不良和特殊地质地段隧道施工

第一节概述第八章不良和特殊地质地段隧道施工一、不良和特殊地质地段施工一般规定(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地层、软弱黄土地层、含水未固结围岩、溶洞、断层、岩爆、流沙等地段以及瓦斯溢出地层等。二、不良和特殊地质地段隧道工程(一)不良地质地段2.选择施工方法注意事项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。隧道选择施工方法(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，以兔造成工程失误和增加投资。3.加强监控和量测工作4.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。5.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。6.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。7.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。8.遇有松散、自稳差的围岩掘进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。9.衬砌出现开裂或下沉时注意事项当拱脚、墙基松软时，灌筑混凝土前应采取措施加固基底。第二节膨胀性围岩地段隧道施工一、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一是间接反应岩石膨胀指标二是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表8-2-1膨胀岩的判别标准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%表8-2-2膨胀岩的分级(《铁路膨胀岩隧道技术规范》)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(%)弱膨胀岩中膨胀岩强膨胀岩100~300300~500＞5003~1515~30＞3010~3030~50＞5030~5050~70＞70二、膨胀性围岩对隧道施工的危害(一)围岩普通开裂(二)坑道下沉(三)围岩膨胀突出和坍塌(四)隧道底部隆起(五)衬砌变形和破坏三、膨胀性围岩隧道设计(一)荷载的确定(二)膨胀岩隧道断面型式(三)膨胀性隧道支护形式与参数膨胀性隧道断面型式一般应采用圆形、椭圆形和马蹄形，仰拱应与支护衬砌等厚。①在不使围岩失稳条件下，允许围岩有一定变形；②支护形式特征适应围岩膨胀速度变化；③支护变形时间应适应围岩膨胀收敛持续时间。膨胀岩隧道支护参数，可根据工程类比法参照表8-2-4表8-2-4膨胀岩隧道支护参数(《铁路膨胀岩隧道技术规范》)四、膨胀性围岩隧道施工要点1.加强调查、量测围岩的压力和流变2.合理选择施工方法3.防止围岩湿度变化项目锚杆喷射混凝土钢架间距(m)钢筋混凝土厚(cm)长度(m)间距(m)分层(cm)总厚(cm)钢筋网软膨胀岩3.01.57，815单层1.030中膨胀岩3.51.25，10，520双层0.840强膨胀岩4.01.06，7，8，525双层0.5504.合理进行围岩支护膨胀性围岩支护必须适应围岩的膨胀特性。在施工时应往意以下几点：(1)喷锚支护，稳定围岩(2)衬砌结构及早闭合五、工程实例—甘肃1号香炉山水工隧洞(一)工程概况(二)施工中出现的问题(三)处理措施(1)中浅孔光爆、严格控制壁面凹凸度①中浅钻孔、孔外降尘，提高钻孔效率②光爆参数，减小凹凸度，增强喷混凝土层的支护效果(2)跟紧开挖面施作初期支护并及时调整初期支护参数(3)对已破坏的初期支护及时修复，以免破坏加剧(4)严格控制含水量的变化①严格控制施工用水②及时排除洞内积水，对地下水和其他积水采用集中输导或集中外运的办法及时排除。③监视地表水补给地下水的环境动态(5)适时施作二次支护(6)根据收敛变形量的大小和地下水渗出的多少确定隧洞二次衬砌的参数(四)效果评价第三节黄土地段隧道施工一、黄土分类及其对隧道工程的影响(一)黄土分类•老黄土•新黄土根据其物理性质不同，按塑性指数(Ip)的大小可分为黄土质粘砂土(1＜Ip≤7＝，黄土质砂粘土(7＜Ip≤17)及黄土质粘土(17＜Ip)。(二)黄土地层对隧道工程的影响(1)黄土节理影响在隧道开挖时，土体容易顺着节理张松或剪断。(2)黄土冲沟地段对施工的影响当隧道在较长的范围内沿着冲沟或塬边平行走向，而覆盖较薄或偏压很大的情况下，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。(3)黄土溶洞与陷穴影响隧道若建在其上方，则有基础下沉的危害。隧道若修建在其下方，常有发生冒顶的危险。隧道若修建在其邻侧，则有可能承受偏压，使围岩与衬砌处于不利的受力状态。(4)水对黄土隧道施工的影响二、黄土隧道的施工方法(1)黄土隧道施工，应做好黄土中构造节理的产状与分布状况的调查。(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)开挖方法宜采用短台阶法或分部开挖法(留核心法)，初期支护应紧跟开挖面施作。(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，进而发生坍方。(5)做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程，并妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面积水浸蚀洞体周围，造成土体坍塌。(5)做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程，并妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面积水浸蚀洞体周围，造成土体坍塌。三、黄土隧道施工的注意事顶(1)施工中如发现工作面有失稳现象，应及时用喷射混凝土封闭、加设锚杆、架立钢支撑等加强支护。(2)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它措施进行加固。(3)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，应加设支撑。(4)锚杆宜采用药包式或早强砂浆锚杆。(5)施工中如发现不安全因素，应暂停开挖，加强临时支护，以便采取适应性的工序安排。第四节溶洞地段隧道施工一、溶洞的类型及对隧道施工的影响溶洞一般有死、活、干、湿、大、小几种。岩溶对隧道工程的影响主要有四个方面：洞害、水害、洞穴充填物及坍塌、洞顶地表沉陷等。可按岩溶对隧道的不同影响情况及施工条件，采取引流、跨越、加固、清除、注浆等不同措施或综合治理。(1)隧道通过岩溶区，应查明溶洞分布范围和类型，岩层的完整稳定程度、填充物和地下水情况，据以确定施工方法。(2)隧道穿过岩溶区，如岩层比较完整、稳定，溶洞已停止发育，有比较坚实的填充，且地下水量小，可采用探孔或物探等方法，探明地质情况。(3)岩溶地段隧道常用处理溶洞的方法，有“引、堵、越、绕”四种。①引排水遇到暗河或溶洞有水流时，宜排不宜堵。用暗管、涵洞、小桥等设施渲泄水流或开凿泄水洞将水排除洞外(图8-4-1)，或开凿泄水洞，将水排出洞外(图8-4-2)。浆砌片石暗管、涵洞或小桥图8-4-1桥涵渲泄水流道隧图8-4-2开凿泄水洞引水图8-4-3引水槽涵管或小桥混凝土厚0.5~1.0m浆砌石片引水槽(洞)入消水洞横向引引出或②堵填对已停止发育、跨径较小，无水的溶洞，可根据其与隧道相交的位置及其充填情况，采用混凝土、浆砌片石或干砌片石予以回填封闭(图8-4-4、图8-4-5、图8-4-6)图8-4-4溶洞堵填方法之一浆砌片石混凝土填实图8-4-5溶洞堵填方法之二干砌片石混凝土填实图8-4-6溶洞堵填方法之三浆砌片石必要时可考虑注浆加固并加设隧道护拱及拱顶回填进行处理(图8-4-7、图8-4-8)。必要时加设锚杆干砌片时压浆浆砌片石厚1.0m片石、碎石回填密实图8-4-7喷锚加固与浆砌护拱之一必要时加锚杆干砌片石压浆混凝土套拱图8-4-8喷锚加固与浆砌护拱之二③跨越当隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞，可加深该侧的边墙基础通过(图8-4-9)。隧道底部遇有较大溶洞并有流水时，可在隧道底部以下砌筑圬工支墙，支承隧道结构，并在支墙内套设涵管引排溶洞水(图8-4-10)。隧道边墙部位遇到较大、较深的溶洞，不宜加深边墙基础时，可在边墙部位或隧底以下筑拱跨过(图8-4-11)。当隧道中部及底部遇有深狭的溶洞时，可加强两边墙基础，并根据情况设置桥台架梁通过(图8-4-12)。④绕行施工浆砌片石混凝土墙基图8-4-9加深边墙基础图8-4-10支墙内套设涵管浆砌片石浆砌片石支墙图8-4-11筑拱跨过隧道中线隧底混凝土隧底溶洞填充溶洞图8-4-12架梁跨过三、溶洞地段隧道施工的注意事项(1)当施工达到溶洞边缘，各工序应紧密衔接，支护和衬砌赶前。(2)施工中注意检查溶洞顶部，及时处理危石。(3)在溶洞地段的爆破作业应尽量做到多打眼、打浅眼，并控制爆破药量且减少对围岩的扰动。(4)在溶洞充填体中掘进，如充填物松软，可用超前支护施工。(5)溶洞未做出处理方案前，不要将弃渣随意倾填于溶洞中。四、工程实例——南岭隧道(一)工程概况(二)岩溶综合整治施工方案(三)地质预探预报(1)采用地表大面积多孔钻探，进一步查明岩溶分布状态。(2)利用下导坑超前预报。(3)洞内超前钻孔预探预报。(4)断层裂隙预探预报。(5)隧底岩溶预探预报。(四)注浆堵水、加固围岩(1)防止洞顶既有京广铁路坍陷，保证运输畅通的路基注浆加固；(2)断裂岩溶富水带施工注浆堵水；(3)地表垂直帷幕预注浆加固断裂岩溶；(4)溶洞流塑状充填泥高压劈裂注浆加固；(5)洞内衬砌浅层注浆堵漏；(6)地表深孔充填注浆加固堵漏；(7)地表大型陷坑回填封闭注浆等。（五）隧道岩溶长管棚超前支护1.管棚支护方案的制定2.管棚设计3.钢管支护效果(六)钢管钢架支撑1.钢管钢架支撑的设置2.钢管钢架支撑安装和作用(七)二次衬砌1.二次衬砌结构2.二次衬砌施工(八)隧底岩溶整治1.技术措施(1)隧底以下溶洞深度大于3m的采用钢筋混凝土挖孔桩基础；(2)隧底以下溶洞深度小于3m的采用换填浆砌片石圬工或钢筋混凝土条形基础；(3)一股岩溶裂隙隧底采用钢筋混凝土仰拱封底；(4)隧底以下的溶洞灰岩顶板厚度大于6m时采用注浆充填；(5)隧底以下的溶洞灰岩顶板厚度小于6m时不作处理；(6)隧底突水溶槽，采用钢轨混凝土封填，铺设钢筋混凝土仰拱，预埋出水管，注浆封堵。2.隧底溶槽的特殊加固处理(1)改移河道封堵陷坑，防止地表水通过陷坑、溶槽直贯隧底；(2)溶槽底浇灌混凝土封填溶槽，在封填好的溶槽顶面上，灌注钢筋混凝土仰拱；(3)通过对隧底中心预埋管压注水泥浆液，隧底突水被堵住，溶岩水害得到根治。(九)地表陷坑处理埋深较深的隧道工程，在高应力、脆性岩体中，由于施工爆破扰动原岩，岩体受到破坏，使掌子面附近的岩体突然释放出潜能，产生脆性破坏，这时围岩表面发生爆裂声，随之有大小不等的片状岩块弹射剥落出来，这种现象称之岩爆。一、隧道内岩爆的特点(1)岩爆在未发生前并无明显的预兆(虽然经过仔细找顶并无空响声)。(2)岩爆时，岩块自洞壁围岩母体弹射出来，一般呈中厚边薄的不规则片状。(3)岩爆发生的地点，多在新开挖工作面及其附近二、岩爆产生的主要条件地层的岩性条件和地应力的大