不良和特殊地質地段隧道施工.ppt

第一節(jié) 概 述,第八章 不良和特殊地質 地段隧道施工,一、不良和特殊地質地段施工一般規(guī)定 (一)不良地質地段,不良地質地段是指滑坡、崩塌、巖堆、偏壓地層、巖溶、高應力、高強度地層、松散地層、軟土地段等不利于隧道工程的不良地質環(huán)境。,(二)特殊地質地段,特殊地質地段是指膨脹地層、軟弱黃土地層、含水未固結圍巖、溶洞、斷層、巖爆、流沙等地段以及瓦斯溢出地層等。,二、不良和特殊地質地段隧道工程,隧道通過不良、特殊地質地段，其施工有關注意事項如下： 1.編制施工計劃注意的事項 在充分調查研究的基礎上，根據圍巖級別結合施工單位的具體情況，綜合考慮各方面的因素，擬定施工方案。,2.選擇施工方法注意事項 特殊地質地段隧道施工，以“先治水、短開挖、弱爆破、強支護、早襯砌、勤檢查、穩(wěn)步前進”為指導原則。 隧道選擇施工方法(包括開挖及支護)時，應以安全及工程質量為前提，綜合考慮隧道工程地質及水文地質條件、斷面形式、尺寸、埋置深度、施工機械裝備、工期要求、經濟和技術的可行性等因素而定。同時應考慮圍巖變化時施工方法的適應性及其變更的可能性，以兔造成工程失誤和增加投資。,3.加強監(jiān)控和量測工作 4.使用噴錨技術注意事項 施工時應符合下列要求： (1)爆破后如開挖工作面有坍塌可能時，應在清除危石后及時噴射混凝土護面。 (2)錨噴支護后仍不能提供足夠的支護能力時，應及早裝設鋼拱架支撐加強支護。 5.采用臨時支護時注意事項 不宜采用錨噴支護的特殊地質地段，應用構件支撐作臨時支護，并應符合下列要求： (1)支撐要有足夠的強度和剛度，能承受開挖后的圍巖壓力。,(2)圍巖出現底部壓力，產生底膨現象或可能產生沉陷時應加設底梁； (3)當圍巖極為松軟破碎時，應采用先護后挖，暴露面應用支撐封閉嚴密； (4)根據現場條件，可結合管棚或超前錨桿等支護，形成聯合支撐； (5)支護作業(yè)應迅速、及時，以充分發(fā)揮構件支撐的作用。,6.選用掘進方法時注意事項 特殊地質地段隧道施工時，不宜采用全斷面開挖。應視地質、環(huán)境、安全、工程質量等條件合理選用。,7.掘進時遇有圍巖壓力過大注意事項 拱部擴挖前發(fā)現頂部下沉，應先挑頂后擴挖。當擴挖后發(fā)現頂部下沉，應立好拱架和模板先灌筑滿足設計斷面部分的拱圈，待混凝土達到所需強度并加強拱架支撐后，再行挑頂灌筑其余部分。挑頂作業(yè)宜先護后挖，暴露面應用支撐封閉嚴密。,8.遇有松散、自穩(wěn)差的圍巖掘進時注意事項 采用壓注水泥砂漿或化學漿液加固圍巖的方法，以提高其自穩(wěn)性。,9.襯砌出現開裂或下沉時注意事項 當拱腳、墻基松軟時，灌筑混凝土前應采取措施加固基底。,一、膨脹性圍巖的基本特征與分級,(一)膨脹巖基本特征 (1)質軟，強度低 ； (2)自由膨脹率高； (3)空隙率大 ； (4)易風化、崩解性強 ； (5)膨脹壓力大 ； (二)膨脹巖的判別與分級 膨脹巖的判別，大體上依據以下兩個方面：一是間接反應巖石膨脹指標 ；二是直接定量反應巖石膨脹力學指標以及不同荷載下的膨脹率大小的指標 。,第二節(jié) 膨脹性圍巖地段隧道施工,膨脹巖按其膨脹性的大小可劃分為弱膨脹巖、中等膨脹巖和強膨脹巖3級，見表。,膨脹巖等級是以膨脹巖實驗數據為基礎，參照表劃分，只須滿足其中2項即應劃為該級別的膨脹巖。,二、膨脹性圍巖對隧道施工的危害,(一)圍巖普通開裂 隧道開挖后，由于開挖面上巖體原始應力釋放產生脹裂；另外，因為表層土體風干而脫水，產生收縮裂縫。,(二)坑道下沉 由于坑道下部膨脹巖體的承載力較低，加之坑道上部圍巖壓力過大，坑道下沉變形明顯。另外，隧道只能采用分部開挖，在后部工序開挖暴露的圍巖出現風化膨脹，產生較大的收縮地壓力，加上坑道的下沉，往往造成支撐過渡變形、失效，進而引起土體坍塌、擠壓和膨脹變形等現象。 (三)圍巖膨脹突出和坍塌 隧道開挖過程中或開挖后，圍巖產生膨脹變形，周邊土體向洞內膨脹突出，造成開挖斷面縮小。在土體喪失支撐或支撐力不夠的狀態(tài)下，由于圍巖壓力和膨脹壓力的綜合作用，使土體產生局部破壞形成坍塌現象。,(四)隧道底部隆起 隧道底部開挖后，洞底圍巖的上部壓力解除，又無仰拱支護體約束時，由于應力釋放，洞底圍巖產生卸荷膨脹，加之坑道積水，使洞底圍巖產生浸水膨脹，造成洞底圍巖隆起變形。 (五)襯砌變形和破壞 在整體式(模筑混凝土)襯砌中，常發(fā)生下列現象: (1)在先拱后墻法施工中，拱部襯砌完成后至開挖馬口的這段時間，由于圍巖和膨脹壓力，常常產生拱腳內移，同時發(fā)生不均勻下沉，拱腳支撐受力大，發(fā)生扭曲、變形或折斷。,(2)拱頂受擠壓下沉，也有向上凸起。拱頂外緣經常出現縱向貫通拉裂縫，而拱頂內緣出現擠裂、脫皮、掉塊現象。 (3)在拱腰部位出現縱向裂縫，這些裂縫有時可逐漸發(fā)展到張開、錯臺。 (4)當采用直墻式邊墻時，邊墻常受膨脹側壓而開裂，甚至張開、錯臺，少數曲墻也有出現水平裂縫的情況。 (5)當底部未做仰拱或僅做一般鋪底時，有時會出現底部膨起，鋪底被破壞。,三、膨脹性圍巖隧道設計,(一)荷載的確定 膨脹性圍巖除“松弛效應”外，還有膨脹壓力。由于膨脹性圍巖巖性復雜，產生膨脹壓力的機理復雜，很難用適當的經驗公式確定其膨脹力引起的荷載變化。因此對不同程度的膨脹巖，設計時，應先核準其膨脹特性，然后采用以工程類比法為主的方法，確定支護與襯砌的設計參數，施工中通過監(jiān)控量測加以修改。 (二)膨脹巖隧道斷面型式 膨脹性隧道斷面型式一般應采用圓形、橢圓形和馬蹄形，仰拱應與支護襯砌等厚。,(三)膨脹性隧道支護形式與參數 膨脹巖隧道支護應適應膨脹巖特性：在不使圍巖失穩(wěn)條件下，允許圍巖有一定變形；支護形式特征適應圍巖膨脹速度變化；支護變形時間應適應圍巖膨脹收斂持續(xù)時間。為此，膨脹巖隧道支護形式可采用可壓縮支護、可拆換支護與增補支護。(四)預留變形量 考慮膨脹巖對襯砌變形影響，隧道凈空應根據其膨脹特性預留520cm的變形量。 (五)防排水 無論何種礦物成分的膨脹圍巖，如果沒有水的作用，圍巖就不會產生膨脹和收縮，因此在設計時應加強圍巖防水和結構防水。,四、膨脹性圍巖隧道施工要點,1.加強調查、量測圍巖的壓力和流變 在施工過程中應對圍巖壓力及其流變情況進行充分的調查和量測，分析其變化規(guī)律。對地下水亦應探明分布范圍及規(guī)律，了解水對施工的影響程度，以便根據圍巖動態(tài)采取相應的施工措施。 2.合理選擇施工方法 在施工中應以盡量減少對圍巖產生擾動和防止水的浸濕為原則，宜采用無爆破掘進法。在開挖過程中盡可能縮短圍巖暴露時間，并及時襯砌。開挖方法宜不分部或少分部，多采用正臺階法、側壁導坑法和“眼鏡法”。,3.防止圍巖濕度變化 隧道開挖后及時噴射混凝土，封閉和支護圍巖。在有地下水滲流的隧道，應采取切斷水源并加強洞壁與坑道防、排水措施，防止施工積水對圍巖的浸濕等。 4.合理進行圍巖支護 在施工時應往意以下幾點： (1)噴錨支護，穩(wěn)定圍巖； (2)襯砌結構及早閉合。,第三節(jié) 黃土地段隧道施工,(一)黃土分類,黃土按其形成年代可分為： 老黃土：形成于下更新世Q1的午城黃土和中更新世Q2的離石黃土； 新黃土：上更新世Q3的馬蘭黃土及全新世Q4下部的次生黃土； 新近堆積黃土：Q4的最新堆積物，多為近幾十年至近幾百年形成的。,一、黃土分類及其對隧道工程的影響,根據其物理性質不同，按塑性指數(Ip)的大小可分為黃土質粘砂土(1Ip7)，黃土質砂粘土(7Ip17)及黃土質粘土(17Ip)。,(二)黃土地層對隧道工程的影響,(1)黃土節(jié)理影響 在隧道開挖時，土體容易順著節(jié)理張松或剪斷。如果這種地層位于坑道頂部，則極易產生“塌頂”。如果位于側壁，則普遍出現側壁掉土，若施工時處理不當，常會引起較大的坍塌。,(2)黃土沖溝地段對施工的影響 當隧道在較長的范圍內沿著沖溝或塬邊平行走向，而覆蓋較薄或偏壓很大的情況下，容易發(fā)生較大的坍塌或滑坡現象。 (3)黃土溶洞與陷穴影響 黃土溶洞與陷穴，是黃土地區(qū)經常見到的不良地質現象，隧道若建在其上方，則有基礎下沉的危害。隧道若修建在其下方，常有發(fā)生冒頂的危險。隧道若修建在其鄰側，則有可能承受偏壓，使圍巖與襯砌處于不利的受力狀態(tài)。,(4)水對黃土隧道施工的影響 在含有地下水的黃土層中修建隧道，由于黃土在干燥時很堅固，承壓力也較高，施工可順利進行。當其受水浸濕后，呈不同程度的濕陷性，會突然發(fā)生下沉現象，使開挖后的圍巖迅速喪失自穩(wěn)能力，如果支護措施滿足不了變化后的情況，極容易造成坍塌。,二、黃土隧道的施工方法,(1)黃土隧道施工，應做好黃土中構造節(jié)理的產狀與分布狀況的調查。,(2)施工中應遵循“短開挖、少擾動、強支護、實回填、嚴治水、勤量測”的施工原則，緊湊施工工序，精心組織施工。 (3)開挖方法宜采用短臺階法或分部開挖法(留核心法)，初期支護應緊跟開挖面施作。 (4)黃土圍巖開挖后暴露時間過長，圍巖周壁風化至內部，圍巖體松弛加快，進而發(fā)生坍方。 (5)做好洞頂、洞門及洞口的防排水系統工程，并妥善處理好陷穴、裂縫，以免地面積水浸蝕洞體周圍，造成土體坍塌。,(1)施工中如發(fā)現工作面有失穩(wěn)現象，應及時用噴射混凝土封閉、加設錨桿、架立鋼支撐等加強支護 。 (2)施工時特別注意拱腳與墻腳處斷面，如超挖過大，應用漿砌片石回填。如發(fā)現該處土體承載力不夠，應立即加設錨桿或采取其它措施進行加固。 (3)黃土隧道施工宜先作仰拱，如果不能先作仰拱時，可在開挖與灌筑仰拱前，為防止邊墻向內位移，應加設支撐。 (4)錨桿宜采用藥包式或早強砂漿錨桿。 (5)施工中如發(fā)現不安全因素，應暫停開挖，加強臨時支護，以便采取適應性的工序安排。,三、黃土隧道施工的注意事頂,第四節(jié) 溶洞地段隧道施工,溶洞是以巖溶水的溶蝕作用為主，間有潛蝕和機械塌陷作用而造成的基本水平方向延伸的通道。溶洞是巖溶現象的一種。,一、溶洞的類型及對隧道施工的影響,溶洞一般有死、活、干、濕、大、小幾種。死、干、小的浴洞比較容易處理，而活、濕、大的溶洞，處理方法則較為復雜。 巖溶對隧道工程的影響主要有四個方面：洞害、水害、洞穴充填物及坍塌、洞頂地表沉陷等。,(1)有的巖溶洞穴深或基底充填物松軟；有的頂板高懸不穩(wěn)，有嚴重崩墜之虞；有的巖溶發(fā)育情況復雜，洞穴、暗河上下迂回交錯，通道重疊；有的溶蝕大廳長、寬上百米，高達幾十米；如當隧道通過，其工程艱巨，結構處理復雜，施工困難。 (2)在巖溶地區(qū)修建隧道，施工中常遇水囊或暗河巖溶水的突然襲擊，往往泥沙涌流，堵塞坑道，給施工安全造成威脅。 (3)由于洞穴圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖石破碎或充填物松軟，在施工中極易發(fā)生坍塌，危害施工安全。,二、隧道遇到溶洞的處理措施,當隧道施工遇到巖溶危害時，可按巖溶對隧道的不同影響情況及施工條件，采取引流、跨越、加固、清除、注漿等不同措施或綜合治理。 (1)隧道通過巖溶區(qū)，應查明溶洞分布范圍和類型，巖層的完整穩(wěn)定程度、填充物和地下水情況，據以確定施工方法。 (2)隧道穿過巖溶區(qū)，如巖層比較完整、穩(wěn)定，溶洞已停止發(fā)育，有比較堅實的填充，且地下水量小，可采用探孔或物探等方法，探明地質情況。如有變化應采取相應的措施。,(3)巖溶地段隧道常用處理溶洞的方法，有“引、堵、越、繞”四種。 引排水 遇到暗河或溶洞有水流時，宜排不宜堵。應在查明水源流向及其與隧道位置的關系后，用暗管、涵洞、小橋等設施渲泄水流或開鑿泄水洞將水排除洞外(圖1)，或開鑿泄水洞，將水排出洞外(圖2)。當巖溶水流的位置在隧道頂部或高于隧道頂部時，應在適當距離外，開鑿引水斜洞(或引水槽)將水位降低到隧底標高以下，再行引排(圖3)。當隧道設有平行導坑時，可將水引入平行導坑排出。,堵填 對已停止發(fā)育、跨徑較小，無水的溶洞，可根據其與隧道相交的位置及其充填情況，采用混凝土、漿砌片石或干砌片石予以回填封閉(圖4、圖5、圖6)；根據地質情況決定是否需要加深邊墻基礎。當隧道拱頂部有空溶洞時，可視溶洞的巖石破碎程度在溶洞頂部采用錨桿或錨噴網加固，必要時可考慮注漿加固并加設隧道護拱及拱頂回填進行處理(圖7、圖8)。,跨越 當隧道一側遇到狹長而較深的溶洞，可加深該側的邊墻基礎通過(圖9)。隧道底部遇有較大溶洞并有流水時，可在隧道底部以下砌筑圬工支墻，支承隧道結構，并在支墻內套設涵管引排溶洞水(圖10)。隧道邊墻部位遇到較大、較深的溶洞，不宜加深邊墻基礎時，可在邊墻部位或隧底以下筑拱跨過(圖11)。當隧道中部及底部遇有深狹的溶洞時，可加強兩邊墻基礎，并根據情況設置橋臺架梁通過(圖12)。隧道穿過大溶洞，情況較為復雜時，可根據情況，采用邊墻梁、行車梁等。,繞行施工 在巖溶區(qū)施工，個別溶洞處理耗時且困難時，可采取迂回導坑繞過溶洞，繼續(xù)進行隧道施工，并同時處理溶洞，以節(jié)省時間，加快施工進度。繞行開挖時，應防止洞壁失穩(wěn)。,三、溶洞地段隧道施工的注意事項,(1)當施工達到溶洞邊緣，各工序應緊密銜接，支護和襯砌趕前。同時應利用探孔或物探作超前預報，設法探明溶洞的形狀、范圍、大小、充填物及地下水等情況，據以制定施工處理方案及安全措施。 (2)施工中注意檢查溶洞頂部，及時處理危石。當溶洞較大、較高且頂部破碎時，應先噴射混凝土加固，再在靠近溶洞頂部附近打入錨桿，并應設置施工防護架或鋼筋防護網。,(3)在溶洞地段的爆破作業(yè)應盡量做到多打眼、打淺眼，并控制爆破藥量且減少對圍巖的擾動。防止在一次爆破后溶洞內的填充物突然大量涌入隧道，或溶洞水突然襲擊隧道，造成嚴重損失。 (4)在溶洞充填體中掘進，如充填物松軟，可用超前支護施工。如充填物為極松散的礫石、塊石堆積或流塑狀粘土及砂粘土等可在開挖前采用地表注漿、洞內注漿或地表和洞內注漿相結合加固。如遇顆粒細、含水量大的流塑狀土壤，可采用劈裂注漿技術，注入水泥漿或水泥水玻璃雙液漿進行加固。,(5)溶洞未做出處理方案前，不要將棄渣隨意傾填于溶洞中。因棄渣覆蓋了溶洞，不但不能了解其真實情況，反而會造成更多困難。,第五節(jié) 巖爆,埋深較深的隧道工程，在高應力、脆性巖體中，由于施工爆破擾動原巖，巖體受到破壞，使掌子面附近的巖體突然釋放出潛能，產生脆性破壞，這時圍巖表面發(fā)生爆裂聲，隨之有大小不等的片狀巖塊彈射剝落出來，這種現象稱之巖爆。,一、隧道內巖爆的特點,(1)巖爆在未發(fā)生前并無明顯的預兆。 (2)巖爆時，巖塊自洞壁圍巖母體彈射出來，一般呈中厚邊薄的不規(guī)則片狀。 (3)巖爆發(fā)生的地點，多在新開挖工作面及其附近，個別的也有距新開挖工作面較遠處。巖爆發(fā)生的頻率隨暴露后的時間延長而降低。,二、巖爆產生的主要條件,地層的巖性條件和地應力的大小是產生巖爆與否的兩個決定性因素。,三、巖爆的防治措施,防治巖爆發(fā)生的措施主要有二：一是強化支護，二是弱化圍巖。 強化支護的措施很多，如噴射混凝土或噴鋼纖維混凝土、錨桿加固、錨噴支護、錨噴網聯合、鋼支撐網噴聯合，緊跟混凝土襯砌等。這些措施的出發(fā)點是給圍巖一定的徑向約束，使圍巖的應力狀態(tài)較快地從平面轉向三維應力狀態(tài)，以達到延緩或抑制巖爆發(fā)生的目的。,弱化圍巖的主要措施是注水、超前預裂爆破、排孔法、切縫法等。注水的目的是改變巖石的物理力學性質，降低巖石的脆性和儲存能量的能力。后三者的目的是解除能量，使能量向有利的方向轉化和釋放。,四、巖爆地段隧道施工的注意事項,(1)平導應掘進超前正洞一定距離，以了解地質。 (2)爆破應選用預先釋放部分能量的方法，先期將巖層的原始應力釋放一些，以減少巖爆的發(fā)生。,(3)根據巖爆發(fā)生的頻率和規(guī)模情況，考慮縮短爆破循環(huán)進尺。初期支護和襯砌要緊跟開挖面，以盡可能減少巖層的暴露面和暴露時間，防止巖爆的發(fā)生。 (4)巖爆引起坍方時，應迅速將人員和機械撤到安全地段；充分作好巖爆現象觀察記錄；采用聲波探測預報巖爆工作。,第六節(jié) 瓦斯地層隧道施工,瓦斯是地下坑道內有害氣體的總稱。,(1)瓦斯(沼氣)為無色、無臭、無味的氣體，由于空氣中瓦斯?jié)舛仍黾?，氧氣相應減少，很容易使人室息或發(fā)生死亡事故。 (2)瓦斯比重為0.554僅占空氣一半。 (3)瓦斯不能自燃，但極易燃燒，其燃燒的火焰顏色，隨瓦斯?jié)舛鹊脑龃蠖兊?，空氣中含有少量瓦斯時火焰呈蘭色，濃度達5左右時，火焰呈淡青色。,一、瓦斯的性質,二、瓦斯的燃燒和爆炸性,當坑道中的瓦斯，濃度小于5遇到火焰時，瓦斯只是在火源附近燃燒而不會爆炸；瓦斯?jié)舛仍?6到1416時，遇到火源具有爆炸性；瓦斯?jié)舛却笥?416時，一般不爆炸，但遇火能平靜地燃燒。 瓦斯燃燒時，遇到障礙而受壓縮，即能轉燃燒為爆炸。瓦斯爆炸時爆炸波運動造成暴風在前，火焰在后，暴風遇到積存瓦斯，使它先受到壓力，然后火焰點燃發(fā)生爆炸。第二次瓦斯受到的壓力比原來的大，因此爆炸后的破壞力也更劇烈。,三、瓦斯放出的類型,發(fā)生瓦斯放出有三個主要因素：地應力、瓦斯和圍巖結構，而地應力和圍巖中瓦斯的存在是引起瓦斯放出的主要因素。從巖層中放出瓦斯，可分為三種類型： (1)瓦斯的滲出 (2)瓦斯的噴出 (3)瓦斯的突出,四、防止瓦斯事故的措施,(1)隧道穿過瓦斯溢出地段，應預先確定瓦斯探測方法，并制訂瓦斯稀釋措施、防爆措施和緊急救援措施等。 (2)隧道通過瓦斯地區(qū)的施工方法，宜采用全斷面開挖法。 (3)加強通風是防止瓦斯爆炸最有效的辦法。 (4)洞內空氣中允許的瓦斯?jié)舛葢刂圃谝?guī)定值以下。,(5)開挖工作面風流中和電機附近20m以內風流中瓦斯?jié)舛冗_到1.5時，必須停工、停機，撤出人員，切斷電源，進行處理。 (6)瓦斯隧道必須加強通風，防止瓦斯積聚。 (7)如開挖進入煤層，瓦斯排放量較大，使用一般的通風手段難以稀釋到安全標準時，可使用超前周邊全封閉預注漿。 (8)采用防爆設施 。,五、嚴格執(zhí)行有關制度,(1)瓦斯檢查制度：指定專人、定時和經常進行檢查，測量風流和瓦斯含量，嚴格執(zhí)行瓦斯允許濃度的規(guī)定。瓦斯檢查手段可采用瓦斯遙測裝置、定點報警儀和手持式光波干涉儀。隨時發(fā)現異常情況，應及時報告技術主管負責人，采取措施進行處理。 (2)洞內嚴禁使用明火，嚴禁將火柴、打火機、手電簡及其他易燃品帶入洞內。 (3)進洞人員必須經過瓦斯知識和防止瓦斯爆炸的安全教育。搶救人員未經專門培訓不準在瓦斯爆炸后進洞搶救。,(4)瓦斯檢查人員必須挑選工作認真負責、有一定業(yè)務能力、經過專業(yè)培訓、考試合格者，方可進行監(jiān)測工作。,第七節(jié) 隧道施工坍方處理措施,隧道開挖時，導致坍方的原因有多種，概括起來可歸結為：一是自然因素，即地質狀態(tài)、受力狀態(tài)、地下水變化等；二是人為因素，即不適當的設計，或不適當的施工作業(yè)方法等。,一、發(fā)生坍方的主要原因,(1)不良地質及水文地質條件 隧道穿過斷層及其破碎帶，或在薄層巖體的小曲褶、錯動發(fā)育地段；通過各種堆積體 ；在軟弱結構面發(fā)育或泥質充填物過多地段。 隧道穿越地層覆蓋過薄地段。 水是造成坍方的重要原因之一。 (2)隧道設計考慮不周 隧道選定位置時，地質調查不細，未能作詳細的分析，或未能查明可能坍方的因素，沒有繞開可以繞避的不良地質地段。,缺乏詳細的的地質及水文地質資