隧道工程第8章不良地质隧道施工

1、1第八章第八章不良地质隧道施工28.1 概述概述不良和特殊地质地段隧道施工一般原则：不良和特殊地质地段隧道施工一般原则：尽可能准确掌握不良地质情况；尽可能准确掌握不良地质情况；制定相应的施工方案及处理措施；制定相应的施工方案及处理措施；及时修正设计，保证施工安全和隧道质量及时修正设计，保证施工安全和隧道质量38.2 富水断层破碎围岩富水断层破碎围岩施工总原则：施工总原则： “先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤检查、稳步前进勤检查、稳步前进”。超前地质预报：超前地质预报： 预报方法预报方法 预报内容预报内容 预报方式预报方式钻孔超前探测；钻孔超前探

2、测；工程水文地质素描；工程水文地质素描；物理探测物理探测富水断层破碎带位置；富水断层破碎带位置；对施工影响；对施工影响；地下水活动地下水活动长期；中期；短期长期；中期；短期4注浆堵水并加固围岩注浆堵水并加固围岩 原则：堵截为主，排引为辅；原则：堵截为主，排引为辅；开挖及支护开挖及支护 开挖方法：半断面法、正台阶预留核心土法、双开挖方法：半断面法、正台阶预留核心土法、双侧壁导坑法侧壁导坑法 开挖手段：非钻爆开挖和控制爆破开挖手段：非钻爆开挖和控制爆破58.3膨胀性和挤压性围岩膨胀性和挤压性围岩组成：组成： 土中粘土成分主要由蒙脱石等亲水性矿物组成。土中粘土成分主要由蒙脱石等亲水性矿物组成。特点：

3、特点： 质软，强度低；质软，强度低； 自由膨胀率高；自由膨胀率高； 空隙率大；空隙率大； 易风化，崩解性强；易风化，崩解性强； 膨胀压力大膨胀压力大6膨胀形围岩隧道变形特点：膨胀形围岩隧道变形特点： 明显的塑性流变特性，开挖后塑性变形大。明显的塑性流变特性，开挖后塑性变形大。 初期围岩变形大，且变形发展速度快。初期围岩变形大，且变形发展速度快。 膨胀压力将使得围岩压力显著增加。膨胀压力将使得围岩压力显著增加。膨胀岩的判别与分级膨胀岩的判别与分级(1)(1)间接反应岩石膨胀指标：矿物成分、颗粒含量、间接反应岩石膨胀指标：矿物成分、颗粒含量、阳离子交换量、干燥饱和吸水率。阳离子交换量、干燥饱和吸水

4、率。(2)(2)直接反应岩石膨胀指标及不同荷载下的膨胀率大直接反应岩石膨胀指标及不同荷载下的膨胀率大小小7膨胀岩的判定，两个阶段：膨胀岩的判定，两个阶段： 定性定性阶段阶段 初步野外地质性质目的：判定是否是膨胀岩石初步野外地质性质目的：判定是否是膨胀岩石 定量定量阶段阶段 详细判定目的：在初步确定是膨胀岩石的基础上，详细判定目的：在初步确定是膨胀岩石的基础上，进行室内测试，作进一步的量化判别与分类。进行室内测试，作进一步的量化判别与分类。 分别按照表分别按照表8-3-1、8-3-2进行判别与分类进行判别与分类88.3.2 8.3.2 膨胀土围岩对隧道施工的危害膨胀土围岩对隧道施工的危害 围岩裂

5、缝围岩裂缝 隧道下沉隧道下沉 围岩鼓出围岩鼓出( (包括底鼓包括底鼓) )、坍塌、坍塌 衬砌变形和破坏衬砌变形和破坏9围岩强度应力比：围岩强度应力比：Rb/s smax8.3.3 高地应力作用下的软岩高地应力作用下的软岩概念：高地应力是相对概念，相对于围岩强度而言，也就是说，当围岩内部的最大地应力与围岩强度的比值到一个水平时，称为高地应力10高地应力挤压性围岩的变形特点高地应力挤压性围岩的变形特点变形量大；变形量大；变形速度高；变形速度高；变形持续时间长变形持续时间长118.3.4膨胀、挤压型隧道膨胀、挤压型隧道设计理念设计理念柔性结构设计柔性结构设计先行导坑法先行导坑法多重支护法多重支护法可

6、缩式支护法可缩式支护法分段综合控制法分段综合控制法刚性结构设计刚性结构设计大刚度支护和衬砌结构大刚度支护和衬砌结构大范围围岩加固法大范围围岩加固法128.3.5施工要点施工要点 加强观查与量测；加强观查与量测； 合理选择施工方法；合理选择施工方法；(3)(3)防止围岩湿度变化；防止围岩湿度变化；(4)(4)合理进行围岩支护；合理进行围岩支护；(5)(5)适时衬砌，控制变形适时衬砌，控制变形138.4 黄土黄土1. 1.黄土分类及其对隧道施工的影响黄土分类及其对隧道施工的影响 黄土节理黄土节理在隧道开挖时，土体顺着节理张松或剪断。在隧道开挖时，土体顺着节理张松或剪断。隧道顶部极易产生隧道顶部极易

7、产生“塌顶塌顶”；侧壁普遍出现掉土。侧壁普遍出现掉土。14 黄土冲沟地段黄土冲沟地段隧道沿黄土冲沟或隧道沿黄土冲沟或塬边塬边( (四边陡、顶上平的黄土高四边陡、顶上平的黄土高地地) )地段穿过，且覆盖较薄或偏压较大时，容易发生地段穿过，且覆盖较薄或偏压较大时，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。较大的坍塌或滑坡现象。 黄土溶洞与陷穴黄土溶洞与陷穴 这是黄土地区经常见到的现象。这是黄土地区经常见到的现象。隧道若在其上方，则有基础下沉的危害；隧道若在其上方，则有基础下沉的危害；隧道若在其下方，常有发生冒顶的危险；隧道若在其下方，常有发生冒顶的危险；隧道若在其邻侧，则有可能承受偏压。隧道若在其邻侧，则有可

8、能承受偏压。15 水对黄土隧道施工的影响水对黄土隧道施工的影响黄土在干燥时很坚固，承压力也较高，施工可顺黄土在干燥时很坚固，承压力也较高，施工可顺利进行。利进行。当土受水浸湿后则呈不同程度的湿陷性，会突然当土受水浸湿后则呈不同程度的湿陷性，会突然发生下沉现象，极容易造成隧道坍塌。发生下沉现象，极容易造成隧道坍塌。162. 2.黄土隧道的施工方法黄土隧道的施工方法施工原则：施工原则： “短开挖、少扰动、强支护、实回填、短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤量测严治水、勤量测”。开挖方法：开挖方法：短、超短台阶法、环形开挖留核心法。短、超短台阶法、环形开挖留核心法。178.5溶洞溶洞岩溶：岩溶

9、：可溶性岩层，如石灰岩、白云岩等，在可溶性岩层，如石灰岩、白云岩等，在水的作用下产生沟槽、空洞以及地表陷穴等现象。水的作用下产生沟槽、空洞以及地表陷穴等现象。溶洞：溶洞：溶洞是岩溶现象的一种。溶洞是岩溶现象的一种。1. 1. 溶洞的类型及其对隧道施工的影响溶洞的类型及其对隧道施工的影响溶洞类型：溶洞类型：死、干、小型溶洞：较容易处理死、干、小型溶洞：较容易处理活、湿、大型溶洞：较难处理。活、湿、大型溶洞：较难处理。 18对隧道施工影响：对隧道施工影响：溶洞岩质破碎，容易发生坍塌；溶洞岩质破碎，容易发生坍塌；溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，使隧道溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，使隧道基底难于

10、处理；基底难于处理；溶洞涌泥危及施工。溶洞涌泥危及施工。2. 2. 隧道遇到溶洞时的工程对策隧道遇到溶洞时的工程对策处理溶洞的方法：处理溶洞的方法：“引、堵、越、绕引、堵、越、绕”四种。四种。19 引引注意：注意：遇到暗河或溶洞有水流时，宜排不宜堵。遇到暗河或溶洞有水流时，宜排不宜堵。方法：方法：暗管、涵管或小桥等暗管、涵管或小桥等。图6-20 溶洞堵填示意图干砌片石片石、碎石回填密实图6-21 锚喷加固与护拱示意图混凝土填实浆砌片石浆砌片石浆砌片石或混凝土护拱锚杆水流隧道浆砌片石暗管，涵洞或小桥图6-19 渲泄水流示意图20 堵堵对象：对象：已停止发育、跨已停止发育、跨径较小，无水的溶洞。径

11、较小，无水的溶洞。方法：方法：混凝土、浆砌或干砌片混凝土、浆砌或干砌片石回填封闭石回填封闭；隧顶溶洞，锚喷加固，隧顶溶洞，锚喷加固，必要时注浆加固与堵水，必要时注浆加固与堵水，并加设隧道护拱及拱顶回并加设隧道护拱及拱顶回填填。图6-20 溶洞堵填示意图干砌片石片石、碎石回填密实图6-21 锚喷加固与护拱示意图混凝土填实浆砌片石浆砌片石浆砌片石或混凝土护拱锚杆水流隧道浆砌片石暗管，涵洞或小桥图6-19 渲泄水流示意图21 越越现象现象1 1： 隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞。隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞。 方法：方法：加深该侧的边墙基础。加深该侧的边墙基础。混凝土拱拱基础溶洞图6-24 筑拱跨越溶

12、洞示意图浆砌片石承重墙涵管浆砌片石水流图6-23 在承重墙内套设涵管示意图浆砌片石图6-22 加深边墙基础示意图混凝土墙基22 越越现象现象2 2：隧道底部遇有较大溶洞并有流水。隧道底部遇有较大溶洞并有流水。 方法：方法：在隧底以下砌筑圬工承重墙，跨越而过，在隧底以下砌筑圬工承重墙，跨越而过，承重墙内套设涵管引排溶洞水。承重墙内套设涵管引排溶洞水。混凝土拱拱基础溶洞图6-24 筑拱跨越溶洞示意图浆砌片石承重墙涵管浆砌片石水流图6-23 在承重墙内套设涵管示意图浆砌片石图6-22 加深边墙基础示意图混凝土墙基23 越越现象现象3 3：隧道过墙部位遇到较大、较深的溶洞，加隧道过墙部位遇到较大、较深

13、的溶洞，加深边墙基础困难。深边墙基础困难。 方法：方法：在边墙下或隧底以下筑拱跨过。在边墙下或隧底以下筑拱跨过。 混凝土拱拱基础溶洞图6-24 筑拱跨越溶洞示意图浆砌片石承重墙涵管浆砌片石水流图6-23 在承重墙内套设涵管示意图浆砌片石图6-22 加深边墙基础示意图混凝土墙基24 绕绕若溶洞处理耗时，可采用迂回导坑绕过溶洞，继若溶洞处理耗时，可采用迂回导坑绕过溶洞，继续隧道前方的施工续隧道前方的施工, ,同时处理溶洞。同时处理溶洞。3. 3. 溶洞地段施工的注意事项溶洞地段施工的注意事项 多作物探超前预报，如地质雷达。多作物探超前预报，如地质雷达。 穿过溶洞时，细查溶洞顶部，及时处理危石。穿过

14、溶洞时，细查溶洞顶部，及时处理危石。 严格控制爆破药量，减少对围岩的扰动。严格控制爆破药量，减少对围岩的扰动。25268.6岩爆岩爆岩爆：岩爆：岩体中聚集的高弹性应变能因隧道开挖而岩体中聚集的高弹性应变能因隧道开挖而发生的一种应力突发现象。发生的一种应力突发现象。岩爆形成的两个条件：岩爆形成的两个条件：(1)(1)地层的岩性条件。地层的岩性条件。结构基本完整的脆硬岩地层。结构基本完整的脆硬岩地层。多见于石英岩、花岗岩、正长岩、闪长岩、花岗闪多见于石英岩、花岗岩、正长岩、闪长岩、花岗闪长岩、大理岩、片麻岩等。长岩、大理岩、片麻岩等。(2)(2)地应力条件。地应力条件。埋深大的隧道，因只有埋深大才

15、足埋深大的隧道，因只有埋深大才足以形成高地应力，埋深超过以形成高地应力，埋深超过700m700m的隧道发生岩爆的的隧道发生岩爆的情况居多。情况居多。271. 1.隧道内岩爆的特点隧道内岩爆的特点岩爆在发生前并无明显预兆，总是突然发生。岩爆在发生前并无明显预兆，总是突然发生。岩爆时，岩块自洞壁迸射而出，块度从几厘米到岩爆时，岩块自洞壁迸射而出，块度从几厘米到几十厘米不等，甚至上吨重岩石从拱部弹落。几十厘米不等，甚至上吨重岩石从拱部弹落。岩爆多发生在新开挖工作面及其附近。岩爆多发生在新开挖工作面及其附近。危险性：危险性： 伤害人员、损坏机械！伤害人员、损坏机械！282. 2. 岩爆的防治措施岩爆的

16、防治措施 强化围岩强化围岩出发点：出发点：给围岩一定的径向约束，使围岩的应力状态从平面给围岩一定的径向约束，使围岩的应力状态从平面转向三维。转向三维。方法：方法：锚喷加固、网锚喷联合、钢支撑网喷联合、注浆等。锚喷加固、网锚喷联合、钢支撑网喷联合、注浆等。 弱化围岩弱化围岩方法：方法：往岩层中注水：可改变岩石的物理力学性质，降低岩石的往岩层中注水：可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。脆性和储存能量的能力。解除围岩中的高地应力：预裂爆破、排孔法、切缝法等。解除围岩中的高地应力：预裂爆破、排孔法、切缝法等。可消减围岩中的能量。可消减围岩中的能量。 293. 3. 施工注意事项施

17、工注意事项 超前地质预报：超前地质预报：平导超前、地质雷达等。平导超前、地质雷达等。 爆破方法：爆破方法：尽量采用能预先释放地应力的方法，尽量采用能预先释放地应力的方法，如预裂爆破、切缝法等。如预裂爆破、切缝法等。 缩短爆破进尺：缩短爆破进尺：要尽快闭合支护。要尽快闭合支护。30318.7 煤系地层煤系地层1. 1. 瓦斯的基本性质瓦斯的基本性质 地下坑道有害气体的总称，主要成分甲烷，少量地下坑道有害气体的总称，主要成分甲烷，少量氢气及硫化氢等；氢气及硫化氢等；无色、无臭、无味的气体，极易使人窒息死亡。无色、无臭、无味的气体，极易使人窒息死亡。比重仅为空气的一半，扩散速度比空气大比重仅为空气的

18、一半，扩散速度比空气大1.61.6倍，倍，很容易透过围岩裂隙渗入隧道很容易透过围岩裂隙渗入隧道不能自燃，但极易燃烧。不能自燃，但极易燃烧。322. 瓦斯的燃烧和爆炸性瓦斯的燃烧和爆炸性浓度小于浓度小于5%遇火源时，瓦斯只在火源附近燃烧而遇火源时，瓦斯只在火源附近燃烧而不爆炸；不爆炸；浓度在浓度在5%6%到到14%16%时，遇到火源具有时，遇到火源具有爆炸性；爆炸性；浓度大于浓度大于14%16%时，遇火能平静地燃烧时，遇火能平静地燃烧,一般一般不爆炸；不爆炸；瓦斯燃烧时，一旦遇到障碍而受压缩，就会形成瓦斯燃烧时，一旦遇到障碍而受压缩，就会形成爆炸。爆炸。333. 3. 瓦斯释放的方式瓦斯释放的方式(1) (1) 瓦斯的渗出：瓦斯的渗出：缓慢地、均匀地、不停地从煤系岩缓慢地、均匀地、不停地从煤系岩层的暴露面或裂隙中渗出。层的暴露面或裂隙中渗出。(2) (2) 瓦斯的喷出：瓦斯的喷出：比渗出强烈，通常有较大的响声和比渗出强烈，通常有较大的响声和压力。压力。(3) (3) 瓦斯的突出：瓦斯的突出：在短时间内，突然喷出大量瓦斯，在短时间内，突然喷出大量瓦斯，有巨大轰响，并夹有煤块或岩石。有巨大轰响，并夹有煤块或岩石。以以第第(1)(1)种种放出的瓦斯量为最大，因