Prevention and treatment technologies of railway tunnel water inrush and mud gushing in China

Water inrush and mud gushing are one of the biggest hazards in tunnel construction. Unfavorable geological sections can be observed in almost all railway tunnels under construction or to be constructed, and vary in extent. Furthermore, due to the different heights of mountains and the lengths of tunnels, the locations of the unfavorable geological sections cannot be fully determined before construction, which increases the risk of water inrush and mud gushing. Based on numerous cases of water inrush and mud gushing in railway tunnels, the paper tries to classify water inrush and mud gushing in railway tunnels in view of the conditions of the surrounding rocks and meteorological factors associated with tunnel excavation. In addition, the causes of water inrush and mud gushing in combination of macroand micromechanisms are summarized, and site-specifc treatment method is put forward. The treatment methods include choosing a method of advance geological forecast according to risk degrees of different sections in the tunnel, determining the items of predictions, and choosing the appropriate methods, i.e. draining-oriented method, blocking-oriented method or draining-and-blocking method. The treatment technologies of railway water inrush and mud gushing are also summarized, including energy relief and pressure relief technology, advance grouting technology, and advance jet grouting technology associated with their key technical features and applicable conditions. The results in terms of treatment methods can provide reference to the prevention and treatment of tunnel water inrush and mud gushing.

Formation mechanisms of water inrush and mud burst in a migmatite tunnel：a case study in China

This paper presents a case study of water inrush and mud burst occurring in a migmatite tunnel to study its formation mechanisms. The geological investigation and mineralogical analysis showed that water inrush and mud burst in the migmatite was closely related to the component of the host rock. High content of soluble minerals,e.g.,calcite and dolomite,would make the migmatite rock prone to be fragmentized,isintegrated and eventually form different sorts of connected or semi-connected veins. The field exploration revealed most cavities in the magmatite tunnel were eroded by groundwater and formed large interconnected networks. The two faults and the dike in the magmatite tunnel became the preferred paths and provided great convenience for plenty of precipitation and mud slurry. Due to high water pressure and blast disturbance,the cavities can soon connect each other as well as all sorts of veins,forming a complex ground channel for water inrush and mud burst. To estimate the potential occurrenceof water inrush and mud burst,the water bursting coefficient was employed. The results showed the water bursting coefficient of the magmatite tunnel was much bigger than the threshold values and it can be used to explain the accident of water inrush and mud burst occurring in the magmatite tunnel.

Structural mechanism and construction method of mud and water inrush in Xiangyun tunnel of Guangtong-Dali railway

Mud and water inrush in tunnel is a common problem in the construction process. Nowadays, the research and classification on this are mostly focused on karst situations. According to the characteristics of the surrounding rock and damage forms of the tunnel in the studied area, the author analyzed the geological and structural characteristics of mud and water inrush in tunnel and obtained their construction type. Meanwhile, the advanced water detection under the complex geological conditions was studied by using induced polarization method, transient electromagnetic method and three-dimensional seismic method, it can be concluded that the water-rich fracture zone exists within the detection range with a risk of large mud and water inrush disaster. The concrete construction treatment measures are put forward:①cement-water glass binary slurry is selected as the material for ground and hole grouting, its advantage is that the gel time can be controlled, and it has certain grout ability in the strata with large permeability coeffcient, which is conducive to excavate construction immediately after grouting.②applying the mature retrograde grouting construction can reduce grouting time and improve the excavation efficiency.

Detection and treatment of water inflow in karst tunnel：A case study in Daba tunnel

In a karst tunnel, fissures or cracks that are filled with weathered materials are a type of potential water outlet as they are easily triggered and converted into groundwater outlets under the influence of high groundwater pressure. A terrible water inrush caused by potential water outlets can seriously hinder the project construction. Potential water outlets and water sources that surrounding the tunnel must be detected before water inflow can be treated. This paper provides a successful case of the detection and treatment of water inflow in a karst tunnel and proposes a potential water outlet detection(PWOD) method in which heavy rainfall(>50 mm/d) is considered a trigger for a potential water outlet. The Daba tunnel located in Hunan province, China, has been constructed in a karst stratum where the rock mass has been weathered intensely by the influence of two faults. Heavy rain triggered some potential water outlets, causing a serious water inrush. The PWOD method was applied in this project for the treatment of water inflow, and six potential water outlets in total were identified through three heavy rains. Meanwhile, a geophysical prospecting technique was also used to detect water sources. The connections between water outlets and water sources were identified with a 3-D graphic that included all of them. According to the distribution of water outlets and water sources, the detection area was divided into three sections and separately treated by curtain grouting.

岩溶隧洞突涌水灾害风险评价研究

受复杂地质条件的影响,岩溶隧洞在施工过程中极易发生突涌水灾害。为准确评估岩溶隧洞突涌水风险等级,将结构方程模型(SEM)与改进的模糊综合评价法(FCEM)相结合,构建岩溶隧洞突涌水风险评价模型。从地形地貌、气象水文、地层因素、地质构造、岩溶水文地质、施工因素6个方面深入研究;利用SEM确定各指标标准化路径系数并求得其权重,运用改进FCEM法对岩溶隧洞突涌水风险等级进行评价;以滇中引水工程昆呈隧洞为应用实例,利用Crystal Ball软件验证模型的有效性。结果表明:昆呈隧洞有90%的几率处于52~73分值区间范围内(Ⅲ级风险),与现场实际情况一致,表明基于SEM-改进FCEM法构建的岩溶隧洞突涌水风险评价模型具有一定的适用性;其中岩溶水文地质、地质构造、气象水文是该隧洞的主要影响因素,施工中应加强对这几方面的监控和量测,避免发生突涌水灾害。研究成果可为类似岩溶隧洞工程提供参考。

基于三维离散-连续耦合的岩溶隧道突水破坏模式研究

岩溶隧道在修建的过程中难以避免接近溶腔甚至高承压水溶腔,而突水破坏极易引发安全事故甚至对隧道产生不可逆的影响,因此对岩溶隧道突水破坏模式的研究有利于解决相关安全问题,并对选线安全具有一定参照意义。通过三维离散-连续耦合数值技术,对微观离散颗粒物理、力学参数进行标定并验证,模拟水压作用下下伏溶腔与隧道仰拱之间的防突岩体垮塌过程。根据试验结果将防突岩体的破坏模式分为3类:剪切破坏模式、弯折破坏模式和复合破坏模式。弯折破坏模式表现为防突岩体中部和两端拉伸裂缝呈贯通状;剪切破坏模式表现为防突岩体两端裂缝呈剪切态;复合破坏模式则同时具有二者的共同特性。3种破坏模式所引起的裂缝发育规律相似,均可分为初始发育、快速发育和平缓发育3个阶段。初始发育阶段时防突岩体所存在的裂缝数量较少;维持水压力防突岩体的裂缝数量突增并进入快速发育阶段;而后防突岩体中的裂缝产生贯通效果进入平缓发育阶段,最终防突岩体整体垮塌。由此得出结论:突水破坏在岩溶隧道中是一个渐变的过程,但对岩溶隧道总体安全性有不可逆的影响。

穿越复杂岩溶环境的特长隧洞涌突水危险性评价——以滇中引水工程小扑隧洞为例

在复杂岩溶区,涌突水危险性评价是保障隧洞施工安全的重要工作内容之一。以滇中引水工程玉溪红河段小扑隧洞为例,在分析隧洞地质与水文地质条件的基础上,综合考虑岩石的可溶性、地质构造因素、地表汇水条件、地下水化学特征、隧洞埋深与地下水位的关系5个控制性因素,采用岩溶隧洞涌突水危险性评价系统对隧洞的涌突水危险性进行了预测与验证。结果表明:小扑隧洞北段位于鲁纳寺—牛恋村岩溶子系统的径流区。在丰水期,隧洞岩溶涌突水中危险区、高危险区、极高危险区的长度占比分别为15.8%,55.4%,28.8%。小扑隧洞南段位于西河和祭天山—黄营岩溶子系统的补给、径流区。在丰水期,隧洞涌突水中危险区、高危险区、极高危险区的长度占比分别为7.4%,52.7%,39.9%。施工阶段,小扑隧洞北段主洞揭露暗河管道,发生涌突水事故,2#支洞发生突水涌沙事故,与对应的涌突水高-极高危险性结果吻合。涌突水危险性评价结果有效地支撑了隧洞的涌突水灾害防治与安全施工。

高压富水硬岩地层双护盾TBM前置式超前注浆堵水技术研究

晋中引黄输水隧洞双护盾TBM施工穿越高压富水裂隙,掌子面高压大流量突涌水严重,采用常规后置式超前注浆技术对掌子面突涌水进行超前处置效果不佳,主要原因是受外插角影响,采用常规后置式超前注浆存在注浆目标区域受限、钻探效率低、超前注浆控制难度大等问题,难以形成有效的止水帷幕结构。对隧洞水文地质条件、突涌水情况及超前注浆技术进行系统研究分析,提出双护盾TBM前置式超前注浆堵水工艺,通过优化注浆设备,在掌子面处实施超前注浆堵水。开展现场注浆试验,对坚硬岩面钻孔施工、注浆材料、注浆参数控制及注浆段长优化等技术进行研究,并根据现场试验信息,不断优化注浆设备及工艺。通过对晋中引黄输水隧洞实施前置式超前注浆堵水技术,洞内平均出水量降至3 702m~3/d,降幅达75.9%,同时在一定程度上提高了TBM施工效率。实践证明该技术方法有效。

基于水-岩相互作用的富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征

为研究开挖卸荷和水力荷载耦合作用下富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征,以沈白高铁西谷隧道工程为依托,考虑不同富水破碎带构造形式及地下水赋存特征,开展隧道突涌灾害演化过程研究。基于水-岩相互作用原理,建立三维离散元粘合块体-裂隙流耦合模型,明确不同地质构造特征下的隧道突涌灾害模式,分析破碎岩体裂隙扩展和地下水渗流的时空演化规律。研究结果有:引入黏合块体模型和裂隙流组合模型,建立了富水断层破碎带水岩相互作用力学模型,再现了富水破碎带隧道突涌灾害演化过程。不同富水破碎带构造形式引起的突涌灾变模式差异显著,且具有不同的触发条件和表现形式。断层破碎带倾角为45°时,破碎岩体沿掌子面下部溜塌涌入隧道,倾角为90°时,围岩向掌子面挤出,倾角为-45°时,表现为拱顶围岩垮塌。富水破碎带突涌灾害程度随着水头增大而加剧,其中倾角为-45°时,突涌灾害程度受水头高度的影响最显著,倾角为90°时,水头高度影响相对较弱,但突涌灾害程度最严重。

暗河发育区岩溶隧道突涌水洪峰流量估计

地下暗河是岩溶隧道建设与运营重大的安全风险,暗河发育区岩溶隧道突涌水洪峰估计是岩溶隧道施工抢险与后期处治方案制定的重要基础数据。地下暗河洪峰流量不仅由岩溶区水文地质条件控制,而且还受到暴雨期地表径流补给的影响。本文结合实测数据和统计数据,围绕小流域暴雨资料推求出地表汇流洪峰和地下暗河汇泄流洪峰,提出了一种考虑地表径流补给的暗河发育区岩溶隧道突涌水洪峰估计方法,并结合翠屏隧道的地形地貌、水文地质与实测涌水资料,开展了案例分析计算并比较实测涌水量。表明传统涌水预测方法无法考虑暗河与地表水补给的影响,与实测结果差距很大,本方法能够较好预测岩溶区因地表汇水补给暗河发育区隧道突涌水洪峰,为隧道防洪护堤高度、涵管过水容量设计、洪峰避险时间提供重要支撑,保障隧道施工与运营安全。

MODFLOW-CFPv2 模型在岩溶隧道突涌水及对地下水环境影响中的应用: 以云南鹤庆锰矿沟岩溶水系统为例

滇中地区构造复杂、岩溶发育,隧洞突涌水及泉流量衰减是隧洞施工过程中最棘手的问题之一。锰矿沟岩溶水系统岩溶管道化程度高,岩溶裂隙与岩溶管道2种含水介质差异显著。采用MODFLOW-CFPv2双重介质数值模型对锰矿沟岩溶水系统展开数值模拟研究,精细刻画岩溶管道与引水隧洞,进而掌握隧洞施工对地下水流场影响以及泉流量变化的规律。结果表明:(1)MODFLOW-CFPv2模型能够刻画岩溶地区复杂的地质结构,较好地模拟研究区地下水位的动态特征和岩溶泉流量响应特征。(2)在强排工况下隧洞单位长度最大涌水量为164 m^(3)/(d·m),单位长度稳定涌水量为69 m^(3)/(d·m),锰矿沟岩溶泉流量也出现显著下降的趋势,在模拟期内平均泉流量从天然条件下1578 L/s下降至1098 L/s,总体减少了30.4%;峰值泉流量从2133 L/s下降至1375 L/s,减少了35.5%,强排工况施工会对隧洞工程施工和地下水环境造成显著影响;限排工况下隧洞单位长度最大涌水量为39 m^(3)/(d·m),单位长度稳定涌水量为24 m^(3)/(d·m),隧洞单位长度涌水量显著降低,锰矿沟岩溶泉流量的下降趋势也得到了一定程度的改善,模拟期内平均泉流量降低至1284 L/s,减少了18.6%,峰值泉流量降低至1617 L/s,减少了22.1%。采用的MODFLOW-CFPv2双重介质模型具有较精确刻画岩溶区管道、溶洞、裂隙共存的高度非均质岩溶水系统的能力,能够定量评价香炉山隧洞施工对锰矿沟岩溶水系统地下水流场及泉流量的影响,为香炉山隧洞工程的突涌水灾害防治提供参考依据,也为岩溶地区复杂地质条件下地下水研究提供借鉴经验。

岩溶地区隧道围岩临界防突厚度数值分析

依托某隧道工程,基于岩溶地区地质特征建立了岩溶隧道围岩结构概化数值模型,分析充水溶洞位于隧道不同位置、各工况下岩溶隧道防突层破坏过程及规律,提出了不同位置下围岩临界防突层厚度。研究结果表明:岩溶的发育规模、岩层厚度、溶洞位置和岩溶水压均为突水灾害发生的主要影响因素;溶洞位于拱腰时,塑性区最大变形发生在岩溶隧道防突岩层中心,从位移、应力和孔隙水压变化规律可知,溶洞位于隧道拱腰时,对隧道围岩稳定性影响较大;由数值模拟结果可知,各工况下未发生塑性贯通区的位置及临界防突层厚度。研究成果可为岩溶区隧道建设及工程施工中的突涌突水灾害预测提供科学依据。

富水地层破碎围岩浅埋隧道突水涌泥段大变形处置措施

松散围岩隧道施工中发生突水涌泥危险性极大,处理不慎容易发生二次事故,造成较大的人员财产损失。以牛拦岗隧道左线Z2K219+077及右线K219+081的突水涌泥段的大变形事故为背景,深入分析了项目施工过程中的各种危险因素以及事故的产生原因,并以此提出了一种洞内拱顶环向一圈帷幕注浆加固围岩,并用临时止浆墙来稳定掌子面的方法来抑制突水涌泥以及拱顶大变形现象。根据现场的实际监控量测数据,验证了该方法能有效抑制隧道施工过程中的拱顶沉降速率,对于处置突水涌泥段的大变形问题有实际的可行性。

隧洞突涌松散介质注浆加固技术与效果评价

为解决滇中引水工程中狮子山隧洞施工中遇到的突泥、突水问题,采用帷幕预注浆技术进行地层加固处治。针对2处地质构造和突涌介质堆积体不同的工程特性,提出了岩石碎屑高压喷射灌浆加固技术和泥质介质渗透性注浆加固技术,并对岩石碎屑高压喷射注浆与泥质介质注浆加固机理、帷幕注浆设计方案、施工工艺和技术、注浆效果综合评价方法进行了深入研究论证。应用结果表明,隧洞突涌体纵向加固范围为30m,径向加固范围为轮廓线以外5m,注浆加固形成了稳定的复合承载帷幕体,确保了该隧洞突涌灾害处治科学可靠,实现了突涌洞段安全掘进。

复杂地质条件下岩溶台地隧道灾变风险评估:以安平隧道为例

复式向斜岩溶台地地质条件复杂,隧道穿越时,多发生突水涌泥等地质灾害。以安平隧道为例,在隧道线路设计初期,从地质角度出发,分析隧道线路范围内存在的5个主要地质问题及可能发生的地质灾变风险,并逐一对其进行评估和评价;采用宜避不宜扰的地质选线理念,根据评价结果选择路线绕避方案和确定平纵设计指标。研究成果对类似复杂地质条件下的岩溶台地隧道地质选线和路线设计具有一定的借鉴意义。

综合超前地质预报技术在格莱村隧道中的应用

随着我国西南地区岩溶隧道建设数量的逐年增加,隧道施工过程中经常遇见坍塌掉块、突水涌泥等病害,给隧道施工造成了较大的困扰。因此,利用地质调查法、地质雷达法、地震波反射法、超前钻探法、综合预报法相结合的综合超前地质预报技术,对格莱村隧道掌子面前方及洞周影响范围内的工程地质特性和水文地质条件进行勘探,以确保岩溶隧道施工安全。结果表明:格莱村隧道综合超前地质预报效果良好,充分发挥了各超前地质预报方法的优势,提高了超前地质预报的精准度,有效预防了坍塌、掉块、突水、突泥等地质灾害的发生,降低了岩溶隧道的施工风险。

深埋隧道溶洞岩体防突层安全厚度研究

为防治深埋岩溶隧道开挖诱发的围岩突水灾害,文中依托巫镇高速笔架山隧道,在考虑溶洞水压条件下研究了充水溶洞位于隧道不同方位、不同距离以及不同埋深时隧道围岩塑性区变化规律。研究结果表明,溶洞位于隧道底部时洞内水压对岩体支护作用最为显著,但该位置的防突层安全厚度受隧道埋深影响最大;溶洞位于隧道顶部时防突层安全厚度对隧道安全影响最大;防突层安全厚度随着隧道埋深的增大而增加;计算所得最小安全厚度为3.9~13.1m,在任意位置情况下,防突层安全厚度均随隧道埋深增大而增加,该预测模型可为隧道突水灾害防治提供参考。

柳家村隧洞水化学特征分析及涌水水源判别方法研究

柳家村隧洞作为滇中引水工程的重要组成部分,在开挖过程中需穿越高水位富水地层,因而容易发生突涌水事故。隧址区地处红层,地下水作为当地居民生产生活的重要水源,因此揭示研究区地下水水化学特征,构建涌水判别模型,对于当地地下水资源的开发利用具有重要意义。分别从3个不同含水层中采集了11组地下水水样以及2个施工支洞的2组涌水水样,运用Piper三线图、离子比例系数、水化学指标相关性分析等方法揭示了区域地下水水化学特征;以主成分分析法和Fisher判别法作为基础模型,构建了一种由R型聚类分析、主成分分析、Fisher判别分析三者耦合的涌水水源快速判别模型,该模型可以较好地适用于水样数据较少的地区;此外,利用柳家村隧洞的实际样本数据,对该模型进行了验证,并与主成分分析、Fisher判别分析两者结合的方法进行了对比。结果表明:地下水中离子成分主要来源于地层中的方解石、白云石、石膏、芒硝等矿物的溶解;利用本文提出的涌水水源快速判别模型判别涌水水源的精度相比于主成分分析、Fisher判别分析两者耦合的方法提高了9.1%。

不同位置承压溶洞对隧道施工影响研究

承压溶洞作为典型不良地质条件,在隧道近接其施工时,容易因为地层渗流的增加及塑性区的发展,产生突水突泥灾害,威胁到隧道施工安全。以金岩隧道工程为例,采用数值模拟手段,研究了近接不同位置(拱顶、边墙、拱底)承压溶洞时,地层与隧道结构的位移与渗流特点。结果表明:溶洞位于拱顶、边墙、拱底的地表最大沉降分别为3.10 cm、3.00 cm、2.93 cm。说明当拱顶存在溶洞时,地表变形最为危险,而拱底溶洞对隧道施工产生的地层扰动影响最小;随着向掌子面的靠近,地层渗流速度逐渐提高,且在临近掌子面时流速呈现陡增形态。3种工况中流速极值分别为0.026 cm/s、0.027 cm/s、0.030 cm/s,拱底流速最大,这是因为拱底溶洞埋深最大,溶洞压力水头最大所导致。当承压溶洞临近隧道边墙时,地层塑性区向溶洞贯通,再结合地层渗流分布,可见此工况最容易发生突水突泥灾害。

青海省锡铁山矿区坑道钻探技术研究

近几年,锡铁山主矿带逐步进入深部找矿,在矿井下主要借助坑道钻探查明深部矿床分布与储量,在实施坑道钻探过程中面临机场硐室支护、破碎地层钻进、水敏地层护壁取心、涌水地层处理等挑战,如果处理不当会造成机场硐室掉块、坍塌,钻孔出现卡钻、埋钻、坍塌等事故,严重时造成钻孔报废,制约了找矿进程。针对上述复杂地层钻进技术难点,开展加强硐室支护、选择合理钻进参数、优化钻孔结构、制定复杂地层冲洗液配方以及使用速凝水泥封堵等技术措施研究,保障了坑道机场的施工安全,有效解决了该区多种复杂地层的钻进难题,降低了孔内事故发生率和钻孔报废率,提高了钻探效率和钻探质量,为后续相似地层钻探施工提供了参考。