行变更，采取预注浆加固措施，预注浆加固前先采取引排措施，然后进行注浆。超前预注浆加固范围按设计在隧道开挖轮廓线以外5m，注浆段长取10～30m。注浆后检验注浆效果，当达到开挖要求时，每循环开挖留3～5m作为止浆墙岩盘。如开挖后存在薄弱部位，采用局部补充注浆或径向小导管注浆。如果前一循环开挖过程中发生涌水，后一循环注浆开始前同样施作止浆墙。 注浆结束后进行超前支护施工，采取CD、双侧壁导坑或CRD法开挖，开挖后及时进行初期支护。 2填充封闭 如隧道拱部、边墙或底部存在小型干溶洞或空腔，内部几乎无充填物、无水，可采用砂石料、浆砌片石、干砌片石、水泥砂浆、混凝土等粗细骨料全部充填，必要时可进行注浆加固。如空腔内有少量水流动，则填充不应完全阻断地下水的过水通道 3超前锚杆、管棚加固处理 为防止洞穴岩壁或顶板坍塌，在清除松动岩石困难或通过溶洞堆积物的情况下，可采用超前锚杆或大管棚、钢轨加固岩体。方法同洞口浅埋段施工。 4支顶处理 当隧道穿过的溶洞由碎、块石及淤泥土充填，充填物的松散密实程度不一时，隧道底部应考虑采用钢筋混凝土底板，清除底板下松散体，回填碎石，并在底板下加设钢筋混凝土桩进行支顶。 5溶洞跨越处理 当溶洞规模较大、溶洞内充填物松软，基础处理工程修建困难、耗资巨大，或者溶洞虽小但水流较大时，可根据具体条件采用相应的梁跨、板跨等形式跨越岩溶地段。 此方式一般采用钢筋混凝土梁跨越，梁体采用抗侵蚀混凝土。当隧道衬砌断面需要开挖围岩才能满足净空要求时，应先开挖围岩，再施工跨越结构，以确保安全，同时应注意不同受力结构间的断缝设置及连接措施设置。 6置换注浆方法 在维系岩溶水既有通道情况下，如开挖面为含水的粉细砂或致密的粘土，砂粘土，采用渗透注浆、挤密注浆、劈裂注浆都十分困难时，可采用置换注浆法，即在开挖面进行注浆工程中，在距离注浆孔2m左右，预留几个排泄孔并安设孔口管和阀门，将泥砂适量排除，用浆液充填其留下的空隙，起到加固地层的目的。该方法可以降低注浆压力，促进浆液的扩散。或注浆加固完成后将表层用C15片石砼进行换填。 7隧道底部处理 如隧道底部溶洞充填物为松散或软塑状的粘土或砂粘土沉积物，为了防止列车运行过程中结构产生固结沉降，加强对基地的处理，隧道底部的处理可采用注浆加固、换填、桩基等方法。 ①隧道底部换填 如果隧道基底溶洞充填物的厚度小于2.0m（2.0m以下为基岩或微风化地层），可以考虑采用换填方法，换填材料可以选用浆砌片石、混凝土等。 ②隧道底部注浆加固 超前地质预报 制定方案 决定处理方法 填充封闭方式 超前加固方式 封堵加固方式 支顶处理方式 跨越方式 置换方式 下一步施工 如隧道基底溶洞充填物的厚度小于20.0m，可考虑采用垂直注浆加固。钻孔深度深入基岩3.0m左右，注浆材料宜选用普通水泥或超细水泥浆，注浆管上端和仰拱相连，以提高支护结构的强度和刚度。 岩溶段施工流程图如下图1 ③桩基处理 如基底溶洞范围超过20.0m，可考虑采用挖孔桩、钻孔桩、粉喷桩或钢管桩等进行加固。具体加固厚度和范围由设计单位综合考虑后确定。 8岩溶地段隧道衬砌结构要注意的问题 要考虑岩溶的发展性、地下水流的腐蚀性这两个主要因素。虽然岩溶的发展变化十分缓慢，但究竟在发展，隧道设计如果不根据已有存在的溶蚀现象预留适当的过水管道，而是强行用衬砌阻断水源，可能使衬砌结构承受额外水压，导致结构的安全系数降低，这点要有充分认识。同时地下水含中CO2浓度较大，具有较强的腐蚀性，隧道初期支护必须考虑防腐蚀的问题，采用防腐蚀混凝土材料，隧道防水层材料也要相应增加检测指标，保证在CO2饱和浓度下的耐久性。隧道的二次衬砌可不采用防腐蚀混凝土，但是洞内用于排除围岩渗水的中央水管、水沟也须有防腐蚀考虑。 3隧道瓦斯段施工技术 瓦斯从煤（岩）层中逸出的各种有害气体的总称，其主要成份为甲烷（CH4）。 仙殿岭隧道K1879430～DK1880000含鸡窝状煤层，按瓦斯隧道设计。 3.1施工原则 隧道通过瓦斯段施工的原则短进尺,弱爆破、强支护，勤监测，加强通风，快喷锚。 3.1.1短进尺隧道通过煤层地区,因煤层有瓦斯溢出,围岩软弱,应力较大。每次开挖进尺控制在2m以内，采用正台阶开挖方案或长台阶开挖。保持每次开挖面积小，瓦斯溢量不大，开挖轮廓能够迅速得到支护。 3.1.2强支护采用超前支护。开挖后采用初期支护，提高模注砼衬砌刚度。仰拱与拱墙一致，形成“加固围岩，改善变形，先柔后刚，先放后抗，变形留够，底部加强”的支护原则。 3.1.3勤监测瓦检员及时对各工作面瓦斯情况进行检测，提高对事故的应变能力，特别是揭煤放炮期间，检测人员能立即观察到炮后瓦斯浓度变化曲线和涌出量，节省施工间隙。实行装药前，放炮前，爆破后人工进行瓦斯检查（即一炮三检查），使得开挖过程中监测瓦斯浓度做到不间断。 3.1.4弱爆破采用低爆力的矿用安全炸药（目前大量生产和使用的2号和3号煤矿许用炸药以及相应的抗水型，其对瓦斯的安全性随号数递增，威力则随号数递减）与安全雷管（煤矿许用毫秒电雷管最后一段延期小于130ms），装药系数与普通掘进爆破相同，只在岩石段装药，煤段不装药，在揭开煤层前的安全岩柱开始，进入煤巷及半煤半岩巷，直到进入全岩巷2m时的全过程，均须采取以下安全措施 ①预探通过煤层之前先通过打探孔探测煤层位置;②预测施钻预测孔,取样试验确定是否有突出危险;③预排对有突出危险的煤层预先排放瓦斯;④检验打孔取样检验预排效果;⑤震动放炮揭石门用震动放炮把煤层之前的岩柱揭开;⑥超前支护下掘进煤巷及半煤巷;⑦设置加强的初期支护; 3.1.5加强通风采用压入式通风方案，通风管采用防静电阻燃型风管。 瓦斯隧道施工期间设置合理的机械通风系统，其需要的风量应根据下列要求分别计算，并取其最大值作为设计风量。 ①按隧道内同时工作最多人数以每人每分钟供给新鲜空气量4m3计算风量; ②按隧道内同时放炮使用的最多炸药量计算风量; ③按隧道内同时各工作面瓦斯涌出量计算风量; ④按瓦斯隧道所需的最小风速防止瓦斯积聚的最小风速计算风量; 取以上四种计算中的最大者作为设计风量。 瓦斯隧道施工期间，设专门的通风管理机构，负责通风系统各种设备的管理和检修，定期测试洞内风速、风量、气温、气压、瓦斯浓度等并作出详细记录，计算有效风量。 施工期间，保证连续通风，在特殊情况下停风时，应同时停止工作，撤出人员，切断一切电源，恢复通风前首先检查瓦斯浓度。 3.1.6快锚喷由于煤层软弱松散,爆破后往往不等支护产生坍塌冒顶,因此必须设置超前支护。 3.2防排水设计 3.2.1全断面（拱、墙、仰拱）设置闭孔PE泡沫塑料垫层（厚度不小于4mm,幅宽6m）EVA防水板（厚度为1.5mm,幅宽6m）, 要求喷射混凝土表面必须平整,无凹凸不平。 3.2.2二次衬砌采用抗侵蚀性气密性防水混凝土，环、纵向施工缝采用砼界面剂、背贴橡胶止水带、中埋橡胶止水带和内侧聚硫密封胶嵌缝三道防水防气处理，其中背贴橡胶止水带施工前应提前将其和防水板焊接成整体（严格按隧道内施工缝的布置进行焊接） 。 3.2.3为防止瓦斯扩散，DK1879430435，DK1879995DK1880000段施工中取消泡沫塑料垫层和防水板，直接浇筑模筑衬砌，模筑衬砌浇筑完毕并达到设计强度后进行衬砌背后注浆回填密实，注浆完毕后进行瓦斯检测。 3.2.4变形缝、沉降缝防水采用中埋橡胶止水带，外贴止水带、沥青木丝板塞缝、聚硫密封胶（内侧设置暗槽引入渗入水）等措施。 3.2.5每侧边墙脚外侧设置两排φ299纵向钢花管盲沟（外包土工布），不设置环向盲沟。纵向盲管施工期间应定时清洗，确保管道畅通。 3.3隧道瓦斯段综合防排水系统 3.3.1隧道瓦斯逸出地段设计采用全封闭复合衬砌封闭地层中水及瓦斯，尽可能使地层中瓦斯不渗入隧道，同时采用两套完全独立的排水、排水瓦斯系统，即洞内侧沟排水系统和衬砌外盲沟排水，排放瓦斯系统。全封闭复合衬砌段水沟侧边墙不设泄水孔及环向盲沟。隧道其余地段盲沟设置同一般隧道。 3.3.2洞内盲沟排水、排放瓦斯系统由纵向盲沟进入气水分离装置组成。其作用流程为 1DK1879435处地下水（水气混合体）通过盲沟进入汽水分离室，瓦斯气体通过φ203无缝钢管直接引排至隧道外，地下水则通过泄水室排水至隧道侧沟。 2DK1879995处地下水（水气混合体）通过盲沟进入汽水分离室，瓦斯气体通过φ203无缝钢管引排至地表，地下水则通过泄水室排至隧道侧沟。 3DK1879435995段纵向盲沟采用2根φ299mm的钢花管（壁厚10mm），分设于衬砌两侧边墙墙脚附近，钢管周壁布置φ5mm钻孔，间距810cm，钢花管与初期支护及二次衬砌间不得留有间隙。 3.3.3瓦斯排钻孔φ320，其内安设φ203无缝钢管。竖直地表钻孔与钢管间空隙应压注水泥浆回填密实，确保地表水不渗入隧道中，钢管应采用有置中措施，确保钢管位于钻孔中心部位。 3.3.4瓦斯排放钢管上端距地面10m。钢管周围20m内禁止有明火火源及易燃易爆品，隧道气水分离室内瓦斯排放管与围岩间的间隙采用水泥砂浆填充，洞顶排放管施工及运营期间应定期养护清除排放管周围20m范围的易燃物质；为避免雷击，瓦斯排放管应设置接地装置，其接地体电阴不得大于5Ω。 3.3.5气水分离室盖板应密封，并采用C25钢筋混凝土，施工、运营期间，气水分离室内应保持一定的常水位，其盖板应密封良好。 3.4超前地质预报 3.4.1该隧道瓦斯段施工采用地质雷达对隧道施工前方的岩石界面进行预测预报，并至少设置1个Φ108超前水平钻孔（取岩心）进行验证，长30m，每25m一循环。 3.4.2当采用超前探测及验证确认前方有煤层时，每断面增加5个Φ108超前钻孔（取岩芯），详细记录岩芯资料，进一步明确煤层厚度、煤层位置、倾角、走向与隧道关系，分析煤层顶底板岩性，掌握和收集探孔过程中的瓦斯动力现象。 3.4.3开挖工作面距离煤层垂直距离为5m时钻一组预测孔，按防治煤与瓦斯突出细则进行煤与瓦斯突出危险性预测，如有危险性，应及时提出，以便进行处理。 3.5瓦斯地段施工安全预防和治理措施 在瓦斯地段施工前应制订瓦斯隧道施工作业制度，加强对施工作业人员的施工前瓦斯隧道施工技术和安全知识的培训。施工过程中采用超前钻孔预探和瓦斯自动检测仪及报警仪相结合准确对瓦斯压力、瓦斯涌出量和施工坑道内瓦斯浓度进行监测，从而准确对瓦斯情况进行预报。加强施工通风，使瓦斯浓度达到保证施工人员和施工机械的安全标准以内；照明及电气设置均安装防爆设备；使用防爆开挖作业方法施工。制订瓦斯隧道施工应急预案，成立紧急救援小组，随时应对突发事故。 3.5.1瓦斯浓度 1瓦斯隧道施工的关键和重点是控制空气的瓦斯含量,隧道内瓦斯浓度限值及超限处理措施应符合表1的规定 表1 隧道内瓦斯浓度限值及超限处理措施 序号 地点 限值 超限处理措施 1 低瓦斯工区任意处 0.5 超限处20m范围内立即停工,查明原因,加强通风监测 2 局部瓦斯积聚（体积大于0.5m3） 2.0 超限处附近20m停工,断电,撤人,进行处理,加强通风 3 开挖面工作面风流中 1.0 停止电钻钻孔 1.5 超限处停工,撤人,切断电源,查明原因,加强通风等 4 回风巷或工作面回风流中 1.0 停工、撤人、处理 5 放炮地点附近20m风流中 1.0 严禁装药放炮 6 煤层放炮后工作面风流中 1.0 继续通风、不得进入 7 局扇及电气开关10m范围内 0.5 停机、通风、处理 8 电动机及开关附近20m范围内 1.5 停止运转、撤出人员，切断电源，进行处理 9 竣工后洞内任何处 0.5 查明渗漏点，进行整治 3.5.2瓦斯防治措施 1采用湿式凿岩机械钻孔，电力起爆必须使用防爆型起爆器作为起爆电源，一个工作面不得使用两台或两台以上的起爆器进行起爆。雷管采用煤矿许用电雷管，炸药采用矿用安全炸药。 2瓦斯隧道施工过程中,穿过煤系层,隧道揭煤层对瓦斯涌出量最大,危害最严重,准确计算瓦斯涌出量,配备相应的通风设备至关重要,揭煤前预探、预测、预钻,排放瓦斯，检验开挖支护，安全防护均进行严格控制。 3隧道通过的煤系地层,围岩等级都较低,一般为Ⅱ类或Ⅲ类，且地应力较高，其初期支护要求平整、光滑，不能有造成瓦斯聚集的死角。 3.5.3瓦斯预测预报监测措施 1在含瓦斯地层的掘进中，接近突出煤层前，应在距设计煤层位置1520m年的开挖工作面打超前探孔1个进行初探，距初探煤层位置10m处的开挖工作面前方上部及左右部位共打3个超前探孔，探孔用大于7.6cm的大钻头钻孔，探孔应穿透煤层并进入顶（底）不小于0.5m。隧道通过煤系地层时根据设计资料，结合现场实际情况，对煤层长度、厚度，瓦斯含量、压力、涌出速度等指标通过上述超前预探方法进行测量和分析及早查明煤层的位置和突出性，利用弹性波判断前方煤层的具体位置，采用洞内钻孔测瓦斯的含量及压力。根据瓦斯含量大小、压力、涌出速度三个指标，进行低、中、高瓦斯隧道的分级，以确定采取不同的技术措施。 2安装瓦斯自动检测仪及报警仪对施工坑道内瓦斯浓度进行监测报警。 A.瓦斯遥测断电主机置于人行通道，探头挂放于掘进工作面的回风流中，声光报警箱置于洞口检查岗内，选定安全报警点，当瓦斯浓度超限仪表发出报警信号后，即自行切断除风机以外的其它电源，同时暂停施工，人员撤出洞外。 B.报警仪定点悬挂监测在掌子面瓦斯涌出点，通风机及机电设备和开关处，以便随时掌握瓦斯变化情况。 C.手持仪表洞内巡回检测由施工、救护人员组成的瓦斯检测组手持光涉仪或报警仪，在打钻前、装药前、放炮前后以及其它任何时间，对掘进工作面、超挖空间、总回风流、机电设备及开关附近、溶洞与溶隙、裂隙和采空区、大小断面交汇处的上部、衬砌台车内部、各类洞室和通道、局部通风不良地段等易积聚瓦斯的地方进行检测，发现异常现象及时处理和报告。 D.风量、氧气和有害气体的检测根据施工实际情况，在放炮后，应对风量氧气、CO2、CO、NO2等有害气体进行检测。 3.5.4施工通风措施 施工通风是关键，通过煤系地层施工，通风的重要性尤为突出，必须进行专门的计算和设计。加强通风主要是合理选择风机的功率大小及通风方式，加强通风管理，保证有足够的风量及风速，以便稀释及加速瓦斯的排出，使洞内瓦斯含量不超限。通风加强通风按下述原则 1当测定和分析属于低瓦斯时，按照正常情况下的通风设计及能力，适当延长通风时间，风管尽量靠近工作面。 2当测定和分析瓦斯严重时要作专门的通风设计，采用以压入式为主的混合式通风。由于瓦斯浓度较高的地方都在开挖面顶部附近，故吹出风管尽量靠近开挖作业队，瓦斯稀释后排出洞外。 3当测定和分析具有瓦斯突出危险时，进行专门的通风设计，洞内风速达到1m/s以上。 本隧道施工通风方式采用压入式，两台2*110KW的轴流通风机通风，并将其安装在洞口外，对瓦斯地段施工时通风不得中断，必须保持连续通风，通风机设置两路电源，并应装设风电闭锁装置，当一路电源停止供电时，另一路应在15min内接通保证风机正常运转。风管应选用防静电、阻燃型风管。风管口到开挖工作面的距离应小于5m，风管百米漏风率不应大于2。 3.5.5揭煤施工中瓦斯排放措施 在距掌子面不小于3m的煤层按铁路瓦斯隧道技术规范进行钻孔将瓦斯进行排放出来以防止作业时瓦斯突出。钻孔应穿透煤层。 由于煤系地层离隧底较近，加上围岩裂隙发育，瓦斯压力变化无常等原因，很可能有瓦斯渗出危险，采取措施，一是预测预报；二是加强通风；三是衬砌紧跟。 11