不良地质条件施工

不良地质条件施工

不良地质条件隧道施工 不良地质中隧道施工的一般原则： 充分利用各种手段和方法，尽可能准确掌握不良地质的情况； 根据掌握的不良地质情况，制定相应的施工方案和处理措施 ； 随着施工揭露地质，并根据施工安全性和支护措施的效果，及时修正设计，保证施工安全和隧道质量。 不良地质条件施工一般原则 在隧道施工中，往往会遇到断层破碎带、富水软岩及大量涌水地段，这些地段往往不是单独出现，不少情况是同时存在的。因此三者之间既有联系，又各有特点，其施工措施也是既有共性，又各有侧重。 富水断层破碎围岩概况 断层破碎带是常见的不良地质段，断层带内 岩体破碎 ，呈块石、破碎或角砾状，甚至呈 断层泥 ，岩体强度低，围岩 自稳能力差 ，施工困难。其施工难度取决于 断层的性质 、断层 破碎带的宽度 、 填充物 、 含水性 和 断层本身的活动性 以及 隧道轴线和断层构造线方向的组合关系 等因素。 富水断层破碎围岩概况 （一）断层破碎带 隧道轴线接近于垂直构造线方向 时，断层规模较小，破碎带不宽，且含水量较小时，条件比较有利可随挖随撑。当 隧道轴线斜交或者平行于构造方向 时，则隧道穿过破碎带的长度增大，施工难度大。见下页图。 富水断层破碎围岩概况 （一）断层破碎带 富水断层破碎围岩概况 （一）断层破碎带 隧道中线与断层带的位置 富水软岩是指各类土质、软岩、极严重的风化的各种岩层、极软弱破碎的断层带以及堆积、坡积层，在富含地下水的情况下，岩体强度很低，自稳能力极差的围岩。施工难度极大，俗称 “ 烂洞子 ” 。 富水断层破碎围岩概况 （二）富水软岩 大量涌水也是常见的不良地质现象。在雨量充沛和地下水丰富的地区，隧道穿过 断层破碎带 、 裂隙密集带 、 不同岩层接触带 或 岩溶发育地段 时，施工中往往会发生地下水和承压水大量涌出的现象。典型隧道：渝怀线 圆梁山隧道 、兰武线 乌鞘岭隧道 。 富水断层破碎围岩概况 （三）大量涌水 富水断层破碎围岩概况 （三）大量涌水 乌鞘岭隧道 7 号斜井洞内涌水 对于富水软弱破碎围岩隧道，设计一般根据 地表探测 和少量的 地质钻孔 ，来推断地下深处的隧道地质条件，往往 与实际地质条件存在差异 。因此，准确预报施工掌子面前方的地质条件就非常必要，应把 地质超前预报 作为一个 工序 纳入生产过程。 富水断层破碎围岩施工 （一）超前地质预报 地质 预报方法 主要有：钻孔超前探测；超前地质导坑；地震波、声波、地质雷达等物理探测。 富水断层破碎围岩施工 （一）超前地质预报 重点 预报内容 ： 开挖面前方的地质情况； 围岩整体性、断层、软弱破碎带在前方的位置和对施工的影响； 地下水活动情况等。 富水断层破碎围岩施工 （一）超前地质预报 地下水处理原则：以 堵截为主 ， 排引为辅 。 堵截地下水方法 ：一类是整个富水段注浆止水，加固围岩，相当于提高围岩等级；如深孔劈裂、挤压注浆。一类沿隧道开挖轮廓线以外进行环形注浆，形成止水帷幕，防止或减少地下水进入开挖面；如浅孔注浆、管棚注浆、小导管注浆等。 排水辅助措施 ：导坑、钻孔；目的是排水降压。 富水断层破碎围岩施工 （二）注浆堵水并加固围岩 虽地层经注浆加固，为确保施工安全，一般在开挖前采用 超前支护 ，如 超前锚杆 、 超前小导管 等； 地下水较大的隧道，开挖前采取 排水降压 措施，排水主要采用 钻孔 ，钻孔深度应超出注浆范围。 富水断层破碎围岩施工 （三）开挖及支护 开挖方法 视围岩稳定情况，有： 台阶法 、 正台阶预留核心土开挖法 、 双侧壁导坑法 。 开挖手段 有两种：一 是非爆破开挖 ，如十字镐、风镐或小型挖装机开挖；二是 控制爆破 ，如松动爆破、微振动爆破。目的是尽可能减少开挖对围岩的扰动。 富水断层破碎围岩施工 （三）开挖及支护 概 念： 膨胀岩是指土中粘土矿物成分主要由 亲水性矿物 组成，同时具有 吸水显著膨胀软化 和 失水收缩硬裂 两种特性且具有湿胀干缩往复变形的 高塑性粘性土 。决定膨胀性的亲水矿物质主要是 蒙脱石粘土矿物 。 膨胀岩及其对隧道施工的影响 （一）膨胀岩概念 膨胀岩判别标准： 一是 间接反应岩石膨胀指标 ；二是 定量反应岩石膨胀力学指标 。 膨胀岩和挤压性围岩 （一）膨胀岩概念 项目 指标 极限膨胀力（ P max ） ＞ 100kPa 极限膨胀率（ ρ max ） ＞ 3% 干燥饱和吸水率（ R dw ） ＞ 10% 自由膨胀率（ F s ） ＞ 30% 矿物质成分（蒙脱石、伊利石含量） ≥15% 膨胀岩分级： 按膨胀性的大小进行分级 。 膨胀岩和挤压性围岩 （一）膨胀岩概念 项目 极限膨胀力 (kPa) 极限膨胀率 (%) 干燥饱和吸水率 (%) 自由膨胀率 (%) 弱膨胀岩 100~300 3~15 10~30 30~50 中膨胀岩 300~500 15~30 30~50 50~70 强膨胀岩 ＞ 500 ＞ 30 ＞ 50 ＞ 70 由于膨胀性岩层所具有的特征，在隧道开挖后不久即产生膨胀性压力，往往发生如下一些现象： 风化迅速 ，挖出的土石块 很快酥散 ；坑道顶部及两侧常被挤压， 底部隆起 ；随着时间的增长，支撑、衬砌往往发生严重的 变形或破坏 。 膨胀岩和挤压性围岩 （二）膨胀岩对隧道施工的危害 围岩普遍开裂 洞室下沉 围岩膨胀突出和坍塌 隧道底部隆起 衬砌变形和破坏 膨胀岩和挤压性围岩 （二）膨胀岩对隧道施工的危害 挤压性围岩 是高地应力作用下的软岩。挤压性软弱围岩在高地应力作用下发生挤压大变形及破坏的特征不仅受 围岩本身力学性质 的影响，还与 初始应力场状况 及工程因素有关 。 挤压性围岩 （一）概念 变形量大 变形速率快 变形持续时间长 挤压性围岩 （二）挤压性围岩隧道变形特征 认真实施设计文件提出的技术要求 对围岩压力及变形情况认真量测，分析其规律 探明地下水分布规律，确定水对施工的影响 根据现场情况，采取相应的施工措施，实施动态管理。 膨胀岩和挤压性围岩隧道施工 （一）加强调查，量测围岩的压力和流变特性 尽量减少对围岩扰动和防止水的浸湿为原则 宜采用非爆破开挖，如风镐、小型挖装机 尽可能缩短围岩暴露时间，及时支护 开挖方法宜不分部或少分部 膨胀岩和挤压性围岩隧道施工 （二）合理选择施工方法 开挖后及时喷射混凝土，封闭和支护围岩 有地下水渗流隧道，采取切断水源并加强洞壁与坑道防、排水措施，防止施工积水对围岩浸湿 局部渗流，可采用注浆堵水阻止地下水 膨胀岩和挤压性围岩隧道施工 （三）防止围岩湿度变化 喷锚支护，稳定围岩。 衬砌结构及早封闭。 膨胀岩和挤压性围岩隧道施工 （四）合理进行围岩支护 我国是碳酸盐分布极广泛的国家，覆盖及出露的碳酸盐总面积约占我国领土面积的 1/5 。在岩溶地质地区形成的各种溶蚀形式中，对隧道工程影响严重的主要是溶洞和暗河。介绍岩溶地质最常见的溶蚀形式和对隧道工程影响最严重的溶洞问题。 岩溶地质 溶洞（ karst cave ）是 以岩溶水的溶蚀作用为主，间有潜蚀和机械塌陷作用而造成的基本沿水平方向延伸的通道 。 溶洞一般有死、活、干、湿、大、小几种。死、干、小的溶洞比较容易处理，而活、湿、大的溶洞处理方法则较为复杂。 溶洞的类型及对隧道施工的影响 （一）溶洞的类型 当隧道穿过可溶性岩层时，有的溶洞岩质破碎，容易发生坍塌； 有的溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，隧道基底难于处理； 有时遇到大的水囊或暗河，岩溶水或泥沙夹水大量涌入隧道。 溶洞的类型及对隧道施工的影响 （二）溶洞对隧道施工的影响 有时遇到填满饱含水分的充填物溶槽，坑道掘进至边缘时，充填物不断涌入坑道，难以遏止，甚至地表开裂下沉，山体压力剧增；有的溶洞、暗河迂回交错、分支错综复杂、范围宽广，处理十分困难。 溶洞的类型及对隧道施工的影响 （二）溶洞对隧道施工的影响 渝怀铁路板桃隧道 岩溶对隧道工程的影响主要有四个方面： 洞害 水害 洞顶地表沉陷 洞穴充填物及坍塌 溶洞的类型及对隧道施工的影响 （二）溶洞对隧道施工的影响 隧道在溶洞地段施工时，应根据设计文件有关资料及现场实际情况，查明溶洞分布范围、类型情况（如大小、有无水，溶洞是否在发育中，以及其充填物）、岩层的稳定程度和地下水流情况（有无长期不计来源、雨季水量有无增长）等，分别以 引、堵、越、绕 等措施进行处理。 隧道遇到岩溶的处理措施 当暗河和溶洞有水流时，宜排不宜堵。在查明水源流向及其与隧道位置的关系后，用暗管、涵洞、小桥等设施，宣泄水流或开凿泄水洞，将水排出洞外 。 隧道遇到岩溶的处理措施 （一）引排水 当水流的位置在隧道上部或高于隧道时，应在适当的距离外，开凿引水斜洞（或引水槽）将水位降低到隧道底部位置以下再引排 。 隧道遇到岩溶的处理措施 （一）引排水 对已停止发育、跨径较小、无水的溶洞，可根据其与隧道的相交位置及其填充情况，采用 混凝土 、 浆砌片石 、或 干砌片石 予以回填封闭，根据地质情况决定是否需要加深边墙基础。 隧道遇到岩溶的处理措施 （二）堵填 隧道遇到岩溶的处理措施 （二）堵填 溶洞位于隧道底部 隧道遇到岩溶的处理措施 （二）堵填 溶洞位于隧道侧面 隧道遇到岩溶的处理措施 （二）堵填 溶洞贯穿整个隧道 当隧道拱部有空溶洞时，可视溶洞的岩石破碎程度在溶洞顶部采用锚杆或喷锚网加固，必要时可考虑注浆加固并加设隧道护拱及对拱顶进行回填处理。 隧道遇到岩溶的处理措施 （二）堵填 隧道遇到岩溶的处理措施 （二）堵填 喷锚加固与浆砌（混凝土）护拱 当溶洞较大、较深，可采用 梁 、 拱 跨越。但梁端或拱座应置于稳固可靠的基石上，必要时用圬工加固。隧道在不同部位遇到溶洞采取不同的跨越措施。 隧道遇到岩溶的处理措施 （三）跨越 当隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞，可 加深该侧的边墙 基础通过。 隧道遇到岩溶的处理措施 （三）跨越 加深边墙基础 当隧道底部遇有较大溶洞并无流水时，可在隧道底下砌筑浆砌片石支墙，支承隧道结构，并在 支墙内套设涵管 引排溶洞水。 隧道遇到岩溶的处理措施 （三）跨越 支墙内套设涵管 当隧道边墙部位遇到较大、较深的溶洞，不宜加深边墙基础时，可在边墙部位或在隧道底以下 筑拱 通过。 隧道遇到岩溶的处理措施 （三）跨越 筑拱跨过 当隧道中部及底部遇有深狭的溶洞时，可加强两边墙基础，并根据情况设置桥台 架梁通过 。 隧道遇到岩溶的处理措施 （三）跨越 架梁跨过 溶洞上大下小，且有部分填充物时，可将隧道顶部的充填物清除，然后在隧道底部标高以下设置 钢筋混凝土横梁及纵梁 ，横梁两端嵌入岩层。 隧道遇到岩溶的处理措施 （三）跨越 钢筋混凝土横梁及纵梁 在岩溶区施工，个别溶洞处理耗时且困难时，可采取迂回导坑绕过溶洞，继续进行隧道施工，并同时处理溶洞，以节省时间，加快施工进度。绕行开挖时，应防止洞壁失稳。 隧道遇到岩溶的处理措施 （四）绕行施工 埋深较深的隧道工程，在 高应力 、 脆性岩体 中，由于 施工爆破扰动 原岩，岩体受到破坏，使掌子面附近的 岩体突然释放出潜能 ，产生 脆性破坏 ，这时围岩表面发生爆裂声，随之有大小不等的片状 岩块弹射剥落 出来，这种现象称之为 岩爆 。 岩爆及其防治措施 （一）岩爆的概念 常见的岩爆以 顶部 或 拱腰部 位为多。图中阴影部分表示即将暴落的岩片，断续线条代表岩片在脱落之前岩体产生的裂缝。 “ A ”“ B ” ，表示即将暴落的岩块。 岩爆及其防治措施 （一）岩爆的概念 岩爆在未发生前并 无明显的预兆 。 岩爆时，岩块自洞壁围岩 母体弹射 出来，一般呈中厚边薄的不规则片状。 岩爆发生的地点，多在 新开挖工作面 及其附近，个别的也有距新开挖面较远处。 岩爆及其防治措施 （二）岩爆的特点 地层的岩性条件 和 地应力大小 是产生岩爆与否的两个决定性因素。 能量的观点： 岩爆的形成过程是岩体中的能量从储存在释放直到最终使岩体破坏而脱离母岩的过程。 岩爆是否发生的条件： 岩体中是否储存足够能量、是否具有释放能量的条件、及能量释放的方式。 岩爆及其防治措施 （三）岩爆产生的条件 防止岩爆的措施： 一、 强化围岩。 如喷射混凝土、锚杆加固、喷锚支护、钢支撑网喷联合、紧跟衬砌混凝土。 二、 弱化围岩。 如注水、超前预裂爆破、排孔法、切缝法。 岩爆及其防治措施 （四）岩爆防治的措施 一般来说，地温超过 30 度，称为高地温。 隧道越长，埋深越大，高地温越严重。 地温随隧道埋深而升高，埋深小于 1000m 时，地温起伏不大；当大于 1500m 时，埋深增加地温急剧升高。 岩体温度达到 35 度，湿度达 80% 时，高地温就非常严重。 高地温隧道 （一）高地温的产生 恶化施工环境，严重威胁施工人员健康和安全； 影响施工材料的选取，如耐高温炸药、止水带、排水盲管及防水板等； 产生的附加温度应力可能引起衬砌开裂，对衬砌结构的耐久性不利； 高温导致隧道内机械设备的工作条件恶化，效率降低，故障增多。 高地温隧道 （二）高地温对隧道的不利影响 1 、通风降温 增大通风量，则气流温度大幅度下降，并且该温度的下降程度在通风量达到一定量时有急剧加快之势，如果风量再增加则气流温度的下降又逐渐缓慢下来。 热害不太严重的情况下，加大风量降低作业区段环境温度是有效的。 高地温隧道 （三）高地温隧道施工应对措施 2 、个体防护 个体防护的主要措施是工人穿冷却服，冷却服的工作介质有干 冰 、压缩空气、冷水等。 在分散的高温作业地点，不便采取集中降温措施时，可采用个体防护措施。 高地温隧道 （三）高地温隧道施工应对措施 3 、减少热源 隧道内热源包括：围岩散热、机电设备散热、矿物氧化放热等。对于高地温隧道，主要是围岩散热 可通过在隧道壁面涂敷一层隔热材料或能降低隧道壁面与空气热传导系数的物质，来减少原岩对空气的放热量。 高地温隧道 （三）高地温隧道施工应对措施 4 、人工制冷降温 以上几种措施不能消除热害，或技术经济效果不佳时，才采取人工制冷降温。制冷有两种： 独立移动式制冷机，在工作面局部制冷 大型制冷机安装在洞口，集中固定制冷送进隧道 高地温隧道 （三）高地温隧道施工应对措施 放射性物质的特点就是不断地释放出射线，产生辐射照射。当人体接受的放射剂量超过一定值时，人体的机能就要受到损伤，它的危害程度与放射性质、强度、距离和人体吸收辐射率、收照时间有关。 放射性地段施工 （一）放射性物质特点 隧道开挖及爆破产生含矿粉尘对隧道内空气的污染 开挖后裸露的岩石及裂隙水中逸出的氡气及氡子体对空气的污染 围岩中矿石 γ 射线对施工人员的外照射 放射性物质造成的表面污染 放射性地段施工 （二）放射性物质的影响 对有害物质进行监测： 氡气、氡子体浓度 γ 辐射剂量率测定 废渣的放射性监测 氡气析出率监测 放射性地段施工 （三）施工期间放射性地段的施工防护 对施工中在隧道周边发现的局部零星的小块铀矿石，立即进行清除并采用素混凝土充填，及时喷射混凝土 对开挖出的少量铀矿石，用非矿石石碴在弃碴场就地集中掩埋，并在弃碴场四周设排水沟 放射性地段施工 （三）施工期间放射性地段的施工防护 在施工中遇到的含有微量放射性物质的地下水及时排出洞外，并教育职工不能用此水冲凉、洗衣服，更不能冲洗蔬菜或引用 严禁在洞内放射性物质浓度高的地段吸烟、吃东西和引水等。 放射性地段施工 （三）施工期间放射性地段的施工防护 施工人员在施工时必须佩戴防尘口罩，口罩中的活性炭定期更换 适当注意营养保健并定期进行健康检查等。 放射性地段施工 （三）施工期间放射性地段的施工防护