不良地质隧道施工要点

不良地质隧道施工要点第一部分地下工程系刘勇第一节概述一、不良和特殊地质地段的概念(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、软土地段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断层地层、软弱黄土地层、含水未固结围岩、溶洞、岩爆、流沙等地段以及瓦斯溢出地层等。二、开挖和支护过程中可能造成的危害土石坍塌隧道支撑变形衬砌结构断裂严重影响施工进度三、不良和特殊地质地段隧道工程的一般规定制定完整预案，做好技术、物资、机械储备制定地质预测、预报方案根据预报结果及时调整施工方案必须加强量测工作，并及时反馈量测结果四、不良地质地段隧道施工注意事项1.选择施工方法注意事项施工以“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。选择施工方法(包括开挖及支护)时，应以安全及工程质量为前提，综合考虑隧道工程地质及水文地质条件、断面形式、尺寸、埋置深度、施工机械装备、工期要求、经济和技术的可行性等因素而定。同时应考虑围岩变化时施工方法的适应性及其变更的可能性，以免造成工程失误和增加投资。2.加强监控和量测工作3.使用喷锚技术注意事项(1)爆破后如开挖工作面有坍塌可能时，应在清除危石后及时喷射混凝土护面。(2)锚喷支护后仍不能提供足够的支护能力时，应及早装设钢拱架支撑加强支护。4.采用临时支护时注意事项(1)支撑要有足够的强度和刚度，能承受开挖后的围岩压力。(2)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(3)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；(4)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(5)支护作业应迅速、及时，以充分发挥构件支撑的作用。5.选用掘进方法时注意事项特殊地质地段隧道施工时，不宜采用全断面开挖。应视地质、环境、安全、工程质量等条件合理选用。6.掘进时遇有围岩压力过大注意事项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，待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。挑顶作业宜先护后挖，暴露面应用支撑封闭严密。7.遇有松散、自稳差的围岩掘进时注意事项8.衬砌出现开裂或下沉时注意事项采用压注水泥砂浆或化学浆液加固围岩的方法，以提高其自稳性。当拱脚、墙基松软时，灌筑混凝土前应采取措施加固基底。五、我国不良地质隧道施工现状我国已接近或达到世界先进行列大瑶山隧道9号断层大瑶山隧道处在京广铁路衡广复线的坪石至乐昌间，全长14.295公里,是目前国内最长的双线电气化隧道。隧道采用“三斜一竖”的施工方案,隧道中部穿过的465米长的9#断层地段，最大涌水量每昼夜高达40000m3,是整座隧道的控制地段。隧道全面运用新奥法原理施工,最高单口独头月成洞217双线米。1981年11月开工，1989年12月建成。获国家科技进步奖特等奖。云台山隧道云台山隧道位于侯(马)月(山)铁路线山西沁水县和翼城县相邻处，穿越中条山主峰。Ⅰ线隧道长8145m，Ⅱ线隧道长8178m，双线分修，电气化单线断面。主要地质问题：Ⅰ线隧道进口通过192m古河槽地段，为土夹碎石层；洞身穿越煤系地层1740m，揭煤13次，有瓦斯；穿越较大的断裂带4条，膨胀性围岩地段占全隧总长的96%。全隧昼夜涌水量约9850m3。家竹箐隧道家竹箐隧道是中国铁路瓦斯含量最高的长大隧道，位于南昆铁路威（舍）红（果）段的鲁番站与上西铺站之间。隧道全长4975米。隧道洞身有1085米是煤系地层，主要煤层共14层，各煤层瓦斯压力测算值大多超过0.6MPa，最高的达到1.34MPa。据测算，隧道施工通过煤层时，瓦斯涌出量最多达到每小时349立方米。因此，家竹箐隧道属高瓦斯有突出危险的隧道，其施工难度和危险性，在我国铁路隧道建设史中还没有先例。第二节富水断层破碎围岩一、概述断层破碎带是隧道施工中最常见的不良地质地段，断层带内岩体挤压破碎，常呈块石、碎石或角砾状有的甚至呈断层泥，岩体强度低，围岩压力增大，自稳能力下降，容易坍塌，施工困难。富水软岩是指在各类土质、软岩、极严重风化的各种岩层、极软弱破碎的断层带以及堆积、坡积层中，在富含地下水的情况下，岩体强度很低，自稳能力极差的围岩。二、开挖施工要求(一)充分应用超前地质预报1.预报方法地质预报方法主要有：钻孔超前探测；对超前导坑进行地质、水文观测素描；地震波、声波、地质雷达等物理探测。2.预报的重点内容预测开挖面前方的地质情况，围岩整体性、断层、软弱破碎带在前方的位置和对施工的影响，地下水活动情况等。3.预报方式①长期预报总体预报，预报断层规模、分布、性质、构造分带，富水性等，并分段作出工程地质评价。②中期预报岩石微观构造研究工程地质类比地震反射波法地质雷达法图析法③短期预报开挖面及其附近的预测预报掌子面超前钻孔预报(二)注浆堵水并加固围岩富水软弱破碎围岩隧道处理地下水原则一般是：以堵截为主，排引为辅。采用注浆堵水结合超前钻孔限量排水特大涌水采用辅助导坑排水堵截地下水的办法主要有两类：•整个富水段进行注浆止水，并加固松散岩体。•对富水地段沿隧道开挖轮廓线以外进行环形注浆，形成止水帐幕，防止或减小地下水进入开挖工作面。排水辅助措施有导坑、钻孔等，目的是排水降压。当地下水与地表水连通时，埋深小于20m采用地表注浆，埋深大于20m时采用洞内注浆正洞平行导坑(c)平导超前注浆正注浆区域已注浆区域(a)洞内超前注浆(b)地表超前注浆(三)开挖及支护•单线隧道采用正台阶预留核心土环形开挖法，双线和多线隧道采用CD法、CRD法或双侧壁导坑法，循环进尺0.5~1.0m•开挖手段上，采取两种方法，一是在特别软弱的围岩段，采用非钻爆开挖，如利用十字镐、风镐开挖或利用小型挖装机开挖。另一种是采用控制爆破措施，如松动爆破、微振动爆破等。开挖施工要求•根据量测结果及时调整支护参数支护施工要求•根据量测结果确定施作时机衬砌施工要求•仰拱必须及早施作，形成封闭结构三、工程实例——京九线岐岭隧道1、工程概况2、初期施工情况•围岩自稳及自承能力极差•富水3、地质原因分析•方案比选4、施工方案桩柱法双侧壁导坑法•综合排水技术5、具体施工方法封堵疏排地表水，杜绝地表水和降水的补给截水沟地表混凝土封闭平导与泄水洞截、排水深井点降水洞内降排水负压抽水开挖中的疏排水•支护体系设计与施工5、具体施工方法超前预加固侧壁导坑、泄水洞及平导上弧导初期支护二次衬砌第一次60cm第二次30cm•深孔长套管劈裂注浆5、具体施工方法注浆方法分段长套管前进式注浆挤压注浆渗透注浆注浆材料水泥——水玻璃双浆液注浆施工拱部大管棚注浆施工突水涌泥段注浆施工极软致密原状地层中的注浆施工6、施工效果提前1.5个月贯通第三节膨胀性和挤压性围岩一、基本概念膨胀岩矿物成分：亲水性矿物，蒙托石、伊利石特性：吸水膨胀软化，失水收缩硬裂挤压性围岩强度低，在高地应力作用下产生“剪胀”二、膨胀性围岩的基本特征与分级(一)膨胀岩基本特征(1)质软，强度低(2)自由膨胀率高(3)空隙率大(4)易风化、崩解性强(5)膨胀压力大(二)膨胀岩的判别与分级判别依据•间接反应岩石膨胀指标•直接定量反应岩石膨胀力学指标以及不同荷载下的膨胀率大小的指标判别程序•初步判定•详细判定项目指标极限膨胀力(Pmax)＞100kPa极限膨胀率(pmax)＞3%干燥饱和吸水率(Rdw)＞10%自由膨胀率(Fs)＞30%矿物质成分(蒙托石、伊利石含量)≥15%膨胀岩的判别标准项目极限膨胀力(kPa)极限膨胀率(%)干燥饱和吸水率(%)自由膨胀率(%)弱膨胀岩100~3003~1510~3030~50中膨胀岩300~50015~3030~5050~70强膨胀岩＞500＞30＞50＞70项目膨胀力(kPa)弹性模量(102×MPa)泊松比内摩擦角(°)内聚力(kPa)重度(kN/m3)弱膨胀岩400150.35456.518.5中膨胀岩6005.00.40352.016.0强膨胀岩8005.50.45301.516.0膨胀岩的分级膨胀岩的物理力学指标三、膨胀性围岩对隧道施工的危害围岩普通开裂坑道下沉围岩膨胀突出和坍塌隧道底部隆起衬砌变形和破坏四、高地应力作用下的软岩1.高地应力软岩的概念当围岩内部的最大地应力与围岩强度的比值达到某一水平时，才能称为高地应力或极高应力。max/bR围岩强度应力比=标准类别极高地应力高地应力一般地应力法国隧道协会＜22~4＞4我国工程岩体分级基准＜44~7＞7日本新奥法指南(1996)＜24~6＞6日本仲野分级＜22~4＞4(1)围岩大变形量的划分铁路隧道大变形的变形量划分单线隧道(cm)25～5050～70＞70双线隧道(cm)40～7070～100＞100大变形的等级ⅠⅡⅢ(2)乌鞘岭隧道高地应力软岩隧道大变形分级挤压性隧道的大变形分级标准强度应力比Rb/σmax0.25～0.500.15～0.25＜0.15原始地应力(MPa)5.0～10.010.0～15.0＞15.0相对变形4%～7%7%～10%＞10%大变形分级ⅠⅡⅢ2.高地应力挤压性围岩的变形特点变形量大最大变形可达数10cm至100cm以上。家竹箐隧道初期支护周边位移曾达210cm，一般80~100cm，拱顶下沉60~80cm，隧道隆起80cm。堡子梁隧道排架下沉120cm，边墙向下挤进30~40cm。关角隧道底鼓约100cm，边墙向内挤很大。乌鞘岭隧道岭脊段最大水平收敛达1209mm，最大拱顶下沉367mm。平均累计变形按F4、志留系板岩夹千枚岩、F7几区段分别为90~120mm、200~400mm、150~550mm。2.高地应力挤压性围岩的变形特点变形速度高家竹箐隧道初期支护变形速度达3~4cm/d。奥地利的陶恩隧道最大变形速度高达20cm/d，一般也达5~10cm/d。乌鞘岭隧道岭脊段变形量测开始阶段变形速率最高达167mm/d，最大变形速率按F4、F5、志留系板岩夹千枚岩、F7几区段分别可达73mm/d、143mm/d、165mm/d、167mm/d。2.高地应力挤压性围岩的变形特点变形持续时间长由于软弱围岩具有较高的流变性质和低强度，开挖后应力重分布的持续时间长。变形的收敛持续时间也较长。短者数十天，长者数百天，一般也需百多天。家竹箐隧道收敛时间在百天以上。日本惠那山隧道时间大于300天，阿尔贝格隧道收敛时间为100~150d。乌鞘岭隧道大变形区段变形持续时间达120d，一般要40~50d。2.高地应力挤压性围岩的变形特点支护破坏形式多样喷层开裂、剥落；型钢拱架或格栅发生扭曲；底部隆起；支护侵限；衬砌严重开裂等。高地应力使坑道周边围岩的塑性区增加，破坏范围增大。特别是支护不及时或结构刚度、强度不当时围岩破坏范围可达5倍洞径。围岩破坏范围大五、挤压性围岩的隧道设计理念1.柔性结构设计膨胀性和挤压性围岩的隧道结构设计方法主要可归纳为两类：一是减轻作用在支护结构上的荷载而容许发生一定位移的方法(柔性结构设计)，另一是为了控制松弛而尽可能早地控制位移的方法(刚性结构设计)。(1)先行导坑法(2)多重支护方法2.刚性结构设计(1)大刚度支护和衬砌结构(2)大范围围岩加固法(3)可缩式支护方法(4)分阶段综合控制法六、膨胀性及挤压性围岩隧道施工1.加强调查、量测围岩的压力和流变特性2.合理选择施工方法3.防止围岩湿度变化4.合理进行围岩支护5.适时衬砌控制变形(1)喷锚支护，稳定围岩(2)衬砌结构及早闭合典型的大变形隧道•奥地利的陶恩隧道•阿尔贝格隧道•日本的惠那山隧道•我国的家竹箐隧道七、工程实例——乌鞘岭隧道(1)工程概况兰州至武威段是中国铁路“八纵八横”中欧亚大陆桥的重要组成部分，是内地通往新疆等西部地区的重要通道。该线东起兰州站，经河口南、永登至打柴沟，翻越乌鞘岭至武威南站，全长二百九十八公里，随着西部大开发客货运输