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隧道通过不良、特殊地质地段，其施工有关注意事项如下：1.编制施工注意的事项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。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施工时应符合下列要求：(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不宜采用锚喷支护的特殊地质地段，应用构件支撑作临时支护，并应符合下列要求：(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。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膨胀岩的判别，大体上依据以下两个方面：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。第二节　膨胀性围岩地段隧道施工膨胀岩按其膨胀性的大小可划分为弱膨胀岩、中等膨胀岩和强膨胀岩3级，见表。膨胀岩等级是以膨胀岩实验数据为基础，参照表划分，只须满足其中2项即应划为该级别的膨胀岩。二、膨胀性围岩对隧道施工的危害(一)围岩普通开裂隧道开挖后，由于开挖面上岩体原始应力释放产生胀裂；另外，因为表层土体风干而脱水，产生收缩裂缝。(二)坑道下沉由于坑道下部膨胀岩体的承载力较低，加之坑道上部围岩压力过大，坑道下沉变形明显。另外，隧道只能采用分部开挖，在后部工序开挖暴露的围岩出现风化膨胀，产生较大的收缩地压力，加上坑道的下沉，往往造成支撑过渡变形、失效，进而引起土体坍塌、挤压和膨胀变形等现象。(三)围岩膨胀突出和坍塌隧道开挖过程中或开挖后，围岩产生膨胀变形，周边土体向洞内膨胀突出，造成开挖断面缩小。在土体丧失支撑或支撑力不够的状态下，由于围岩压力和膨胀压力的综合作用，使土体产生局部破坏形成坍塌现象。(四)隧道底部隆起隧道底部开挖后，洞底围岩的上部压力解除，又无仰拱支护体约束时，由于应力释放，洞底围岩产生卸荷膨胀，加之坑道积水，使洞底围岩产生浸水膨胀，造成洞底围岩隆起变形。(五)衬砌变形和破坏在整体式(模筑混凝土)衬砌中，常发生下列现象:(1)在先拱后墙法施工中，拱部衬砌完成后至开挖马口的这段时间，由于围岩和膨胀压力，常常产生拱脚内移，同时发生不均匀下沉，拱脚支撑受力大，发生扭曲、变形或折断。(2)拱顶受挤压下沉，也有向上凸起。拱顶外缘经常出现纵向贯通拉裂缝，而拱顶内缘出现挤裂、脱皮、掉块现象。(3)在拱腰部位出现纵向裂缝，这些裂缝有时可逐渐发展到张开、错台。(4)当采用直墙式边墙时，边墙常受膨胀侧压而开裂，甚至张开、错台，少数曲墙也有出现水平裂缝的情况。(5)当底部未做仰拱或仅做一般铺底时，有时会出现底部膨起，铺底被破坏。三、膨胀性围岩隧道设计(一)荷载的确定膨胀性围岩除“松弛效应”外，还有膨胀压力。由于膨胀性围岩岩性复杂，产生膨胀压力的机理复杂，很难用适当的经验公式确定其膨胀力引起的荷载变化。因此对不同程度的膨胀岩，设计时，应先核准其膨胀特性，然后采用以工程类比法为主的方法，确定支护与衬砌的设计参数，施工中通过监控量测加以修改。(二)膨胀岩隧道断面型式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。(三)膨胀性隧道支护形式与参数膨胀岩隧道支护应适应膨胀岩特性：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。为此，膨胀岩隧道支护形式可采用可压缩支护、可拆换支护与增补支护。(四)预留变形量考虑膨胀岩对衬砌变形影响，隧道净空应根据其膨胀特性预留5~20cm的变形量。(五)防排水无论何种矿物成分的膨胀围岩，如果没有水的作用，围岩就不会产生膨胀和收缩，因此在设计时应加强围岩防水和结构防水。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在施工过程中应对围岩压力及其流变情况进行充分的调查和量测，其变化规律。对地下水亦应探明分布范围及规律，了解水对施工的影响程度，以便根据围岩动态采取相应的施工措施。2.合理选择施工方法在施工中应以尽量减少对围岩产生扰动和防止水的浸湿为原则，宜采用无爆破掘进法。在开挖过程中尽可能缩短围岩暴露时间，并及时衬砌。开挖方法宜不分部或少分部，多采用正台阶法、侧壁导坑法和“眼镜法”。3.防止围岩湿度变化隧道开挖后及时喷射混凝土，封闭和支护围岩。在有地下水渗流的隧道，应采取切断水源并加强洞壁与坑道防、排水措施，防止施工积水对围岩的浸湿等。4.合理进行围岩支护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。第三节黄土地段隧道施工(一)黄土分类黄土按其形成年代可分为：老黄土：形成于下更新世Q1的午城黄土和中更新世Q2的离石黄土；新黄土：上更新世Q3的马兰黄土及全新世Q´4下部的次生黄土；新近堆积黄土：Q4的最新堆积物，多为近几十年至近几百年形成的。一、黄土分类及其对隧道工程的影响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。如果这种地层位于坑道顶部，则极易产生“塌顶”。如果位于侧壁，则普遍出现侧壁掉土，若施工时处理不当，常会引起较大的坍塌。(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黄土溶洞与陷穴，是黄土地区经常见到的不良地质现象，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在含有地下水的黄土层中修建隧道，由于黄土在干燥时很坚固，承压力也较高，施工可顺利进行。当其受水浸湿后，呈不同程度的湿陷性，会突然发生下沉现象，使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力，如果支护措施满足不了变化后的情况，极容易造成坍塌。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。(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。三、黄土隧道施工的注意事顶第四节溶洞地段隧道施工溶洞是以岩溶水的溶蚀作用为主，间有潜蚀和机械塌陷作用而造成的基本水平方向延伸的通道。溶洞是岩溶现象的一种。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。死、干、小的浴洞比较容易处理，而活、湿、大的溶洞，处理方法则较为复杂。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。(1)有的岩溶洞穴深或基底充填物松软；有的顶板高悬不稳，有严重崩坠之虞；有的岩溶发育情况复杂，洞穴、暗河上下迂回交错，通道重叠；有的溶蚀大厅长、宽上百米，高达几十米；如当隧道通过，其工程艰巨，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，往往泥沙涌流，堵塞坑道，给施工安全造成威胁。(3)由于洞穴围岩节理、裂隙发育，岩石破碎或充填物松软，在施工中极易发生坍塌，危害施工安全。二、隧道遇到溶洞的处理措施当隧道施工遇到岩溶危害时，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。如有变化应采取相应的措施。(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。应在查明水源流向及其与隧道位置的关系后，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1)，或开凿泄水洞，将水排出洞外(图2)。当岩溶水流的位置在隧道顶部或高于隧道顶部时，应在适当距离外，开凿引水斜洞(或引水槽)将水位降低到隧底标高以下，再行引排(图3)。当隧道设有平行导坑时，可将水引入平行导坑排出。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4、图5、图6)；根据地质情况决定是否需要加深边墙基础。当隧道拱顶部有空溶洞时，可视溶洞的岩石破碎程度在溶洞顶部采用锚杆或锚喷网加固，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7、图8)。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12)。隧道穿过大溶洞，情况较为复杂时，可根据情况，采用边墙梁、行车梁等。④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)当施工达到溶洞边缘，各工序应紧密衔接，支护和衬砌赶前。同时应利用探孔或物探作超前预报，设法探明溶洞的形状、范围、大小、充填物及地下水等情况，据以制定施工处理方案及安全措施。(2)施工中注意检查溶洞顶部，及时处理危石。当溶洞较大、较高且顶部破碎时，应先喷射混凝土加固，再在靠近溶洞顶部附近打入锚杆，并应设置施工防护架或钢筋防护网。(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。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，造成严重损失。(4)在溶洞充填体中掘进，如充填物松软，可用超前支护施工。如充填物为极松散的砾石、块石堆积或流塑状粘土及砂粘土等可在开挖前采用地表注浆、洞内注浆或地表和洞内注浆相结合加固。如遇颗粒细、含水量大的流塑状土壤，可采用劈裂注浆技术，注入水泥浆或水泥水玻璃双液浆进行加固。(5)溶洞未做出处理方案前，不要将弃渣随意倾填于溶洞中。因弃渣覆盖了溶洞，不但不能了解其真实情况，反而会造成更多困难。第五节岩爆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。(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片状。(3)岩爆发生的地点，多在新开挖工作面及其附近，个别的也有距新开挖工作面较远处。岩爆发生的频率随暴露后的时间延长而降低。二、岩爆产生的主要条件地层的岩性条件和地应力的大小是产生岩爆与否的两个决定性因素。三、岩爆的防治措施防治岩爆发生的措施主要有二：一是强化支护，二是弱化围岩。强化支护的措施很多，如喷射混凝土或喷钢纤维混凝土、锚杆加固、锚喷支护、锚喷网联合、钢支撑网喷联合，紧跟混凝土衬砌等。这些措施的出发点是给围岩一定的径向约束，使围岩的应力状态较快地从平面转向三维应力状态，以达到延缓或抑制岩爆发生的目的。弱化围岩的主要措施是注水、超前预裂爆破、排孔法、切缝法等。注水的目的是改变岩石的物理力学性质，降低岩石的脆性和储存能量的能力。后三者的目的是解除能量，使能量向有利的方向转化和释放。四、岩爆地段隧道施工的注意事项(1)平导应掘进超前正洞一定距离，以了解地质。(2)爆破应选用预先释放部分能量的方法，先期将岩层的原始应力释放一些，以减少岩爆的发生。(3)根据岩爆发生的频率和规模情况，考虑缩短爆破循环进尺。初期支护和衬砌要紧跟开挖面，以尽可能减少岩层的暴露面和暴露时间，防止岩爆的发生。(4)岩爆引起坍方时，应迅速将人员和机械撤到安全地段；充分作好岩爆现象观察记录；采用声波探测预报岩爆工作。第六节瓦斯地层隧道施工瓦斯是地下坑道内有害气体的总称。(1)瓦斯(沼气)为无色、无臭、无味的气体，由于空气中瓦斯浓度增加，氧气相应减少，很容易使人室息或发生死亡事故。(2)瓦斯比重为0.554仅占空气一半。(3)瓦斯不能自燃，但极易燃烧，其燃烧的火焰颜色，随瓦斯浓度的增大而变淡，空气中含有少量瓦斯时火焰呈兰色，浓度达5％左右时，火焰呈淡青色。一、瓦斯的性质二、瓦斯的燃烧和爆炸性当坑道中的瓦斯，浓度小于5％遇到火焰时，瓦斯只是在火源附近燃烧而不会爆炸；瓦斯浓度在5％~6％到14％~16％时，遇到火源具有爆炸性；瓦斯浓度大于14％~16％时，一般不爆炸，但遇火能平静地燃烧。瓦斯燃烧时，遇到障碍而受压缩，即能转燃烧为爆炸。瓦斯爆炸时爆炸波运动造成暴风在前，火焰在后，暴风遇到积存瓦斯，使它先受到压力，然后火焰点燃发生爆炸。第二次瓦斯受到的压力比原来的大，因此爆炸后的破坏力也更剧烈。三、瓦斯放出的类型发生瓦斯放出有三个主要因素：地应力、瓦斯和围岩结构，而地应力和围岩中瓦斯的存在是引起瓦斯放出的主要因素。从岩层中放出瓦斯，可分为三种类型：(1)瓦斯的渗出(2)瓦斯的喷出(3)瓦斯的突出四、防止瓦斯事故的措施(1)隧道穿过瓦斯溢出地段，应预先确定瓦斯探测方法，并制订瓦斯稀释措施、防爆措施和紧急救援措施等。(2)隧道通过瓦斯地区的施工方法，宜采用全断面开挖法。(3)加强通风是防止瓦斯爆炸最有效的办法。(4)洞内空气中允许的瓦斯浓度应控制在规定值以下。(5)开挖工作面风流中和电机附近20m以内风流中瓦斯浓度达到1.5％时，必须停工、停机，撤出人员，切断电源，进行处理。(6)瓦斯隧道必须加强通风，防止瓦斯积聚。(7)如开挖进入煤层，瓦斯排放量较大，使用一般的通风手段难以稀释到安全标准时，可使用超前周边全封闭预注浆。(8)采用防爆设施。五、严格执行有关(1)瓦斯检查制度：指定专人、定时和经常进行检查，测量风流和瓦斯含量，严格执行瓦斯允许浓度的规定。瓦斯检查手段可采用瓦斯遥测装置、定点报警仪和手持式光波干涉仪。随时发现异常情况，应及时报告技术主管负责人，采取措施进行处理。(2)洞内严禁使用明火，严禁将火柴、打火机、手电简及其他易燃品带入洞内。(3)进洞人员必须经过瓦斯知识和防止瓦斯爆炸的安全教育。抢救人员未经专门培训不准在瓦斯爆炸后进洞抢救。(4)瓦斯检查人员必须挑选工作认真负责、有一定业务能力、经过专业培训、考试合格者，方可进行监测工作。第七节隧道施工坍方处理措施隧道开挖时，导致坍方的原因有多种，概括起来可归结为：一是自然因素，即地质状态、受力状态、地下水变化等；二是人为因素，即不适当的设计，或不适当的施工作业方法等。一、发生坍方的主要原因(1)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；通过各种堆积体；在软弱结构面发育或泥质充填物过多地段。②隧道穿越地层覆盖过薄地段。③水是造成坍方的重要原因之一。(2)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缺乏详细的的地质及水文地质资料，引起施工指导或施工方案的失误。(3)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。④围岩爆破用药量过多，因震动引起坍塌。⑤对危石检查不重视、不及时，处理危石措施不当，引起岩层坍塌。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。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。(2)加强坍方的预测。预测坍方常用的几种方法：①观察法②一般量测法③微地震学测量法和声学测量法(3)加强初期支护，控制坍方。三、隧道坍方的处理措施(1)隧道发生坍方，应及时迅速处理。(2)处理坍方应先加固未坍塌地段，防止继续发展。并可按下列方法进行处理：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。(3)处理坍方的同时，应加强防排水工作。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，并设雨棚遮盖穴顶。陷穴口回填应高出地面并用粘土或圬工封口，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。(4)坍方地段的衬砌，应视坍穴大小和地质情况予以加强。(5)采用新奥法施工的隧道或有条件的隧道，坍方后要加设量测点，增加量测频率，根据量测信息及时研究对策。浅埋隧道，要进行地表下沉量测。