高地應力下硬巖巖爆與軟巖大變形專項方案

高地應力下硬巖巖爆與軟巖大變形專項方案八臺山隧道高地應力下硬巖巖爆與軟巖大變形專項方案一、工程概況1、概況城口至萬源快速公路通道工程采用二級公路標準，設計速度為60公里/小時；路基寬度為12米。城口至萬源快速公路通道CW10合同段位于四川萬源堰塘鄉(xiāng)布袋溪村，里程為K46+000～K48+640，全長2.640km。本合同段主要工程內容為八臺山隧道主洞2480m/0.5座，避難通道2450m/0.5座，1-4*3m鋼筋砼蓋板涵一座，路基土石方5115m3。八臺山隧道主洞起止里程K43+205～K48+480，全長5275m,避難通道起止里程YK43+206～YK48+450，全長5244m。屬特長隧道。其中主洞K46+000～K46+480段、避難通道起止里程YK46+000～YK48+450，位于CW10合同段內，是本合同段的控制性工程。2、地形地貌八臺山隧道進口位于重慶市城口縣雙河鄉(xiāng)干壩子河村、出口位于四川萬源堰塘鄉(xiāng)布袋溪村。隧道穿越的八臺山，受地質構造控制，山脊由東向西橫亙，山脊兩側為面積較小的山灣。形成山丘、山脊與溝谷相間形態(tài)，以山丘為中心形成向四周發(fā)育的“爪”狀山溝；隧道軸線地面最高點位于洞身段K44+610的山脊頂部，標高為1797.74m,一般地面標高740.0～1596.2m，最低點位于隧道進口的溪溝底部，標高731.50m左右，相對高差856.2m.隧道區(qū)地貌形態(tài)為構造剝蝕、溶蝕中山地貌單元區(qū)。3、工程地質八臺山隧道地質復雜，裂隙傾角大，多為陡傾裂隙，節(jié)理面較平直，呈微張～張開狀，寬1-50㎜不等，裂隙面附褐色鐵質膜，局部為泥質充填。由洞口向洞身地質條件依次為:（1）出口段位于一斜坡上，地表覆蓋有第四系崩坡積塊石土，基巖為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組的鹽溶角礫巖。角礫狀結構、巖溶發(fā)育。（2）本隧道洞身段主要為III～V級圍巖，構成III級圍巖的地層巖性以灰?guī)r為主，呈中厚層狀。跨度5米，跨度5～10米，可穩(wěn)定數月，可發(fā)生局部塊狀位移及小～中塌方；構成IV級圍巖的地層巖性以大冶組、棲霞組灰?guī)r為主，呈薄～中厚層狀。一般無自穩(wěn)能力，數日～數月內可發(fā)生松動變形及小塌方，進而發(fā)展為中～大塌方，有明顯的塑性流動變形和擠壓破壞；構成V級圍巖的地層巖性以頁巖、炭質頁巖、泥質粉砂巖為主，呈薄～中厚層狀。巖體受地質構造及風化作用影響較重，裂隙較發(fā)育，呈碎、裂狀，松散結構，易坍塌，圍巖無自穩(wěn)能力，跨度5米或更小時，可穩(wěn)定數日。（3）不良地質：①巖溶八臺山隧道主洞K46+560～K47+990段、避難通道K46+560～K47+990段為富水地段且?guī)r溶特別發(fā)育，極易發(fā)生突水、突泥情況。②煤層、煤線與瓦斯隧道穿越二疊系上統(tǒng)吳家坪組含煤地層，該區(qū)域煤層厚0.3～0.6m,但煤層變化大,不穩(wěn)定,沒有工業(yè)儲量。八臺山隧道主洞K43+840～K43+882、K44+354～K44+400、K45+300～K45+349、K45+752～K45+797段屬于瓦斯隧道，避難通道YK43+851～YK43+892、YK44+365～YK44+411、YK45+319～YK45+369、YK45+770～YK45+812段屬于瓦斯隧道，瓦斯防護等級二級。③破碎地段隧道在洞身深埋K47+150～K47+857段Ⅲ級圍巖中考慮部分破碎帶，避免塌方，確保施工安全。局部破碎地段采用動態(tài)設計、動態(tài)施工，應嚴格按照局部破碎帶動態(tài)設計程序執(zhí)行。④高地應力下硬巖巖爆與軟巖大變形深埋隧道高地應力下的硬巖巖爆與軟巖大變形：八臺山隧道最大深埋約為856m，隧道深埋段主要巖性為三疊系下統(tǒng)大冶組、二疊系上統(tǒng)吳家坪組、下統(tǒng)茅口組、二迭系上統(tǒng)長興組灰?guī)r、頁巖、煤層。其中灰?guī)r為較堅硬巖，炭質頁巖、煤層為極軟巖～軟巖。本次勘察施工的所有鉆孔，孔底巖心仍主要呈柱狀、長柱狀，未見高初始應力釋放的餅狀化巖芯，故證明隧道區(qū)地應力較低，但從隧址區(qū)周邊在建和已建的隧道情況來看，軟質巖大變形和高應力的情況可能存在，但不會很嚴重。因此可能存在巖爆與軟質大變形情況的可能，施工時需加強監(jiān)測。重點注意：主洞K43+950～K45+830段可能會發(fā)生巖爆，主洞K43+840～K43+882、K44+354～K44+400、K45+300～K45+349 、K45+752～K45+797段可能會發(fā)生大變形，避難通道與之對應段落也可能發(fā)生巖爆或者大變形。⑤膏鹽膏鹽（石膏）：八臺山隧道在里程K46+563～K46+589、K46+954～K47+148段分布三疊系嘉陵江二段的膏鹽（石膏）礦；K48+287～K46+480段分布三疊系嘉陵江二段的少量膏鹽（石膏）礦。隧道走廊區(qū)分布的膏鹽（石膏）礦主要為三疊系嘉陵江四段地層，在隧道里程K46+785處地面有揭露。膏鹽（石膏）段地下水對砼具有弱腐蝕性。施工時對三疊系嘉陵江組各段的地下水的腐蝕性進行化驗和判定，對具有腐蝕性地段的砼需采取防腐蝕措施。4、氣象本標段屬北亞熱帶溫和、多雨、多霧濕潤氣候區(qū)。具四季分明，冬冷有雪、夏熱、秋涼的季節(jié)特征。年平均氣溫15.7度，極端最高氣溫39.2度，極端最低氣溫-9.42度。多年平均降雨量1246mm，最大年降雨量1546.9mm，最小年降雨量771.2mm，降雨主要集中在5～10月份，其降雨量占全年的80%以上。5、隧址區(qū)水文地質條件隧址區(qū)屬北亞熱帶溫和、多雨、多霧濕潤氣候區(qū)，區(qū)內立體氣候顯著，具有四季分明，冬冷有寒雪、夏熱、秋涼的季節(jié)特征。多年平均降雨量1246mm，最大雨量1546.9mm，降雨主要集中在5-9月，其降雨量占全年的80%以上。（1）、地表水隧址區(qū)內無常年性河流，隧道巖體主要接受大氣降水的補給，地表水流主要由地表坡向兩側低洼溪溝處排泄，部分沿地表發(fā)育的層間面、構造裂隙向地下滲透。新莊石峽溝和東水泉溝十多年前在雨期常暴發(fā)洪水，近年來未發(fā)生過。（2）、地下水隧址區(qū)內無膏鹽段地下水對砼無結晶級、分解級、結晶分解復合級腐蝕，但膏鹽段地下水對砼具有弱腐蝕性。采用徑流模數法和水動力法分段計算隧道涌水量，主線隧道涌水量總計為44081m3/d，右線隧道涌水量總計為44081m3/d。6、隧址區(qū)地應力場隧址區(qū)地質構造形跡反映了由東西向的地應力的主動作用，據區(qū)域資料，本區(qū)的地應力并不高，僅局部可能存在構造應力集中帶。八臺山—大寧廠向斜構造運動年代較早，兩側均有溝谷切割，構造應力得以釋放，隧址區(qū)屬于自重應力為主的應力場，對洞頂圍巖的穩(wěn)定不利，隧道在深埋段施工中可能產生局部洞頂掉塊、剝離、洞壁片幫現(xiàn)象。本次初勘施工的所有鉆孔，孔底巖心仍主要呈柱狀，長柱狀，未見高初始應力釋放的餅狀化軟巖芯，故證明隧道區(qū)地應力是低的，但也不排除由構造應力集中產生的巖爆及軟巖大變形的可能性，施工時應加強監(jiān)測量測。7、地震烈度根據《中國地震烈度區(qū)劃圖》(1990年)資料，抗震設防烈度為6度，地震動反應譜特征周期為0.35S8、交通、運輸條件及服務設施本合同段接八臺山至堰塘鄉(xiāng)公路，交通條件相對方便。但施工現(xiàn)場要跨越小河，需做便橋，以便施工機械進入。本合同段堰塘鄉(xiāng)可通過移動電話網絡和固定電話直接進行國際、國內的電話服務。本合同段地處山區(qū)，筑路材料雖較為豐富，但線路附近的無生產料場不能滿足工程需要；沿線水量較小不能滿足工程用水要求，需遠距離抽水。二、本隧道高地應力下硬巖巖爆與軟巖大變形分布情況深埋隧道高地應力下的硬巖巖爆與軟巖大變形：八臺山隧道最大深埋約為856m，隧道深埋段主要巖性為三疊系下統(tǒng)大冶組、二疊系上統(tǒng)吳家坪組、下統(tǒng)茅口組、二迭系上統(tǒng)長興組灰?guī)r、頁巖、煤層。其中灰?guī)r為較堅硬巖，炭質頁巖、煤層為極軟巖～軟巖。本次勘察施工的所有鉆孔，孔底巖心仍主要呈柱狀、長柱狀，未見高初始應力釋放的餅狀化巖芯，故證明隧道區(qū)地應力較低，但從隧址區(qū)周邊在建和已建的隧道情況來看，軟質巖大變形和高應力的情況可能存在，但不會很嚴重。因此可能存在巖爆與軟質大變形情況的可能，施工時需加強監(jiān)測。重點注意：主洞K43+950～K45+830段可能會發(fā)生巖爆，主洞K43+840～K43+882、K44+354～K44+400、K45+300～K45+349 、K45+752～K45+797段可能會發(fā)生大變形，避難通道與之對應段落也可能發(fā)生巖爆或者大變形。1、硬巖巖爆段施工方案①巖爆的特征從爆落的巖體看，有體積較大的塊體和體積較小的薄片，體積較小俱多，形狀呈中間厚四周薄的貝殼狀，其長與寬方向尺寸相差不懸殊，但周邊厚度方向參差不齊。塊體的形狀多為有一至兩組的平行裂面，其余的一組破裂面呈刀刃狀。巖塊幾何尺寸均較小，一般在40cm×50cm×(5～20)cm范圍內，彈射程度不等。②防治巖爆的施工方案及措施根據本隧洞實際情況，所采用的防治巖爆的方法是在施工階段中進行的，立足于減輕或避免巖爆傷人、毀機及導致圍巖大面積失控的目標，按照“安全第一，穩(wěn)扎穩(wěn)打，不盲目冒進”的指導思想，遵循“預防為主，防治結合，多種手段，綜合治理”的原則進行施工和防治巖爆，具體方法如下：a、巖爆地段的防護措施 在巖爆段開挖前，注意收集開挖過程中的巖爆地質資料，包括巖爆類型、規(guī)模、分布里程與巖爆具體位置，作到事先預報，提前做好巖爆防治的技術準備和施工準備工作。給施工人員配戴鋼盔、穿防彈背心，主要防止彈射型巖爆傷人。在支護區(qū)設專職安全員，隨時觀察圍巖狀態(tài)。如發(fā)現(xiàn)險情，及時向帶班干部匯報，作到及時支護或組織人、機暫時躲避。在巖爆地段，開挖后及時向掌子面及洞壁進行噴灑高壓水，降溫除塵，潤濕巖面，提高圍巖的塑性，這在一定程度可以減輕巖爆的強烈程度。對施工打眼臺車進行改造，在臺車上方及側面設立鋼筋防護網。在進行鉆眼施工時必要在掌子面處也設立鋼筋防護網，以確保施工人員的安全。b、開挖措施加強光面爆破，保證開挖洞室輪廓圓順，避免造成局部應力集中而加劇巖爆。在中等巖爆、強烈?guī)r爆地段采取短進尺、多循環(huán)、弱爆破措施。針對巖爆類型及大小，提前打應力釋放孔或超前縫管式錨桿（壁厚3mm）支護。安設的位置主要在拱頂及左右邊墻的上部，間距2.0m。并在巖爆地段的洞壁上打應力釋放孔以達到減弱巖爆的強度。改變開挖方式，預留巖爆層。施工中采用短進尺循環(huán)，預留2m厚的巖爆處理層，巖爆過后再進行二次擴挖爆破、支護，較好地通過強烈了巖爆段。c、支護措施為減輕巖爆的危害，很重要一條就是在洞內開挖前和開挖后對圍巖進行支護措施，這樣做不僅可以改善應力的大小和分布，而且還能使洞室周邊的巖體從平面應力狀態(tài)變?yōu)榭臻g三向應力狀態(tài)，從而達到減輕巖爆危害的目的，并且還能起到防護作用，防止巖石彈射和剝落造成事故。發(fā)生輕微巖爆時，仔細對洞壁及掌子面進行危巖清撬后，及時噴3cm厚混凝土進行封閉圍巖。初噴完后進行錨桿掛網支護，錨桿為Φ22，長度2.0～3.0m，間距0.8—1.2m。在拱部掛鋼筋網（Φ6.5鋼筋，間距20×20cm），后進行二次噴射混凝土，厚度10～15cm。鋼格柵拱作為強烈?guī)r爆（Ⅲ級）初期支護的加勁措施。發(fā)生中等巖爆時，支護與發(fā)生輕微巖爆時處理措施類似，不同點是掛網后在錨桿外露端頭進行橫焊Φ22的鋼筋加固后再進行二次噴射混凝土施工。巖爆處治圖如下：強烈?guī)r爆對施工人員及施工設備的威脅最大，必要時進行避讓，等巖爆強度基本平靜下來再進行支護。對強烈?guī)r爆區(qū)域必須進行鋼格柵拱架支撐、錨噴掛鋼筋網進行支護，鋼拱架0.8榀/m，與噴錨網形成聯(lián)合支護體系。2、軟巖大變形段施工方案1946年首次提出了擠出性巖石和膨脹性巖石的概念，即擠出性巖石是指侵入隧道(開挖輪廓面)后沒有明顯體積變化的巖石；膨脹性巖石則是指，主要由于膨脹作用而侵入隧道(開挖輪廓面)的巖石。人們一般按形成機制將圍巖大變形分為兩類：一是，開挖形成的應力重分布超過圍巖強度而發(fā)生塑性化。如果介質變形緩慢，就屬于擠出(如果變形是立刻發(fā)生的，就是巖爆)；二是，巖石中的某些礦物和水反應而發(fā)生膨脹。水及某些(膨脹性)礦物的存在，對于膨脹變形是必須的?？梢园l(fā)生膨脹變形的圍巖在開挖時都具有較高的強度，變形主要發(fā)生于隧道運營若干年以后，變形一般表現(xiàn)為底鼓，而拱頂和邊墻一般保持完好狀態(tài)。圍巖收斂變形機理應包括塑性楔體、流動變形、圍巖膨脹、擴容、撓曲五個方面。根據圍巖變形破壞特征、特征性礦物、力學作用和特點，將軟巖變形破壞機制分為與深部軟巖本身分子結構的化學性質有關，與力源有關，與洞室結構與巖體結構面的組合特性有關的三個方面，將深部軟巖（深度大于500m）按變形力學機制歸為３類：即物化膨脹類（I）、應力擴容型類（II）和結構變形類（III），13個亞類。隧道及地下工程圍巖的變形破壞主要有巖爆、坍塌和大變形。巖爆是一種硬巖在高地應力下的脆性破壞；坍塌和掉塊是圍巖受一定結構控制下的局部變形破壞現(xiàn)象；而圍巖大變形可以界定為除了巖爆運動脆性破壞和圍巖松動圈中受限于一定結構面控制的坍塌、滑動等破壞以外的圍巖變形破壞，其特點是具有累進性和明顯時間效應的塑性變形破壞。治理地下水(1)利用設計采取的超前錨桿進行注漿，堵塞巖石裂隙，減少地下水的滲流。(2)在開挖后立即噴混凝土，封閉洞壁和掌子面，封閉透水層通向膨脹圍巖的通路，隔絕膨脹巖與空氣中水分接觸。(3)防止透水層中的地下水向膨脹圍巖中流動，在透水層和膨脹圍巖的交界處進行注漿，以形成止水帷幕，隔絕地層，使其不產生水壓的變化。必要時在鄰近交接處的透水層中設置排水孔。嚴格控