不良地质条件下隧道施工关键技术1

隧道工程第十章不良地质和特殊地质地段隧道施工★知识目标：了解隧道通过特殊地质地段施工时应注意的关键技术；熟悉膨胀性岩土的基本特征；掌握膨胀性围岩地段隧道施工要点；了解黄土、溶洞的分类及其对隧道施工的影响；掌握黄土地段隧道施工方法及注意事项；掌握溶洞、松散地层、流沙、高地温地段隧道的处理措施及注意事项；掌握坍方、瓦斯事故的预防与处理措施；熟悉隧道内岩爆的特点、产生条件、防治措施及施工注意事项。★能力目标：能判断各种不良和特殊地质地段；能够在充分调查研究的基础上，根据围岩级别结合施工单位的具体情况，综合考虑各方面的因素，拟定施工方案，制定相应的施工方法和技术措施。隧道工程第一节概述一、不良和特殊地质地段（一）不良地质地段不良地质地段是指滑坡、崩塌、岩堆、偏压地层、岩溶、高应力、高强度地层、松散地层、软土地层等不利于隧道工程的不良地质环境。（二）特殊地质地段特殊地质地段是指膨胀地层、软弱黄土地层、含水未固结围岩、溶洞、断层、岩爆、流砂等地段以及瓦斯溢出地层等。二、不良和特殊地质地段隧道施工应注意的事项1.施工前应对隧道工程设计文件、图纸、资料，尤其是对工程地质和水文地质资料应进行详细调查分析，特别应查明隧道影响范围内的各种不良地质、特殊地质地段的围岩级别。超前钻探和超前弹性波探测是预测复杂、多变地段重大不良地质情况的有效手段。2.特殊地质地段隧道施工，以“先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤检查、稳步前进”为指导原则。3.特殊地质地段隧道施工时，不宜采用全断面开挖。隧道开挖方式，无论是采用钻爆开挖法、机械开挖法，还是采用人工和机械混合开挖法，应视地质、环境、安全等条件合理选用。隧道工程4.隧道通过自稳时间短的软弱破碎岩体、浅埋软岩和严重偏压、岩溶流泥地段、砂层、砂卵(砾)石层、断层破碎带以及大面积淋水或涌水地段时，为保证洞体稳定可采用超前锚杆、超前小钢管、管棚、地表预加固地层和围岩预注浆等辅助施工措施，对地层进行预加固、超前支护或止水。5.采用新奥法施工的隧道，为了掌握施工中围岩和支护的力学动态及稳定程度，以及确定施工工序，保证施工安全，应实施现场监控量测，充分利用监控量测指导施工。6.特殊地质地段隧道，除大面积淋水地段、流沙地段，穿过未胶结松散地层和严寒地区的冻胀地层等，施工时应采取相应的措施外，均可采用锚喷支护施工。7.当采用构件支撑作临时支护时，支撑要有足够的强度和刚度，能承受开挖后的围岩压力。围岩出现底部压力，产生底膨现象或可能产生沉陷时应加设底梁。当围岩极为松软破碎时，应采用先护后挖，暴露面应用支撑封闭严密。根据现场条件，可结合管棚或超前锚杆等支护，形成联合支撑。支撑作业应迅速、及时，以充分发挥构件支撑的作用。8.围岩压力过大，支撑受力下沉侵入衬砌设计断面，必须挑顶(即将隧道顶部提高)时，其处理方法是：拱部扩挖前发现顶部下沉，应先挑顶后扩挖；当扩挖后发现顶部下沉，应立好拱架和模板先灌筑满足设计断面部分的拱圈，使混凝土达到所需强度并加强拱架支撑后，再行挑顶灌筑其余部分；挑挖作业宜先护后挖，暴露面应用支撑封闭严密。9.对于极松散的未固结围岩和自稳性极差的围岩，当采用先护后挖法仍不能开挖成形时，宜采用压注水泥砂浆或化学浆液的方法，以固结围岩，提高其自稳性。隧道工程第二节膨胀土围岩地段隧道施工一、膨胀土围岩的特性隧道穿过膨胀土地层，隧道开挖后不久，常常可以见到围岩因开挖而产生变形，或者因浸水而膨胀，或因风化而开裂等现象。使坑道的顶部及两侧向内挤入，底部鼓起，随着时间的增长导致围岩失稳，支撑、衬砌变形和破坏。这些现象说明膨胀土围岩性质是极其复杂的。它与一般土质的围岩性质有着根本的区别。二、膨胀土围岩对隧道施工的危害1.围岩开裂2.坑道下沉3.围岩膨胀突出和坍塌4.底部隆起5.衬砌变形和破坏隧道工程隧道工程三、膨胀土围岩隧道的施工要点（一）加强调查、量测围岩的压力和流变（二）合理选择施工方法（三）防止围岩湿度变化（四）合理进行围岩支护1.喷锚支护，稳定围岩2.预留变形缝3.衬砌结构及早闭合4.及时施作仰拱隧道工程第三节黄土地段隧道施工一、黄土的分类及其对隧道施工的影响(一)黄土的特征、分类与分布黄土是指在干燥气候条件下形成的一种具有褐黄、灰黄或黄褐等颜色，并有针状大孔、垂直节理发育的特殊性土。颜色多呈黄色、淡灰黄色或黄褐色.二、黄土地层对隧道施工的影响1.黄土节理的影响2.黄土冲沟的影响3.黄土溶洞与陷穴的影响4.水对黄土隧道施工的影响隧道工程三、黄土隧道的施工方法1.黄土围岩隧道，由于构造节理切割，将降低围岩的稳定性，施工时应做好黄土中构造节理的产状与分布状况的调查，对因构造节理切割而形成的不稳定部位进行加强支护，防止坍塌。2.施工中应遵循“短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤量测”的施工原则，紧凑施工工序，精心组织施工。3.宜采用短台阶法或分部开挖法(留核心土法)，初期支护应紧跟开挖面施作。洞口段施工应尽量保持山体稳定、切勿大削乱挖。做好洞口段衬砌后，及时修筑洞门端墙与翼墙。4.黄土围岩开挖后暴露时间过长，围岩周壁风化至内部，围岩体松弛加快，进而发坍方。因此，黄土隧道应根据黄土物理力学性质指标和隧道断面大小采用复合式衬砌，开挖时应少扰动，开挖后以喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢支撑初期支护，形成严密的支护体系。必要时可采用超前锚杆、管棚支护加固围岩。隧道工程四、黄土隧道施工的注意事项1.首先做好洞口、洞门及洞顶的排水系统，并妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面积水侵蚀洞体四周，造成土体坍塌。2.施工中如发现工作面有失稳现象，应及时喷射混凝土封闭、加设锚杆、架立钢支撑等加强支护。3.施工时特别注意拱脚与墙脚处断面，如超挖过大，应用浆砌片石回填。如发现该处土体承载力不够，应立即加设锚杆或采取其他措施进行加固。4.黄土隧道施工宜先作仰拱，如果不能先作仰拱时，可在开挖与灌筑仰拱前，为防止边墙向内位移，应加设横向支撑。5.锚杆宜采用药包式或早强砂浆锚杆。若拱部位于砂层时，为防止喷射混凝土塌落，可用声4～6mm的密钢筋网，紧贴开挖面作为初喷混凝土层用。隧道工程第四节岩溶地段隧道施工一、岩溶的类型及对隧道施工的影响（一）岩溶的类型岩溶一般有死、活、干、湿、大、小几种。死、干、小的溶洞比较容易处理，而活、湿、大的溶洞，处理方法则较为复杂。（二）岩溶对隧道施工的影响岩溶对隧道工程的影响主要有四个方面：洞害、水害、洞穴充填物的坍塌、洞顶地表沉陷等。1.有的岩溶洞穴深或基底充填物松软，有的顶板高悬不稳，有严重崩坠的后果；有的岩溶发育情况复杂，洞穴、暗河上下迂回交错，通道重叠；有的溶蚀大且长、宽上百米，高达几十米。当隧道通过这种地段时，工程艰巨，结构处理复杂，施工困难。2.在岩溶地区修建隧道，施工中常遇水囊或暗河岩溶水的突然袭击，往往泥砂涌流堵塞坑道，给施工安全造成威胁。隧道工程岩溶隧道处理技术方案溶洞、暗河地段地下水处理措施隧道工程岩溶地段隧道常用处理溶洞的方法，有“引、堵、越、绕”四种1.引——引排水遇到暗河或溶洞有水流时，宜排不宜堵。（a）桥涵渲泄水流（b）开凿泄水洞引水（c）引水槽隧道工程2.堵——堵、填岩溶隧道堵填处理示意图隧道工程3.越——跨越（a）加深边墙基础；（b）支墙内套设涵管；（c）筑拱跨越；（d）架梁跨越隧道工程4.绕——绕行施工在岩溶区施工，个别溶洞处理耗时且困难时，可采取迂回导坑绕过溶洞，继续进行隧道前方施工，并同时处理溶洞，以节省时间，加快施工进度。绕行开挖时，应防止洞壁失稳。三、溶洞地段隧道施工的注意事项1.施工前应对地表进行详细勘察，注意研究岩溶状态，估计可能遇到的岩溶地段；了解地表水、出水地点的情况，并对地表进行必要的处理，以防止地表水湿透。2.当施工达到溶洞边缘，各工序应紧密衔接，支护和衬砌赶前。3.施工中注意检查溶洞顶部，及时处理危石。4.在溶蚀地段的爆破作业应尽量做到多打眼、打浅眼，并控制爆破药量减少对围岩的扰动。防止在一次爆破后溶洞内的填充物突然大量涌入隧道，或溶洞水突然袭击隧道，造成严重失。隧道工程第五节隧道施工坍方一、坍方发生的主要因素（一）不良地质及水文地质条件1.隧道穿过断层及其破碎带，或在薄层岩体的小曲褶、错动发育地段，一经开挖，潜在应力释放快、围岩失稳，小则引起围岩掉块、坍落，大则引起坍方。2.隧道穿越地层覆盖过薄地段，如在沿河傍山、偏压地段、沟谷凹地浅埋和丘陵浅埋地段极易发生坍方。3.水是造成坍方的重要原因之一。当隧道处于地下水位以下时，隧道开挖后，在隧道开挖面上有时会产生较大的静水压力，引起地下水向洞内涌入。地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用加剧岩体的失稳和坍落。岩层软硬相间或有软弱夹层的岩体，在地下水的作用下，软弱面的强度大为降低，加剧岩体的失稳和坍方。(二)受力状态的影响受力状态对坍方的影响包括两个方面的内容：一是地质构造应力；二是开挖后产生的应力重分布和松动变形。隧道工程(三)隧道设计考虑不周1.隧道选定位置时，地质调查不细，未能作详细的分析，或未能查明可能坍方的因素,没有绕开可以绕避的不良地质地段。2.缺乏较详细的隧道所处位置的地质及水文地质资料，引起施工指导或施工方案的失误。(四)施工方法和措施不当1.施工方法与地质条件不相适应；地质条件发生变化，没有及时改变施工方法；工序间距安排不当；施工支护不及时，支撑架立不合要求，或抽换不当“先拆后支”；地层暴露过久，引起围岩松动、风化、导致坍方。2.喷锚支护不及时，喷射混凝土的质量、厚度不符合要求。3.按新奥法施工的隧道，没有按规定进行量测，或信息反馈不及时，决策失误、措施不力。隧道工程二、预防坍方的措施(一)隧道坍方预测1.坍方前征兆(1)量测信息所反映的围岩变形速度或数值超过允许值；(2)喷射混凝土产生的纵横向的裂纹和龟裂；(3)在坑顶或坑壁发现不断掉下土块、小石块或构件支撑间隙不断漏出砂、石屑；(4)岩层层理、节理缝或裂隙变大、张开；(5)支撑梁、柱变形或折断，楔子压扁或压劈，填塞木弯曲折断，扒钉受力变形，木支撑发生“噼啪”破裂声；(6)坑道内渗水、滴水突然加剧或变浑。2.坍方的预测方法隧道工程（二）预防坍方的施工措施1.隧道施工预防坍方，选择安全合理的施工方法和措施至关重要。在掘进到地质不良围岩破碎地段，应采取“先排水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤量测”的施工方法。必须制订出切实可行的施工方案及安全措施。2.加强坍方的预测。为了保证施工作业安全，及时发现坍方的可能性及征兆，并根据不同情况采用不同的施工方法及控制坍方的措施，需要在施工阶段进行坍方预测。3.加强初期支护，控制坍方：当开挖出工作面后，应及时有效地完成喷锚支护或喷锚网联合支护，并应考虑采用早强喷射混凝土、早强锚杆和钢支撑支护措施等。三、隧道坍方的处理措施（一）隧道发生坍方，应及时迅速处理。处理时必须详细观测坍方范围、形状、坍穴的地质构造，查明坍方发生的原因和地下水活动情况，经认真分析，制定处理方案。（二）处理坍方应先加固未坍塌地段，防止继续发展。1.小坍方，纵向延伸不长、坍穴不高，首先加固坍体两端洞身，并抓紧喷射混凝土或采用锚喷联合支护封闭坍穴顶部和侧部，再进行清渣。2.大坍方，坍穴高、坍渣数量大，坍渣体完全堵住洞身时，宜采取先护后挖的方法。3.坍方冒顶，在清渣前应支护陷穴口，地层极差时，在陷穴口附近地面打设地面锚杆，洞内可采用管棚支护和钢架支撑。4.洞口坍方，一般易坍至地表，可采取暗洞明作的办法。隧道工程坍方处理实例示意图1—一次注浆；2—二次注浆；3一三次注浆；4—管棚；5一坍塌线；6一坍塌体；7一初期支护；8一注浆孔；9一混凝土封堵墙隧道工程（三）加强防排水工作1.地表沉陷和裂缝，用不透水土壤夯填紧密，开挖截水沟，防止地表水渗入坍体。2.坍方通顶时，应在陷穴口地表四周挖沟排水，并设雨篷遮盖穴顶。陷穴口回填应高出地面并用黏土或污土封口，做好排水。3.坍体内有地下水活动时，用管槽引至排水沟排出，防止坍方扩大。（四）坍方地段的衬砌与回填视坍穴大小和地质情况加强坍方地段的衬砌，衬砌背后与坍穴洞孔周壁间必须紧密支撑。当坍穴较小时，可用浆砌片石或干砌片石将坍