特殊地质条件下的隧道施工要点.docx

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特殊地质条件下的隧道施工要点

特殊地质条件下的隧道施工要点

一、自稳能力差的岩体

对于自稳时间短，喷锚初期支护强度不足以稳定洞体的软弱破碎、浅埋软岩、严重偏压、岩溶、流泥、砂层、砂卵、砾层、破碎以及大面积淋水或涌水地层隧道施工，可采用辅助措施和锚喷支护相结合的加固办法进行施工。

辅助措施一般可采用以下几种：

超前锚杆、超前小导管、大管棚、格栅钢架、型钢支撑、钢钎维砼、迈式锚杆、超前小导管周边予注浆、旋喷桩、冻结法等加固措施。

对付涌水量大的隧道，可开挖超前平导以排水降压并能起到地质超前预报作用。

也可采取帷幕注浆堵死涌水。

施工中为确保开挖面的稳定，可采用环形开挖留核心土，或单、双侧壁蛋形导坑法、中隔墙法、交叉中隔墙法等；喷射砼封闭掌子面；设临时仰拱使及时封闭成环；辅以其他加固措施。

运用新奥法原理，从认识围岩、保护围岩、支护围岩、监测围岩出发，通过多年实践总结出了三十字施工方法，即“先深探、管超前、预注浆、小断面、留核心、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、常量测”。

二、膨胀岩隧道施工

膨胀岩指那些与水有关的随时间而发生体积增大的围岩。

它对环境温度、湿度、压力、地下水等因素变化极为敏感。

软弱围岩是指单轴抗压强度在30MPa以下的围岩，而膨胀岩则是一种吸水膨胀失水收缩和往复膨胀变形的围岩，其力学性能除一般围岩所具有的物理、化学性质外，最重要的是具有兼水性、多裂隙性、强膨胀性与收缩性，强度衰减性、以及快速崩解性和抗风化弱的性质等。

膨胀岩若其含水量〈15%，视为有危险性的膨胀岩，高于30%则视为膨胀已完成进一步膨胀不可能。

膨胀岩之矿物成分几乎都含有蒙脱石，其蒙脱石含量在12%以上的围岩就具有强膨胀性。

沉积岩中居多，这些岩层中含有蒙脱石（含有Mgo、Cao）、伊利石如板岩、页岩、砂页岩、石膏、炭质页岩、泥岩等。

偶而也是遇到变质岩如千枚岩、凝灰岩、片岩等。

当自由膨胀率≥30%，缩性指数Ⅰs＞20%、干饱和吸水率＞25%，体积膨胀性＞2%，就视为膨胀岩。

在此类围岩中修建隧道，引起坍塌、坑道挤压、支撑与衬砌开裂、变形、整体道床开裂与破坏的事例不少，因此必须认真对待。

其主要措施为：

1、隧道通过膨胀性岩层时，应对照设计文件和流变情况进行调查和量测，据以确定施工对策。

对工程地质和水文地质应心中有数，并作好人、机、物、财计划、科技手段与工程措施准备。

2、认真做好防排水工作，首先要防止出现因工程用水漏水与排放污水不畅，及时进行仰拱及基底封闭，防止泥水及满洞泥泞，墙脚浸泡造成滑坍。

认真做好隧道及地表范围内积水引排。

严禁施工高压水池设在洞顶上方，防止漏水渗入洞内。

3、开挖尽量采取措施，使其一次成型，以便初期支护及早封闭成环，可采用全断面或台阶法施工，以免分部过多，由于爆破造成对围岩多次扰动。

爆破中要多打眼、少装药、强支护、速封闭、紧衬砌,合理控制膨胀岩流、塑变形。

4、施工支护宜用锚喷支护，并紧跟开挖面进行，当压力很大时，可用喷锚及钢架联合支护。

并须加强施工量测，以便及时改变施工顺序、钻爆参数和支护衬砌刚度，控制围岩变形。

5、仰拱超前，拱墙同时施工，使形成封闭环。

衬砌断面宜采用曲墙式，先墙后拱一次成型，应使用钢模板台车衬砌，以保质量。

漏水地段应在衬砌前作止漏处理。

不宜采用传统分部开挖法及木支撑支护，以免多次扰动围岩及暴露时间长，变形过大，造成松动掉块和坍方。

三、岩爆的产生及防治措施

1、概述

随着铁路、公路建设事业的不断发展，长隧道、深埋隧道逐渐增多，伴随而来的在强烈的构造高应力地区修建隧道中遇到岩爆问题亦相应增多，因此，对岩爆问题必须引起施工人员的充分注意并妥善加以解决。

岩爆是隧道开挖中，由于围岩应力超过围岩强度而使围岩发生突然破坏，并把破坏的岩块（片）弹射出来。

岩爆发生三要素：

地层岩性条件（坚硬、完整、脆性）；地应力条件；施工触发因素；三者缺一不可。

岩爆与埋深有密切关系，埋藏越深岩爆越烈，实践中也有例外，有时隧道埋深仅110M左右，也有发生，说明岩爆与构造应力有很大关系，特别是水平应力与垂直应力比值与差值愈大，岩爆即可能在浅埋洞室中发生。

从工程实践中发现：

岩爆一般发生在岩体干燥、坚硬、完整无裂隙部位。

岩爆在开挖后两个月内均可发生，两个月后基本稳定，但再次开挖，仍会发生。

岩爆有时声音巨响，有时声音微弱，有时有“闷雷”声。

岩爆部位大多数产生在靠山一侧拱部。

岩爆的本质是弹性变形能的大量释放，它威胁施工人员的生命安全、损坏机具设备、破坏地下建筑物，最严重时可以毁坏整个地下工程。

世界上从1738年英国锡矿发生岩爆以来，共有23个国家和地区记录有岩爆。

我国1933年发生抚顺胜利矿（深200M）发生岩爆，铁路成昆线关村坝隧道，贵昆线梅花山隧道，西康线秦岭隧道进、出口均有岩爆发生。

四川太平驿引水隧洞岩爆较为强烈。

2、岩爆类型

（1）破裂松弛型，围岩成块、板、鳞片状爆裂，爆裂声微弱，偶而可以听到劈劈啪啪的响声，弹射距离小，主要是坠落。

（2）爆裂弹射型：

岩爆特征是岩片弹射及岩粉弹射，爆裂响声如枪声，弹落岩片最大不超过0.3m3，直径一般为5-10cm，有拳头大小者，也有粉末烟雾者，铁路隧道关村坝、莲地、沙木拉打、百家岭等，时间多在1小时内发生，部位在工作面及附近拱部牛角湾处，发生前发生劈啪响声，岩块成片状弹射或剥落，弹射距离一般2—3m，岩块呈中间厚周边薄的菱片，开始拳头大小，速度很快，后渐为蚕豆般碎石四散弹射，最大体积0.5×0.4×0.07m,剥离岩块体积可达2×1.3×0.2m，岩爆发生后，有岩粉尾随出现如烟雾状，发生岩爆后的洞壁表面一般光滑平整。

（3）爆炸抛射型：

巨石抛射，声响如炮弹，抛石体积有数方到几十方，抛射距离数米至20米。

3、产生岩爆的条件及影响因素

（1）产生岩爆需要一定的应力条件及岩体结构和性质条件，通常多为完事的整体岩块结构及厚状结构，岩石硬脆，单轴抗压强度在150MPa以上，声波速度大于6000m/S，且只有岩体及初始应力场的最大主应力与岩块单轴抗压强度之比值大于0.15～0.2的高应力条件下才可能产生。

（2）用钻爆法施工，洞壁凹凸不平，超欠挖比较普遍，增加了应力集中，超欠挖处根据经验，壁面的应力集中系数要增加80%。

4、产生岩爆的经验判据

50年代至今逐步形成的近代强度理论认为岩爆是围岩应力达到或超过围岩强度而产生的围岩破坏现象，从围岩的静力极限平衡条件出发，将各种强度准则作为岩爆的判据，其中有拉伸机理、剪切机理和经验判据。

现只介绍二种经验判据：

（1）我国工程实践提出的判据

σ1＞（0.15～0.2）Rc发生岩爆

式中σ1：

岩体初始应力;

Rc：

岩块单轴抗压强度。

（2）伊、阿：

多尔恰尼诺夫判据：

σg≤0.3σc，无岩射、剥落；

σg=（0.5～0.8）σc岩射，剥落；

σg＞0.8σc岩爆。

强烈，岩射。

式中：

σg—围岩表面最大压应力；

σc—岩体单轴抗压强度。

5、岩爆的防治措施

（1）工程设计方面

㈠在布置地下工程时，应尽量使长轴方向与最大主应力方向平行（或夹角＜30°＝这样可以减少洞壁围岩的切向应力，减少岩爆的发生。

（二）选择合理的洞形，以改善围岩应力状态；如主应力垂直于洞室断面，应避免高边墙，最大主应力方向斜交洞室断面，可采用曲边墙。

（2）施工措施方面：

（一）步步为营：

稳扎稳打，全面设防；

（二）超前释放应力：

可深打周边眼4—5米，爆2米，再打几个中孔，浅眼爆破。

（三）勤检查、找顶、洒水，孔中灌水；

（四）加强监测：

一是监测围岩应力状态，预测岩爆发生的可能性；二是找出合理的开挖方法、支护形式和支护参数，测定支护效果。

（五）掌握岩爆规律，施工作业避开集中岩爆时间（一般开挖后2—3小时），两头交替工作。

（六）喷锚支护应作为防治岩爆的主要手段a超前锚杆、径向锚杆，以防岩爆发生，减轻岩爆规模；b、径向锚杆+喷砼支护，防止岩爆滞后重复性；c、b+挂网，用于较大规模滞后型岩爆区段。

喷锚网喷时，一要及时，喷足厚度，网要封口，宜用￠6-8mm盘条作方格网，锚杆要加垫钣。

（七）综合防治特别重要。

目前对岩爆尚无特效防治办法，因此须采取综合防治措施，如对设备加设防护，加强岩爆观察，发现异常及时躲避等。

四、瓦斯隧道施工

（一）概述

瓦斯是从煤、岩体内涌出有害气体的总称。

其中有俗称沼气的甲烷（CH4）、二氧化碳、二氧化硫等。

但当开采到一定深度后，其主要成份就剩沼气了，因此煤矿俗语中瓦斯往往是指沼气。

沼气有以下六个特性：

（1）无色、无味、无臭，比重为0.544,故易聚集在隧道洞室顶部及高处；

（2）难溶于水，但渗透与扩散性很强，能从邻近层渗透到采空层，能迅速扩散到全部巷道；（3）虽无毒，但当空气中含量过多，则能使氧气含量下降使人窒息；当其浓度达43%时，能使氧气含量下降到12%，使人开始窒息，当浓度达到57%时，氧气含量就会降到9%，短期内使人窒息死亡；（4）有燃烧性，浓度小于5%遇火能燃烧，当浓度大于16%时不能直接燃烧，但遇到新鲜空气能缓慢燃烧；（5）有爆炸性，当浓度在5～16%时遇火便会爆炸；（6）超前浓度区具有地层、掘进面出现煤气突出。

（二）通过煤系地层地段的防爆措施

防止瓦斯的危害主要在于防爆，为此应始终抓住三个环节：

严禁火种、瓦斯浓度监测和加强通风。

主要措施是：

1、为查明煤层位置及突出性所采取的技术措施：

利用弹性波（物探）判断煤层位置；利用ZY-150钻机水平超前钻孔两次，一是距煤层30—50m远打2—3个孔，决定煤层位置，并测瓦斯压力及浓度；二是距煤层10～15m钻2—3个孔，穿透煤层测定瓦斯浓度，瓦斯压力P1，采集钻孔煤样，测定煤层坚固系数f，瓦斯释放初速度△P，最终判断煤层突出性。

2、进行预防瓦斯的安全教育，使职工人人了解预防瓦斯的知识与要求，以利互相监督。

洞口设专人值班，检查各项制度是否执行，特别是火种严禁携带入洞。

3、合理选择通风方式，加强通风管理

通风方式采用混合式，主扇可采用两台（一台备用）155kw轴流风机3900m3/min设在平导通风洞作吸出，局扇15～45kw吹入掌子面进行巷道通风，平导吸出污浊空气，正洞进新鲜空气，风量要足够。

以稀释瓦斯含量及加速排出。

组织通风管理小组，固定专人管理通风，保证通风效果良好。

洞内风机（局扇）采用防爆型的。

4、设备、供电、照明防爆以杜绝电火花。

设备选用防爆矿用电气设备，如防爆立爪、防爆梭矿、防爆电瓶车、防爆喷浆机等。

供电防爆，洞内采用隔爆型移动变压器，矿用橡套软电缆（防爆电缆）、隔爆型自动馈电开关,隔爆型磁力起动器,隔爆接线盒等。

照明采用低压隔爆萤光灯，防爆探照灯。

通讯采用防爆电话。

5、要有可靠供电。

为了防止施工中因停电、停风、造成瓦斯积聚，导致瓦斯燃烧和爆炸。

要有双回路供电，除使用电网供电外，要设立备用电站。

6、建立完善的瓦斯监测制度，一般对巷道和掌子面要执行定时检查制：

高沼隧道每班至少检查监测瓦斯三次；低沼隧道每班至少两次。

每次检查，均应在靠近掌子面20M处的空间断面监测六个点，并建立巡回监测制度；在掘进工作面附近安装一台数字显示的沼气自动报警仪，作为环境的沼气浓度监测装置，每洞口均设瓦斯浓度报告牌，及时填写。

7、爆破作业，首先作好爆破设计，只允许采用电雷管起爆，毫秒雷管总延期不得超过130毫秒，使用煤矿安全炸药，电缆线作导线。

放炮时要三员到场（领工员与工班长、瓦检员、放炮员），并实行“一炮三检制”（装药前、放炮前、放炮后）。

炮眼堵塞用水炮泥，必须用水风钻钻眼，不得打浅眼（60CM。

）

8、采用复合式曲墙仰拱全封闭结构，初期支护以喷锚（局部加网）支护为主，二次模注采用P10防水砼，防水板由1mm改为厚2mm聚乙稀板，以增加抗瓦斯渗透性能。

五、岩溶地区隧道施工

（一）岩溶

岩溶是可溶性岩层（如石灰岩、白云岩、白云质灰岩、石膏等）受具有溶解能力（含CO2）的水长期作用而产生的。

由于溶蚀的形成、位置、塌陷作用等的不同，岩溶在隧道施工中常遇见的有岩溶裂隙、溶洞、暗河。

当覆盖较浅时，也会遇到溶沟、溶槽、落水洞、漏斗等。

2、岩溶对隧道施工的影响

当隧道穿越可溶性岩层时，常遇到大小不等，部位不同、充填物及充填程度不同和含水量不等的溶洞。

它们都给施工带来一定困难，有的甚至是灾难性的。

如隧道底部充填深而充填很松软，隧道基底难于处理；有的溶洞岩质破碎，易坍；有时遇到大水囊或暗河，岩溶水或泥沙水大量涌入隧道；有时遇到填满饱含水分的充填物的溶槽，掘进至边缘时，含水充填物不断涌入隧道，难以遏止，以至地表下沉，山体压力聚增，如大瑶山隧道竖井涌水；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，甚至被迫改线等。

（二）隧道遇到岩溶的各种处置措施

1、首先应根据设计文件及施工情况查明溶洞分布情况（影响建筑物的各种因素），类型情况（大小、有无水、溶洞是否在发育中及其充填）。

岩层的稳定程度和地下水流情况（有无长期补给来源，雨季有无增长特点）等，分别情况采取引、堵、越、绕等措施进行处理和施工。

（1）引排水

遇到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关系后，用暗管、涵洞、小桥等设施，渲泄水流，或开凿泄水洞将水排出洞外。

当水流位置在隧道上部或高于隧道时应在适当距离外，开凿引水斜洞（或引水槽）将水位降低到隧道底部位置以下，再行引排。

当有平导时，可引入平导排出。

（2）堵填

对已停止发育、径跨较小、无水的溶洞，可根据其与隧道相交位置及其填充情况，采用混凝土、浆砌片石或干砌片回填封闭，或加深边墙基础，加强隧道底部。

拱以上如系空溶洞，可视溶洞的岩石破碎程度采用锚杆加固，加设护拱及拱顶回填办法处理。

（3）跨越

当溶洞较大较深，不宜用堵填封闭的办法或充填物松软不能承载建筑结构时，可采用梁、拱跨越，但梁端或拱座应置于稳固可靠岩层，必要时用圬工加固。

（4）绕行

施工中遇到一时难以处理的溶洞时（如需钻探作特殊设计等），可先以迂回导坑绕行，继续进行隧道施工，一面处理溶洞。

（三）施工注意事项

1、隧道施工前，应对地表进行详细勘查，注意研究岩溶状态，估计可能遇到溶洞的地段。

2、对地表水，出水点的情况要详细了解，地表应进行必要处理，防止地表水下渗。

3、在掘进时，根据钻孔速度加快，可能已达溶洞边缘，应注意水情变化及裂隙溶蚀程度，当有所剧增时，应对掘进、排水、支护等工作加以妥善安排。

4、接近溶洞边缘时，应跟紧后部工序，施作超前探水，同时设法探明溶洞的形状、大小范围、充填物等情况，据以制定施工处理方案及安全措施。

5、反坡施工隧道应备足排水设备。

6、溶洞顶部须及时加固，及时处理危石，溶洞较高时要喷射混凝土及挂网。

7、在溶蚀地段爆破作业，应做到多打眼、打浅眼、少装药。

8、在溶洞填体中通过，充填物松软时，可采用管棚法（大、小）予注浆等措施，浅埋地可段也可予先进行地表注浆。

9、溶洞未作处理方案前，不要弃碴于其中。

10、在处理复杂的溶洞时，要依据现场具体情况，制定安全措施，以确保施工安全。