淺談隧道施工中的塌方預防技術(shù)

淺談隧道施工中的塌方預防技術(shù)[摘要]由于地質(zhì)條件困難，隧道在施工時初期支護很簡單出現(xiàn)局部開裂、甚至坍塌等狀況，嚴峻影響工程進度。本文通過對隧道塌方分析，以便大家更好地了解在隧道施工時一些值得留意的地方,盡早實行改進措施，防范于未然。簡要分析了隧道施工中，發(fā)生塌方事故的各種緣由，并介紹了幾種預防塌方的常用方法和手段。[關(guān)鍵詞]隧道塌方緣由分析預防1工程概況、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及不良地質(zhì)概況1.1工程概況西（寧）久（治）馬路作為青海省路網(wǎng)的重要組成部分，是貫穿青海省東部的縱向通道，是聯(lián)結(jié)省會西寧、海東地區(qū)和海南、黃南、果洛藏族自治州的重要經(jīng)濟干線。我公司承建的青海省西久馬路拉脊山隧道A合同段工程，位于青海省東部的湟中縣境內(nèi)，隧址區(qū)屬于高山剝蝕地貌，海拔3224-3846m，最大高差622m。山脊走向北西-南東向，與隧道方向近直交，進口處山坡較陡，坡度45-50°。我合同段主要工程內(nèi)容包括路基工程、橋涵工程、防護排水工程和隧道工程，其中隧道工程占據(jù)著相當重要的地位，其中拉脊山隧道1.2工程地質(zhì)概況1.2.1砂巖夾泥巖：紫紅色，粒狀結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育。主要分布于隧道出口段。千枚巖：灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，主要礦物成分為泥質(zhì)物，少量碳質(zhì)物等，節(jié)理裂隙發(fā)育。為軟質(zhì)巖，物理力學性能差，褶皺發(fā)育。主要分布于隧道進口段。石英閃長巖：灰白色，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀、片麻狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，主要礦物成分為石英、長石、角閃石，少量云母等。分布于進口、隧道洞身，厚度大，巖體局部破裂。中基性火山巖：淺灰綠色，暗紫紅色，隱晶-細晶結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育。分布于進口與千枚巖、石英閃長巖不整和接觸。紅山嘴-電桿溝-大山梁大斷裂斷裂（F6）:區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，以北西向-北西西向，北東向斷裂為主，呈直線狀展布。大斷裂與線路呈近正交關(guān)系，區(qū)內(nèi)走向96°-110°，傾向北，傾角60-85°。1.3水文地質(zhì)概況地表水:隧道穿越山體表面無凹地積水，局部地段發(fā)育小沖溝，平常無地表徑流。地下水.1松散巖類空隙水：在隧道區(qū)段一般分布，主要賦存于強風化至弱風化帶淺部，其含水量除與風化裂隙有關(guān)外，還與風化帶地層巖性有關(guān)。泥晶灰?guī)r，巖質(zhì)較堅硬，裂隙張開保持程度較高，隙間充填物較少，裂隙富水和導水性較好，巖層含水量較豐富；泥巖巖質(zhì)軟，裂隙易受壓力作用而閉合，隙間多為泥質(zhì)成分充填，裂隙富水和導水性差，巖層含水量貧乏；泥灰?guī)r巖質(zhì)較軟，其含水量介于前兩者之間，因此松散巖類裂隙水的富集存在不均一性。.2基巖裂隙水：斷層F6位于電桿溝，電桿溝中有長年流水，為冰雪融水、泉水，溝中水與斷層相連，水量較大，易進入斷層破裂帶及裂隙中，隧道在該段易有較大涌水。施工時易發(fā)生突涌及坍塌事故，施工時應剛好支護及加強防排水工作。1.4不良地質(zhì)隧道橫穿斷層及次級斷層，斷層富含地下水，在施工時做好防排水措施，施工時留意斷層破裂待易造成大規(guī)模坍塌。隧道進口段為千枚巖，其物理力學性能差易造成坍塌，建議施工時剛好支護。隧道洞身材石英閃長巖具有差異風化性，隧道開挖后應剛好對洞室進行防風化處理。經(jīng)斷層F6段時易發(fā)生坍塌現(xiàn)象。2隧道塌方的成因隧道塌方，是制約隧道施工進度的主要因素之一。塌方處理，耗時費勁，施工單位深受其害。在施工中，甚至存在著這樣一個普遍的觀念，那就是：“隧道施工，塌方是不行避開的”。但是通過對以往隧道施工的總結(jié)和隧道塌方緣由的分析來看，塌方是有可能從根本上杜絕的。塌方緣由分析隧道施工發(fā)生塌方的緣由主要分為主觀和客觀兩大類。其中主觀緣由就是指施工方法不當，而客觀緣由則是指山體本身存在著不良地質(zhì)狀況。2.1主觀緣由：正確的施工方法是隧道平安施工的基本保障，而施工單位往往因為片面地追求施工進度或者只顧眼前利益而忽視了對圍巖的支護，或人為地降低了對圍巖支護的等級，施工中不仔細，存在僥幸心理，這是造成塌方的主要根由。施工方法不當，主要有以下幾種表現(xiàn)形式：隧道開挖時，沒有很好地進行限制爆破，加劇了對圍巖的破壞和擾動。由于拉脊山隧道右線原設(shè)計為左線的平行導洞，現(xiàn)改擴建為主洞。施工中須要拆除736m的原平行導洞，在擴洞過程中對圍巖形成二次擾動，進一步導致了圍巖自穩(wěn)實力的降低。隧道開挖后，未能剛好噴射首層混凝土，圍巖得不到剛好封閉，或錨桿、鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架、噴混凝土等支護措施未能剛好實施，致使圍巖暴露時間過長，造成圍巖進一步風化，圍巖收斂變形加劇，極有可能出現(xiàn)圍巖局部失穩(wěn)，進而造成塌方。圖3隧道開挖后發(fā)生塌方將拱架砸壞混凝土噴射厚度達不到設(shè)計要求，噴混凝土的強度低于設(shè)計強度，噴射前未對巖面進行清除、清洗、排水等打算工作，混凝土滲入不到圍巖裂隙當中，不能很好地封閉節(jié)理、加固結(jié)構(gòu)面，從而起不到提高圍巖強度、整體性和自承實力的作用。由于錨桿安裝方向沒有適應節(jié)理或裂隙的走向，錨桿安裝工藝不正確，砂漿或錨固劑充填不實，錨桿間距不合理等緣由，造成錨桿的抗拔力達不到設(shè)計要求，懸吊實力降低，大大減弱了其對層狀巖體的連接作用和對有節(jié)理、裂隙懦弱巖體的加固實力。格柵鋼架加工質(zhì)量不合格，尤其在安裝時，鋼架支撐構(gòu)件的連接不堅固、未安裝底板、鋼架周邊與圍巖沒有貼緊，只有局部接觸，使得鋼架局部受力超強，這些緣由造成格柵鋼架受力后發(fā)生嚴峻變形或下沉，甚至發(fā)生傾倒、扭曲等現(xiàn)象，從而起不到應有的加固預防作用。在施工過程中，遇到懦弱圍巖、不良地質(zhì)地段，隨著爆破振動次數(shù)增多、地下水侵蝕加劇，當圍巖變形達到肯定限度時，即使不應塌方地段，也會因巖體失穩(wěn)而坍塌。圖4圍巖失穩(wěn)拱頂發(fā)生塌方2.2客觀緣由：工程地質(zhì)本身就具備著多樣性，有的地質(zhì)構(gòu)造滿意圍巖穩(wěn)定，而有的地質(zhì)構(gòu)造存在著嚴峻的塌方隱患。由于巖體構(gòu)造組合不利，如當隧道通過褶皺構(gòu)造、斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育地帶，或通過兩種物理力學性質(zhì)不同的巖層交界處時，由于圍巖本身不穩(wěn)定或已切割成碎塊而強度降低，很簡單引起塌方。圖5、6隧道內(nèi)圍巖當隧道通過較大的斷層帶，或斷層雖不大但有較寬斷層破裂帶處，或數(shù)條斷層的交匯處時，由于斷層旁邊的巖石一般比較破裂，且風化嚴峻，斷層又多夾有斷層泥、糜棱巖、角礫巖等充填物，圍巖整體性極差，因此也簡單產(chǎn)生塌方。圖7圍巖發(fā)生塌方地下水是隧道施工過程中常常遇到的地質(zhì)特征，也是影響圍巖穩(wěn)定的主要因素之一。圍巖“遇水降級”，是一條已經(jīng)形成共識的具體原則。而當在較大的斷層中存在較大水壓時，當隧道打穿或接近斷層帶時，地下水會向山體外集中泄出，其中的破裂巖體和充填物被地下水沖刷淘空，從而使隧道上部巖體失去依托，造成塌方。同時，地下水對巖體的軟化、浸泡、沖蝕、溶解等作用，常常會加劇巖體的失穩(wěn)和坍落。還有許多其它的不良地質(zhì)地段，象松散地層、溶洞、膨脹性巖層等，假如在施工中處理不當或不夠剛好，都會產(chǎn)生塌方。而這些可能造成塌方的因素，往往不是獨立的，而是多種并存，如在電桿溝段時，常常出現(xiàn)有斷層、破裂帶、節(jié)理裂隙等，而斷層一般又是地下水和地表水滲透活動場所。地質(zhì)條件越困難，塌方的可能性就越大。圖8、9隧道內(nèi)地下水涌出3塌方的預防塌方預防在隧道施工過程中發(fā)生塌方，往往是主觀緣由與客觀緣由并存的。通過以上對塌方緣由的分析，不難看出，要想從根本上杜絕塌方，首先要從施工人員的思想相識和工作作風入手，切勿急躁冒進，盲目樂觀，要嚴格依據(jù)施工規(guī)范和圖紙設(shè)計施工，否則就會產(chǎn)生“欲速則不達”的后果；其次還要實行一些先進的、科學的方法和手段，對圍巖進行超前探測和超前支護，其主要方法有以下幾項：3.1超前地質(zhì)預報由于方法和精度所限，隧道設(shè)計中供應的地質(zhì)狀況只能是個也許狀況，而要想精確地了解隧道的具體地質(zhì)狀況，可以通過隧道施工地質(zhì)技術(shù)，實行儀器探測法、地面地質(zhì)調(diào)查法和斷層參數(shù)預料法等科學手段，對圍巖進行長期、短期或接近地質(zhì)預報，為隧道實行正確的施工方法供應牢靠的依據(jù)。同時，上述這些方法還可以對不良地質(zhì)地段進行監(jiān)測、推斷，主要包括對隧道內(nèi)斷層破裂帶、不穩(wěn)定滑塌體和巖體、巖溶陷落柱的識別，影響塌方地質(zhì)因素分析和塌方可能性推斷，包括塌方前兆剛好精確辯認。3.2光面爆破光面爆破是隧道施工中為避開塌方而實施的至關(guān)重要的一環(huán)。施工中應依據(jù)圍巖的具體狀況和特點，合理的選擇爆破參數(shù)，科學地確定周邊眼間距、鉆眼深度及最小反抗線，嚴格限制炮眼的裝藥量，特殊是周邊眼，要通過試驗來最終確定，軟巖隧道采納半斷面或臺階法開挖，孔深為1.0～3.0m的淺孔爆破時，單位體積巖石的炸藥消耗量一般為0.4～0.8㎏/m3。周邊眼采納小直徑藥卷和低爆速炸藥，借助傳爆線實現(xiàn)空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)。采納毫秒雷管微差爆破，使周邊爆破擁有最好的臨空面，用于周邊眼的同段起爆雷管的時間誤差越小越好。為了使光面爆破達到最好的效果，施工中應仔細視察圍巖的改變狀況，對爆破設(shè)計不斷的進行改進和優(yōu)化，剛好調(diào)整炮眼間距、數(shù)量、長度、裝藥量和每循環(huán)進尺，真正做到石變我變，以減弱爆破對圍巖的擾動，同時避開因欠挖而帶來的二次擾動，為下一步的支護創(chuàng)建良好的條件。圖11隧道光面爆破效果3.3超前支護當圍巖處于懦弱高水地帶或斷層帶時，在開挖前，先行沿隧道拱部開挖輪廓線外側(cè)，打入超前錨桿或小鋼管，使錨桿或鋼管前端處于掘進前方穩(wěn)定的巖層內(nèi)，末端支承在拱部圍巖內(nèi)專為超前錨桿供應支點的徑向懸吊錨桿，或支承在作為支護的結(jié)構(gòu)錨桿上，使其起到支護掘進進尺范圍內(nèi)拱部上方，有效地約束圍巖在爆破后的肯定時間內(nèi)不發(fā)生松弛坍塌，為大斷面開挖與噴錨支護創(chuàng)建條件。超前錨桿長度一般為3~8m，超前錨桿宜采納早強型砂漿錨桿。超前小導管外插角偏差應≤5°，孔位鉆設(shè)偏差應≤100mm，孔眼長應大于小鋼管長度，小鋼管應平直，尾部焊箍，頂部成尖錐狀，打入長度不應小于總長的95%。圖12、13施工的超前支護3.4管棚在結(jié)構(gòu)松散、穩(wěn)定性差的圍巖地段，將外徑φ80mm、φ108mm或其他直徑的無縫或一般焊接鋼管沿開挖輪廓線外側(cè)插入圍巖，一般在非常松軟的巖層中可干脆將管頂入，或借助鑿巖機將鋼管頂入末段開挖的地層中去，鋼管尾部以格柵鋼架支撐，開挖后，形成一段短距離的穩(wěn)定地帶，以便剛好進一步支護或進行襯砌。管棚長度應依據(jù)地質(zhì)狀況選用，但應保證開挖后管棚有足夠的超前長度,一般每節(jié)長4～6m，縱向以絲扣連接，絲扣長度應≥15cm,管棚間距合理設(shè)置。為增加管棚剛度，可在鋼管內(nèi)灌入混凝土或設(shè)置鋼筋籠，以更好地預防塌方。管棚施工時，在開挖工作面處應先安設(shè)受力拱架，并在其上正確標明管棚位置。架立鉆機時，應精確核定孔位，保證鉆機鉆桿與管棚設(shè)計軸線吻合，以及鉆機在鉆進時不產(chǎn)生偏移和傾斜。鉆孔依次一般由高孔位向低孔位進行。鉆孔直徑一般比設(shè)計管棚直徑大20～30mm。管棚在頂進過程中，必需用傾斜儀嚴格限制上仰角，一般為1°～2°。接長管棚鋼管時，接頭應采納厚壁鋼箍，上滿絲扣，確保連接牢靠。管棚鋼管內(nèi)水泥砂漿應用牛角泵灌注，封堵塞要有進料孔和出氣孔，出氣孔流漿后應停止壓注。洞口預加固管棚圖3.5注漿在裂隙密集的破裂巖體中，特殊在大斷面地下洞室開挖中，為了加固支護，可利用管棚進行注漿，使?jié){液滲入圍巖裂隙中，將破裂的巖塊固結(jié)為整體，以改善和增加圍巖的承載實力。無論是小導管注漿，還是大管棚深孔高壓注漿，其最終目的都是為了對圍巖進行預加固，提高圍巖抗?jié)B性能，加固巖體，改善圍巖性質(zhì)，以避開開挖后，圍巖產(chǎn)生較大變形和塌方。小導管注漿時，應首先對工作面及5m范圍內(nèi)的坑道進行噴射混凝土或模筑混凝土封閉。選擇注漿材料時要依據(jù)實際地質(zhì)狀況具體進行選擇，在斷層破裂帶和砂卵石地層，當裂隙寬度（或粒徑）＞1mm時,加固或堵水注漿宜優(yōu)先選用料源廣、價格便宜的單液水泥漿和水泥～水玻璃漿；在斷層泥地帶，當裂隙寬度（或粒徑）＜1mm時,加固注漿宜優(yōu)先選用水玻璃類和木胺類漿液；在中、細、粉砂層及細小裂隙巖層、斷層泥段堵水注漿，宜選用滲透性好，低毒及遇水膨脹的化學漿液。注漿結(jié)束后必需對注漿效果進行檢查。通過分析注漿記錄，看每個孔注漿壓力、注漿量是否達到設(shè)計要求，在注漿過程中，漏漿、跑漿是否嚴峻，以漿液注入量估算漿液擴散半徑，分析是否與設(shè)計相符；另外用地質(zhì)鉆機按設(shè)計孔位和角度鉆檢查孔，取巖心進行鑒定，同時測定檢查孔的吸水量（漏水量）應＜0.2～0.4m3/min；最終用超聲波探測儀測量巖體聲速,推斷注漿效果。注漿后，應視漿液種類，等待4～8h方可開挖,一般單液水泥漿開挖時間為注漿后8h左右,水泥—水玻璃漿為4h左右。每開挖循環(huán)長度應依據(jù)注漿段（導管）長度而定，但必需留3～7m（導管注漿時3～5m）止?jié){墻。在地質(zhì)特殊差時，如粒徑＜0.05mm以下的粉砂及粘性懦弱地層,進行加固圍巖和封堵出水時，可用周邊劈裂注漿及周邊短孔預注漿和平行導坑向正洞預注漿等方法，同樣也是為了達到加固地層、穩(wěn)固巖體、確保開挖平安的目的。3.6分部開挖當遇到松散破裂地層時，隧道施工采納分部開挖的施工方法。單線隧道宜采納上導坑先拱后墻進行開挖，起拱線以上用上導坑及分部擴大、環(huán)形開挖預留核心土等方法進行開挖支護，起拱線以下用拉中槽、跳槽開挖馬口的方法開挖支護邊墻；雙線隧道采納雙側(cè)壁導坑先墻后拱法進行施工。在分部開挖過程中，應嚴格貫徹“短進尺、弱爆破、強支護”的原則。采納爆破法掘進時，應嚴格限制炮眼數(shù)量、深度及裝藥量，盡量減小爆破時對圍巖的擾動；采納分部開挖法時，其下部開挖宜左右兩側(cè)交替進行。襯砌應緊跟開挖面，襯砌斷面應盡早封閉。上下臺階法開挖支護意圖：圖16、17上臺階施工與下臺階施工3.7勤視察、勤量測在施工過程中，隨時視察和量測現(xiàn)場工程地質(zhì)改變狀況及圍巖收斂變形狀況，剛好預報圍巖穩(wěn)定狀況，當圍巖收斂出現(xiàn)異樣，或出現(xiàn)其他塌方征兆時，應馬上實行有效措施進行加強支護或襯砌。視察和描述開挖工作面旁邊的支護狀況和裂縫狀況，有利于干脆推斷圍巖的穩(wěn)定性，而對開挖支護后圍巖的位移量測，是對隧道各項動態(tài)改變指標的綜合干脆的反映，這些量測數(shù)據(jù)可以明確的供應用來推斷圍巖是否平安穩(wěn)定的依據(jù)。圍巖位移量測一般采納五點量測法，即拱頂、兩側(cè)拱腳、兩側(cè)邊墻中部，量測頻率肯定要依據(jù)規(guī)范要求進行，支配專人進行操作，對量測數(shù)據(jù)要抓緊進行處理，確保其精確、剛好、牢靠，為下一步施工實行何種措施供應準確的數(shù)字化依據(jù)。YK17+186收斂量測原始記錄表：a3220.98653220.9873220.9873220.9873220.9873220.987b-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724u3216.042043217.8673218.5143218.8573219.0743219.225t123456a3220.98653220.9873220.9873220.9873220.9873220.987b-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724u3219.338353219.4273219.4983219.5573219.6073219.65t789101112a3220.9873220.9873220.9873220.9873220.9873220.987b-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724u3219.6883219.7213219.753219.7773219.8013219.823t131415161718a3220.9873220.9873220