隧道工程施工案例教程 課件 第26講 高地應力(巖爆)硬巖地質

第八章不良和特殊地質地段隧道施工不良地質施工概述

富水斷層破碎圍巖

膨脹性和擠壓性圍巖

黃土地質

巖溶地質

煤系地層

高地應力硬巖(巖爆)地質

隧道施工坍方處理措施

第六節(jié)高地應力(巖爆)硬巖地質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(xiàn)象稱之巖爆。一、巖爆的概念二、隧道內巖爆的特點

(1)巖爆在未發(fā)生前并無明顯的預兆(雖然經過仔細找頂并無空響聲)。

(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。三、巖爆產生的機理巖石的全應力——應變曲線

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S1f1f2三、巖爆產生的機理應力重新分布必然會使圍巖中產生應力集中圍巖產生拉——剪破壞巖爆產生機理內因——決定因素地層的巖性條件地應力外因——誘導因素爆破震動巖爆產生條件四、巖爆預測巖爆預測的主要判據Russenes判據無巖爆弱巖爆中巖爆強巖爆四、巖爆預測巖爆預測的主要判據能量判據無巖爆中、低烈度巖爆嚴重巖爆

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Φstf1f2Φsp(0.7~0.8)Rb0.05Rb四、巖爆預測巖爆預測的主要判據巖性判據臨界深度判據四、巖爆預測巖爆的現(xiàn)場預測微震法(A-E法)

Acoustic—Emission方法，又稱為亞聲頻探測法或聲發(fā)射法。當巖石臨近破壞之際，A—E(微震)噪音讀數(shù)迅速增加，如果地音探測器平均噪音讀數(shù)大于預定的目標，就意味著有巖爆來臨。四、巖爆預測巖爆的現(xiàn)場預測電磁輻射監(jiān)測預報法依據完整煤(巖)壓縮變形破壞過程中，彈性范圍內不產生電磁輻射，峰值強度附近的電磁輻射最強烈，軟化后無電磁輻射的原理，采用特制的儀器，現(xiàn)場監(jiān)測煤(巖)體變形破裂過程中發(fā)出的電磁輻射。脈沖信號，通過數(shù)據處理和分析研究，來預報煤(巖)爆。四、巖爆預測巖爆的現(xiàn)場預測鉆屑法鉆屑法是通過向巖體鉆小直徑鉆孔，根據鉆孔過程中單位孔深排粉量的變化規(guī)律和打鉆過程中各種動力現(xiàn)象，了解巖體應力集中狀態(tài)，達到預報巖爆的目的。強度較低的巖體在巖爆危險地段打鉆時，鉆孔排粉量劇增，最多可達正常值10倍以上，一般認為排粉量為正常值的2倍以上時，即有發(fā)生巖爆的危險。強度較高的巖體通過巖心柄化現(xiàn)象判斷。五、巖爆發(fā)生的判據巖爆發(fā)生的基本條件：(1)巖石單軸抗壓強度>60~80MPa；(2)巖質與巖性：堅硬、脆性；(3)巖體結構：完整或基本完整；(4)地應力場應力值；(5)巖爆發(fā)生與坑道輪廓平整度有關。六、巖爆的防治措施強化圍巖，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。弱化圍巖，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?；蚴墙獬芰?，使能量向有利的方向轉化和釋放?；痉椒?、巖爆的防治措施防治措施強化圍巖，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。如噴混凝土或噴鋼纖維混凝土、錨桿加固、錨噴支護、錨噴網聯(lián)合、鋼支撐網噴聯(lián)合或緊跟混凝土襯砌等。如注水、超前預裂爆破、排孔法、切縫法等。弱化圍巖，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。或是解除能量，使能量向有利的方向轉化和釋放。中等型巖爆跡象：距掌子面約1～3倍洞徑范圍內，爆破后10min~20min，將聽到巖體外露面巖體爆裂的聲音，聲音與前者相比偏大且頻率偏高。緊接著垂直于巖體節(jié)理面的方向將發(fā)生彈射的巖片。伴隨著可聽到類似打槍“啪、啪、啪”的響聲，隨后在1min～2min以內將發(fā)生巖塊爆裂墜落現(xiàn)象，這時爆下來的巖塊相對來說較厚較大，厚度一般達10cm以上，長×寬達40×10cm2以上，一般為長條片狀型，這種現(xiàn)象有時持續(xù)幾分鐘，有時持續(xù)1h~2h。防治措施：可停止施工作業(yè)，退后100m待避，可設法遠距離向巖爆區(qū)巖面噴射水，待巖爆緩解，基本無巖爆跡象后進行找頂，撬除已松裂的巖片、巖塊，進行噴混凝土。隨后在巖爆區(qū)鉆孔安裝錨桿、掛網噴混凝土。較強型巖爆跡象：一般發(fā)生在距工作面8m～50m的范圍內。除有中等強度的巖爆跡象外，主要特征：從巖爆開始，約lh-2h后，巖爆變劇，聲音也較響，可聽到巖體內部巖石因斷裂而發(fā)出的“嘣、嘣、嘣”類似悶炮聲響，爆裂下來的巖片也比較大，厚約10cm～15cm以上，長×寬約為60cm×25cm以上，最大的巖塊將近1m，爆下來巖石量也較多。一般達到5~6m3以上，最大時達到10m3以上。個別片狀巖塊由于受擠壓破壞掉下后呈微拱形狀；有時巖塊在脫離母巖的瞬間發(fā)生爆裂，呈粉碎狀彈射下來；有時拌有“嘣嘣”的巨晌，表面上看起來巖體較完整，其實內部已爆裂，敲擊巖面可聽到空響聲；在現(xiàn)場還可以看至4在兩節(jié)理面交接處巖石受擠壓破壞成粉碎現(xiàn)象。較強型巖爆防治措施：停止施工作業(yè)，退后200m待避待巖爆自然緩解后，用機械手找頂，撬除松裂巖石．及時噴鋼纖維混凝土。在邊墻及拱部成放射狀傾斜向巖體內部鉆孔．并向孔內灌高壓水，使巖體有一定程度軟化，加快圍巖內部的應力釋放隨后安裝錨桿、掛鋼筋網，噴鋼纖維混凝土。強烈型巖爆跡象：除較強型巖爆所述現(xiàn)象之外，巖爆發(fā)生將更頻繁，巖爆下來的巖石量更多，施工開挖極不安全。防治措施：(1)必須配合鉆孔爆破卸載法，盡可能使圍巖內部的應力得以釋放。(2)預鉆孔法，在工作面周圍(設計斷面以外)成放射狀傾斜向巖體內部鉆孔，以2排為好，主動給巖體提供變形空間，使其內部的高應力得到有效的釋放。必要時可配合向孔內灌注高壓水，此時釋放應力的效果更好。(3)采用分部開挖的方案：先開挖導坑，待周圍圍巖應力釋放巖爆自然緩解后再出碴，而后擴大開挖，循環(huán)漸進。施工不受工期控制時可采用此方法。七、巖爆地段隧道施工的注意事項

(1)如設有平行導坑，則平導應掘進超前正洞一定距離，以了解地質，分析可能發(fā)生巖爆的地段，為正洞施工達到相應地段時加強防治，采取必要措施。

(2)爆破應選用預先釋放部分能量的方法，如超前預裂爆破法、切縫法和排孔法等，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，必要時應考慮縮短爆破循環(huán)進尺。

(4)巖爆引起坍方時，應迅速將人員和機械撤到安全地段。八、工程實例——關村壩隧道成昆鐵路關村壩隧道位于中國四川省峨邊縣境內，單線鐵路隧道。隧道全長6107m，最大埋深1650m。是發(fā)生強烈?guī)r爆較早的鐵路隧道之一。該隧道于1961年7月開工，1963年2月停工，完成工程12％。后于1964年11月復工，1966年5月竣工。1973年又在昆明端洞口外建明洞80米。隧道穿過的地層為震旦系石灰?guī)r，石質堅硬，層厚而完整，層理接近水平。Rb＝120~140MPa，σmax＝35.0MPa，σmin=26.2MPa，昆明端于1965年1~3月巖爆嚴重，當時由于缺乏經驗，曾多次發(fā)生人身事故，威脅施工安全，影響施工進度。隧道采用漏斗棚架先墻后拱法施工。巖爆情況一：巖石爆破時，有煙狀粉末散出，聲響較大，爆落的石塊較小，一般為幾厘米長寬的碎屑薄片，常與開挖斷面成明顯角度彈射出來，幾乎與巖石的開裂同時發(fā)生。多發(fā)生在導坑頂部和擴大牛角彎處。巖爆情況二：巖石的爆裂聲響較小，爆裂的石塊需經一段時間后才從母巖彈射或自由下落，塊度較大，常見于導坑的頂部，也有在兩側壁發(fā)生的。巖爆大多發(fā)生在鉆爆后2~3h內的開挖面及附近頂板與牛角彎處，但也有距工作面較遠的。已襯砌地段未發(fā)生因巖爆而開裂現(xiàn)象。經反復實踐，對巖爆的防護除加強安全技術教育外，改進擴大開挖的辦法，勤檢查、勤找頂及澆水，并采用金屬錨桿掛網的支護辦法，效果較好，保證了施工安全。九、工程實例——二灘電站的左導流洞二灘電站左導流洞全長1087.5m，最大開挖高度35.2m，開挖寬度18.7m，開挖面積628m2，最大埋深170~200m，最小51.5m，主要巖體為堅硬致密的玄武巖和灰色正長巖，I、II級。Rb＝170~220MPa，σmax＝52.5MPa，σmin=31.6MPa，鉆爆法施工。先開挖50m2小導坑，再順次進行拱部擴挖，然后是I部臺階、II部臺階。該導流洞處于偏壓狀態(tài)，因而

巖爆具有一定特征：巖爆發(fā)生部位多集中在靠江側(AB

、BC)，起拱點附近最為強烈；在接近斷層涌水帶之前，較頻繁發(fā)生；距開挖掌子面距離一般在2~10m范圍內；時間短者2~3d，長者達兩個月；在工作面上有某種程度的節(jié)理和龜裂現(xiàn)象發(fā)生；爆破以后最強烈，隨時間推移而減小，斷續(xù)山鳴

聲持續(xù)2~3d。最大巖爆掉塊達5.0m3；脆裂與片裂兩種形式均存在。施工中針對巖爆采取的主要措施：超前鉆孔、灌注高壓水；短進尺，強支護；松動爆破和震動爆破；開挖面灑水；噴素混凝土和鋼纖維混凝土；掛設鋼筋網、復噴；施設短錨桿或加密錨桿。構造錨桿：普通砂漿錨桿，φ22，長5、6.5m兩種，間距2m，布置于拱部。局部錨桿，普通砂漿錨桿，φ22，長3、4m兩種，用于靠江側邊墻和拱部。第八章不良和特殊地質地段隧道施工十、工程實例——秦嶺隧道Ⅱ線

43段共1900m發(fā)生巖爆。輕微巖爆28段(1124m)，以破裂剝落型為主；中等巖爆11段(650m)，彈射型和破裂剝落型為主；強烈?guī)r爆4段(120m)，強烈彈射型，并造成圍巖大面積開裂失穩(wěn)。主要措施第八章不良和特殊地質地段隧道施工第七節(jié)煤系地層碳質頁巖存貯瓦斯《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》TB10120-2002第八章不良和特殊地質地段隧道施工第七節(jié)煤系地層一、瓦斯的性質

(1)瓦斯(沼氣)為無色、無臭、無味的氣體，易使人窒息或發(fā)生死亡事故。

(2)瓦斯比重為0.554僅占空氣一半，擴散速度快。

(3)瓦斯不能自燃，但極易燃燒。瓦斯是坑道內有害氣體的總稱，其成分以沼氣(甲烷CH4)為主，還有少量氫氣(H2)、硫化氫(H2S)等?？赡艹霈F(xiàn)的地層：煤層、油頁巖或含瀝青等巖層。二、瓦斯的燃燒和爆炸性三、瓦斯放出的類型

(1)瓦斯的滲出

(2)瓦斯的噴出

(3)瓦斯的突出四、瓦斯隧道的分類根據瓦斯涌出量分為低瓦斯隧道高瓦斯隧道瓦斯突出隧道根據瓦斯涌出量分為非瓦斯工區(qū)低瓦斯工區(qū)<0.5m3/min高瓦斯工區(qū)≥0.5m3/min瓦斯突出工區(qū)按絕對瓦斯涌出量隧道工區(qū)可分為瓦斯突出工區(qū)的判定瓦斯壓力P≥0.74MPa瓦斯放散初速度△P≥10煤的堅固性系數(shù)f≤0.5煤的破壞類型為Ⅲ類及以上五、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，因其工序簡單、面積大、通風好。

(3)施工前必須進行培訓，爆破、電工、瓦斯檢測等作業(yè)人員必須持證上崗。

(4)鉆爆作業(yè)符合下列規(guī)定濕式鑿巖炮眼深度不小于0.6m，必須堵塞采用煤礦許用炸藥采用煤礦許用電雷管，最后一段延期時間小于130ms.嚴禁使用秒或半秒級電雷管嚴禁反向裝藥采用串聯(lián)連接方式使用防爆型起爆器

(5)瓦斯突出隧道采用以下防突措施必須單獨編制實施性施工組織設計必須進行超前探測必須對突出性進行預測瓦斯壓力法綜合指標法鉆屑指標法鉆孔瓦斯涌出初速度法“R”指標法

(5)瓦斯突出隧道采用以下防突措施鉆孔排放效果檢驗

(6)石門揭煤施工注意事項必須留巖墻煤層壓力大于1MPa時，先排放后爆破煤層壓力小于1MPa時，采用震動放炮洞外起爆，洞內停電、停止一切作業(yè)，人員撤出隧道

(7)支護、襯砌施工注意事項

(7)支護、襯砌施工注意事項使用超前周邊全封閉預注漿。及時施做初期支護和二次襯砌仰拱超前施工二次襯砌預留注漿孔全包防水層氣密性混凝土加強監(jiān)測通風方式

(8)通風要求非瓦斯工區(qū)采用壓入式和混合式低瓦斯工區(qū)采用壓入式或巷道式高瓦斯工區(qū)或瓦斯突出工區(qū)采用巷道式各工作面獨立通風通風計算需考慮瓦斯絕對涌出量

(8)通風要求洞內空氣中允許的瓦斯?jié)舛燃疤幚泶胧┎捎梅辣O施設兩路電源，連續(xù)通風采用抗靜電、阻燃的風管第八章不良和特殊地質地段隧道施工第八節(jié)隧道施工坍方處理措施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?shù)脑O計，或不適當?shù)氖┕ぷ鳂I(yè)方法等。第八章不良和特殊地質地段隧道施工

(1)不良地質及水文地質條件一、發(fā)生坍方的主要原因①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②隧道穿越地層覆蓋過薄地段③水是造成坍方的重要原因之一第八章不良和特殊地質地段隧道施工

(2)隧道設計考慮不周①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。

②缺乏詳細的的地質及水文地質資料，引起施工指導或施工方案的失誤。第八章不良和特殊地質地段隧道施工

(3)施工方法和措施不當①施工方法與地質條件不相適應②噴錨支護不及時，噴射混凝土的質量、厚度不符合要求。③新奧法施工的隧道，沒有按規(guī)定進行量測，或信息反饋不及時，決策失誤、措施不力。④圍巖爆破用藥量過多，因震動引起坍塌。⑤對危石檢查不重視、不及時，處理危石措施不當，引起巖層坍塌。第八章不良和特殊地質地段隧道施工二、預防坍方的施工措施

(1)采取“先排水、短開挖、弱爆破、強支護、早襯砌、勤量測”的施工方法。

(2)加強坍方的預測①觀察法②一般量測法③微地震學測量法和聲學測量法

(3)加強初期支護，控制坍方第八章不良和特殊地質地段隧道施工三、隧道坍方的處理措施

(1)隧道發(fā)生坍方，應及時迅速處理。

(2)處理坍方應先加固未坍塌地段，防止繼續(xù)發(fā)展。①小坍方，縱向延伸不長、坍穴不高②大坍方坍穴高、坍渣數(shù)量大，坍渣體完全堵住洞身時，宜采取先護后挖的方法。第八章不良和特殊地質地段隧道施工③坍方冒頂，在清渣前應支護陷穴口④洞口坍方，一般易坍至地表，可采取暗洞明作的辦法。(3)處理坍方的同時，應加強防排水工作。四、隧道坍方實例－成渝高速公路縉云山隧道縉云山隧道是成渝高速公路東段的兩大隧道之一，分為左、右兩線，長度為2478m和2528m。地質主要為灰?guī)r和砂巖，其中灰?guī)r占40%左右，有少量的泥巖和頁巖，隧道通過4個斷層、5個煤礦采空區(qū)，在此段落存在一定濃度的瓦斯，有較大的涌水，最大涌水2~3萬m3/d。(1)坍方情況施工過程中，因地質構造復雜，節(jié)理發(fā)育，地下水豐富以及斷層破碎帶影響，先后發(fā)生了5次較大規(guī)模的坍方，其中4號坍方最大，長達22m，寬10~14m，坍塌高度18~25m，坍方數(shù)量達4000~5000m3。(2)坍方原因分析由于巖破碎、節(jié)理發(fā)育，致使巖層的層間結合力較低，加上地下水的作用，引起上部失穩(wěn)、坍塌；坍方段屬于IV級圍巖，離掌子面的距離太大，已達到85.0m，再加上初期支護強度可能偏低(因地下水的影響，使噴射混凝土的厚度無法保證)，施工時沒有安設格柵；在坍方范圍內，發(fā)現(xiàn)了一條寬度約1.8~2.4m的斷層，致使出現(xiàn)大規(guī)模坍方。(3)坍方的處理措施和步驟先加固坍方附近的未坍塌部分，采用噴錨支護和小管棚(直徑60~80mm的鋼花管)對未坍塌的邊墻及拱部進行加固，以防止坍方的進一步發(fā)展。利用坍方發(fā)生后圍巖處于相對暫時穩(wěn)定狀態(tài)，抓緊時間沿坍塌面設外層初期支護，其支護參數(shù)如下：錨桿：長3.5~4.5m，φ22mm，間距1.0m×1.0m~1.5m×1.5m；鋼筋網：采用φ8mm或φ12mm鋼筋，網格間距20cm×20cm；噴射混凝土：分兩層，第一層5.0~8.0cm，然后施作錨桿和掛網，再復噴第二層10~15cm。因坍腔的橫斷面矢跨比H/B=1.8~2.8＞0.7，故不設(也難以設置)內層初期支護，但在坍腔內需設置橫向和豎向的支撐桿件，本例中采用7.5號角鋼橫向和豎向支撐兩側及頂部的坍塌面，豎向間距8.0~10.0m，縱向間距2.0~2.5m，角鋼的兩端與錨桿頭進行焊接；清碴，從洞口向里逐步清碴，同時逐步進行二次襯砌；待二次襯砌完成后設置防水層，預埋注漿孔；施作1.0m厚的混凝土護拱；設土石緩沖層，厚度1.2~1.5m；襯砌前后注漿(即填充注漿)。整個坍方處理歷時5個月，從處理效果來看，保證了工程質量和施工安全，但投入的費用和耗費的時間相對大了一些。五、隧道坍方實例－飛鸞嶺隧道南段洞口坍方飛鸞嶺隧道位于福建省104國道線上，公路雙線隧道，開挖斷面積82.4m2，全長3155m。坍方斷面情況以及與掘進情況如圖所示。(1)坍方發(fā)生情況坍方發(fā)生在洞口附近，長約10m，洞口圍巖為V級，全風化花崗巖，地下水豐富。在洞口右側距隧道中線1.8m處，拱部有一降水管，拱部地下水沿降水管周邊大量滲下，左側拱部有較大裂隙水滲出，初步分析是地質鉆孔所致。

1996年2月28日19時25分，圍巖出現(xiàn)聲響，在噴層上出現(xiàn)裂紋，在距開挖面5~6m的拱部首先發(fā)生掉塊，當時正在復噴，隨后裂紋逐漸擴大，其中最大的一條裂紋長達6~7m，寬達1~2cm，斜穿拱頂至起拱點。在19時49分，工人們正在對出現(xiàn)裂紋的地方進行噴射混凝土加強時，于K7+455處的降水管附近突然發(fā)生坍塌，估計數(shù)量有2.0m3左右，工人們立即撤出，大約2min后，“嘩啦”一聲巨響，整個靠近開挖面10m長度的初期支護全部垮塌下來，并一直坍塌至地表，形成冒頂坍方，地表形成9.0m×15.0m的凹形漏斗，在坍口周圍35m范圍內出現(xiàn)大量裂縫，已作好的排水溝出現(xiàn)多處拉裂，坍方高度達32.0m，坍方數(shù)量為3760m3。(2)坍方原因該段地質為強風化花崗巖，從洞內的坍體表面觀察來看，大約80%已完全風化成砂粘土，其粒徑為0~3mm，其余為孤石，最大直徑為80cm左右，這樣的松散結構，其結合力主要領先砂粒間的摩擦力，整體穩(wěn)定性極差。地下水豐富，在開挖過程中，就經常出現(xiàn)大量的滲漏水，特別是風化共崗巖這樣的松散結構遇水后，其自穩(wěn)時間幾乎為零，特別是降水管把垂直上方的地下水都引入洞中，致使發(fā)生冒頂?shù)拇笮吞?。支護措施存在一定問題，針對這樣的地質條件，應采取適當超前支護措施，