隧道不良和特殊地质地段施工措施.doc

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不良和特殊地质地段施工措施

在修建隧道中，常遇到一些不利于施工的特殊地质地段。

如膨胀土围岩、黄土、溶洞、断层、松散地层、流沙、岩爆等。

在开挖、支护和衬砌过程中，由于各种因素的影响都可能发生土石坍塌，坑道受压支撑变形，衬砌结构断裂和各种特殊施工问题，严重影响施工进度、安全和质量。

隧道穿越含有瓦斯的地层，更严重地威胁着施工安全。

本章将讲述一些在特殊地质条件下进行隧道施工时应掌握的基本加识、采取相应的施工办法和防范措施。

隧道通过特殊地质地段施工时应注意以下几点：

⑴施工前应对设汁所提供的工程地质和水文地质资料进行详细分析了解，深入细致地作施工调查，制订相应的施工方法和措施，备足有关机具材料，认真编制和实施施工组织设计，使工程达到安全、优质、高效的目的。

反之，即便地质并非不良，也会因准备不足，施上方法不当或措施不力导致施工事故，延误施工进度。

⑵特殊地质地段隧道施工，以“先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤检查、稳步前进”为指导原则。

隧道选择施工方法（包括开挖及支护）时，应以安全为前提，综合考虑隧道工程地质及水文地质条件、断面型式、尺寸、埋置深度、施工机械装备、工期和经济的可行性等因素而定。

同时应考虑围岩变化时施工方法的适应性及其变更的可能性，以免造成工程失误和增加投资。

⑶隧道开挖方式，无论是采用钻爆开挖法、机械开挖法，还是采用人工和机械混合开挖法，应视地质、环境、安全等条件合理选用。

如用钻爆法施工时，光面爆破和预裂爆破技术，既能使开挖轮廓线符合设计要求，又能减少对围岩的扰动破坏。

爆破应严格按照钻爆设计进行施工，如遇地质变化应及时修改完善设计。

⑷隧道通过自稳时间短的软弱破碎岩体、浅埋软岩和严重偏压、岩溶流泥地段、砂层、砂卵（砾）石层、断层破碎带以及大面积淋水或涌水地段时，为保证洞体稳定可采用超前锚杆、超前小钢管、管棚、地表预加固地层和围岩预注浆等辅助施工措施，对地层进行预加固、超前支护或止水。

⑸采用新奥法施工的隧道，为了掌握施工中围岩和支护的力学动态及稳定程度，以及确定施工工序，保证施工安全，应实施现场监控量测．充分利用监控量测指导施工。

对软岩浅埋隧道须进行地表下沉观测，这对及时预报洞体稳定状态，修正施工都十分重要。

⑹特殊地质地段隧道，除大面积淋水地段、流沙地段，穿过未胶结松散地层和严寒地区的冻胀地层等，施工时应采取相应的措施外，均可采用锚喷支护施工。

爆破后如开挖工作面有坍塌可能时，应在清除危石后及时喷射混凝土护面。

如围岩自稳性很差，开挖难以成形，可沿设计开挖轮廓线预打设超前锚杆。

锚喷支护后仍不能提供足够的支护能力时应及早装设钢架支撑加强支护。

⑺当采用构件支撑作临时支护时，支撑要有足够的强度和刚度，能承受开挖后的围岩压力。

围岩出现底部压力，产生底膨现象或可能产生沉陷时应加段底梁。

当围岩极为松软破碎时，应采用先护后挖，暴露面应用支撑封闭严密。

根据现场条件，可结合管棚或超前锚杆等支护，形成联合支撑。

支撑作业应迅速、及时，以充分发挥构件支撑的作用。

⑻围岩压力过大，支撑受力下沉侵入衬砌设计断面，必须挑顶（即将隧道顶部提高）时，其处理方法是：

拱部扩挖前发现顶部下沉，应先挑顶后扩挖，当扩挖后发现顶部下沉，应立好拱架和模板先灌筑满足设计断面部分的拱圈，待混凝土达到所需强度并加强拱架支撑后，再行挑顶灌筑其余部分。

挑顶作业宜先护后挖。

⑼对于极松散的未固结围岩和自稳性极差的围岩，当采用先护后挖法仍不能开挖成形时，宜采用压注水泥砂浆或化学浆液的方法，以固结围岩，提高其自稳性。

⑽特殊地质地段隧道衬砌，为防止围岩松弛，地压力作用在衬砌结构上致使衬砌出现开裂、下沉等不良现象。

因此，采用模筑衬彻施工时，除遵守隧道施工技术规范的相关规定施工外，还应注意：

当拱脚、墙基松软时，灌筑混凝土前应采取措施加固基底。

衬砌混凝土应采用高标号或早强水泥，提高混凝土等级，或采取掺速凝剂、早强剂等措施，提高衬砌的早期承载能力。

仰拱施工，应在边墙完成后抓紧进行，或根据需要在初期支护完成后立即施作仰拱，使衬砌结构尽早封闭，构成环形改善受力状态，以确保衬砌结构的长期稳定坚固。

1膨胀土围岩对隧道影响及注意事项

膨胀土系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主要是蒙脱石粘土矿物。

我国是世界上膨胀土分布面积最广的国家之一。

现已发现行膨胀土分布是十分广泛的。

1.1膨胀土围岩的特性

隧道穿过膨胀土地层，隧道开挖后不久，常常可以见到围岩因开挖而产生变形，或者因浸水而膨胀，或因风化而开裂等现象。

使坑道的顶部及两侧向内挤入，底部鼓起，随着时间的增长导致围岩失稳，支撑、衬砌变形和破坏。

这些现象说明膨胀土围岩性质是极其复杂的。

它与一般土质的围岩性质有着根本的区别。

膨胀土围岩的基本特性，主要有以下三方面：

⑴膨胀土围岩大多具有原始地层的超固结特性，使土体中储存有较高的初始应力。

当隧道开挖后，引起围岩应力释放，强度降低，产生卸荷膨胀。

因此，膨胀土围岩常常具有明显的塑性流变特性，开挖后将产生较大的塑性变形。

⑵膨胀土中发育有各种形态的裂隙，形成土体的多裂隙性。

膨胀土围岩实际上是土块与各种裂隙和结构面相互组合形成的膨胀土体。

由于膨胀土体在天然原始状态下具有高强度特性，隧道开挖后洞壁土体失去边界支撑而产生胀缩，同时因风干脱水使原生隐裂隙张弛，使围岩强度急剧衰减：

因此，隧道施工开挖过程中，常有初期围岩变形大，发展速度快等现象；

⑶膨胀土围岩因吸水而膨胀，失水而收缩，土体中干湿循环产生胀缩效应，一是使土体结构破坏，强度衰减或丧失，围岩压力增大。

二是造成围岩应力变化，五是膨胀压力或收缩压力，都将破坏围岩的稳定性，特别是膨胀压力将对增大围岩压力起叠加作用。

1.2膨胀土围岩对隧道施工的危害

由于膨胀土围岩的特殊工程地质性质及其围岩压力特性，使膨胀土的隧道围岩具有普遍外裂、内挤、坍塌和膨胀等变形现象。

膨胀土隧道围岩变形常具有速度快、破坏性大、延续时间长和整治较困难等特点.

膨胀性围岩对隧道施工的影响简述如下：

（1）围岩普通开裂

隧道开挖后，由于开挖面上膨胀土体的原始应力释放而产生开裂，又因表层土体外露风干而失水产生收缩裂缝。

这两种因素促使膨胀土围岩裂缝宽度扩大，尤其拱部围岩更容易产生张拉裂缝与上述裂缝贯通，形成拱顶局部变形区——脱离区。

（2）坑道下沉

由于坑道下部膨胀土体的承载力较低，加之坑道上部围岩压力过大，坑道下沉变形明显。

另外，隧道只能采用分部开挖，在后部工序开挖暴露的围岩出现风化膨胀，产生较大的收缩地压力，加上坑道下沉变形，都会使支撑过度变形或折断、失效、破坏，从而引起围岩土体坍塌、挤压和膨胀变形等。

（3）围岩膨胀凸出和坍塌

隧道坑道开挖过程中和开挖后，围岩产生膨胀变形，周边膨胀土体向洞内膨胀凸出，造成开挖断面缩小。

在膨胀土体丧失支撑（支撑失效）或支撑力度不够的状态下，由于围岩压力与膨胀压力的叠加作用，使围岩土体产生局部破坏形成坍塌现象。

（4）隧道底部隆起

坑道底部开挖后，洞底围岩的上部竖向压力解除，尚无仰拱支护体约束时，由于膨胀地压力释放，洞底围岩产生卸荷膨胀；又因坑道易积水，使洞底土体产生浸水膨胀，因此造成洞底隆起变形。

（5）衬砌变形和破坏

模筑棍凝土衬砌中，常发生下列影响：

①拱顶受挤压下沉，也有向上凸起。

拱顶外缘经常出现纵向贯通张拉裂缝（一般是在拱圈封顶后几小时到几天内出现），而拱内缘出现鱼鳞状挤裂、脱皮、掉块现象。

②在拱腰部位出现纵向裂缝，这些裂缝有时可逐渐发展到张开、错台。

③当采用直墙式边墙时，边墙常受膨胀侧压而开裂，甚至张开、错台。

少数曲边墙也有出现水平裂缝的情况。

④当底部未做仰拱或未做—般铺底时，有时会出现底部隆起，铺底被破坏。

1.3膨胀土围岩隧道施工要点

（1）加强调查、量测围岩的压力和流变

在膨胀土地层中开挖隧道，除了认真实施设计文件所提出的技术要求外，在施工过程中应对围岩压力及其流变情况进行充分的调查和量测，分析其变化规律。

对地下水亦应探明分布范围及规律，了解水对施工的影响程度，以便根据围岩动态采取相应的施工措施；如原设计难以适应围岩动态情况，也可据此作适当修正。

（2）合理选择施工方法

膨胀土隧道围岩压力的施工效应，是导致隧道变形病害的主要原因。

采用合理的施工方法，对隧道的稳定性有着十分重要的作用。

因此，在施工中应以尽量减少对围岩产生扰动和防止水的浸湿为原则，所以宜采用无爆破掘进法。

如采用掘进机、风镐、液压镐等开挖，、在开挖过程中尽可能缩短围岩暴露时间，并及时衬砌，以尽快恢复洞壁因土体开挖而解除的部分围岩应力，减少围岩膨胀变形，开挖方法宜不分部或少分部，多采用正台阶法、侧壁导坑法和“眼镜法”，正台阶法适用于跨度小的隧道，它分部少相互干扰小，且能较早地使支护（衬砌）闭合。

侧壁导坑法较“眼镜法”较适用于跨度较大的隧道，它具有防止上半断而支护（衬砌）下沉的优势，但全断面闭合时间较迟，必须注意防止边墙混凝土受压向隧道内挤。

（3）防止围岩湿度变化

隧道开挖后，膨胀土围岩风干脱水或浸水，都将引起围岩体积变化，产生胀缩效应，因此，隧道开挖后及时喷射混凝土，封闭和支护围岩。

在有地下水渗流的隧道，应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的浸湿等。

如局部渗流，可采用注浆堵水阻止地下水进入坑道或浸湿围岩。

（4）合理进行围岩支护

膨胀土围岩支护必须适应围岩的膨胀特性。

在施工时应注意以下几点：

①喷锚支护，稳定山岩。

喷锚支护作为开挖膨胀土围岩的施工支护，可以加强围岩的自承能力，允许有一定的变形而又不失稳。

采用喷锚支护，应紧跟开挖，必要时在喷射混凝土的同时，采用钢筋网。

也可采用钢纤维混凝上提高喷层的抗拉和抗剪能力。

当膨胀压力很大时，可用锚喷及钢架或格栅联合支护，在隧道底部打设锚杆，也可以在隧道顶部打人超前锚杆或小导管支护。

膨胀土围岩隧道的支护，尽可能使其在开挖面周壁上迅速闭合。

如果是台阶开挖，可在上半部开挖后尽快作出半部闭合，使围岩尽早受到约束。

总之，不论采用哪一类型的支护，都必须根据工程实际情况及围岩变形状态而定。

②衬砌结构及早闭合。

膨胀上围岩隧道开挖后，围岩向内挤压变形一般是在四周同时发生，所以施工时要求隧道衬砌及时封闭。

从理论上讲，拱部、边墙及仰拱宜整体完成，衬砌受力条件最好。

但受施工条件的限制往往难以实现。

因此，在灌筑拱圈部分时，应在上台阶的底部先设置临时混凝土仰拱或喷射混凝上作临时仰拱，以使拱圈在边墙、仰拱未完成前，自身形成临时封闭结构。

然后当进行下部台阶施工时，再拆除临时仰拱，并尽快灌筑永久性仰拱。

2黄土地段隧道施工技术要求

黄土在我国分布较广，黄河中游的陕西和甘肃省大部分地区，山西南部、河南西部地区为我国黄土和湿陷性黄土的主要分布区。

这些地区的黄土地层分布连续、厚度较大，发育较典型、，其他在青海、新疆、河北、山东、内蒙古和东北各地亦有所分布。

在黄土地层修筑隧道和地下工程时，应了解黄土地层对隧道施工的影响。

施工技术要求和施工注意事项等知识。

2.1黄土地层对隧道施工的影响

⑴黄土节理影响

红棕色或深褐色的古土壤黄土层出现，常具有各方向的构造节理，有的原生节理呈x型，成对出现，并有一定延续性，在隧道开挖时，土体容易顺着节理张松或剪断。

如果这种地层位于坑道顶部，则极易产生“塌顶”；如果位侧壁，则普遍出现侧壁掉土，若施工时处理不当，常会引起较大的坍塌。

⑵黄土冲沟地段对施工的影响

当隧道在较长的范围内沿着黄土冲沟或河边平行走向，而覆土较薄或偏压很大的情况下，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。

⑶黄土溶洞与陷穴影响

黄土溶洞与陷穴，是黄土地区经常见到的不良地质现象，隧道若修建在其上方，则有基础下沉的危害；隧道若修