【正文】 山東科技大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文第一章 緒論 工程概述及工程與水文地質(zhì)特征圓梁山深埋特長隧道是渝懷線的關(guān)鍵性控制工程，隧道全長11068m。隧道進口位于細(xì)砂車站懷化端，車站伸入隧道949m，出口緊鄰炭廠河一號大橋。隧道地處渝、鄂、黔三省市毗連地區(qū)，為川東褶皺山地與鄂西山地、貴州高原的接觸帶，屬中、低山地形。主要發(fā)育毛壩向斜、桐麻嶺背斜及伴生斷裂、向斜區(qū)內(nèi)發(fā)育較多橫張斷裂。地貌形態(tài)明顯受構(gòu)造和巖性控制，具帶狀展布特征，以褶皺構(gòu)造為骨架，形成北北東向山脈和縱向河谷相間。隧道穿越烏江水系與沅江水系的分水嶺——武陵山脈。地形條件十分困難，地質(zhì)條件異常復(fù)雜，該隧道被稱為國內(nèi)隧道設(shè)計、施工禁區(qū)。該工程主要工程地質(zhì)問題有：巖溶涌（突）水、高水壓、高應(yīng)力及煤層瓦斯，其中巖溶、高壓富水地質(zhì)是最為關(guān)鍵的問題。[1] 水文、氣象特征本區(qū)水系基本呈格子狀水系，主河流大多沿北北東向發(fā)育。背、向斜中的可溶巖地塊中多為各自封閉的巖溶洼地，難以形成較大的地表徑流。本區(qū)河流除細(xì)紗河屬于烏江水系外，其余均屬沅江水系，兩者分水嶺位于毛壩向斜西翼標(biāo)高1350m以上的長條形山地。本區(qū)氣候溫和，具有春雨、夏旱、秋綿、冬干的特點，℃，℃，℃。，且分布不均勻，主要集中在8四個月，%，各月降雨量、氣候的垂直分帶較明顯，隨海拔高度的增加年平均氣溫降低、雨量增加。 地層巖性本區(qū)廣泛分布巨厚層的海相地層，出露最老的地層為桐麻嶺背斜軸部的寒武系中統(tǒng)高臺組，最新為毛壩向斜部的三疊系下統(tǒng)嘉陵江組，中間缺失整個石炭系、志留系中、上統(tǒng)和泥盆系中、下統(tǒng)。本區(qū)出露地層由新至老分述如下。工程地質(zhì)狀況如圖1所示。（1）三疊系（T）①嘉陵江組（T1j）：灰色薄層至中厚層狀泥巖、白云質(zhì)灰?guī)r，未見頂，與下伏地層整合接觸。屬V級次堅石。②大冶組（T1d）：厚378m，按其巖性可分為三段。大冶組一段（T1d1）：灰綠色薄層狀泥巖夾泥灰?guī)r，底部的黃綠色水云母粘土巖與下伏地層分界，整合接觸，厚17m，屬Ⅳ級軟石。該段在走向上分布不穩(wěn)定，在向斜東翼杉木坳至茨竹壩變薄至尖滅。二段（T1d2）：上部為淺灰色厚層狀鮞粒灰?guī)r及生物碎屑灰?guī)r，厚326m，屬V級次堅石。三段（T1d3）：紫紅色薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r及灰?guī)r，厚34m，屬Ⅳ級軟石。（2）二疊系（P）①長興組（P2c）：灰、深灰色中至厚層狀燧石結(jié)核灰?guī)r，局部地段成為白云巖化的生物灰?guī)r，厚52m，與下伏地層呈整合接觸，屬V級次堅石。②吳家坪組（P2w）：上部為深灰、灰黑色薄至中厚層狀灰?guī)r與硅質(zhì)灰?guī)r不等厚互層；中、下部為厚5～10m灰黑色薄層含炭泥巖及煤層（～）、鋁土質(zhì)泥巖，含較多黃鐵礦結(jié)核，底界面凹凸不平，厚84m，與下伏地層呈假整合接觸，屬Ⅳ級軟石～Ⅴ級次堅石。③茅口組（P1m）：淺灰、灰色厚層狀灰?guī)r，含少量燧石結(jié)核，下部為灰黑色中厚層狀瀝青質(zhì)灰?guī)r，含透鏡狀有機質(zhì)泥巖及燧石結(jié)核，俗稱“眼球狀灰?guī)r”，厚249m，與下伏地層呈整合接觸，屬V級次堅石。④棲霞、梁山組（P1l+q）：灰、深灰色中厚層狀灰?guī)r與灰黑色瀝青質(zhì)泥巖，厚183m，屬V級次堅石。，（3）三疊系（D）本區(qū)內(nèi)殘留上統(tǒng)水車坪組（D3s）：厚40m，屬Ⅳ級軟石，與下伏地層呈假整合接觸。巖性由上至下分別為：灰、黃色中厚層狀灰?guī)r，黃綠、紫紅色泥巖。（4）志留系（S）志留系在中部為黃綠色，紫紅色薄層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖，下部為灰綠色薄至中厚層狀粉砂巖與砂質(zhì)泥巖不等厚互層，底部為黃綠色、黑色粉砂質(zhì)頁巖，厚1960m，與下伏地層呈整合接觸，屬Ⅳ級軟石。（5）奧陶系（O）①奧陶系中、上統(tǒng)（O2+3）：由上至下分別為黑色薄層狀頁巖、深灰色含泥灰?guī)r（瘤狀灰?guī)r），灰色中厚層狀龜裂紋灰?guī)r，下部為灰、灰綠色瘤狀灰?guī)r，厚75m，與下伏地層呈整合接觸，屬Ⅳ級軟石～V級次堅石。②大灣組（O1d）：上部為灰綠色薄層狀粉砂巖夾鈣質(zhì)泥巖；中部為紫紅色薄至中厚層狀泥灰?guī)r；下部為灰綠色、紫紅色薄層狀鈣質(zhì)泥巖，厚145m，與下伏地層呈整合接觸，屬Ⅳ級軟石。③紅花圓、分鄉(xiāng)及南津關(guān)組（O1n+f+h）：上部灰至深灰色厚層狀結(jié)晶灰?guī)r；中部為灰綠色薄層狀灰?guī)r與鈣質(zhì)泥巖互層；下部為灰色中至厚層狀灰?guī)r，含白云質(zhì)及燧石結(jié)核；底部為厚30～40m灰色厚層狀生物碎屑灰?guī)r，含較多介殼化石，厚254m，與下伏地層整合接觸，屬V級次堅石。（6）寒武系（∈）①毛田組（∈3m）：灰色中厚狀含白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖，上部夾竹葉狀灰?guī)r及燧石結(jié)核；具渦卷狀構(gòu)造，底部具假鮞狀結(jié)構(gòu)，厚190m，與下伏地層整合接觸，屬V級次堅石。②耿家店組（∈3g）：灰色中至厚層狀結(jié)晶白云巖，細(xì)至中晶結(jié)構(gòu)，砂狀斷口，下部含灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，厚333m，與下伏地層整合接觸，屬V級次堅石。③平井組（∈2p）：灰色薄至中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，常具渦卷狀構(gòu)造，偶見豹皮狀構(gòu)造，底部為黃色薄層狀泥質(zhì)白云巖夾鈣質(zhì)泥巖，厚373m，與下伏地層整合接觸，屬V級次堅石。④高臺組（∈2g）：零星出露于背斜軸部，本區(qū)內(nèi)未見底，巖性為灰色中厚層狀白云巖，屬V級次堅石。 地質(zhì)構(gòu)造本區(qū)構(gòu)造單元屬揚子準(zhǔn)地臺東南部的上揚子臺坳，為川東陷褶束之秀山穹褶束與黔江凹褶束結(jié)合部。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育毛壩向斜、桐麻嶺背斜及伴生斷裂，次級褶皺不發(fā)育，僅在桐麻嶺背斜西翼發(fā)現(xiàn)一次級褶曲，向斜區(qū)內(nèi)發(fā)育較多橫張斷裂。在地表DK352+710～DK355+600為二疊系（P）、三疊系下統(tǒng)（T1）可溶巖地層構(gòu)成的毛壩向斜地段，DK351+465～DK352+710和DK355+600～DK357+820為泥盆系（D）、志留系（S）非可溶巖地層構(gòu)成的翼部地段，DK357+820～DK362+530為寒武系（∈）、奧陶系（O）可溶巖地層構(gòu)造的桐麻嶺背斜地段，DK358+750～DK358+900為耿家店組（∈3g）可溶巖地層構(gòu)成的冷水河淺埋段，此段隧道埋深約150～180m。測區(qū)內(nèi)斷裂主要為NNE向的縱向斷裂和NWW向的橫向斷裂，形成了燕山期。測區(qū)內(nèi)共有13個斷層，其中桐麻嶺背斜區(qū)3條，毛壩向斜區(qū)10條，除FFFF0F02為走向逆斷層，具壓性特征外，其余均為橫向斷層，具張扭特性。 隧道通過地帶巖溶和巖溶水發(fā)育分布特征（1）毛壩向斜通過地帶巖溶和巖溶水隧道穿越毛壩向斜富水區(qū)長度2200m，通過泥盆系（D3S）中厚層灰?guī)r、泥巖，二疊系棲霞、梁山組（P1l+q）中厚層灰?guī)r與泥巖互層，二疊系茅口組（P1m）厚層灰?guī)r，二疊系吳家坪組（P2w）中厚層灰?guī)r、中下部含炭泥巖及煤層（～）。向斜翼部最大埋深780m，核部最小埋深550m。該段正常涌水量55000m3/d，最大涌水量83000m3/d，特大暴雨之后，可達200000m3/d。毛壩向斜與區(qū)域主要構(gòu)造形跡的產(chǎn)狀一致，其南段呈北北東向，而向北漸變?yōu)楸睎|向，總體形貌呈向北西凸出的弧形。兩翼為下古生界，核部為上古生界中古生界，核部向斜的形態(tài)呈長舟形狀。南北長65km，東西寬2～；平面形態(tài)呈“S”狀；總體走向為北東～南南西向；兩端分別向北東和南南西方向揚起。（2）冷水河淺埋段巖溶和巖溶水DK358+750～DK358+900段為∈3g可溶巖地層構(gòu)成的冷水河淺埋段，此段隧道埋深約150～180m左右。 ∈3g地層因冷水河河谷深切，風(fēng)化與卸荷回彈致使淺部0～75m段裂隙相當(dāng)發(fā)育，通過地表河水動態(tài)觀測，表明冷水河在隧道通過地帶存在滲漏。該段正常涌水量10000m3/d，最大涌水量15000m3/d。從位于背斜西翼冷水河邊Ddzy5鉆孔的鉆探結(jié)果來看，地下水具承壓性，（），淺部比深部巖溶發(fā)育。淺部（75m以上）巖溶發(fā)育以溶蝕裂隙及蜂竄狀溶孔為主。溶蝕裂隙多為直立的溶蝕裂隙與沿層面發(fā)育的溶蝕裂隙，地下水為巖溶孔隙～裂隙水，巖石滲透性較好（k∈3g淺=）；深部（100m以下）巖溶發(fā)育較差，以孤立的溶孔為主。而且不連續(xù)，偶見蜂窩狀溶孔，見少量溶蝕裂隙；地下水主要賦存于溶孔中，巖層滲透性較淺部差（k∈3g深=）。（3）桐麻嶺背斜核部巖溶和巖溶水桐麻嶺背斜區(qū)在本區(qū)內(nèi)為四周被地表水系所切割的單獨水文地質(zhì)單元，地下水為寒武、奧陶系下統(tǒng)的巖溶水。DK357+655～DK358+750地段屬奧陶系中、上統(tǒng)（Q2+3）、下統(tǒng)的大灣組（Q1d）、紅花圓和分鄉(xiāng)及南津關(guān)（O1n+f+h）、寒武系上統(tǒng)的毛田組（∈3m）、耿家店組（∈3g）等以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主構(gòu)成的桐麻嶺背斜西翼部分，其預(yù)測正常涌水量為4300m3/d，最大涌水量為6450m3/d。DK358+750～DK358+900地段屬桐麻嶺背斜西翼寒武系耿家店組（∈3g）的白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r為主的冷水河淺埋段，其預(yù)測正常涌水量為10000m3/d，最大涌水量為15000m3/d。DK358+900～DK359+925地段屬桐麻嶺背斜核部西部寒武系耿家店組（∈3g）、平井組（∈2p）、高臺組（∈2g）以白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r為主地段，其正常涌水量為：6840m3/d，預(yù)測最大涌水量為10300m3/d。DK359+925～DK360+675地段屬桐麻嶺背斜核部西部寒武系平井組（∈2p）、高臺組（∈2g）以白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r為主地段，其預(yù)測正常涌水量為4890m3/d，最大涌水量為7350m3/d。DK360+675～362+530地段屬桐麻嶺背斜核部東部及東翼寒武系高臺組（∈2g）、平井組（∈2p）、耿家店組（∈3g）、毛田組（∈3m）及下奧陶（O1n+f+h）以白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r為主地層的地段，其預(yù)測正常涌水量為12100m3/d，最大涌水量為18200m3/d。（4）隧道涌水量及毛壩向斜區(qū)水壓預(yù)測①全隧道總涌水量預(yù)測□全隧道正?？傆克繛椋?04m3/d?！跞淼勒？傆克繛椋?04m3/d。□特大暴雨之后，全隧道最大涌水量可能達30104m3/d以上。②毛壩向斜區(qū)水壓預(yù)測根據(jù)深孔鉆探資料證實存在P2w+c、P1q+m兩層呈壓水。相對于隧道洞身標(biāo)高而言，其靜水頭（H）：P1q+m為460m，P2w+c為446m。這表明在隧道洞身處確實存在P1q++。[3] 研究的必要性國內(nèi)外在高水壓、富水、巖溶地層修建的隧道不多，施工技術(shù)并不成熟。，埋深最淺處距海底100m（此處海水深140m），共有10多條大斷層和1000多條小斷層，大斷層的影響大，近斷層處的破碎帶海水易灌入，施工過程中曾遇到四次大的突水、涌泥。例如：1974年1月8日，吉岡作業(yè)坑最大涌水量達15840m3/d，采用注漿堵水法直接通過，處理時間為362天；1976年5月6日，吉岡作業(yè)坑又發(fā)生100800 m3/d涌水，采用遇回導(dǎo)坑法通過，處理時間為162天，給施工造成了很大損失。青函隧道的灌漿材料主要為礦渣膠體水泥和（S）№1水玻璃漿，灌漿泵主要為雙液注漿泵，灌漿最高壓力為8MPa左右，基本上采用全孔一次性灌注，其完工時的漏水量為45 m3/s，現(xiàn)在還有28 m3/s，每年的排水費用高達3000萬日元。大瑤山隧道F9斷層（DK4+600～DK5+065）為區(qū)域性大斷層，其上盤為擠壓破碎富水的石英砂巖，地下水位高出洞頂400m；下盤為強裂片理化、千枚化并受強烈切割的灰?guī)r；核心帶為40m寬的膨脹性斷層泥。1988年6月11日，DK4+850處發(fā)生涌水，其正常涌水量為15000～28000 m3/d，峰值涌水量高達42000m3/d。主要原因是，隧道內(nèi)地下水不僅以垂直巖溶管道形式和地面水有水力聯(lián)系，而且還通過各種裂隙、孔道使斷層上盤與下盤發(fā)生水力聯(lián)系。針對這一情況，在洞內(nèi)采用了周邊預(yù)注漿，徑向注漿和圍截堵水注漿等地層加固方法使隧道順利通過。但在運營過程中，隧道的F9斷層區(qū)域又不斷出現(xiàn)涌水、涌砂，造成中斷行車的事故。地下水大量流失，造成隧道底部鄱漿冒泥，拱墻滲漏水，地表出現(xiàn)多處陷坑，給隧道周圍環(huán)境帶來了不利影響，為此1990年鐵道部專門組織成立了“大瑤山隧道治水技術(shù)攻關(guān)組”，采取了地表注漿加固等技術(shù)措施進行處理，雖然取得了一定效果，但仍未達到根治地下水的目的，為些，2000年又利用出口及滑石排斜井打排水平洞放水，取得了較好的效果，但由于種種原因，排水平洞未達到F9斷層，因此洞內(nèi)涌水、涌砂影響行車問題能否徹底解決還有待于進一步研究與觀察?？傊?，從國內(nèi)外的施工實例及發(fā)展趨勢來看，高水壓、富水、巖溶地段的注漿理論還不成熟，堵水及巖溶的處理技術(shù)有待發(fā)展，注漿材料、注漿方式、注漿參數(shù)等等內(nèi)容還需進一步的研究和完善。根據(jù)國內(nèi)外施工實例來看，針對圓梁山隧道高壓富水這一特點，若施工中采取大量排水將引起巖溶地下水水位大幅度下降造成翼部暗河出口水量減小，甚至可能被襲奪疏干；水位大幅下降，水力梯度大幅增加，溶蝕加強，隨著時間的推移，隧道通過地帶村民引飲水水源的局部運流系統(tǒng)小巖溶泉水點將被襲奪疏干，從而增加了居民生產(chǎn)、生活用水的困難；由于隧道和地下水的埋深均較大，地表松散層很薄，疏干排水甚至可能產(chǎn)生危及生命、財產(chǎn)安全的大面積巖溶塌陷；局部溶洞充填物或溶蝕漏斗、洼地覆土層被巖溶水水流不斷攜帶，可能產(chǎn)生局部地面巖溶塌陷或開裂；同時，堵水施工又是保證安全開挖的前提，因而，經(jīng)過多次專家會議論證，為確保圓梁山隧道修建成功，為確保圓梁山隧道修成后的“綠色工程”，圓梁山隧道采取“以堵為主、限量排放”的原則實施各項工程技術(shù)措施。依托圓梁山隧道工程，對高壓、富水、巖溶隧道進行注漿技術(shù)研究是十分必要的。[6][7][11][12][13] 國內(nèi)外注漿技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀注漿用于堵水和改良地層已有盡二百年的歷史。早在1802年法國人別魯尼第一次用撞擊泵向地層中注入粘土和水凝性石膏來穩(wěn)定地層；自1824年發(fā)明波特蘭水泥后，1885年德國人提琴斯首先采用向巖層裂隙注入水泥漿的方法，來防止涌水取得成功，并在歐洲礦山建設(shè)中廣為應(yīng)用。1920年，荷蘭人尤斯登發(fā)明用水玻璃氯化鈣漿液分開注入地層，利用兩種漿液的化學(xué)反應(yīng)加固地層。日本于1924年在舊丹那鐵路隧道中，采用水泥水玻璃混合漿液注入斷層破碎帶，取得了良好的效果，以后在隧道工程中廣泛應(yīng)用。注漿經(jīng)過二百年的發(fā)展，由開始的單液注漿發(fā)展到多液注入；漿材由粘土類發(fā)展到高效無毒易注的化學(xué)類漿；設(shè)備由單一的注漿設(shè)備發(fā)展到勘測、制漿、灌注、記錄、檢查分析配套專用設(shè)備。工藝技術(shù)日臻完善，應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛。在我國應(yīng)用注漿只有幾十年的歷史，但真正發(fā)展是從1955年開始的。材料從水泥漿發(fā)展到水泥水玻璃雙液漿、化學(xué)漿等