石灰?guī)r巖溶施工方法

4.石灰?guī)r巖溶施工方法本合同段隧道穿越地層多為灰?guī)r地區(qū)，在厚大的灰?guī)r中進(jìn)行隧道開挖時會遇到隱伏性巖溶、溶洞。因此處理好石灰?guī)r巖溶不良地質(zhì)條件在本工程中顯得尤為重要，本隧道主要采用超前地質(zhì)預(yù)報進(jìn)行地質(zhì)探測，及時了解地形情況，在根據(jù)所測得的資料來擬定合適的施工方案來解決好石灰?guī)r巖溶問題。4.1雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報4.1.1雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報的原理地質(zhì)雷達(dá)與對控雷達(dá)在原理上十分相似，是基于地下介質(zhì)的電性差異，向地下發(fā)射高頻電磁波，并接收地下介質(zhì)反射的電磁波進(jìn)行處理、分析、解釋的一項工程物探技術(shù)，其探測原理如圖1所示。圖1地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意射體深度；x為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的距離；v為雷達(dá)脈沖波速。由置于隧道掌子面發(fā)射天線送入隧道掘進(jìn)方向的掌子面高頻電磁波脈波（主頻為數(shù)十兆至數(shù)百兆乃數(shù)千兆赫），當(dāng)其在巖體傳播過程中遇到不同目標(biāo)體（巖石破碎帶、溶洞、斷層裂隙等）的電性介面時就有部分電磁能量被反射折向掌子面，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄，得到從發(fā)射經(jīng)巖體界面反射回到接收天線的雙程走時t。當(dāng)巖體介質(zhì)的波速已知時，可根據(jù)測到的精確t值求得目標(biāo)體的位置和深度。這樣，可對各測點進(jìn)行快速、連續(xù)地探測，并根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到地質(zhì)雷達(dá)剖面圖像。而通過多條測線的探測，則可了解隧道掌子面目標(biāo)體斷面分布情況。4.1.2雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報的檢測設(shè)備及其優(yōu)點a檢測設(shè)備、方法及測線布置對于不同深度、不同巖性的探測目的層與目的物，在應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)檢測時，需選擇相應(yīng)頻率的天線和適當(dāng)?shù)膬x器參數(shù)。要探測到較深的地質(zhì)情況，就必須選用相對較低頻率的天線，本次檢測選用了100MHz天線。使用的設(shè)備：美國勞雷公司SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)；由于隧道斷面場地限制，在隧道上斷面采用了連續(xù)測試及點測試方法，用100MHz天線進(jìn)行連續(xù)掃描，采集地質(zhì)雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)。具體檢測線布置見如下示意圖。在地質(zhì)雷達(dá)圖像上，隧道中線點為1個連續(xù)短標(biāo)記;起、終點分別為2個連續(xù)短標(biāo)記。圖圖1-1地質(zhì)雷達(dá)測試酣布置圖掌（面）掌子面）b優(yōu)點SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)地質(zhì)超前預(yù)報探測系統(tǒng)，采用隧道高頻地震反射回波的方法，探查隧道前方圍巖的不良地質(zhì)體（例如：巖體構(gòu)造破碎帶、巖性接觸帶和巖溶發(fā)育帶等）。為隧道的快速掘進(jìn)、支護(hù)材料的提前準(zhǔn)備，以及災(zāi)害事故的預(yù)防提供地質(zhì)資料與信息。專門為隧道及地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報研制開發(fā)的技術(shù)成果，已經(jīng)經(jīng)過國內(nèi)著名隧道專家組評審，鑒定為具有國際先進(jìn)技術(shù)水平。隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)可預(yù)報隧道前方200米左右（本數(shù)值為中等硬度圍巖條件，視當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造有所偏差）的巖性變化、斷層、破碎帶、巖溶發(fā)育帶、空洞等，并能計算出上述范圍內(nèi)的縱波、橫波速度、波速比，泊松比，相應(yīng)巖體的動彈模量和剪切模量等巖石力學(xué)參數(shù)。TGP206隧道地質(zhì)超前預(yù)報探測系統(tǒng)動態(tài)范圍大，通過改變偏移距離和激發(fā)能量即可實現(xiàn)大范圍預(yù)報。TGP206隧道地質(zhì)超前預(yù)報探測系統(tǒng)性能提高突出表現(xiàn)在高分辨能力的增強(qiáng)，即對隧道圍巖病害地質(zhì)體的判釋能力的提高方面。根據(jù)隧道地質(zhì)超前預(yù)報和隧道地質(zhì)檢測兩個方面的需要，開發(fā)出TGP隧道地質(zhì)預(yù)報儀和相關(guān)軟件處理系統(tǒng)。該隧道地質(zhì)超前預(yù)報儀器系統(tǒng)既可以進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報，擴(kuò)展配置又可以對開挖過程中未發(fā)現(xiàn)的隧道隱蔽病害（如隧底巖溶等）進(jìn)行檢測，和檢測隧道圍巖的彈性波速度、劃分隧道圍巖類別，以及檢查混凝土襯砌與圍巖之間是否存在脫空缺陷等。這種多功能儀器適應(yīng)隧道彈性波多項目檢測的需要，軟件處理系統(tǒng)全部為WINDOWS編程，界面良好，處理中既有自動處理方式，也有手動處理方式，還具有深入分析異?？煽砍潭鹊淖粉櫾u估功能。這種功能設(shè)計的操作既適應(yīng)非物探人員，又適應(yīng)物探或?qū)I(yè)人員利用彈性波傳播特性對隧道復(fù)雜地質(zhì)條件進(jìn)行深入的研究。4.2石灰?guī)r溶隧道4.2.1石灰?guī)r溶形態(tài)及其發(fā)育條件4.2.1.1石灰?guī)r溶形態(tài)由于溶蝕作用和由此引起的機(jī)械沖刷坍陷等共同作用的結(jié)果，在地表與地下形成的奇特地形形態(tài)有十幾種，如：溶溝和石芽、溶蝕裂隙、漏斗、溶蝕洼地、落水洞、坡立谷、峰林、干谷、溶洞、暗河等。4.2.1.2石灰發(fā)育階段可以巖溶發(fā)育過程分為4個階段一一幼年期、青年期、中年期、老年期。（1） 發(fā)育初期，大多是石芽、溶溝，逐漸發(fā)育成溶斗和落水洞，為巖溶發(fā)育的幼年期。（2） 巖溶地貌進(jìn)一步發(fā)育，地下洞穴大量發(fā)育，并且互相貫通暗河成為一個統(tǒng)一的地下水系統(tǒng)，地下水面以上，溶洞干涸，地下水面以下的洞穴充水，形成地下河，為巖溶發(fā)育的青年期。（3） 進(jìn)一步發(fā)育，地面逐漸被蝕低，離地面較淺的溶洞的頂板開始崩塌，地下河的某些段塌頂成為地面河。巖溶地貌進(jìn)入中年期。（4） 最后，地下河和溶洞大量崩塌，成為地面巖溶盆地和平原地貌。此時石灰?guī)r已大量蝕去，石灰?guī)r的殘積堆積物發(fā)育。除了溶蝕平原上殘留少量的殘丘及孤峰，地面起伏很小，形成一個準(zhǔn)平原。為巖溶地貌的老年期。4.2.1.3石灰?guī)r溶發(fā)育條件巖溶的發(fā)育條件：具有可溶性巖層；具有足夠流量且具溶解能力的水（酸性水）；地表水有下滲，地下水有流動的途徑。三者缺一不可！！也就是說，巖溶發(fā)育必須是：（1）具有可溶性巖石（如碳酸鹽巖、碳酸鹽類巖石 石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r等；硫酸鹽巖一一石膏、硬石膏、芒硝；鹵鹽類巖石一一鉀、鈉、鎂鹽巖石等）；（2） 巖石是透水的（風(fēng)化、節(jié)理裂隙發(fā)育、褶皺、斷裂）；（3）水必須具有侵蝕性（一般為酸性水，如溶解CO2的水或富含SO42-）；（4）水在巖石中應(yīng)處于不斷的運動狀態(tài)中。4.2.2石灰?guī)r溶對隧道工程的危害通過分析巖溶形態(tài)的特性及其發(fā)育的不均衡性和不規(guī)則性，不難看出，巖溶有利用的一面（如觀賞旅游價值、巖溶伴生物的醫(yī)療價值），但作為一種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象，更主要的是對人們的生活和工程建設(shè)構(gòu)成很大的威脅，給人們的生命財產(chǎn)構(gòu)成威脅，甚至是災(zāi)難，也給隧道及地下工程的建設(shè)和使用、維護(hù)帶來一些列困難。富水高水壓地段的隧道襯砌設(shè)計參數(shù)選擇很難把握；施工階段的突水、突泥對施工安造成很大威脅，甚至生命的代價，也嚴(yán)重影響施工進(jìn)度；修建地下工程后，因原巖溶水循環(huán)系統(tǒng)平衡破壞，造成地表水系、地貌和生態(tài)破壞，甚至造成地表結(jié)構(gòu)物破壞、水資源缺乏等；因巖溶的發(fā)育和巖溶管道水、溶蝕物等對隧道結(jié)構(gòu)形成威脅，影響正常使用、運營。特長隧道巖溶問題是國內(nèi)外隧道施工中的重大難題。我國在鐵路、公路、水工隧道施工中均遇到了巖溶突水、突泥、頂板溶洞充填物陷落冒頂、底板塌陷等問題，投入了大量的人力、物力、精力來解決和處置這些地質(zhì)問題，積累了一些經(jīng)驗，取得了一些成效，但仍然發(fā)生了一系列問題，甚至是血的教訓(xùn)。4.2.3石灰?guī)r溶隧道施工中存在的問題在隧道施工過程中，溶洞使得隧道的施工力學(xué)動態(tài)更為復(fù)雜，易造成圍巖中應(yīng)力的過度集中，隧道周邊變形量增加，并可能引起隧道開挖中局部圍巖的坍塌、掉塊，影響隧道施工，直接危及施工人員和機(jī)械設(shè)備的安全。若溶洞中存在巖溶水或填充物等，施工過程中常發(fā)生的突水、突泥等工程災(zāi)害，危及隧道施工的安全，影響隧道施工的進(jìn)度，一旦施工措施不當(dāng)，常會使隧道建成后運營環(huán)境惡劣，地表環(huán)境惡化，給人們的生產(chǎn)和生活造成重大損失。當(dāng)前溶洞對隧道工程影響的研究一是有關(guān)巖溶區(qū)隧道影響范圍內(nèi)巖溶的探測問題；二是研究巖溶隧道災(zāi)害的超前預(yù)報、災(zāi)害的處理措施和巖溶隧道的施工方法等；三是研究不同形態(tài)和尺度溶洞引起的隧道穩(wěn)定性問題，主要研究不同規(guī)模、位置的溶洞對隧道位移場、應(yīng)力場和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的影響及對隧道施工動態(tài)的影響。這幾個方面是相互聯(lián)系，互相促進(jìn)的。由此可見巖溶隧道相關(guān)問題的復(fù)雜性。一般巖溶隧道施工中存在的問題有：（1） 由于受勘測手段的限制，加上目前處于鐵路建設(shè)高潮的時期，設(shè)計單位不可能在設(shè)計時有非常準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，所以巖溶地質(zhì)不一定非常詳盡，因此導(dǎo)致在施工中不能提前預(yù)知，從而給施工帶來困難。（2） 在設(shè)計圖中能預(yù)知巖溶地段，但巖溶的具體形態(tài)、位置也有可能與實際不一致，從而造成施工措施不到位而引起的問題。（3）設(shè)計與實際巖溶有較大差別造成的巖溶突泥、涌水等災(zāi)害問題。（4）施工中由于施工方法不當(dāng)引起的問題。4.2.4石灰?guī)r溶隧道施工的方法巖溶隧道處于復(fù)雜地質(zhì)條件下，它受天然形成的地質(zhì)狀態(tài)（如地應(yīng)力、地質(zhì)物理參數(shù)、地下水、地質(zhì)斷層等因素）和人工開挖操作（如開挖方式、支護(hù)方式、支護(hù)時間等因素）影響很大。由于其所處的地質(zhì)環(huán)境不同，其圍巖穩(wěn)定特性也不同，因此采用的支護(hù)方式和開挖方式也就與一般隧道略有不同。大概而言，在方法中一般開挖工序上有差別，并更多的應(yīng)用輔助工程措施。目前隧道的開挖方式主要有：全斷面開挖法、臺階法、分部開挖法、導(dǎo)坑法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。全斷面開挖法適用于I?ill級圍巖；臺階法適用于III?w級圍巖，上下臺階之間的距離，能滿足機(jī)具正常作業(yè)，并減少翻渣工作量；分部開挖法適用于V?丑級圍巖，一般環(huán)形開挖進(jìn)尺以0.5?1.5m為宜；導(dǎo)坑法適用于V?丑級圍巖，各工序安排緊湊，能保證施工安全；單（雙）側(cè)壁導(dǎo)坑法適用于圍巖較差、沉降需要控制的隧道。而支護(hù)方式通常采用錨噴、錨網(wǎng)噴、錨噴網(wǎng)架、錨噴網(wǎng)加注漿、鋼架支護(hù)、鋼筋混凝土支護(hù)、注漿加固和預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)等，實際應(yīng)用中常常采用多次支護(hù)、聯(lián)合支護(hù)等形式。4.2.5巖溶隧道施工開挖方法巖溶隧道由于處于復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，無論是出露溶洞還是隱伏溶洞，其對隧道的結(jié)構(gòu)本身和隧道圍巖都有非常不利的影響。這種影響不僅僅表現(xiàn)在勘察設(shè)計階段，在施工過程中因施工方法的不正確等原因而造成突發(fā)性災(zāi)害事故。故對巖溶隧道提倡動態(tài)的施工設(shè)計，根據(jù)現(xiàn)場施工情況的反饋及時有效的指導(dǎo)隧道后續(xù)施工。一般來說隧道施工開挖方法分為明挖法和暗挖法兩大類，其中暗挖法按開挖隧道的橫斷面分部情形來分又可分為全斷面開挖法、臺階法、分部開挖法，當(dāng)然，暗挖法中也包括TBM和盾構(gòu)法。對巖溶隧道而言，根據(jù)實際情況，可采用的開挖方法有全斷面開挖法、臺階開挖法、留核心土臺階開挖法、分部開挖法等。其在方法上與一般的隧道相似，差異之處在于巖溶區(qū)段與非巖溶區(qū)段開挖工序上略有不同，并且采取更多的輔助工程措施，但所遵循的原則是一致的。(一)全斷面開挖全斷面開挖法是按設(shè)計開挖斷面一次開挖成型，常適用于I?III級圍巖。全斷面開挖的主要優(yōu)缺點為：全斷面開挖法有較大的工作空間，適用于大型配套機(jī)械化施工，施工速度較快，且因工序少和干擾少，便于施工組織和管理。一般應(yīng)盡量采用全斷面開挖法。但開挖面較大，圍巖相對穩(wěn)定性降低，且每循環(huán)工作量相對較大，因此要求施工單位具有較強(qiáng)的開挖、出渣能力和相應(yīng)的支護(hù)能力；采用全斷面開挖，鉆爆施工效率較高，采用深孔爆破可加快掘進(jìn)速度，且爆破對圍巖的震動次數(shù)較少，有利于圍巖的穩(wěn)定。但每次深孔爆破震動強(qiáng)度卻較大，因此要求進(jìn)行嚴(yán)格的鉆爆設(shè)計和控制爆破作業(yè)。采用全斷面開挖方法的主要注意事項有：摸清開挖面前方的地質(zhì)情況，隨時準(zhǔn)備好應(yīng)急措施(包括改變施工方法)，以確保施工安全和工程進(jìn)度。尤其應(yīng)注意突然發(fā)生的地質(zhì)條件惡化如地下泥石流；各工序使用的機(jī)械設(shè)備務(wù)求配套，以充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的使用效率和各工序之間的協(xié)調(diào)作用，力爭環(huán)環(huán)相扣，在保證隧道穩(wěn)定安全的條件下，提高施工速度；在軟弱破碎圍巖中使用全斷面法開挖時，應(yīng)加強(qiáng)對輔助施工方法的設(shè)計和作業(yè)檢查以及對支護(hù)后圍巖的動態(tài)量測與監(jiān)控。臺階法開挖臺階開挖法(圖2.2)一般是將設(shè)計斷面分上半斷面和下半斷面兩次開挖成型，也有采用臺階上部弧形導(dǎo)坑超前開挖的。臺階法適用于VI?IV級圍巖且含軟弱夾層帶或節(jié)理發(fā)育地段。根據(jù)圍巖的破碎程度，臺階法又可分為長臺階法、短臺階法、超短臺階法。臺階法開挖的主要優(yōu)缺點為：⑴臺階開挖法可以有足夠的工作空間和相當(dāng)?shù)氖┕に俣?。但上下部作業(yè)有干擾；(2)臺階開挖雖增加對圍巖的擾動次數(shù)，但臺階有利于開挖面的穩(wěn)定。尤其是上部開挖支護(hù)后，下部作業(yè)就較為安全，但應(yīng)注意下部作業(yè)時對上部穩(wěn)定性的影響。采用臺階法開挖的主要注意事項有：臺階長度要適當(dāng)。按臺階長短可分為長臺階、短臺階、微臺階三種。選用何種臺階，應(yīng)根據(jù)兩個條件來確定:其一是初期支護(hù)形成閉合斷面的時間要求，圍巖穩(wěn)定性愈差，閉合時間要求愈短；其二是上半斷面施工時開挖、支護(hù)、出渣等機(jī)械設(shè)備所需的空間大小的要求；解決好上、下半斷面作業(yè)的相互干擾問題。微臺階基本上是合為一個工作面進(jìn)行同步掘進(jìn);長臺階基本上拉開，干擾較小；而短臺階干擾就較大，要注意作業(yè)組織。對于長度較短的隧道，可將上半斷面貫通后，再進(jìn)行下半斷面施工；下部開挖時，應(yīng)注意上部的穩(wěn)定。若圍巖穩(wěn)定性較好，則可以分段順序開挖;若圍巖穩(wěn)定性較差，則應(yīng)縮短下部掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺；若圍巖穩(wěn)定性更差，則可以左右錯開，或先拉中槽后挖邊幫。分部開挖法分部開挖法是將隧道斷面分部開挖逐步成型，一般將某部超前開挖，常用的有環(huán)形開挖留核心土法、上(下)導(dǎo)坑超前開挖法、單(雙)側(cè)壁導(dǎo)坑超前開挖法等。(1)臺階分部開挖法又稱環(huán)形開挖留核心土法(圖2.3)，適用于一般土質(zhì)或易坍塌的軟弱圍巖地段。上部留核心土支擋開挖工作面，利于及時施作拱部初期支護(hù)，增強(qiáng)開挖工作面的穩(wěn)定性，核心上及下部開挖在拱部初期支護(hù)保護(hù)下進(jìn)行，施工安全性好。一般環(huán)形開挖進(jìn)尺為0.5?1m左右，不宜過長，上下臺階可用單臂掘進(jìn)機(jī)開挖。臺階分部開挖法的主要優(yōu)點是：與超短臺階法相比，臺階可以加長，一般雙線隧道為1倍洞跨，單線隧道為2倍洞跨，而較側(cè)壁導(dǎo)坑法機(jī)械化程度高，施工速度可以加快。此法曾在大秦線軍都山隧道黃土及斷層帶地段、北京地鐵復(fù)興門折返線工程中采用，取得良好的效果。單側(cè)壁導(dǎo)坑法(CD法一Centerdiaphgram)圍巖較差，跨度大，地表沉陷難于控制時采用，此法單側(cè)壁導(dǎo)坑超前，見圖2.4，中部和另一側(cè)的斷面用正臺階法施工，故兼有正臺階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)點，且洞跨可隨機(jī)械設(shè)備等施工條件決定，此法已在北京地鐵復(fù)興門折返線，埋深與洞跨比為0.67、寬15m的渡線斷面中應(yīng)用并獲得成功。該方法還有一些變化方法，如在開挖單側(cè)壁導(dǎo)坑時也采用臺階法，并及時用斜支撐支護(hù)，一般將這種方法成為CRD法，如在東京市地鐵隧道施工中采用了該方法，該處地鐵隧道埋深從0?10m，地層為漂礫土、細(xì)粘土、粘土、沙土等，隧道斷面為馬蹄形，寬10m，高8.5m。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法適用于淺埋大跨度隧道(圖2.5)，地表下沉量要求嚴(yán)格，圍巖條件特