不良地质隧道施工课件.ppt

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1、第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,不良地质施工概述,富水断层破碎围岩,膨胀性和挤压性围岩,黄土地质,岩溶地质,煤系地层,高地应力硬岩(岩爆)地质,隧道施工坍方处理措施,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,第一节 概 述,一、不良和特殊地质地段的概念,(一)不良地质地段,不良地质地段是指滑坡、崩塌、岩堆、偏压地层、岩溶、高应力、高强度地层、松散地层、软土地段等不利于隧道工程的不良地质环境。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,(二)特殊地质地段,特殊地质地段是指膨胀地层、软弱黄土地层、含水未固结围岩、溶洞、断层、岩爆、流沙等地段以及瓦斯溢出地层等。,二、开挖和支护过程中可能造成的危害,土石坍塌

2、(大塌方或小塌方),隧道支撑变形,衬砌结构断裂,严重影响施工进度,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,三、不良和特殊地质地段隧道工程的一般规定,施工前要认真研究分析工程及水文地质资料，结合现场实际情况，作出风险评估，制定完整的施工技术方案，并结合专项应急救援预案，做好人员组织、技术、物资、机械的储备，预防地质灾害的发生。软弱破碎围岩宜积极采用岩土控制变形分析法施工技术。软弱及不良地质隧道仰拱距开挖工作面距离宜控制在40m以内，洞口段、浅埋段、断层破碎带，二次衬砌应及时施作。隧道施工中发生地质灾害时应立即启动应急救援预案。根据超前地质预报和监控量测结果及时调整施工方案。,第八章 不良和特殊地质地

3、段隧道施工,四、不良地质地段隧道施工注意事项,1.选择施工方法注意事项,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。,选择施工方法(包括开挖及支护)时，应以安全及工程质量为前提，综合考虑隧道工程地质及水文地质条件、断面形式、尺寸、埋置深度、施工机械装备、工期要求、经济和技术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。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,2.加强监控和量测工作,3.使用喷锚技术注意事项,(1)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。,(2)锚喷支护后仍不能提供足

4、够的支护能力时，应及早装设钢拱架支撑加强支护。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,4.采用临时支护时注意事项,(1)支撑要有足够的强度和刚度，能承受开挖后的围岩压力。,(2)围岩出现底部压力，产生底膨现象或可能产生沉陷时应加设底梁,(3)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；,(4)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,(5)支护作业应迅速、及时，以充分发挥构件支撑的作用。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,5.选用掘进方法时注意事项,特殊地质地段隧道施工时，不宜采用全断面开挖。应视地质、环境、安全、工程质量等条件合理选用。,6.掘进时遇有围岩压力

5、过大注意事项,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，暴露面应用支撑封闭严密。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,7.遇有松散、自稳差的围岩掘进时注意事项,8.衬砌出现开裂或下沉时注意事项,采用压注水泥砂浆或化学浆液加固围岩的方法，以提高其自稳性。,当拱脚、墙基松软时，灌筑混凝土前应采取措施加固基底。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,第二节 富水断层破碎围岩,一、概述,断层破碎带是隧道施工中最常见的不良地质地段，断层带内岩体挤压破碎，常呈块石

6、、碎石或角砾状有的甚至呈断层泥，岩体强度低，围岩压力增大，自稳能力下降，容易坍塌，施工困难。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,富水软岩是指在各类土质、软岩、极严重风化的各种岩层、极软弱破碎的断层带以及堆积、坡积层中，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。,二、开挖施工要求,(一)充分应用超前地质预报开挖施工要求,1.预报方法,地质预报方法主要有：钻孔超前探测；对超前导坑进行地质、水文观测素描；地震波、声波、地质雷达等物理探测。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,2.预报的重点内容,预测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

7、动情况等。,3.预报方式,长期预报,总体预报，预报断层规模、分布、性质、构造分带，富水性等，并分段作出工程地质评价。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,中期预报,岩石微观构造研究,工程地质类比,地震反射波法,地质雷达法,图析法,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,短期预报,开挖面及其附近的预测预报,掌子面超前钻孔预报,(二)注浆堵水并加固围岩,富水软弱破碎围岩隧道处理地下水原则一般是：以堵截为主，排引为辅。,采用注浆堵水结合超前钻孔限量排水,特大涌水采用辅助导坑排水,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,堵截地下水的办法主要有两类：,整个富水段进行注浆止水，并加固松散岩体。,对富水地段沿隧道开

8、挖轮廓线以外进行环形注浆，形成止水帷幕，防止或减小地下水进入开挖工作面。,排水辅助措施有导坑、钻孔等，目的是排水降压。,当地下水与地表水连通时，埋深小于20m采用地表注浆，埋深大于20m时采用洞内注浆。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,(三)开挖及支护,开挖施工要求,根据超前地质预报分析结果，采取防塌预防措施，保证开挖工作面的稳定。洞内涌水对周边生态环境影响较大时，宜采用注浆堵水措施。当隧道埋深在20m以内时，可采用地表注浆；当隧道埋深超过20m时，则应采用开挖工作面预注浆。,单线隧道采用正台阶预留核心土环形开挖法，双线和多线隧道采用CD法、CRD法或双侧壁导坑法，循环进尺0.51.5m,

9、开挖手段上，采取两种方法，一是在特别软弱的围岩段，采用非钻爆开挖，如利用十字镐、风镐开挖或利用小型挖装机开挖。另一种是采用控制爆破措施，如松动爆破、微振动爆破等。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,根据量测结果及时调整支护参数,支护施工要求,根据量测结果确定施作时机,衬砌施工要求,仰拱必须及早施作，形成封闭结构 在承压水地段，若容许限量排水，衬砌背后的排水管道必须顺畅地连接到隧道排水沟，防止地下水在衬砌背后聚集对其形成压力；若不容许排水，应修筑抗水压衬砌。,应用实例 之一,宜万铁路别岩槽隧道F1高压富水断层,1、工程概况,宜万铁路别岩槽隧道位于重庆市万州区境内，隧道里程 DK 403+049

10、DK 406+770，全长3 721 m。隧道最大埋深530 m，设置-13.3的单面坡。由于岩溶及岩溶水极其发育，因而，该隧道被列为宜万铁路8座I级风险隧道之一。如图1所示，别岩槽隧道穿越方斗山弧状背斜构造，发育F1(茨竹垭断裂)、F2(水塘沟断裂)和F3(蒿子坝断裂)3条断层，地质条件极其复杂。,隧道DK 404+101+550段发育F1断层，现场实测断层带水压力为0.61.8 MPa，超前探孔单孔涌水量为10160 m3/h。该断层破碎带宽40100 m，断裂带主要由可溶的灰岩、白云质灰岩钙质胶结而成，两侧分支断层、节理等次级构造发育，造成岩体破碎，围岩级别为级。预测该段正常涌水量约2.

11、5万m3/d，最大涌水量约15.5万m3/d。,2 超前预测预报,在勘察设计阶段已基本确定了该断层的性质和规模。在接近F1断层时，通过超前地质钻孔进行预测预报。,每循环布设超前钻孔3个，分别位于拱顶及左、右两侧，钻孔长度32m。通过对钻进速度、卡钻情况、排出碴样岩性、单孔涌水量、水压力等技术指标进行综合分析(F1断层核心位置进行取心钻探)，确定前方地质情况，从而制定出针对性处理方案。,3、注浆堵水及开挖支护采取全断面帷幕注浆进行注浆堵水和加固围岩。设计参数,注浆孔布设,注浆材料 根据地质特点，采取工程类比法选择注浆材料，并在现场进行注浆试验研究。针对该断层，注浆材料采用普通水泥单液浆和普通水泥

12、-水玻璃双液浆，以普通水泥单液浆为主。在注浆过程中，当长时间注浆压力不上升时，采用双液浆控制浆液扩散范围。普通水泥单液浆配比为：水灰比0.6:10.8:1，必要时，掺加12的缓凝剂，将单液浆凝胶时间控制在2 h以内。普通水泥一水玻璃双液浆配比为：水泥浆水灰比0.6:10.8:1、水泥浆与水玻璃体积比1:0.3 1:1、水玻璃浓度35Be。浆液配合比控制原则为“先稀后浓、逐级变换”。,机械设备配置 F1断层及影响带隧道内纵向范围大，因此，注浆工程量巨大，这在以往的工程施工中很少遇到。根据注浆工期要求和地质特点进行机械设备配置，对于本工程注浆，按“适合地层、快速高效、配足配齐”的原则进行机械设备的

13、配置。机械设备配置如表2。,注浆参数,注浆顺序控制 注浆采取前进式分段注浆。注浆顺序按两序孔进行，即先跳孔注单序孔(一序孔)，然后注剩下的二序孔，这样，一序孔完成后实现了对二序孔的约束，从而提高了注浆效果。同时，二序孔注浆又是对一序孔的检查。注浆结束标准控制单孔注浆结束标准：(1)一序孔注浆采取定量一定压相结合原则，注浆量可达到设计计算单孔单段注浆量的1.22倍；(2)二序孔主要采取定压控制，注浆压力应达到设计终压，注浆速度应小于5 L/min。,全段注浆结束标准：(1)所有注浆孔均符合单孔注浆结束标准，无漏注现象；(2)分析注浆成果资料，选取注浆薄弱环节钻检 查孔进行岩心，浆液应充填饱满；(

14、3)检查孔无坍孔现象，检查孔涌水量小于0.2 L/m min。注浆实施 进口共进行帷幕注浆循环l7个，其中5 m注浆帷幕7个循环，8 m注浆帷幕10个循环，实现了平均生产能力为1个循环/32 d，完成“钻探注浆开挖”进度指标为22 m/月。为实现在影响带的安全对接，出口进行了一个循环的注浆帷幕。,开挖支护 超前预支护 为确保施工安全，减少注浆盲区带来施工风险，在 注浆结束后施作拱部周边b108大管棚并进行注浆，形成超前预支护体系，管棚环向问距3040cm，纵向 长28m。初期支护 采取台阶法开挖，采用I18钢架支护，间距0.51 m/榀，挂网喷射C20混凝土25 cm。,监控量测 加强开挖过程

15、中监控量测，及时反馈变形信息，F1高压富水断层段开挖支护后变形情况如图5所示。变形值均未超过40mm，大部分地段控制在30mm以内。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,第三节膨胀性和挤压性围岩,一、膨胀性围岩的基本特征与分级,(一)膨胀岩基本特征,(1)质软，强度低,(2)自由膨胀率高,(3)空隙率大,(4)易风化、崩解性强,(5)膨胀压力大,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,(二)膨胀岩的判别与分级,判别依据：,间接反应岩石膨胀指标,直接定量反应岩石膨胀力学指标以及不同荷载下的膨胀率大小的指标,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,膨胀岩的判别标准,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,膨胀

16、岩的分级,膨胀岩的物理力学指标,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,二、膨胀性围岩对隧道施工的危害,围岩普通开裂,坑道下沉,围岩膨胀突出和坍塌,隧道底部隆起,衬砌变形和破坏,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,三、高地应力作用下的软岩,1.高地应力软岩的概念,当围岩内部的最大地应力与围岩强度的比值达到某一水平时，才能称为高地应力或极高应力。,围岩强度应力比=,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,(1)围岩大变形量的划分,铁路隧道大变形的变形量划分,(2)乌鞘岭隧道高地应力软岩隧道大变形分级,挤压性隧道的大变形分级标准,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,2.高地应力挤压性围岩的变形特点,变形量

17、大,变形速度高,变形持续时间长,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,四、挤压性围岩的隧道设计理念,1.柔性结构设计,膨胀性和挤压性围岩的隧道结构设计方法主要可归纳为两类：一是减轻作用在支护结构上的荷载而容许发生一定位移的方法(柔性结构设计)，另一是为了控制松弛而尽可能早地控制位移的方法(刚性结构设计)。,(1)先行导坑法,(2)多重支护方法,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,2.刚性结构设计,(1)大刚度支护和衬砌结构,(2)大范围围岩加固法,(3)可缩式支护方法,(4)分阶段综合控制法,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,3.乌鞘岭隧道设计实例,(1)活动性断层高地应力区段,第八章 不良和

18、特殊地质地段隧道施工,(2)岭脊高地应力软岩区段,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,推荐支护参数,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,五、膨胀性及挤压性围岩隧道施工,1.加强调查、量测围岩的压力和流变特性,2.合理选择施工方法,3.防止围岩湿度变化,4.合理进行围岩支护,5.适时衬砌控制变形,(1)喷锚支护，稳定围岩,(2)衬砌结构及早闭合,六、工程实例,陶恩隧道 19701975年修建于奥地利的陶恩隧道，为双向行驶的公路隧道，全长6400m，埋深6001000m。新奥法的鼻祖Rabcewicz教授亲自主持该隧道的设计并参加施工。该隧道施工中在千枚岩和绿泥石地段发生大变形，产生了50120c

19、m的位移，最大位移速率20cm/d，是世界上第一座知名的大变形隧道。由于陶恩隧道设计时对挤压性围岩缺乏经验，初期支护较弱(长4m锚杆，厚25cm喷混凝土，TH3675钢架)。在洞壁发生大变形后，采用了69m长锚杆，可缩钢架及喷层预留纵缝等加强措施，对洞壁已侵入模注混凝土净空部位进行了危险的扩挖作业，工程非常艰难，但最后仍取得成功。,阿尔贝格隧道 阿尔贝格隧道也在奥地利，系公路隧道，全长13980m。该隧道是紧接着陶恩隧道后开工(19741979年)，设计时已吸收了陶恩隧道的经验教训，所以虽然也是挤压性围岩隧道，但支护变形较小，施工较为顺利。隧道最大埋深740m，原始地应力13MPa，围岩为千枚

20、岩、片麻岩、片岩绿泥石等，抗压强度1.22.9MPa。为防止大变形，设计时采用了强大的初期支护系统：厚2025cm喷混凝土；可缩式75钢架；6m长的125cm锚杆。虽然如此，在局部地质较坏地段，仍产生了2035cm的支护位移，变形速度达46cm/d，最大11.5cm/d。在增加了912m长锚杆后，使变形初速度降为5cm/d。,惠那山隧道 日本惠那山公路隧道为双洞隧道。I号隧道(8300m)于1975年8月建成。1978年开工修建第二座隧道(8635m)，于1985年建成。两座隧道均通过长400m断层带，围岩软弱，为风化的变质角页岩，单轴抗压强度1.74.0MPa，该处埋深 400m。两隧道在施

21、工中均发生了支护大变形。I号隧道主洞开挖先以0.8m间距安设重型钢架H250，并辅以衬板，先后浇注两层模筑混凝土。由于变形量大且速度快，钢架被大量破坏，混凝土衬砌大规模开裂，拱顶下沉4394cm。侧壁内移2052cm，因此在浇注第二层混凝土时以补充了H-20080cm钢架。,虽然模筑混凝土衬砌总厚达1.2m，而且加入了大量的重型衬砌，衬砌仍发生了大规模的开裂，最后不得不用钢纤维加筋混凝土来反复修补。吸收了I号隧道教训，II号隧道采用新奥法柔性初期支护。其特点是：采用长锚杆(913.5m)；预留变形量(上50cm，下30cm)；钢纤维混凝土(厚25cm)及可缩式钢架；二次衬砌为45cm厚的素混凝

22、土。最终发生的初期支护位移为2025cm，最大为56cm，完成了大变形地段的施工。,家竹箐隧道 家竹箐隧道是我国南昆铁路上的著名险洞，以高瓦斯、高地应力、大涌水而著称。由于煤系地段软弱，且地应力较高(16.09MPa)，在390m长的地段内产生了大变形，洞壁位移6080cm，拱顶下沉接近100cm。当时因国内对高地应力挤压性围岩尚缺乏认识，以为只是一般的软弱围岩，故只采取了一般标准的初期支护。,(1)改善洞形，加大边墙曲率(2)将预留量加大为45cm(拱)及25cm(墙)。(3)系统锚杆加长为813m。(4)喷混凝土加厚(初20复15)(5)钢架改为U29可缩式(6)双层模筑(外55钢纤维配筋

23、混凝土，内25钢纤维混凝土。,木栅隧道 木栅隧道位于中国台湾北部第二高速公路上，隧道穿越台北市南郊的木栅山区，全长1875m，为三车道公路隧道(断面150m2)。该隧道在通过潭湾大断层时，发生大变形，拱顶下沉150cm以上，边墙内挤70cm。潭湾断层带宽75m，与隧道斜交，大变形地段长205m。由于初期支护仅采用常规的锚喷支护，故产生了严重的大变形。该隧道变形整治有一个特色，即应用了预应力锚索(长15.2m，预拉力50t)，但隧底采用长9m的一般锚杆。通过锚索孔及锚杆孔向地层注浆加固围岩，强大的锚索及锚杆使隧道趋于稳定。,弧型导坑完成后，采用挖马口的方法，分别开挖左右两侧边墙，边墙开挖后，立即

24、进行喷锚支护并将格栅拱顺接下来，形成整体；边墙开挖完成后，最后开挖核心土。二次衬砌，采用先墙后拱法施工，每环混凝土的灌注长度控制在2.04.0m。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,第四节 黄土地质,按塑性指数(Ip)的大小可分为：,一、黄土分类及对隧道工程的影响,(一)黄土分类,老黄土,新黄土,黄土质粘砂土(1I p7）,黄土质砂粘土(7Ip17),黄土质粘土(17Ip),第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,(二)黄土地层对隧道工程的影响,(1)黄土节理影响,在隧道开挖时，土体容易顺着节理张松或剪断。,(2)黄土冲沟地段对施工的影响,当隧道在较长的范围内沿着冲沟或塬边平行走向，而覆盖较薄或

25、偏压很大的情况下，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,(4)水对黄土隧道施工的影响,(3)黄土溶洞与陷穴影响,隧道若建在其上方，则有基础下沉的危害。隧道若修建在其下方，常有发生冒顶的危险。隧道若修建在其邻侧，则有可能承受偏压，使围岩与衬砌处于不利的受力状态。,黄土湿陷造成突然下沉现象。排水不良造成道路泥泞，给运输及仰拱施工带来困难。,新老黄土具有不同方向的原生与构造节理，特别是垂直节理发育，并具黄土多孔、疏松，隧道开挖时土体极易顺节理方向张开或剪断，隧道埋深较浅时地表附近拉力过大而开裂，常伴随隧道开挖产生地表平行及环形裂缝。,表2-1 调查的12座黄土隧道纵向裂

26、缝和环向裂缝情况,对郑西38座隧道，调查了12座黄土隧道，出现规律性的对称纵向裂缝和纵向之间的环向裂缝。,黄土隧道洞口浅埋区段地表多可见裂缝，多见于60m埋深以下。地表可见或宽大裂缝多发生于地表沉降值在80mm以上。在隧道偏压区段，容易在偏压外侧出现滑坡形式的滑动裂缝。隧道施工工作面前方已有可见裂缝形成，随着隧道掘进裂缝不断发展。,调查结论,第八章 不良和特殊地质地段隧道施工,三、黄土隧道施工方法,黄土隧道施工应根据断面大小、围岩级别采用台阶法、三台阶弧形导坑法、双侧壁导坑法、CRD法等。黄土隧道的施工应根据断面大小采用机械或人工挖掘，应优先采用机械开挖。,1、双侧壁导坑法适用性评价：双侧壁法

27、在浅埋砂质新黄土中对地表下沉的控制效果显著。但施工中需耗费大量时间和材料用于架设和拆除临时支撑，施工进度慢（月进尺2530m），成本比较高。因此，在地表下沉有严格控制要求的浅埋砂质黄土地层以及难以自稳的饱和黄土地层，可采用双侧壁法。适用于b和级黄土围岩的浅埋大断面隧道施工。,施工工法关键：针对浅埋砂质新黄土以及饱和黄土，为确保掌子面的稳定，双侧壁导坑法上台阶开挖应留核心土，并施做超前小导管或大管棚支护，必要时进行掌子面注浆或地表注浆预加固前方土体。从减小开挖对掌子面的扰动考虑，宜采用铣挖机开挖，或采用0.5m3以下的小型挖掘机开挖并严格控制其超挖行为。对于挖掘机开挖时双侧壁上撑不能及时架设的难

28、题，可采取底撑紧跟方法解决。为便于机械施工，在仰拱封闭和衬砌跟进情况下，宜及时拆除内壁以增加施工空间。,2、CRD法适用性评价：CRD法可有效控制浅埋砂质黄土中的拱顶下沉，虽控制效果不如双侧壁，但临时支撑比双侧壁省，施工进度相对较快（月进尺35m），成本相对较低。因此，对于地表下沉没有严格控制要求的浅埋砂质黄土地层，可采用CRD法。CRD法适用于a和b级黄土围岩的浅埋大断面隧道施工。,施工工法关键：相对双侧壁法，CRD法一次开挖面积较大，在浅埋砂质新黄土中如何确保掌子面的稳定是值得重视的问题，尤其是导坑上台阶开挖环节。对此，CRD法开挖除采取短进尺、加大核心土截面以减少环形一次开挖时间和尽早支

29、护外，应重视施做超前小导管，必要时采取超前注浆加固措施。采用挖掘机时，应选择0.5方及以下小型挖掘机并严格控制超挖。对于挖掘机开挖时CRD上撑不能及时架设的难题，同样可采取底撑紧跟方法解决。在仰拱封闭和衬砌跟进情况下，宜及时拆除中壁以增加施工空间。,3、CD法适用性评价：与双侧壁和CRD相比，CD法控制净空位移的能力较弱，尤其是在净空高度比较大的大断面黄土隧道，CD法相对带横撑的CRD法，其中壁的稳定性相对较差。因此，对于郑西客运专线大断面黄土隧道，浅埋条件下采用CD法应慎重。建议用于黏质黄土和老黄土的砂质土中。CD法适用于b级黄土围岩的大断面隧道施工。,施工工法关键：为减小开挖对中壁稳定性的

30、影响，及时封闭超前导坑基底是技术关键。同时，在仰拱封闭和衬砌跟进情况下，宜及时拆除中壁以增加施工空间。施工中，应加强对中壁的监测。CD法一次开挖面积较大，在自稳能力较差的砂质黄土中，应重视掌子面的稳定。对此，CD法导坑开挖应采取台阶左右分块方式（见图例）以减少一次开挖时间使支护尽早进行，同时用超前小导管取代难以发挥作用的拱部锚杆。采用挖掘机开挖时应严格控制超挖对掌子面的扰动，不宜使用大斗容铲斗。,4、三台阶七步法适用性评价：试验表明，弧形导坑采用三台阶法，不仅适用于不同埋深条件下砂质及黏质老黄土，而且可用于浅埋非饱和砂质新黄土。月进尺：深埋老黄土可达70m以上，浅埋老黄土50m以上，浅埋砂质新

31、黄土40m以上。因此，在可以允许较大地表下沉的场合，采用上述弧形导坑法的技术经济效益相对于双侧壁、CRD法而言是显而易见的。上述弧形导坑法可适用于ab级黄土围岩的深、浅埋大断面隧道施工。,施工工法关键：推荐采用三台阶七步开挖弧形导坑法。对于非饱和砂质黄土开挖后失水易失稳问题，弧形导坑法除在开挖后应围绕快速支护，抓住短进尺、快封闭环节，关键强调要实施超前小导管、锁脚锚管和大拱脚等支护手段。,黄土隧道开挖(1)双线IV级围岩、单线V级围岩宜采用三台阶弧形导坑法；双线V级围岩宜采用CRD法；双线V级围岩洞口浅埋或偏压段宜采用双侧壁导坑法。开挖除考虑围岩级别外还应结合土层含水量、施工中变形监测结果综合

32、考虑。(2)墙脚、拱脚等处应预留6070cm人工开挖，严禁超挖。(3)开挖循环进尺根据不同围岩级别宜采用0.51.5m。(4)湿陷性黄土隧道基底可采用树根桩、灰土挤密桩、注浆、换填等处理措施。(5)施工中如发现突水、变形异常等不安全因素时，应暂停开挖，加强临时支护，调整施工方案。,(6)合理选择工序步距。小型机械作业宜选择上台阶长5m，下台阶15m。开挖工作面距仰拱填充的距离为2030m。(7)严格控制施工用水，采用湿喷工艺，拌和用水在拌和站控制，喷完后用高压风代替水吹洗湿喷机；喷射混凝土和仰拱、填充、二衬混凝土均采用喷雾器养护取代洒水养护；严格控制混凝土拌和用水，避免混凝土泌水浸泡黄土隧道基

33、底。,黄土隧道支护开挖后立即对隧道周边及开挖面进行喷射混凝土封闭，并及时施作锚杆、钢筋网及型钢钢架。当洞身黄土含水量较大时，应采用煤矿螺旋钻成孔；锚杆宜采用药包式或早强砂浆式锚杆。钢架基脚或分部开挖基脚等处设置注浆锁脚锚杆(管)或设置垫板，以控制钢架沉降。钢架每侧应施作锁脚锚杆(管)不少于24根，锁脚锚杆直径不小于22mm，长度不小于3.5m，外插角3540度，必要时采用锁脚锚管。,黄土隧道施工防排水(1)进洞前按设计做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统，排水沟应进行铺砌，防止地表水下渗。(2)雨季前应做好隧道洞门。(3)对地表冲沟、陷穴、裂缝等应采取回填夯实、填土反压、改变地表水径流等措施，将水

34、排至隧道范围以外，洞口浅埋段地表冲沟、陷穴、裂缝等除采用上述方法处理外，还应用砂浆抹面，以免下渗水影响结构安全。(4)地层含水量大时，上、下台阶开挖工作面附近宜开挖横向水沟，将水引至隧道中部纵向排水沟排出洞外，以免浸泡拱脚。(5)必要时配合井点降水降低水位至隧底以下1.5m。,施工完成的高桥隧道进口斜切式洞门,郑西线高桥隧道出口双侧壁导坑开挖法,高桥隧道进口水泥土挤密桩施工,郑西线潼洛川隧道出口CRD开挖法,郑西线潼洛川隧道弧形导坑开挖法,工程简介郑西铁路客运专线某隧道位于潼关县，设计为一座双线大跨度黄土隧道，全长7684m。其中384m为V级围岩，7300m为级围岩。该隧道为目前国内最大断面

35、黄土隧道，开挖断面积为163m2，洞室最大宽度15.18m、最大高度13.32m。隧道纵坡为3、5和6的上坡，洞门采用斜切式洞门。洞口级围岩DK333+390465在超前管棚预支护下进洞，并在超前小导管预支护下采用双侧壁导坑法开挖。开挖至DK333+465进入过渡段施工，DK333+465+500段级围岩拱部120范围内超前小导管注浆预支护下采用CRD法施工。,黄土隧道坍方处理实例,工程地质条件该隧道进口段位于黄河二级阶地上，第四系上更新统风积砂质黄土厚度1018m，坚硬硬塑；冲积砂质黄土厚度大于15m，硬塑，局部软塑。砂质黄土具级（严重）自重湿陷性，湿陷性土层厚约22m。DK333+430D

36、K333+545受错落体影响，为不良地质地段。,塌方经过2006年8月12日晚上23:00左右，CRD法右洞DK333+470487处发生坍塌，右洞坍方堆积体脚部里程DK333+463，洞顶漏顶里程DK333+467+489，洞顶坍坑横向宽度最大16m、深5.4m。坍方后造成CRD法左洞DK333+465+489.4（掌子面）段初期支护和中隔壁临时支护体DK333+474处喷射混凝土面开裂，部分钢支撑发生变形。,原因分析经过塌方段现场勘察和查阅设计资料，该隧道受黄土错落体影响，具有浅埋、偏压等不良地质特点。该段为砂质黄土，具有级（严重）自重湿陷性，加之湿陷性黄土土体松散，湿陷性土层厚约22m。

37、土体结构和成分复杂，自稳能力差等特点是造成结构物不稳定的重要因素。线路左侧地表有一冲沟，隧道穿过的黄土错落体位于隧道洞身上部，影响里程范围为DK333+430+545。,(3)隧道进口线路DK333+465中心正上方上有当地村民干旱时用来灌溉所用的蓄水池（12m6m 1.5m）,水池为土坑壁上直接用1cm水泥砂浆抹面，长期渗漏，造成水池周边及其下方土体长期受水浸泡，部分湿陷性黄土在水的长期作用下形成悬空体，横竖向裂隙加大，极易造成围岩失稳。(4)本区段为多年墓地群，而且在老墓地基础上曾经再次填土，部分墓穴没有暴露出来，上下墓穴重叠分布，部分墓穴连通，在雨水作用下，使湿陷性黄土产生湿陷，造成墓穴

38、空洞加大，形成悬空体，在重力和洞内开挖后应力重新分布的共同作用，土体平衡发生突变，造成上部土体垮塌，形成巨大冲击荷载，围岩失稳，隧道突然坍塌。,综上所述，某某隧道进口工区为超大断面结构，CRD法右线DK333+470487坍塌段局部出现地质条件异常现象，浅埋、偏压、错落体等不良地质构造，以及地表分布上下重叠墓穴，且受地表水池渗漏长期浸泡及降雨的影响，部分墓穴连通，形成悬空体，在洞身开挖时，发生突发性坍塌，是本次事故发生的直接原因和主要原因。施工单位缺乏对这种突变性情况的预见性，是本次事故发生的间接原因。,坍方处理方案(1)洞内右洞坍塌体反压及左洞支护加固用装满砂土的编织袋对CRD法右洞DK33

39、3+460+470段塌方土体进行封堵、反压。然后对左洞DK333+465489.4段内套型钢钢架，墙角打设锁脚锚管，确保钢架基础稳定，且能与既有支护体系组成整体受力结构，加固既有支护结构限制支护结构变形。,(2)地表加固处理在地表塌陷坑范围及地表裂缝以外5m范围，地表采用42mm钢花管对土体进行注浆加固。随后将地表塌陷坑内回填密实。(3)洞内塌方体加固、超前支护保护下穿越坍方体、及时施做塌方段二次衬砌。在CRD法右洞内对坍塌体采用超前管棚与小导管联合注浆预加固，然后进行坍方土体的清理及支护。在塌方地段处理的同时首先进行DK333+380+390段明洞二衬混凝土施工，同时安排DK333+390+

40、460段的仰拱及填充混凝土施工，然后按既定的双侧壁段临时支撑拆除方案进行临时支撑拆除,每次拆除长度为5m，随后二衬紧跟,每组二衬施工长度为5m。2006年11月15日，洞内按照正常断面及CRD法组织施工。,1.隧道通过黄土地质地段施工时应注意的问题。2.隧道通过岩溶地质地段施工时应注意的问题。,内容回顾,第六节 高地应力(岩爆)硬岩地质,埋深较大的隧道工程，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，这种现象称之岩爆。,一、岩爆的概念,二、隧道内岩爆的特点,(1)岩爆在未

41、发生前并无明显的预兆(虽然经过仔细找顶并无空响声)。,(2)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。,(3)岩爆发生的地点，多在新开挖工作面及其附近。,三、岩爆产生的机理,岩石的全应力应变曲线,三、岩爆产生的机理,应力重新分布必然会使围岩中产生应力集中围岩产生拉 剪破坏,岩爆产生机理,内因决定因素地层的岩性条件地应力外因诱导因素 爆破震动,岩爆产生条件,四、岩爆预测,岩爆预测的主要判据,Russenes判据,无岩爆,弱岩爆,中岩爆,强岩爆,四、岩爆预测,岩爆预测的主要判据,能量判据,无岩爆,中、低烈度岩爆,严重岩爆,四、岩爆预测,岩爆预测的主要判据,岩性判据,临界深度判

42、据,四、岩爆预测,岩爆的现场预测,微震法(A-E法),AcousticEmission方法，又称为亚声频探测法或声发射法。,当岩石临近破坏之际，AE(微震)噪音读数迅速增加，如果地音探测器平均噪音读数大于预定的目标，就意味着有岩爆来临。,四、岩爆预测,岩爆的现场预测,电磁辐射监测预报法,依据完整煤(岩)压缩变形破坏过程中，弹性范围内不产生电磁辐射，峰值强度附近的电磁辐射最强烈，软化后无电磁辐射的原理，采用特制的仪器，现场监测煤(岩)体变形破裂过程中发出的电磁辐射。脉冲 信号，通过数据处理和分析研究，来预报煤(岩)爆。,四、岩爆预测,岩爆的现场预测,钻屑法,钻屑法是通过向岩体钻小直径钻孔，根据钻

43、孔过程中单位孔深排粉量的变化规律和打钻过程中各种动力现象，了解岩体应力集中状态，达到预报岩爆的目的。,强度较低的岩体在岩爆危险地段打钻时，钻孔排粉量剧增，最多可达正常值10倍以上，一般认为排粉量为正常值的2倍以上时，即有发生岩爆的危险。强度较高的岩体通过岩心柄化现象判断。,五、岩爆的防治措施,强化围岩，出发点是给围岩一定的径向约束，使围岩的应力状态较快地从平面转向三维应力状态，以达到延缓或抑制岩爆发生的目的。,弱化围岩的主要措施是注水、超前预裂爆破、排孔法、切缝 法等。,弱化围岩，目的是改变岩石的物理力学性质，降低岩石的脆性和储存能量的能力。或是解除能量，使能量向有利的方向转化和释放。,基本方

44、法,五、岩爆的防治措施,防治措施,微弱型岩爆,迹象：距掌子面约13倍洞径范围内，爆破后出现声小且频率低的爆裂声，随后片状岩块从拱部或侧墙坠落下来，岩片厚度1 cm3cm不等，大小在10 cm40 cm左右，持续时问一般在20min以内。防治措施：可向工作面及隧道壁面喷水来促进围岩软化，从而消除或缓解岩爆程度。,中等型岩爆,迹象：距掌子面约13倍洞径范围内，爆破后10 min20 min，将听到岩体外露面岩体爆裂的声音，声音与前者相比偏大且频率偏高。紧接着垂直于岩体节理面的方向将发生弹射的岩片。伴随着可听到类似打枪“啪、啪、啪”的响声，随后在1min2 min以内将发生岩块爆裂坠落现象，这时爆下

45、来的岩块相对来说较厚较大，厚度一般达10 cm以上，长宽达40 10 cm2以上，一般为长条片状型，这种现象有时持续几分钟，有时持续1 h2 h。,中等型岩爆,防治措施：可停止施工作业，退后100 m待避，可设法远距离向岩爆区岩面喷射水，待岩爆缓解，基本无岩爆迹象后进行找顶，撬除已松裂的岩片、岩块，进行喷混凝土。随后在岩爆区钻孔安装锚杆、挂网喷混凝土。,较强型岩爆,迹象：一般发生在距工作面8 m50 m的范围内。除有中等强度的岩爆迹象外，主要特征：从岩爆开始，约l h-2 h后，岩爆变剧，声音也较响，可听到岩体内部岩石因断裂而发出的“嘣、嘣、嘣”类似闷炮声响，爆裂下来的岩片也比较大，厚约10

46、cm15 cm以上，长宽约为60 cm25 cm以上，最大的岩块将近1m，爆下来岩石量也较多。一般达到56 m3以上，最大时达到10 m3以上。个别片状岩块由于受挤压破坏掉下后呈微拱形状；有时岩块在脱离母岩的瞬间发生爆裂，呈粉碎状弹射下来；有时拌有“嘣嘣”的巨晌，表面上看起来岩体较完整，其实内部已爆裂，敲击岩面可听到空响声；在现场还可以看至4在两节理面交接处岩石受挤压破坏成粉碎现象。,较强型岩爆,防治措施：停止施工作业，退后200 nl待避待岩爆自然缓解后，用机械手找顶，撬除松裂岩石及时喷钢纤维混凝土。在边墙及拱部成放射状倾斜向岩体内部钻孔并向孔内灌高压水，使岩体有一定程度软化，加快围岩内部的

47、应力释放 随后安装锚杆、挂钢筋网，喷钢纤维混凝土。,强烈型岩爆,迹象：除较强型岩爆所述现象之外，岩爆发生将更频繁，岩爆下来的岩石量更多，施工开挖极不安全。防治措施：(1)必须配合钻孔爆破卸载法，尽可能使围岩内部的应力得以释放。,强烈型岩爆,防治措施：(2)预钻孔法，在工作面周围(设计断面以外)成放射状倾斜向岩体内部钻孔，以2排为好，主动给岩体提供变形空间，使其内部的高应力得到有效的释放。必要时可配合向孔内灌注高压水，此时释放应力的效果更好。(3)采用分部开挖的方案：先开挖导坑，待周围围岩应力释放岩爆自然缓解后再出碴，而后扩大开挖，循环渐进。施工不受工期控制时可采用此方法。,六、岩爆地段隧道施工

48、的注意事项,(1)如设有平行导坑，则平导应掘进超前正洞一定距离，以了解地质，分析可能发生岩爆的地段，为正洞施工达到相应地段时加强防治，采取必要措施。,(2)爆破应选用预先释放部分能量的方法，如超前预裂爆破法、切缝法和排孔法等，先期将岩层的原始应力释放一些，以减少岩爆的发生。,六、岩爆地段隧道施工的注意事项,(3)根据岩爆发生的频率和规模情况，必要时应考虑缩短爆破循环进尺。,(4)岩爆引起坍方时，应迅速将人员和机械撤到安全地段。,七、岩爆工程实例关村坝隧道,成昆铁路关村坝隧道位于中国四川省峨边县境内，单线铁路隧道。隧道全长6107m，最大埋深1650m。是发生强烈岩爆较早的铁路隧道之一。,该隧道

49、于1961年7月开工，1963年2月停工，完成工程12。后于 1964年11月复工，1966年5月竣工。1973年又在昆明端洞口外建明洞80米。,隧道穿过的地层为震旦系石灰岩，石质坚硬，层厚而完整，层理接近水平。Rb120140MPa，max35.0MPa，min=26.2MPa，昆明端于1965年13月岩爆严重，当时由于缺乏经验，曾多次发生人身事故，威胁施工安全，影响施工进度。,隧道采用漏斗棚架先墙后拱法施工。,岩爆情况一：岩石爆破时，有烟状粉末散出，声响较大，爆落的石块较小，一般为几厘米长宽的碎屑薄片，常与开挖断面成明显角度弹射出来，几乎与岩石的开裂同时发生。多发生在导坑顶部和扩大牛角弯处

50、。,岩爆情况二：岩石的爆裂声响较小，爆裂的石块需经一段时间后才从母岩弹射或自由下落，块度较大，常见于导坑的顶部，也有在两侧壁发生的。,岩爆大多发生在钻爆后23h内的开挖面及附近顶板与牛角弯处，但也有距工作面较远的。已衬砌地段未发生因岩爆而开裂现象。,经反复实践，对岩爆的防护除加强安全技术教育外，改进扩大开挖的办法，勤检查、勤找顶及浇水，并采用金属锚杆挂网的支护办法，效果较好，保证了施工安全。,八、工程实例二滩电站的左导流洞,二滩电站左导流洞全长1087.5m，最大开挖高度35.2m，开挖宽度18.7m，开挖面积628m2，最大埋深170200m，最小51.5m，主要岩体为坚硬致密的玄武岩和灰色