宜万铁路岩溶隧道工程特点及设计对策-.ppt

,宜万铁路隧道工程特点及设计对策,2010,年,11,月,一,、概 述,二、主要设计原则,三、隧道工程特点,四、设计对策,五、重点岩溶隧道,六、结 语,宜万铁路隧道工程特点及设计对策,目 录,宜昌,万州,一、概 述,宜万铁路东起湖北省宜昌市，西至重庆市万州区，是铁路进、出川渝地区的东通道之一，也是沪汉蓉快速铁路通道的重要组成部分，线路全长,377,公里，为国家,I,级干线电气化铁路，宜昌东至凉雾段为双线，长,288km,，设计时速,160km,，满足开行双层集装箱货运条件；凉雾至万州段为单线，长,89km,，设计时速,120km,。,凉雾,线路位于云贵高原的东北麓，主要行经在长江与清江的分水岭地带，主要不良地质有岩溶、岩溶水、顺层、滑坡、崩塌、岩堆、断层破碎带、瓦斯、高地应力等；其地形、地质条件之复杂集西南山区铁路之大成，建设条件之艰、难、险居我国铁路历史之最，被称为世界级难题。,野三关隧道,大支坪隧道,云雾山隧道,马鹿箐隧道,齐岳山隧道,长江,清江,宜昌,万州,一、概 述,凉雾,一、概 述,全线共分布,159,座隧道，总长,338.771km,，左线隧线比高达,60%,。隧道工程于,2004,年初开工，至,2009,年,12,月,10,齐岳山隧道贯通，历时,6,年之久。,长度（,m,）,L500,500L3000,300010000,隧道座数,长度,56,座,12.563km,68,座,97.508km,30,座,167.4km,5,座,61.3km,宜万铁路隧道统计表,1,、地形地貌,二、主要设计原则,（一）建筑限界及内轮廓,宜昌至凉雾段隧道：单线隧道内轨以上净空面积为,44.97m,2,，双线隧道内轨以上净空面积,78.4m,2,，双线、三线及四线车站隧道内轮廓，根据上述建筑限界和站场股道布置及车站内附属设施安装要求等拟定。,凉雾至万州段隧道：采用,“,隧限,2A,”,建筑限界及内轮廓。,隧道建筑限界及内轮廓（,160km/h,）,1,、地形地貌,二、主要设计原则,高地应力软岩大变形的支护结构,（二）衬砌结构,全线隧道采用复合式衬砌结构，高地应力软岩大变形地段采用双层初期支护的加强型衬砌结构，地下水发育地段考虑水压力影响采用抗水压衬砌结构。,抗水压衬砌结构,二、主要设计原则,（三）防排水,遵照“防、排、堵、截结合，因地制宜，综合治理”的原则，对位于垂直循环带内的隧道，当遭遇溶隙、管道、溶洞时，尽量维系原有的排水通道；对处于水平循环带内的隧道，当遭遇管道、溶洞、暗河时，宜考虑排水降压的措施；隧道穿越断层破碎带、不同岩性的接触带时，当采取排水方案造成介质大量流失、地层破坏，影响水文环境时，宜考虑“以堵为主、限量排放”的原则，隧道结构应考虑水压力影响。,高压富水溶洞排水降压,防水板系统全貌,1,、地形地貌,二、主要设计原则,（四）辅助坑道,辅助坑道的选择不仅需要考虑施工期限、地形、地质等条件，更要考虑排水、防灾救援等方面的要求，长大隧道应优先选择平行导坑、横洞，慎重选择斜井、竖井。全线共设置,42,座辅助坑道，其中平行导坑,7,座,63026m,、横洞,17,座,5834m,、斜井,10,座,5139m,、排水洞,8,座,19395m,，累计长度,93394m,。,野三关隧道排水洞,王家岭隧道横洞,排水洞,1,、地形地貌,三、隧道工程特点,车站隧道,（一）地形困难，隧道众多,宜万铁路沿线山高坡陡、河谷深切、地形困难，共,159,座隧道，长,338.7km,，左线隧线比高达,60%,，全线设置了,8,座车站隧道、,13,座桥隧相连隧道、,16,座燕尾式隧道。,桥隧相连隧道,1,、地形地貌,三、隧道工程特点,（二）岩溶、岩溶水发育 岩溶类型多,宜万铁路隧道工程揭露的岩溶类型主要有暗河、溶洞、管道等，其中穿越复杂暗河系统,20,余条，遭遇大型高压富水溶洞,30,余处、大型充填半充填溶洞,100,多处、富水岩溶管道、宽张裂隙,100,余处。,典型岩溶类型表,岩溶类型,代表性示例,暗河,野三关隧道,4,号暗河、五爪观暗河,管道,云雾山隧道“,+240”,岩溶管道、大支坪隧道“,+680,、,+623,、,+291”,岩溶管道、齐岳山隧道“,+537”,岩溶管道,溶洞,贫水溶洞,半充填,云雾山隧道“,+562,、,+852”,溶洞、龙麟宫隧道,1,#,、,2,#,溶洞、下村坝隧道“,+091,、,+565”,溶洞、鲁竹坝,2#,隧道“,+610”,溶洞、白云山隧道“,+630”,溶洞,全充填,大支坪隧道“,+315,、,+800”,溶洞、白云山隧道“,+187”,溶洞、红瓦屋隧道“,+770”,溶洞、榔坪,2#,隧道“,+600”,溶洞,富水溶洞,季节性涌水,齐岳山隧道“,+090”,、“,+870”,溶洞，大支坪隧道“,+367”,溶洞,常涌水,野三关隧道“,+602”,溶洞、马鹿箐隧道“,+978”,溶洞、大支坪隧道“,+990”,溶洞群、云雾山隧道“,+617”,溶洞群,裂隙,别岩槽隧道“,+715”,裂隙、大支坪“,+540”,裂隙,组合型,野三关隧道,F18,断裂、齐岳山隧道,F11,断裂,深切河谷,大型溶洞,暗河流水,管道涌水,1,、地形地貌,三、隧道工程特点,五爪观隧道遭遇的暗河大厅,（三）工程难度大、施工风险高,宜万铁路部分地段岩溶、岩溶水极为发育，暗河系统密布，多座隧道穿越溶洞、暗河及断层，八字岭、野三关、大支坪、马鹿箐、齐岳山等隧道在暗河下部通过，云雾山、齐岳山、别岩槽等隧道穿越多条区域大断裂，工程难度巨大，施工风险极高。,宜 昌,万 州,1,、地形地貌,三、隧道工程特点,马鹿箐,“,+978,”,溶洞突水,野三关隧道钻孔突水,龙麟宫隧道,2,号岩溶大厅,1,、地形地貌,三、隧道工程特点,（四）自主创新成果显著、科技含量高,针对大型高压富水断层、大型富水充填溶洞等不良地质情况，提出了,“,排水减压、注浆加固,”,新理念，系统掌握了不同岩溶类型、不同水文地质条件下注浆技术；确定了不同水压力条件下合理的衬砌断面型式、支护结构体系及施工方法，全面攻克了隧道穿越高压富水断层、高压富水充填溶洞设计、施工难题。,注浆现场,抗水压衬砌结构,排水减压,1,、地形地貌,三、隧道工程特点,（四）自主创新成果显著、科技含量高,针对隧道穿越大型溶洞的形态及充填性质等，系统研究了隧道衬砌结构、隧底基础类型及施工方法等，创新地提出了双层框架结构、非对称拱形结构等，掌握了隧道穿越大型溶洞的关键技术。,双层框架结构,不对称拱形结构,1,、地形地貌,三、隧道工程特点,（四）自主创新成果显著、科技含量高,系统分析了高地应力条件下软弱围岩大变形产生的机理，制定了,“,合理变形、刚柔并济、多重支护、加强衬砌,”,的设计原则，提出了适用于高地应力软岩大变形隧道断面型式、支护参数及施工方法。,三台阶分部开挖法,高地应力软岩大变形段支护结构,1,、地形地貌,四、设计对策,（一）风险分级,根据隧道穿越的地层岩性、岩溶发育程度、地质构造、富水程度等指标将岩溶隧道划分为,I,级风险、,级风险、一般风险三类，进行分级管理，其中八字岭、野三关、大支坪、云雾山、马鹿箐、金子山、齐岳山、别岩槽,8,座隧道为,I,级风险隧道，高阳寨、鲁竹坝二号、龙麟宫等,26,座隧道为,级风险隧道，其余为一般隧道。,1,、地形地貌,四、设计对策,（二）地质预测预报,地质预测预报是施工地质最主要的工作内容，应作为工序纳入施工组织中。其工作包括：既有资料收集；地质素描；洞内外水文调查；监测测试；超前地质预测；综合分析判断等。根据勘察成果，分析隧道区内地质背景、岩性、构造及区域水文情况，按照每段可能出现的风险类型，划分超前地质预测预报等级，并确定其超前地质预测预报项目及数量。,超前钻探探测,隧道地质雷达检测,1,、地形地貌,四、设计对策,（三）排水减压,针对马鹿箐隧道“,+978”,、云雾山隧道“,+617”,、大支坪隧道“,+990”,、野三关隧道“,+602”,等高压富水溶洞的工程水文地质特征，采用了排水洞、迂回导坑、钻孔排水等排水减压方法，从而消除了高压富水溶洞的施工风险，为隧道长期运营安全提供了保障。,钻孔排水减压,现场放水试验,1,、地形地貌,四、设计对策,（四）注 浆,隧道穿越充填型溶洞或大型区域断层时，由于溶洞充填物或断层介质工程力学条件差，特别是在高压水的作用下极易突水、突泥。为保证施工安全，必须对溶洞充填物、断层介质进行注浆加固，但在高压水条件下注浆难度呈数倍增加，宜万铁路在传统注浆理论基础上，提出了,“,排水减压、注浆加固,”,理念，攻克了注浆技术难题。,高压富水条件下注浆方案,序号,类型,工程特性,注浆方案,1,富水充填溶洞,溶洞充填物饱水、稳定性极差，与地表或暗河连通性好，受雨季影响大，暴雨期间极易形成高水压,在排水减压的条件下，宜采用超前注浆加固，改善充填物物理力学指标，提高其自稳能力，在隧道周围形成加固圈。根据充填物性质，注浆材料一般可采用水泥单液浆、水泥,水玻璃双液浆，必要时可采用,HSC,、,TGRM,等特种浆液,2,大型富水断层,断层规模宏大、高压富水、伴有填充性的溶洞，介质松散、整体性差,采用超前注浆加固，填充断层介质之间的空隙，增加断层介质之间的粘聚力，改善围岩整体物理力学指标，提高其自稳能力，注浆材料一般可采用水泥单液浆，必要时可采用超细水泥单液浆,1,、地形地貌,四、设计对策,（五）特殊结构设计,根据溶洞规模、形态、充填及地下水情况，创新采用了双层框架结构、不对称拱形结构、偏压斜墙结构、双耳墙型结构等特殊结构及桩基承台、桩基托梁、拱桥、板梁、复合地基等隧底结构。,复合地基隧底结构,桩基承台隧底结构,1,、地形地貌,四、设计对策,（六）防灾报警系统,I,级风险隧道施工时应配置声光报警、应急通信、电视监控及应急照明供电系统，同时在正洞及辅助坑道内设置逃生通道及疏散标志，掌子面配备逃生装备，以利于发生突发事件时隧道内人员安全、迅速撤离。,应急通信及电视监控系统,逃生装备,1,、地形地貌,四、设计对策,（七）安全性监测,宜万铁路隧道地质条件复杂，采取了多种新型特殊结构，为及时掌握隧道结构工作状态，对隧道结构安全性状况做出评估，为隧道的施工处理和运营维护提供依据，对复杂隧道工点支护结构受力状况进行了安全性监测。,自动监测系统布置示意图,结构安全性监测布置图,1,、地形地貌,（一）工程概况,马鹿箐隧道全长,7879m,，为两条单线隧道，最大埋深,660m,，纵坡为单面上坡。隧道地处鄂西深山峡谷的清江源头，穿越碳酸盐岩地区，岩溶强烈发育，并处在小溪河暗河系统的箐口暗河子系统中，水文地质条件十分复杂。,五、重点岩溶隧道,马鹿箐隧道,（二）,“+978”,高压富水充填溶洞,1,、,溶洞揭示过程,2006,年,1,月,21,日，出口工区平导掌子面拱部突然崩塌发生透水，,1,小时内突水,30,万方，淹没出口工区平导和正洞，造成重大工程地质灾害。事故发生后，采取了地表钻孔注浆封堵的方案，切断正洞与溶洞水力联系，保证了抢险救援工作的顺利进行。,马 鹿 箐 隧 道,“,978”,溶洞突水洞口情况,抽水台车,地表钻孔封堵,五、重点岩溶隧道,马鹿箐隧道,鉴于溶洞规模宏大、富水含泥并伴有高水压，为消除施工及运营风险，在进口工区平导左侧,20m,处设置排水洞，同时为达到控制排放的目的，采用“钻孔排水降低水压、高位排水支洞揭通溶洞”的方案，于,2007,年,12,月完成钻孔排水，累计排放,700,余万方。,马 鹿 箐 隧 道,平导排水洞钻孔掌子面,排水洞接管引排,排水支洞排水情况,五、重点岩溶隧道,马鹿箐隧道,2008,年,3,月,31,日排水洞揭通溶洞，掌子面为软塑黏土夹块石，,4,月,10,日至,11,日降雨,60mm,，掌子面被高压溶洞水击溃，大量突水、突泥；,“4.11”,溶洞突水后，受降雨影响，排水洞掌子面被反复淤塞与击溃，共发生,14,次大规模突水突泥，累计突水约,2000,万方，携带大量块石、碎石及淤泥。,马 鹿 箐 隧 道,“,5.10”,排水洞突水录像,溶洞突水携带至隧道内的块石,五、重点岩溶隧道,马鹿箐隧道,2,、工程、水文地质条件,溶洞在,线、,线及排水洞纵向发育长度分别为,23.5m,、,12m,、,16.5m,，在线路左侧发育大于,400m,，向上发育至拱顶以上约,25m,，向下发育至隧底以下约,10m,，充填物为淤泥质黏土夹碎石、块石，局部有较大块石、孤石。,马 鹿 箐 隧 道,“,+978”,溶洞平面示意图,堆积物,岩壁,五、重点岩溶隧道,马鹿箐隧道,根据历次突水情况分析：岩溶水对降雨的响应时间,4,38,小时，岩溶水的峰值滞后时间,10,51,小时，到达峰值后流量衰减到降雨前的时间为,9,88,小时。水量变化受降雨影响十分明显，水源主要由线路左侧,400m,外溶洞管道汇集而来。,马 鹿 箐 隧 道,“+978”,溶洞水文特征示意图,五、重点岩溶隧道,马鹿箐隧道,3,、处理方案,鉴于排水洞成功接通溶洞，实现了释能降压的目的，消除了施工风险，根据溶洞工程、水文地质条件及历次突水突泥情况，隧道穿越溶洞段按照,“,注浆加固、超前支护、综合治理,”,的原则进行处理。,马 鹿 箐 隧 道,“+978”,溶洞典型横断面,五、重点岩溶隧道,马鹿箐隧道,注浆加固：采用超前帷幕注浆加固。,超前支护：拱墙设置密排超前长管棚或小导管预支护。,马 鹿 箐 隧 道,现场帷幕注浆,拱墙管棚施工,五、重点岩溶隧道,马鹿箐隧道,隧道结构：,利用,FLAC,3D,有限差分法对隧道支护结构及围岩稳定性进行了计算分析，采用双层初期支护的加强型衬砌结构，,隧底采用桩基础跨越。,施工方法：采用三台阶分部开挖法。,马 鹿 箐 隧 道,隧道结构图,初期支护变形图（放大）,五、重点岩溶隧道,马鹿箐隧道,安全性监测：为验证支护结构的合理性、总结工程经验、完善设计理论，确保运营安全，对隧道支护结构进行安全性监测，监测项目包括：水压力、围岩压力、初期支护与二次衬砌间的接触压力、初期支护和二次衬砌结构的内力等。,根据近两年的监测结果表明，隧道结构受力正常，处于安全状态。,马 鹿 箐 隧 道,三台阶分部开挖工法,隧道安全监测断面,五、重点岩溶隧道,马鹿箐隧道,1,、地形地貌,（一）工程概况,齐岳山隧道全长,10528m,，最大埋深,670m,，为单面下坡，除出口,704m,为双线车站隧道外，其余地段为单线，在隧道左侧,30m,处设置长,10581m,的贯通平行导坑。,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,1,、地形地貌,隧道进口段穿越齐岳山背斜构造，主要为碳酸盐岩，长约,4.8km,，发育,2,条暗河系统，岩溶、岩溶水极发育；出口段穿越箭竹溪向斜构造，主要为碎屑岩地层，节理裂隙发育，局部地段富含高压裂隙水；中部为得胜场槽谷段，为碳酸盐和碎屑岩接触部位，发育,F9,、,F10,、,F11,断层，并在隧道上方,220m,处发育德胜场大型暗河系统，水量达,40,万方,/,天。,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,1,、地形地貌,（二）,F11,高压富水断层,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,1,、工程地质及水文地质条件,F11,高压富水区域断层，规模宏大，沿隧道长约,240,余米，由灰岩、构造角砾岩、断层泥等组成，岩体破碎，胶结差，围岩级别为,级；,1,、地形地貌,（二）,F11,高压富水断层,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,现场超前地质探孔单孔涌水量达,790m,3,/h,，实测水压达,2.5MPa,，,涌水间断性夹带砂、石；,受位于隧道顶部,220m,的得胜场暗河影响，断层段施工极可能发生大规模突水突泥，处理难度极大，施工风险极高。,掌子面钻孔涌水情况,超前探孔涌水录像,1,、地形地貌,2,、处理措施,针对,F11,高压富水断层的工程水文地质条件，开展了冻结法、全断面注浆法的方案研究与比选，进行了现场放水试验、注浆试验，在系统总结现场试验的基础上，采取,“,排水减压、注浆加固、综合治理,”,的原则进行处理。,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,1,、地形地貌,排水减压：利用超前平导、高位排水支洞、钻孔排水等措施实施排水减压，降低施工风险。,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,F11,断层处理平面图,齐 岳 山 隧 道,注浆加固：采取超前预注浆、必要的径向注浆加固围岩，提高围岩自稳能力，以保障开挖后掌子面和周边无射水、涌水，达到限量排放的目的，确保开挖和支护的安全。,超前支护：根据掌子面的稳定状况，分别采取超前管棚、超前小导管或自进式锚杆等预支护措施。,正洞帷幕注浆情况,超前管棚,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,齐 岳 山 隧 道,支护结构：平导（迂回平导）、排水支洞均采取透水衬砌，正洞,考虑渗流与应力耦合作用，结合现场水压力监测，对隧道结构承受的水压力进行分析折减，拟定了蛋形加强型衬砌结构。,施工方法：采用三台阶分部开挖法。,平导透水结构,正洞加强型衬砌,齐 岳 山 隧 道,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,1,、地形地貌,（三）“,+629”,富水溶洞,1,、工程地质及水文地质条件,该溶洞由隧道右上侧向左下方发育，横向宽度大于,60m,，纵向长度约,9m,，隧底以下约,7.0m,，向左侧平导底部发育深度不详；溶洞以充水为主，溶洞受大气降雨补给，地表降雨经地表溶蚀洼地、槽谷汇集后补给溶洞，实测最大水压,0.68MPa,，预测溶洞五十年一遇最大涌水量,10189m,3,/h,，溶洞储水量达,70,余万方。,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,“,+629,”,溶洞推测形态,“,+629,”溶洞探测,1,、地形地貌,2,、处理措施,受进口工区反坡抽排水能力的限制，前期进行了注浆试验、放水试验，根据试验结果，为确保洞内施工安全，采取迂回绕行后继续正洞施工，待平导贯通后利用平导顺坡排水进行处理。,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,注浆试验,放水试验曲线图,1,、地形地貌,2,、处理措施,平导贯通后，利用顺坡排水的条件，按照,“,排水减压、加强支护、综合治理,”,的原则进行处理。,排水减压：在“,+629”,溶洞小里程掌子面实施钻孔排水，排水过程历时,15,天，总排水量达,70,万方，排水量由初始的,3580m,3,/h,降至,900m,3,/h,，水压从,0.35MPa,降至,0MPa,。,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,“,+629,”,溶洞处理平面图,钻孔排水降压情况,1,、地形地貌,2,、处理措施,爆破揭示：为确保溶洞爆破揭示后洞内的施工安全并满足溶洞处理的需要，在平导,PDK363+650,处向正洞增设排水支洞，通过该支洞爆破揭示“,+629,”溶洞，消除了施工风险。,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,“,+629,”,溶洞处理平面图,爆破后溶洞情况,1,、地形地貌,隧道结构：采取加强型复合式衬砌结构，隧底采用“换填层调整板”的措施进行处理。,岩溶水引排：为了确保该段隧道结构长期运营安全，利用增设的排水支洞对溶洞水进行控制排放。,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,“,+629,”,溶洞处理典型横断面图,排水支洞控制排放情况,1,、地形地貌,该隧道修建历时,6,年之久，建设过程中遭遇大小溶洞,200,余处，穿越了,3,条暗河、,15,条断层，建设期间发生大规模突水突泥,10,余次，淹没隧道,3,次，历尽艰辛，于,2009,年底实现了贯通。,五、重点岩溶隧道,齐岳山隧道,隧道贯通,1,、地形地貌,宜万铁路是我国在鄂西、川东复杂山区修建的一条干线铁路，隧道穿越地区岩溶发育规模、多样性、突水突泥的风险程度及工程处理难度为国内外罕见，工程之艰巨、施工风险之高、环境压力之突出居我国铁路历史之最。,宜万铁路的广大建设者，以科学态度，精心组织、缜密思考，制定各项防范风险机制，开展综合超前地质预测预报技术、富水充填溶洞注浆技术、高压富水条件下隧道结构等专题研究，坚持信息化设计、施工，不断完善设计、施工方案和工程措施，攻克了隧道穿越高压富水大断裂、大型高压富水溶洞、大型地下暗河系统等系列难题，实现了深埋复杂岩溶隧道设计、施工技术实质性突破，谱写了新时期铁路建设的壮丽篇章。,六、结 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