隧道塌方段处理方案

隧道塌方段处理方案（常用版）(可以直接使用，可编辑完整版资料，欢迎下载）

界头口隧道右洞K105+526.6段塌方处理及下阶段施工方案隧道塌方段处理方案（常用版）(可以直接使用，可编辑完整版资料，欢迎下载）一、塌方情况叙述2012年8月17日界头口隧道右洞K105+497发生塌方后，按照长韶娄公司、娄底工作站、隧道专家韩教授及监理单位现场制定的方案处理完成后已经开始正常掘进。2012年9月22日2点20分，当开挖至K105+526.6时，拱顶开始少量掉土，接着掉落一个约15公斤的石头，项目部现场技术员发现情况后立即将现场施工人员全部撤离同时施工队现场拉起了警戒线并以项目部技术人员及队长对掌子面情况进行观察约15分钟后拱顶左侧一个约12吨的孤石滑落压坏靠近掌子面的7榀初期支护钢拱架及开挖台车。随后陆续掉落3个孤石约2-5吨不等下掉过程中夹杂着土，进一步扩大塌方面积。塌体约长3.6m、宽5m、深7m，塌方体体积约120立方。同时K105+497段拱顶出现冒顶，地面塌陷约长5m、宽5m、深2m。发生塌方后项目部及时将现场情况上报监理、长韶娄公司。当日长韶娄公司、娄底工作站、及监理单位对现场进行勘查并制定了塌方段处理方案。为了保证塌方段的施工安全及下步施工更加安全，2012年9月25日长韶娄公司、娄底工作站、设计院、监理及隧道专家现场调研并在18标项目部会议室召开专题会议优化（附：2021年9月22日界头口隧道K105+562.6段塌方处理方案会议纪要）二、具体施工方案（一）右洞K105+526.6拱顶塌方处理1、施工工序封闭掌子面加固塌方体→预留输送泵管→临时支撑加固初期支护→向空洞泵送混凝土→掌子面压浆→二次衬砌施工→打设洞身长管棚→管棚压浆→塌方段开挖2、施工工艺1.1封闭掌子面加固塌方体2.1.1采取喷射混凝土，对空洞周边与表面封闭，使塌方处形成一个比较安全的工作面。同时在封闭空洞时预留1根2.1.2空洞下方洞口部分采用3-4层钢筋网封闭，同时插入工字钢或钢管等固定钢筋网片，然后用厚度不小于40cm的C20喷射混凝土封闭空洞口，掌子面塌方体用20cm2.1.3，2.1.4空洞处喷射混凝土封闭完成后，在塌方段采用长4m的φ42超前小导管环向间距35cm，120度范围内注水泥-水玻璃双液浆加固，现场施工时根据实际情况可对小导管的间距、长度、注浆量进行调节保证施工安全2.1.5小导管设计采用钢花管。钢花管前端20cm做成锥形易于插入，后端1m范围内不开孔，尾部焊接φ16加劲箍，其余部位周身按梅花形布设10~16mm的压浆孔。2.1.6安装输送泵管调试机械，将预埋的输送泵管安装牢固以免减少对初期支护的扰动。泵送C20混凝土由拌合站采用混凝土罐车运输到现场。泵送混凝土时不易过快，每次泵送量不宜过多计划分3次泵送混凝土填充空洞，保证初期支护上方有2.2洞身长管棚施工2.2.1大管棚用钢材的规格、型号、材质满足设计要求和国家有关现有技术标准的规定。我们选择的材料为：φ89的无缝钢管，壁厚5mm，单根管长6m，材质为Q235。2.2.2管棚钢管设计采用钢花管。钢花管前端20cm做成锥形易于插入，后端1m范围内不开孔，尾部焊接φ16加劲箍，其余部位周身按梅花形布设10~16mm的压浆孔。具体见图1图1管棚加工示意图2.2.3钢管间的连接。每根钢管的一端都车15cm长的外丝扣，钢管间采用一根长30cm带全内丝扣的φ95壁厚6mm的无缝钢管进行连接。为了错开接缝，每根管棚采用两根长6m和2.2.4为了安全的穿越塌方段，设计采用了长管棚进行超前支护，管棚设计要求：管棚采用20米长，120度范围布置。管棚采用φ89δ5的无缝钢管，外插角8°环向间距40cm。2.2.5为缩短施工时间，导向墙内设置两榀临时I20b工字钢，钢架间距设置为30cm，为了减少管棚的外插角，采取在导向墙内两榀I20b工字钢腹板开孔的办法，导向管采用φ130钢管与钢架腹板焊接，纵向通过φ22螺纹钢与拱架加强连接。导向管设置角度为8°（通过调整钢架半径，间接调整导线管角度），长度设定为80cm，拱架纵向采用φ22连接相连，间距0.5m，每榀钢架径向打设锁脚及环向锚杆，锚杆长度3.5m，环向间距1m，与钢架焊接牢固。2.2.6钻孔是管棚施工的关键工艺环节,钻孔质量的优劣直接到管棚的整体质量。为较少围岩扰动，充分发挥围岩自稳能力。施工顺序由下向上由两边向中间依次进行。通过洞内弃砟整平施做平台。钻机角度调节采用全站仪高差定位，确定角度。适当调节平台高度，确保钻头正确插入导向管。采用高压风站的高压风带动钻头，开空时，低速低压，待成孔1m后，适当加压，钻孔进入土质地层采用压力适当调小，以免引起塌孔。塌孔时可进行注浆加固待周边土质形成一定强度后再行钻孔，直至钻直设计长度，钻孔采用特制精密水平陀螺仪检测偏斜。2.2.7钻孔完成后钻杆退位，再次钻进进行清除孔内浮渣，确保孔径、孔深并防止堵孔。利用高压风清理钻渣，用测杆检测孔深，用测斜仪量测外插角。检测合格后立即安装φ89的钢管，钢管在同一截面内接头数量≤50%，每根钢花管由2根组成，相邻钢化管分别布置成6m、4m及4m、6m的组合形式。钢管之间通过套管丝扣连接。浅孔段采用人工推进，孔深阻力大时，采用钻头慢慢顶进，推进时采用测斜仪经常检查钢管的偏斜度，发现偏斜超过设计要求及时纠正。钢管安装完成后及时安装孔口止浆塞，并对每根钢管连续编号且做好标记。管棚安装后，用麻丝和锚固剂封堵钢管与孔壁间空隙。2.2.82.2.82.2.8.2浆液配置。浆液采用1m3全自动拌和机进行拌制，水泥净浆水灰比为1:1，材料用量为：750kg水泥和2.2.8管棚注浆采用双液注浆机进行作业，注浆机最大工作压力可达7Mpa,注浆量70L/min,可以满足实际施工要求，钢管注浆采用奇偶数钢管间隔注浆由下到上、由左到右，即先按顺序注奇数管，奇数管注浆完成后，再开始按偶数管顺序同上顺序。注浆过程控制，注浆压力确定初压为0.5~1.0MPa，终压为2.0MPa。注浆时密切监视压力变化，如压力达到2.0MPa并持续稳定恒压10min后结束注浆。单根注浆量按进行估算。—注浆扩散半径，考虑注浆叠加效应，按=（0.6~0.7）计算，为相邻钢管之间的距离；—钢管长度；—岩体孔隙率；注浆过程应认真做好记录，以便分析解决施工中出现的问题，注浆结束后及时清除管内浆液并用M20的水泥砂浆及时填充，以增强管棚的刚度及强度。2.3二次衬砌施工3.1在管棚施工期间加快右洞二次衬砌施工，在管棚施工完成前将二次衬砌推进至K105+515。3.2为保证施工安全在穿越塌方体时，二次衬砌与掌子面的距离不得大于10m。2.4塌方段开挖2.4.1开挖时采用人工开挖留核心土，在通过堆积体时，必须短进尺、强支护、不爆破、勤测量，保证每次开挖进尺控制在70cm开挖高度控制在4.5m内。2.4.2加强初期支护，K105+526—K105+540段初期支护间距缩小为2.4.3必须通过塌方段以后才能对破坏的台车及初期支护进行处理，初期支护只能一榀一榀的切割置换。2.4.4增加锁脚锚管的数量，每节钢拱架的连接处新增加2根长4.5m的φ42锁脚锚管，2.42.42.43、施工时间横道图计划9月23日开始处理塌方段，预计15天处理完成塌方段施工。塌方段的开挖等到左洞K105+497区域二次衬砌施工完成后才能开挖。右洞开挖时间待定，详细施工时间计划见右洞K105+526.6拱顶塌方处理时间横道图。（二）右洞K105+497地表冒顶处理1、施工工序设置安全禁戒标志→洞顶防水处理→临时征地→洞顶回填→地表打眼→地表注浆→粘土回填2、施工工艺2.1设置安全警戒标志在冒顶范围2m范围以外用彩旗条设置警戒线，并悬挂警戒标志及塌方危险的告示牌。2.2洞顶防水处理2.2.1沿塌方段3范围以外开挖截水沟，沟槽沿塌方范围开挖一圈宽30cm深20cm，2.2.2用彩条布将冒顶范围全部覆盖，保证雨水能沿彩条布2.3洞顶回填2.3.1在天晴3天以后，地表冒顶处不再垮塌周围稳定后，对冒顶处进行回填，回填时采用粘土层层夯实。地面塌口顶面C20混凝土15-20cm周边扩大0.5-1米2.4地表注浆2.42.4.1.1右洞洞顶隧道注浆范围7.5m×7.5m，间距1.2m×1.2m，深度12m2.4.1.2地表注浆管采用φ2.4.2施工2.4.2.1注浆管制作：用φ50的无缝钢管加工成注浆管，长度12m确定，顶部加工成锥形，尾部安装止浆环，管身交错布φ8孔，梅花形布设，孔眼间距为30cm2.4.22.4.22.4.22.4.22.4.23、地表注浆施工时间横道图为了安全考虑地表压浆必须等K105+497段二次衬砌达到80%强度以后才能开始洞顶回填施工。初步计划10月7日开始洞顶回填作业，其间做好各项施工前的准备工作，预计10月26日前完成地表注浆及冒顶填土施工。（三）中导洞拱顶空洞注浆为保证隧道后续施工安全，防止再次塌方，需对初中导洞V级围岩空洞段进行注浆处理。1、施工工序地质雷达检测→对空洞部分打设φ42小导管→安装注浆机械设备→压浆→地质雷达检测压浆效果→对压浆不到位空洞进行补压浆。2、施工工艺2.1地质雷达检测2.1.1为能更好的指导下阶段施工保证2.2中导洞注浆2.22.2.1.12.2.1.2注浆采用采用φ42小导管进行注浆处理，环向间距40cm每侧4根，长度3.5m、纵向间距2.2.2注浆及其它参数参照施工设计图C5-9-4导坑超前小导管设计图。2.3地质雷达检测压浆效果压浆完成后为保证压浆饱满不留空洞，由第三方检测单位对已经注浆部位进行再次探测，保证空洞部位能注浆饱满。3、中导洞施工时间安排3.1中导洞压浆需第三方检测单位现场检测报告完成后才能根据检测数据安排注浆，计划注浆时间13天完成，详见中导洞注浆时间横道图。（四）左洞进洞方案1、施工工序超前支护→开挖→初期支护→二次衬砌2、施工工艺2.1超前支护参数左洞K105+475—K105+505为洞口大管棚K105+505—K105+568为单层超前小导管。2.2洞口大管棚K105+475-K105+505处于洞口大管棚的支护范围，前期已经施工完毕。2.3小导管超前支护2.3.1注浆管制作：用φ42的无缝钢管、壁厚3.5mm，长3.5m钢管前端加工成锥形，尾部安装止浆环，管身交错布φ6孔，梅花形布设，孔眼环向120度2.32.3.3安装注浆管：采用人工钻机以15度角浆液配置：超前小导管浆液采用1m3全自动拌和机进行拌制，注浆采用水泥-水玻璃双液浆。注浆压力0.5-1.0Mp，水泥浆水灰比为1:1，水泥标号425，水玻璃美度为30，模数为2.4。管路连接及调试：将双液注浆机的管路与小导管进浆孔连接，安装止浆阀，管路连接好后进行压水试验，以检查止浆效果和注浆管路是否有跑水、渗水现象。注浆作业:小导管注浆采用双液注浆机进行作业，注浆机最大工作压力可达7Mpa,注浆量70L/min,可以满足实际施工要求，钢管注浆采用奇偶数钢管间隔注浆由下到上、由左到右，即先按顺序注奇数管，奇数管注浆完成后，再开始按偶数管顺序同上顺序。注浆过程控制，注浆压力确定初压为0.5~1.0MPa，终压为2.0MPa。注浆时密切监视压力变化，如压力达到2.0MPa并持续稳定恒压10min后结束注浆。洞内V级围岩比设计围岩等级差，为保证施工安全申请将左洞K105+485～K105+568、右洞K105+540～K105+568范围超前支护应加强为双层φ42小导管超前支护，小导管长度为4米，间距为0.35米，第一层45度，第二层5-10度。2.4开挖方式左洞开挖时采用多台阶留核心土施工，采取短进尺、强支护、弱爆破、勤测量，保证每次开挖进尺控制在70cm上台阶开挖高度控制在4.5m内。2.5初喷混凝土在开挖完成后需要在掌子面初喷一层2-3cm厚喷射混凝土后开始下步工序施工。2.6锚杆施工钻孔钻孔施工在开挖面初喷3-5cm厚混凝土后进行。钻孔前应根据设计锚杆支护参数在围岩上准确标出锚杆孔位。钻机就位后要调整钻孔角度，当前围岩整体性差，土夹石锚杆的钻孔方向在保证基本垂直于岩面的情况下，还要垂直与岩层面或者节理面。锚杆孔位、方向在保证锚杆间距的情况下还要尽量避开裂隙或软弱夹层。钻孔过程中要及时清孔。钻孔施工完成后，要及时检查锚杆孔径、孔深、钻孔方向是否满足设计和验标要求。对不符合要求的孔要及时补钻。锚杆安装钻孔完成后要及时进行锚杆安装作业。锚杆安装一般采用人工安装，锚杆使用前，应在现场进行工艺、力学试验。锚杆应包括杆体、垫板、螺母等主要构件，锚杆材料的品种应符合设计要求，并应进行以下检验：1）外观质量检验：杆体直径要均匀、一致，无严重锈蚀、弯折；2）抗拉强度试验应满足设计与工程要求；3）加工后的锚杆的杆体尺寸应符合设计要求，车丝部分无偏心，有焊接件时焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷。锚杆安装应符合下列要求:1）杆体插入锚杆孔时,应保持位置居中,插入深度不小于设计的95%,插入困难时,应采用自钻式锚杆;2）注浆开始或中途停止超过30min时应用水或稀水泥浆润滑注浆罐及其管路。3）锚杆安装后，不得随意敲击。4）安装垫板和紧固螺帽应在水泥浆体的强度达到10MPa后进行。2.7钢筋网施工钢筋网预制有格栅钢架及型钢钢架的地段，网片的宽度按格栅钢架的间距预制。没有钢架支护的地段，钢筋网的可以根据实际施工需要预制，单块网片的尺寸不能太大，但也不能太小。太大会给现场拼装带来困难，太小，现场搭接焊工作量大，循环施工时间长，影响工程施工进度。钢筋网预制见下图：初喷砼岩面初喷砼岩面钢筋网钢筋网钢筋网安装a挂网：挂网在初喷砼及施作锚杆后进行。通过多功能作业台架，采用人工沿开挖岩面一环一环铺设，钢筋网片之间用焊接连接，施工中可以通过钻孔设备辅助固定钢筋网，使其尽量与岩面密贴。b焊联：挂好网片后，将网片之间的接头以及网片钢筋和锚杆头、钢架等焊接牢固，避免网片超出喷砼厚度和喷砼时网片晃动。2.8钢架的施工钢架制作钢架按设计尺寸在洞外下料分节焊接制作。根据支护类型以及监控量测反馈信息适当预留变形量，并预留5cm施工误差。制作时严格按交底图纸进行。弯制钢架可采用冷弯法，并以1：1大样控制尺寸。保证每节的弧度与尺寸均符合设计要求，每节两端均焊连接板，节点间通过连接板用螺栓连接牢靠，加工后进行试拼检查，严禁不合格品进场。先根据交底尺寸加工一品，放在水泥地面上试拼，当各部尺寸符合设计要求时，方进行批量生产，周边拼装允许偏差为±3cm，平面翘曲应小于2cm。钢架安装安装钢架前，应检查开挖断面的中线、高程开挖轮廓线应符合设计要求，中线、高程允许偏差为±3cm。钢架可在开挖工作面以人工组装，各节钢架间以螺栓连接。钢架按设计要求安装，钢架的下端设在稳固的地层上，拱脚高度低于上部开挖底线以下15～20cm。拱脚开挖超深时，加设钢板或混凝土垫块。安装后利用锁脚锚杆定位。超挖较大时,拱背喷填同级混凝土,以使支护与围岩密贴,控制其变形的进一步发展。两排钢架间用钢筋拉杆纵向连接牢固，间距严格按设计要求施作，以便形成整体受力结构。洞内V级围岩比设计围岩等级差，为保证施工安全申请将初期支护初期支护钢拱架加强2.8.3左洞K105+485～K105+568、右洞K105+540～K105+5682.8.4初期支护加强为I22b工字钢，间距60cm，喷射厚度为28cm每节工字钢连接处加打2根长4.5m的注浆小导管为锁脚锚管，且各台阶采用加大拱脚的方式。2.5喷射混凝土风压及水压风压与输送距离、高程、管的弯曲半径及数量、干拌合料配合比、砂石的种类、级配、含水率等有关。为了保证喷混凝土的质量，降低回弹率，减少粉尘，喷射作业时，要求风压稳定，压力大小调整适当。水压一般要比风压高50--100kpa，要求在喷头水环处形成水雾，使干拌合料充分湿润。喷射作业区的系统水压应大于400kpa，系统水压不足时，须采用压力水箱来提高水压。水灰比的控制合理的给水量是保证喷混凝土质量、降低回弹率和减少粉尘的重要因素。由于喷混凝土施工工艺的特点，水灰比的控制，目前只能凭借喷射手的经验目测掌握。如喷射的混凝土易粘着，回弹小，表面湿润光泽，说明水量合适，此时的水灰比一般在0.4—0.5之间。如果表面无光泽，或出现干斑，回弹物增加，灰尘飞扬，混凝土不密实，则说明水量小；如果表面塑性大或出现流淌、滑动现象，说明水量大。喷射手应根据这些现象，及时调整水量。喷射角度与喷射距离喷嘴与岩面的角度，一般应垂直于岩面。但在喷边墙时，宜将喷嘴略向下俯10º左右，使混凝土束喷射在较厚的混凝土顶端。由于混凝土束喷射在呈粘塑性状态的混凝土上，可避免料束中的粗骨料直接与岩面撞击，减少回弹量。喷射距离是以喷混凝土最小的回弹和最高的强度来确定的。原则上以能看清喷射情况，使料束集中，回弹量小为宜；同时也取决于喷头出口压力大小。一般以0.6—1.2m较好。喷射手应视具体情况，选用适当的喷射距离。一次喷射厚度一次喷射厚度，主要由喷混凝土颗粒间的凝聚力和喷射层与受喷面间的粘结力而定。厚度太薄会增大回弹率；厚度太大会使混凝土颗粒间的凝聚力减弱，同时会引起大片坍落或形成混凝土与岩面脱离。适宜的一次喷射厚度就是混凝土层在不错裂、不脱落的情况下达到的最大厚度。分层喷射厚度一般为粗骨料最大粒径的二倍，如一次喷射厚度小于5cm，使用石子的最大粒径也要相应减小。分层喷射的间隔时间分层喷射合理的间隔时间不仅与水泥品种、速凝剂掺量有关，而且与施工温度、速凝剂种类和水灰比大小等有关。喷射顺序喷射施工按一定顺序有条不紊地进行，喷射作业区段的宽度依坑道具体条件而定。一般应以1.5—2.0米进行。对于水平坑道，喷射的顺序应先墙后拱，自下而上。如岩面凹凸不平时，应先喷凹处找平，然后向上喷射。喷射时喷嘴料束应呈旋转轨迹运动，一圈压半圈，纵向按蛇形进行。如因工程需要适当美观时，可在喷混凝土表面上再喷射一层同标号水泥砂浆，此时喷射顺序应自上而下，喷头料束呈横扫方式运动，不能旋转或停留，以使表面平整光滑。当岩石松散或处理坍方时，喷射作业应紧跟作业面，初喷应先拱后墙，复喷则先墙后拱。喷射操作对不同的喷射机，要严格按规定的操作方法进行操作，否则容易发生堵管、反风等现象。喷射机的开、停顺序为：开动时，先开风后给水，最后开电供料；停止时，先停止供料，待料罐中的存料喷完后再停电，最后关水停风，同时要根据输送距离的变化，随时调整风压、喷嘴的操作，喷射开始时先给水再送料；结束时，先停风后停水。在喷射时，要随时观察围岩、喷层表面、回弹和粉尘等情况，及时调整水灰比。当喷嘴不出料时，应将喷嘴对准前下方，避开人员。处理堵管时的工作风压不得超过0.4Mpa。湿喷混凝土施工流程图2.6地表注浆左洞洞顶处于浅埋偏压，拱顶极不稳定，申请对左洞K105+485～K105+507段进行地表注浆。注浆深度至中导洞初期支护上方。5.2施工工艺左洞地表注浆施工工艺参照右洞冒顶地表注浆。（五）下阶段施工注意事项1、右洞K105+526处理空洞填充、地表注浆和中导洞长沙端注浆加固完成后，右洞暂时停止掘进，应先进行左洞掘进，左洞穿过K105+497冒顶区域并衬砌完成后，才能进行右洞开挖掘进。左右洞开挖掘进与二次衬砌应同时进行，左右洞掌子面距离应保持在20m之内，二次衬砌距离应保持在一个循环之内。2、右洞穿过K105+526段塌方区域时，二次衬砌与掌子面距离控制在10m左右。3、在施工过程中加强监控量测，注意施工安全。4、右洞塌方段处理完成后下阶段进洞方案按照上述左洞进洞方案执行。目录TOC\o"1-2"\h\z\u1编制依据 12隧道工程概况 13隧道工程地质条件 34超前地质预测预报目的 45超前地质预测预报组织机构和人员设备配置 46工作程序 67地质超前预报的内容和方法 67.1地质预报的要求 67.2地质超前预报的内容 87.3地质超前预报的方法 118、预报成果 18隧道超前地质预报方案1编制依据(1)《公路隧道超前地质预报技术指南》及交通部颁布的其他现行施工规范、安全规程、施工指南等。(2)新建时速80公里（预留提速）公路设计、施工技术条件、施工指南及相关规定。(3)中交公路规划设计院有限责任公司编制的长安高速隧道施工图。(4)中铁八局集团与长安高速公司筹备组签订的合同文件中的相关承诺。(5)长安高速公路公司筹备组编制的《指导性施工组织设计》；(6)近年来高速公路类似工程施工经验、施工工法、科技成果；国内外相关高速铁路的施工工艺及科研成果。2隧道工程概况标段内隧道工程地质复杂，岩体破碎，围岩强度低，多为Ⅳ、Ⅴ级，稳定性较差。施工中必须加强超前地质预报，并采取相应的工程措施，保证安全顺利地通过不良地质段。根据设计提供风险等级和超前地质预报设计要求，我单位采取加深炮孔探测和超前水平地质钻孔俩种方法进行围岩观测，以提供有效的施工措施保证施工安全、顺利的进行，对于出现地质异常区域，我单位另增加TSP或地质物探手段进行详细的地质分析，并报设计单位进行核对、审批，重新进行隧道风险等级划分。项目部对标段内隧道作业高度重视，在施工组织设计中已经把超前地质预报列入独立的施工工序进行检测，制定“有预报才施工，不预报坚决不允许施工”的要求发放各架子队执行实施。为有效的执行超前地质预报的实施，项目部特别成立专职超前地质预测预报实施小组，其中组长1人，副组长2人，组员6人，负责现场超前地质预测预报工作的具体实施和资料收集整理，对隧道施工起到实施性的指导作用。并聘请专职预报队伍负责管段内的隧道地质超前预报施工。3隧道工程地质条件本管段隧道工程地质复杂，岩体破碎，围岩强度低，多为Ⅳ、Ⅴ级，稳定性较差，施工中支护难度较大。4超前地质预测预报目的地下地质条件复杂，潜在、无法预知的地质因素较多：多变的地形条件，地层破碎带、断层，富水岩层等。进行隧道地质超前预报的目的是：提供隧道掘进前方的地质情况，包括围岩的完整性、断层破碎带和溶洞的规模和位置、不良地层的富水情况，进而做出对围岩类别的划分和隧道开挖时稳定性的分析，以确定合理的工程措施和合理的施工方法，以确保隧道施工安全顺利的进行。5超前地质预测预报组织机构和人员设备配置在项目部设施工地质工作管理办公室，办公室设在工程管理部，负责组织项目部有关人员进行预报培训和学习工作；预报物探设备管理与协调使用；预报实施情况监督检查。项目部分别成立专职超前地质预测预报实施小组，负责现场超前地质预测预报工作的具体实施和资料收集整理。人员组成及主要职责分工见表。超前地质预测预报人员分工职责表序号姓名职务职责1吴纲强总工程师对地质预报工作负全责，制定预报工作计划和实施细则，审核预报成果。2喻伟工程部部长负责预报工作的全面落实，分析整理预报数据，编制预报成果报告，提出施工建议。3刘义燕副总工程师负责预报工作的落实，分析整理预报数据，编制预报成果报告，提出施工建议。4唐亮隧道工程师负责段预报工作的物探仪器设备操作，进行数据采集与整理。资料收集整理、归档。5杨盛文隧道工程师负责段预报工作的物探仪器设备操作，进行数据采集与整理。资料收集整理、归档。6工作程序地质预报主要流程为：预报通知（现场驻地监理）预报实施及现场记录自检、报检验收资料整理监理确认和归档具体操作流程见图6-2-1所示。7地质超前预报的内容和方法7.1地质预报的要求本管段隧道主要采用地质调查法与加深炮孔钻探法相结合的方法进行地质超前预报，如有必要，在地质异常区域采用TSP探测仪或水平钻机进行长距离超前探测。图6-2-1超前地质预报操作流程各种探测必须以地质为中枢，加强隧道地质工作，将地质综合分析贯穿到施工的整个过程中，实行地质、物探相结合，中长距离探测与短距离探测相结合，优化组合，综合应用，确保隧道安全、快速、优质施工，不留后患，全面确保隧道施工取得经济效益、社会效益和环境效益三者的最优结合。7.2地质超前预报的内容1、超前地质预报的内容超前地质预报是隧道施工地质工作最主要的工作内容。其工作分为①既有资料收集；②地质素描；③洞内外水文调查；④监测测试；⑤超前地质预测；⑥综合超前预报和成灾警报等六项任务。（1）既有资料收集既有设计资料和相关地质成果的收集和分析,对存疑虑的相关重大地质问题和地段,必要时进行踏勘和补充恰当的地质工作。（2）地质素描施工地质最基础的工作，包括正洞、超前平导和辅助导坑洞壁地质及掌子面地质素描，见图7-2-1所示。其主要内容包括：①地质观察A.地层岩性：地层时代划分，岩组划分，岩石划分，岩体性态，切割程度，围岩等级等。B.断层：断层性质、位置、产状、破碎带宽度及构造岩划分，断层岩体的围岩级别划分及稳定性评价。断层坍方的地质原因，是地质素描的重点。C.贯穿性节理：产状、密度、宽度、延伸情况，节理面特征、力学性质。分析判断组合特征、岩体完整性程度，控制局部坍方的构造内因。D.地应力：高地应力显示性标志(岩爆、软弱夹层挤出，探孔饼状岩心等现象)及其发生部位。E.特殊地层：煤层、含膏盐层和含黄铁矿层等单独素描。图7-2-1隧道地质素描图（3）洞内外水文调查①洞内水文调查A.涌水点(处)调查空间：层位、构造部位、洞围分布，含水体分布；时间：点(处)间的时效关系；制约：制约因素、补给来源、途径、连通关系。B.涌水量预测实用量测：反映瞬时特征和短期变化特征；长期观测：反映长期变化特征和动态特征；涌水量预测。C.水质水压测试包括水压、水温、水色、含泥沙量测定。D.危害评估②洞外水文调查A.气象观测。B.重要排泄点、径流点长期观测；C.相关岩溶水文地质及环境水文地质调查调绘：相关岩溶水文调绘、地表坍方、变形调查；试验：同位素、示踪等；水质。（4）监测测试天然气、软岩变形、地面沉降变形监测及洞内地应力测试。其中隧道周边位移量测，包括拱顶下沉、净空水平收敛及必要时增设的隧底上鼓量测（采用仪器为收敛计、水准仪、塔尺）和隧道浅埋段、山间洼地、岩堆、破碎带、偏压洞口的地表下沉量测（采用仪器为水准仪、塔尺等）为必测项目。（5）超前地质预测①预测方法A.地质编录预测法(图解法、类比法、断层参数法)；B.超前物探预测法：包括TSP-203等。C.超前钻孔预测法；②预测有效距离A.长距离超前地质预测：其预报距离为100～150m。以TSP、断层参数法等为手段结合地面地质工作综合预报。B.短距离超前地质预测：其预报距离为15～30m以内。是在长距离超前地质预报的基础上，以5～8孔5m超长炮眼孔和30mC.中长距离超前预测：其预报距离为30～60m，是在长距离超前地质预测的基础上，针对较大物探异常，以30～60m超前钻孔为手段并结合掌子面地质素描工作综合预报。（6）综合超前预报和成灾警报①综合超前预报内容地层、完整性及含水情况；断层及富水情况；大型岩溶及富水情况；暗河。②超前地质灾害警报内容大型塌方；突水突泥；煤类突出、天然气燃烧爆炸；岩爆、软岩大变形。7.3地质超前预报的方法本管段隧道地质超前预报的主要方法见下表7-3-1所示表7-3-1隧道地质超前预报的方法预报方法预报内容预报工具预报频率地质调查及地质素描岩性、结构面产状及不良地质现象地质罗盘、数码相机等开挖后及初期支护后进行，每次爆破后进行加深炮孔探测掌子面超前5m风枪、钻孔台架开挖钻孔时进行超前钻探法掌子面超前30～50m范围围岩状况超前水平钻机每隔30～35m一个断面，搭接不小于5m地震波法划分地层界线、查找地质构造、探测不良地质体的厚度和范围TSP探测仪地质异常区域（1）地质调查法对地质较简单的地段，以地质调查法为主。利用常规地质理论和作图法，根据隧道已有的勘察资料、地表补充地质调查资料、洞内地质调查资料、隧道开挖面地质素描、围岩数码照片，通过地层层序对比、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析、地质作图和趋势分析、隧道内不良地质临近前兆分析等，推测开挖工作面前方可能揭示的地质情况。其特点为：①设备简单，占用时间少，是其他探测方法的地质学基础依据。②人员素质要求高，须掌握较丰富的地质学理论知识和现场工作经验。③在隧道埋深较浅，地质构造不太复杂的情况下，地质调查法有很高的准确性。（2）加深炮孔法对地质条件较复杂的地段，如地层分界线、角度不整合接触带、物探异常段、次级断层、富水段等，在地质调查法的基础上，采用加深炮孔探测。利用风钻或凿岩台车等在隧道开挖工作面钻小孔径浅孔获取地质信息，每断面均匀选取3孔，外插角1～３°，搭接长度不小于1.5m，加深炮孔至5米进行超前探测。加长炮孔布置示意图：（3）超前钻探法超前地质钻探是在掌子面布设3～6个探孔，采用水平钻机进行超前钻探。根据钻机在钻进过程中的推力、扭矩、钻速、成孔难易及钻孔出水情况（必要时提取岩芯进行分析）来确定前方的地层及岩性，同时进行涌水量、水压测试和水质分析，判定掌子面前方地层含水情况及地下水的性质。其钻孔布置示意图如下图所示，掌子面中部两边的超前钻孔应水平且有一定水平偏角1°～3°，掌子面上部的超前钻孔仰角1°～1.5°，掌子面下部两边的超前钻孔俯角1°～1.5°、水平偏角1°～3°。探孔孔径一般为108mm，孔深30～50m，搭接长度不小于5m。（4）物探法采用TSP203探测仪根据地震泼的回波原理，通过人工制造一系列规则布置的轻微震源，由三维地震波接收仪在计算机的监控下采集这些震源所发出的地震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质体（如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带等）被反射返回的地震波数据。这些回波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的，通过分析可以得到前方地形的地层力学参数和空间位置数据，从而形成预测预报结果。TSP测量原理见下图所示：①钻孔要求：预报断层构造时爆破钻孔应根据走向布置在与断层夹角较小一侧的隧道边墙上。预报岩溶时爆破钻孔应布置在没有横洞和停车道的一侧。爆破钻孔应选择布置在完整灰岩段落上，不宜在隧道边墙岩溶发育的段落做TSP试验，此时应加强地质雷达和水平钻孔进行超前探测。每一次预报的有效炮数不少于20个，炮间距1.5m。炮眼高度1～1.5m，所有炮眼与接收器高度应相同（与隧道底板平行）。炮眼孔深1.2～1.5m（孔深尽量一致），向下倾斜10°接收器孔距掌子面约50m，距第一爆破孔15～20m。必须在隧道两壁各安置1个接收器，接收器安置高度与炮孔一致,孔径42～45mm，孔深2m，应根据采用的藕合材料确定接收孔上倾还是下倾。接收器与孔壁的藕合必须紧密，施测时隧道中应没有其它振动源。具体钻孔布置情况如图7上倾5上倾5°～10°)(上倾5°～10°1m接收器孔接收器孔横截面（接收器孔）)(下倾10°～20°1m炮孔炮孔下倾10°～20°55掌子面15～20m接收孔1隧道轴炮孔S1S2S3S23S24接收孔22m2m1.5m1.5m1.5m1.5m图7-3-5接收器孔和炮孔布置示意图②爆破要求：遵守《爆破安全规程》的规定，使用毫秒级无延迟电雷管，炸药量应大于200m探测距离要求，一般50g左右，最多不大于75g。应保证炸药与炮孔严密藕合，所有炮孔必须采取堵孔和注水措施。③资料的处理和整理：数据采集时应对每一炮的波幅进行调节，记录不好或存在干扰时应重新放炮。对采集的数据及时进行三维波场处理，提取反射界面。④提交以下资料：A.现场数据记录表（如表7-3-6）；B.X、Y、Z三个分量的原始记录；C.频率谱；D.纵横波分离后的P、SH、SV波形图；E.P、SH、SV波的极度偏移图（横坐标为里程）；F.二维结果图（横坐标为里程）；G.岩石参数曲线图（横坐标为里程）；H.岩石参数表（如表7-3-7）；I.电子文档。表7-3-6TSP现场数据记录表隧道（第标）号年月日掌子面里程炮孔布置左边墙右边墙接收器里程高度孔深倾角耦合剂耦合状态左右炮点参数序号距离孔深高差药量备注123456789101112131415注：第一炮的距离为炮点到接收器的距离，以后为孔间距。高差为各炮孔与接收器的高差，高为正，低为负。操作:记录:复核:施工监理:表7-3-7TSP解释岩石参数表隧道（第标）号年月日序号里程波速P/S泊松比密度剪切模量拉梅常数体积模量动杨模量静杨模量围岩级别PSHSVPSHSVPSHSV制表：复核：负责：8预报成果预测预报的成果由项目部工程管理部进行汇总后将原始材料报驻地监理工程师、设计单位。24小时现场提交预报材料，包括不良地质体位置和性质，每次检测5天之内提交最终技术报告，报告内容包括：不良地质体的位置、性质和规模；围岩类别及相关参数；提出相应的技术措施及可行性建议。量化岩体参数、综合确定围岩级别，对不连续界面、层面进行细化，着重查清地质构造、岩溶、断层破碎带。同时查明地下水循环规律、水流动特征及地下水化学成分等。成果由工管部进行再次分析，对可能出现的地质问题提出必要的安全措施，以指导现场施工。并根据预报结果，及时反馈监理和设计单位，调整设计，改变施工方案。乌鞘岭隧道方案设计及科研简况铁道第一勘察设计院第一章乌鞘岭隧道方案设计简况一、概述兰新铁路是我国路网主骨架“八纵八横”中陆桥通道的重要组成部分，它纵贯我国东、中、西部地区，是联系东西部的重要纽带，在政治、经济、文化和国际交往等方面具有举足轻重的地位。兰新线兰（州）武（威）段是兰新铁路的组成部分，在陇海铁路宝（鸡）兰（州）段增建二线后，它是亚欧大陆桥连云港至乌鲁木齐间唯一一段单线铁路。随着西部大开发战略的实施，西北地区作为我国的能源、原材料基地，陆桥通道的客货运输快速增加，兰新线兰（州）武（威）段对铁路运输的“瓶颈”制约日显突出，因此尽早尽快建成兰武复线，对发展西部经济、实施西部大开发战略、扩大开放、增强路网功能和作用具有十分重要的意义。兰新铁路兰（州）武（威）段增建第二线线路起于兰州西站，沿黄河二级阶地西行经河口南站跨黄河后溯庄浪河而上，在既有兰武段打柴沟站与龙沟车站之间以特长隧道穿越乌鞘岭后沿龙沟河、古浪河峡谷而下，进入河西走廊与既有线并行引入武威南站，见图1。二、越岭隧道方案乌鞘岭地区南北两坡区域地形、工程地质和水文地质条件十分复杂，岭南庄浪河河谷区，地形宽阔；岭北为古浪河河谷区地形狭窄，隧道经过乌鞘岭－毛毛山中高山区。针对越岭隧道的线路方案，在既有铁路、公路越岭垭口附近大范围内，利用不同限制坡度，不同越岭隧道长度结合两端展线工程进行了多个方案比选，由于既有铁路和公路垭口处于安远构造盆地边缘断层交汇区，地质条件差，确定越岭隧道位置时应尽量远离该垭口，使隧道围岩受构造影响较小，见图2。2.1限坡选择限制坡度是线路的最主要的技术标准，应根据牵引种类、机车类型、相邻路段标准、通过能力、运营费用及沿线地质地形条件等经经济、技术比较综合确定。20‰单绕方案：采用13.35km特长隧道穿过乌鞘岭，争取高程显著，适应地形良好，线路顺直，投资少；但该方案保留300m小半径曲线，提速困难；另因坡度大，采用自动闭塞，造成行车组织、运输管理不便，且与前后整体通道协调性差，远期适应需求能力弱。16‰方案：线路以18.75km特长隧道穿过乌鞘岭，该方案提速效果显著，适应地形，线路较顺直，投资较少，但该方案机车购置费较贵，年运营费支出较大。13‰限坡方案：线路以20.05m特长隧道穿过乌鞘岭后，争取高程显著，但线路适应地形条件差，迂回展线较长，岭北桥隧工程较大，投资较高，但该方案与陆桥通道及兰新铁路全线的技术标准一致，远期适应需求能力强，提速效果好，运营费用低。综上述，各方案各有特点，结合亚欧大陆桥及兰新铁路全线的技术标准，经综合经济、技术分析比较，采用13‰限坡,图2。图2越岭段线路方案平面示意图2.2越岭隧道长度的选择在13‰限坡时，当越岭主隧道长度为15km时岭北地段须以8.32kmΩ形隧道迂回展线克服高差，以适应地形，其线形差，投资较高；32km越岭隧道在沙沟台以后基本穿行在泥岩地层，地质条件差，工期长，投资高；20.05km越岭隧道方案，线路顺直，争取高程显著，引线条件好，可利用既有龙沟车站站位，工程投资较小，综合推荐20.05km越岭隧道方案。2.3两座单线隧道和一座双线隧道的比选双线隧道方案：隧道设计为一座双线隧道，考虑特长隧道，右侧设置贯通的平行导坑，为主隧道探明地质并通过横通道辅助施工，该方案优点是两线同时建成，运营养护工作量较少，平行导坑可作为专门的养护维修通道；缺点主要为本隧道通过断层带长，双线断面跨度大，易出现塌方，施工风险大，运营安全上，当出现火灾或列车颠覆时，两线运营同时中断；且投资较贵。两座单线隧道方案：隧道分左、右两洞，右线隧道先期开通。左线隧道施工前期为平行导坑，为右线隧道探明地质并通过横通道辅助右线隧道施工，然后再扩挖成左线隧道。该方案优点是一管隧道（右线）可提前10个月通车，早日形成运能，单线隧道施工风险低，运营安全效果好，投资较低。综上所述，采用两座单线隧道方案。乌鞘岭特长隧道设计为两座单线隧道，隧道长20050m，基本为直线隧道，线间距为40m；纵坡主要为11‰的下坡，隧道进口高程2663m；出口高程2447m，，隧道洞身最大埋深1100m左右。右线隧道总工期2.5年，左线隧道总工期3.5年。三.地质概况乌鞘岭隧道所经过地层岩性复杂，分布主要受区域断裂构造控制。主要有第四系、第三系、白垩系、三叠系、志留系、奥陶系等，并伴有加里东晚期的侵入,见图3。图3乌鞘岭隧道地质纵断面隧道经过地区褶皱构造和断裂构造发育，断裂构造主要为区域性大断裂，由南向北依次分布：F4、F5、F6、F7断层，其中F7断层为本隧道遇到的最复杂断层，断层走向北西西向，倾向南，倾角70°，前期为逆断层，后期表现为左旋逆走滑断层。断带物质主要由断层泥砾及碎裂岩组成，松散破碎，风化严重。该断层为工程活动性断层，全新世的平均水平滑动速率为2.08～2.5mm/a，平均垂直滑动速率为0.06～0.027mm/a。乌鞘岭隧道洞身通过断层破碎带的长度在1400m左右，围岩软硬不均，存在小褶皱、节理密集带等，因此隧道施工中可能会出现围岩失稳、突然涌水、岩爆、高地温等困难。四、隧道设计4.1隧道方案乌鞘岭隧道分左、右两洞，采用钻爆法施工。右线隧道先期开通。左线隧道施工前期为平行导坑尽早贯通，为右线隧道探明地质并通过横通道辅助右线隧道施工，然后再扩挖成左线隧道。4.2隧道内轮廓设计为马蹄形，道床采用套靴式弹性支承块整体道床结构。根据部提速和通行双层集装箱的要求，考虑接触网结构高度及接触网导线距箱顶高度（高原修正）确定隧道净空高度为7225mm，其轨上净空面积为35.4㎡，满足流线型列车运行速度160km/h的要求。4.3衬砌4.3.1一般衬砌隧道衬砌结构采用复合式衬砌，考虑隧道以软弱围岩为主的地质特点，隧道仰拱部位采用圆角连接，使结构受力合理；4.3.2F7活动性断层地段：由于本地区属地震多发带，具有准周期性，最大震级为7.5级左右，隧道通过工程活动性断层，受构造挤压影响，残余应力较大，结合工程、水文地质，本段按圆形结构断面进行设计，以适应地层条件，每隔25m设一道变形缝，内轮廓直径为8.76m（预留活动性断层预计的百年位移量），为钢筋混凝土衬砌结构，见图4。图4F7活动性断层带衬砌断面示意图（单位mm）图2-2椭圆形断面4.4辅助坑道根据兰武二线2.5年贯通右线隧道的工期要求，对于20km的特长隧道采用长隧短打的方法，结合乌鞘岭特长隧道的洞身地形条件，分别在下雨岭沟、上雨岭沟、芨芨沟、石板沟、大直沟、石头沟、偏岔沟等有条件的沟谷设置辅助坑道，一般无轨运输斜井长度控制在2000m左右，纵坡12%以下；有轨运输斜井长度控制在800m以内，纵坡40%左右；竖井深度控制在600m左右，按此原则在前期方案研究阶段做了多种辅助坑道比选，辅助坑道座数从8-14座，按工期分析，当辅助坑道座数少于14座时，很难达到工期目标。根据对煤矿、冶金部门的建井、生产调查，深竖井被广泛应用，其建井速度40-130m/月不等。经研究认为深竖井在目前的技术条件下，能达到建井迅速，快速生产的要求，故进行了14座辅助坑道，其中竖井座数2-8座的各方案组合研究，最后采用设置13座斜井和1座竖井的施工方案（施工中增加1竖1横，共16个施工辅导）,其中9座斜井采用无轨运输，4座斜井采用有轨运输。由于岭脊地段是控制隧道工期的关键，辅助坑道的布置极困难，故各种辅助坑道应先主攻左线平导，使其超前并提前贯通，使该地段通过增加横通道的方法同时开辟多个工作面进行右线隧道的施工，以达到工期目标要求，见图5。辅助坑道断面设计，要考虑运输方式、设备大小、风水电管路布置以及施工安全要求综合确定。对于平行导坑净空按四轨双道，以及台车的进洞等拟定，净空为尺寸4.8×5.75m（宽×高）；对于无轨运输净空按单车道考虑，净空尺寸4.3×5.0m（宽×高）；有轨运输断面净空按四轨双道，采用6m3侧卸式矿车的外形尺寸，以及台车的进洞等拟定，净空为尺寸4.5×4.5m（宽×高）；对于竖井，根据竖井承担施工长度及需要的出碴能力，结合本竖井使用功能，采用混合井模式设计。考虑施工出碴、进料、生产人员上下等因素，采用井筒直径为5.5m，配1.7m3矿车单层单车双罐笼提升井。图5辅助坑道平面布置示意图4.5防、排水本地区最冷月平均气温-11.9℃，隧道地下水以基岩裂隙水为主，在施工方案上隧道两侧设计有多个辅助坑道等特点，除采用双侧高式水沟、衬砌结构普通防水混凝土（P8）、喷混凝土与模筑混凝土之间设EVA防水板等常规措施外，在两端洞口1000m范围衬砌按防冻抗裂设计；两端洞口侧沟设保温水沟和保温出水口；为调剂隧道内因设辅助坑道造成外侧水沟水量较大的特点，在道床底部设计有内外侧水沟之间分流通道，使两条水沟水量大致相等，以达到优化隧道轨下断面尺寸、减少工程量的目的。对富水的各断层破碎带地段，结合施工方案采用地质超前预报探测前方富水情况，当地下水较大或有涌水涌泥预兆时，采用帷幕注浆或超前注浆的办法堵水并加固地层，达到止水防渗的目的。4.6运营通风根据秦岭隧道科研成果，电气化特长隧道运营通风是必要的，有害气体以粉尘、臭氧、氮氧化物等为主。按纵向挤压理论计算，充分利用列车活塞效应，并考虑自然风和高原效应的的影响，在顺风和无风的条件下，左右线隧道利用活塞风换气，可不考虑机械通风；在逆风条件下，须进行机械通风，根据现场自然条件及行车情况确定每天的通风次数及通风时间，每天隧道应换气1～2次。在火灾状态下，隧道内机械风速应大于或等于临界风速（按美国矿业局公式计算V=2.22m/s），以防止热烟气流回流。根据乌鞘岭隧道的施工特点，先后进行了以下运营通风方案的比较：方案一：纵向诱导式通风方式，采用SLFJ-112型射流风机，右线隧道布置在武威南端洞口段，左线隧道布置在兰州端洞口段，采用壁龛式悬挂方案，左右线风机台数均为30台，总功率分别为900kw，本方案维修管理方便，设备费用低，土建费用低（590万），通风机所耗总功率大（1800Kw），运营费用高，图6。图6隧道运营通风方案示意图（方案一）Fig.6Schemeofventilationinserviceperiod(Option1)方案二：左线隧道采用全纵向射流诱导式通风，与方案一左线隧道通风方案完全相同。右线隧道利用三号竖井采用轴流风机及射流风机压出式通风：如图7所示，在三号竖井内设轴流风机向外压风，由于三号竖井距兰州端洞口5.28Km，距武威端洞口14.77Km，兰州端至竖井完成一次换气时间长，武威端至竖井完成一次换气需要时间短，换气时间相差较大，造成风机功率浪费。为此，在隧道武威端设6台SLFJ-112型射流风机，以提高武威端段的风速，加快该端空气向竖井方向流动；在兰州端设6台SLFJ-112射流风机，以降低兰州端段的风速，使竖井两侧隧道排烟换气时间相等，风道口两端风压平衡，最终使所设风机的总功率最小。本方案左线采用纵向全射流通风方案，右线采用轴流加射流利用三号竖井压出式通风方案，其优点主要为：通风机所耗总功率小（1413Kw），运营费用低；其缺点主要为：土建工程造价高（2056万元），另外根据防灾要求，轴流风机反转提供反向风较射流风机较为复杂和困难。图7隧道运营通风方案示意图（方案二）结合防灾、经济、技术比较，建议推荐方案一。4.7施工通风本工程有14座辅助坑道、一座平导（Ⅱ线），特长隧道被分割为多段施工，每一区段长度不超过3.1km，工作面在短期内容易贯通，通风系统的布置须不断变换。采用巷道式通风，通风系统维持时间较短，各工区需相互协调，而且还有可能发生通风系统相互制约的情况，通风系统独立性、稳定性受到破坏。而利用风管对单独一掘进工作面供风，具有通风系统简单、稳定，适合于多单位、多掘进面同时施工。根据隧道施工特点和施工进度安排，将兰州端及武威南端各划分了6个通风阶段，通风阶段在一定时期相对稳定，风机固定、风管对单独的一个工作面送风，进风和回风路线不变。通风阶段的划分以工作面贯通为分界乌鞘岭特长隧道的施工通风主要按长管路独头压入式通风方案设计。兰州端各阶段施工通风见图8。图8施工通风方案示意图五、防灾监控系统乌鞘岭隧道为我国最长的隧道，在确保运营安全的条件下，本着“实用、可靠、经济”的原则进行监控防灾方案的设计。结合铁路隧道的特点，设置以下报警防灾系统：5.1报警系统：由无线列调系统、报警组成。5.2消防系统：重点以客车为消防对象，水灭火系统以隧道进出口消火栓消防、两端车站消火栓消防为主。另外，隧道内配备手推式灭火器。隧道左右线间每隔420m设一条横通道，作为救援、乘客逃逸通道。在横通道口、辅助坑道口设有诱导疏散、应急和指示照明设置。通风系统根据监控中心指令进行火灾排烟。当油罐车发生火灾，不能及时扑灭时，首先控制火势，然后封堵断氧使火灾熄灭。六、地质超前预报和动态设计本隧道采用动态设计，首先利用辅助坑道或平行导坑，采用TSP203和V5大地音频电磁测深等多种手段进行超前地质预测预报及环境判释，掌握隧道前方地质条件，查清工程地质及水文地质条件；再根据超前地质预测预报资料，监控量测资料及科研阶段成果，对预设计文件进行确认、评价；当地质条件与设计不符或异常时，对结构支护体系、施工工艺、施工方法等进行调整和优化，最后完成修正预设计文件。第二章乌鞘岭隧道岭脊地段变形及科研情况乌鞘岭隧道岭脊约7km范围分布由四条区域性大断层组成的宽大“挤压构造带”，地应力情况十分复杂。在岭脊地段埋深较大，岩性复杂，岩质相对较软。隧道施工中，在四条区域大断裂范围内的辅助坑道和正洞，特别在F4和F7断层及影响带、志留系板岩夹千枚岩地层，围岩破碎，洞室自稳能力极差，均发生过较为严重的变形。2004年是乌鞘岭隧道建设极为关键性的一年，在本年发生了F7断层大变形、7号斜井涌水、岭脊段地质条件比原来预计大大恶化且在复杂应力作用下发生了软弱围岩大变形等诸多技术难题，工程形势一度极其艰难，引起了部有关领导的高度重视，多次到现场办公，帮助解决重大方案问题。我院高度重视，对现场动态设计力量进行了加强，全面调动院隧道、地质、工经等相关专业的技术力量，加大设备、技术投入，提高设计文件质量、加快设计文件速度，在建指的领导和部署下，解决了诸多技术难题，保证了施工需要。一、科研内容及目的(一)区域地应力(形态)特点及洞室开挖变形规律研究1、地应力场的形态及特点研究以地应力量测结果为依据，分析复杂地质情况下的岭脊段宏观地应力形态和特点、研究水平主应力方向的统计特征和地应力场的总体特征。对比地应力场的形态规律和隧道的变形规律以及破坏特征，分析研究隧道区地质构造特点与实测应力场的关系。2、洞室开挖后变形规律研究(1)现场的测试及分析分别在F4～F7断层段、越岭深埋段布设15个试验、测试断面，各断面分别测试试验锚杆轴力、围岩压力、支护混凝土应力、钢架应力、二衬接触压力和二衬应力等。(2)现场的变形(位移)监测①洞室空间位移监测岭脊F4～F7断层之间沿隧道横向水平方向、垂直方向的位移变化及其发展规律；岭脊F4～F7断层之间沿隧道纵向水平方向的位移变化及其发展规律。②收敛变形监测结合隧道施工要求，每20m左右设置收敛变形监测断面，每断面分别在拱顶、墙腰及隧道设置变形测点或测线，采用断面仪进行监测。施工前期由施工单位量测，通车后由石家庄铁院进行量测。(3)围岩物理力学指标的现场取样试验及原位测试主要包括岩体抗剪断试验、岩体变形试验；室内试验(岩石)：重度、单轴抗压强度、变形模量、泊松比。确定岩体(石)的重度、弹性抗力系数、变形模量、泊比、内摩擦角、粘聚力、侧压力系数、抗压强度。(二)大变形地段变形控制技术研究1、支护结构体系研究(1)衬砌结构合理断面形式研究结合各试验段的设置，以设计断面为基础，分别拟定不同的优化断面形式，通过理论分析、结构检算并结合试验段的实际监测，优化设计断面，研究适合复杂地应力条件下的结构合理断面形式。(2)不同阶段、不同地段支护参数研究结合各试验段，对上述不同断面形式选择不同的预留变形量、不同的结构尺寸，不同的衬砌厚度、不同的支护参数，通过实际监测和结构的正反分析，确定在复杂地应力条件下的合理支护参数。(3)支护结构及参数优化研究根据设计断面进行结构受力分析及参数优化；隧道结构的稳定性分析。(4)群洞稳定性分析研究含F7(四管)、8号斜井工区(三管)及部分辅助坑道交叉口处。2、不同地段、不同岩性变形控制基准的研究(1)动态管理信息系统开发研究(2)支护结构位移反分析(3)隧道极限位移的计算模拟及确定根据隧道埋深、原始地应力、围岩基本物理力学指标、断面形式、支护参数、施工方法等原始资料，采用收敛—约束弹塑性模型、计算仿真围岩应力释放过程，依据支护极限状态，确定洞室的极限位移模拟值，并根据实测位移综合确定复杂应力状态下大变形隧道位移极限值。(4)变形控制基准研究根据复杂应力状态下大变形隧道的位移极限值、变形规律、隧道支护与衬砌结构形式，施工安全和结构安全度需求，分别确定支护结构位移管理标准和二衬结构施作时机。3、支护结构系统安全性综合评定综合确定在较高地应力条件下衬砌结构形式及设计支护参数、确定合理的施工步序和方法，验证高地应力条件下软质围岩衬砌结构设计断面，并对结构运营安全、可靠度提出评价。(三)控制变形的快速施工方法及工艺研究1、支护系统施工及工艺2、长锚杆的快速施工及工艺(配套机具)3、开挖方法、步序及快速封闭仰拱工艺4、大变形的控制及快速施工工艺研究二、主要研究结论（一）F4断层破碎带F4断层破碎带位于乌鞘岭岭南地段，长450m，其中断层主带长200m，本段埋深约440m。在F4断层主带和影响带进行现场测试，分别测试锚杆轴力、初支围岩压力、初支混凝土应力、初支钢架应力、二衬接触压力及二衬混凝土应力。经测试分析，主要得出以下结论：1、进行了系统的洞室位移，锚杆、支护压力与应力、衬砌压力与应力的长期测试：（1）区段洞室变形(收敛)为小于300mm占80％，收敛速率小于2mm/d占78％，支护、衬砌未观察到开裂或破损。（2）松弛区范围1.5～3.0m左右，锚杆长度合理。（3）在F4断层带初期支护围岩压力为0.13~0.37MPa，介于规范Ⅴ~Ⅵ级围岩荷载(0.2~0.4MPa)之间，实测围岩压力和二衬接触压力已基本趋于稳定。平均侧压力系数为0.704，二次衬砌接触压力占围岩压力的比例为30.4%，各应力基本趋于稳定。2、分别按规范荷载(考虑地应力影响)、位移反分析成果和实测围岩荷载的结构安全性检算，结构安全度满足规范要求。综合分析：在F4断层带中设计的衬砌结构是安全的，结构的安全度满足规范要求。（二）岭脊志留系千枚岩地层区段试验研究1、设计、施工简况本段埋深450～1050m，由于志留系千枚岩地层受F7断层影响大，处于岭脊几条大挤压构造带中间，地应力状态十分复杂,加之千枚岩岩质软弱，进入正洞施工后，隧道开挖后变形大，在以千枚岩为主的地层中收敛变形达500～700mm，日变形速率高(40～80mm/d)，为有效控制变形，确保结构、运营安全，并为下一步设计和施工提供依据，曾进行了100m的试验段，拟定三种支护参数进行研究比较，本试验段由于塌方等原因，未能形成有效试验段。2004年8月2日，建设司召开专题会议，重新选择了试验段，对初期支护、衬砌进行试验，试验支护参数表3－1。9号斜井工区结构试验段支护参数表表3－1断面初期支护钢架预留变形量cm二次衬砌(钢砼)cm里程范围湿喷混凝土cm锚管φ32mm花管钢筋网长度m间距m位置第一段25钢钎维锚管拱4m墙6m柔性锚杆长6m，4根/榀0.8拱墙双层钢筋网H1753榀/2m35～5550YDK175+220～+232YDK175+440～+458第二段25钢钎维锚管拱4m墙6m柔性锚杆长6m，4根/榀0.8拱部单层钢筋网H1751榀/0.8m3550YDK175+220～+208YDK175+458～+467第三段25钢钎维锚管拱4m墙6m0.8拱部单层钢筋网I201榀/0.8m2550YDK175+208～+196第四段25补强10锚管拱4m墙6m0.8拱墙单层I201榀/0.8m2550YDK175+467～+476注：H175钢架：40.3kg/m，Ix=2900，Iy=984；I20a钢架：27.9kg/m，Ix=2370，Iy=158。衬砌断面如图3－2所示。图3－2岭脊地段典型断面2、现场测试根据试验方案，按千枚岩含量的多少选择试验段。在板岩为主和以千枚岩为主地段各选择三个试验段进行研究，采用的主要方法有：二次衬砌混凝土应力量测、围岩与初期支护间的压力、初期支护应力、初期支护钢架应力、初期支护与二次衬砌之间的压力、锚杆轴力、收敛量测、裂纹监测等内容。（1）收敛量测收敛测试典型曲线如图所示，图3－3为以板岩为主和以千枚岩为主的典型收敛量测曲线比较图。图3-3断面拱脚水平收敛时间曲线从图可以看出，当围岩以板岩为主时，收敛变形小于200mm，但当围岩以千枚岩为主时，收敛变形达500mm左右。3、结构分析断面为椭圆形，初期支护厚25cm，二次衬砌为50cm钢筋混凝土结构。（1）按规范荷载(考虑高地应力影响)检算结果1）对以板岩为主的地层，围岩的单轴抗压强度高，结合现场测试成果和围岩情况，经工程类比和按Ⅴ级围岩进行结构检算，初期支护和二次衬砌(40cm厚素混凝土)安全系数均满足规范要求。2）对以千枚岩为主的地层，考虑高地应力因素，按Ⅵ级围岩进行结构检算(二次衬砌50cm厚钢筋混凝土)。考虑高地应力因素，采用了实测的围岩力学参数，按Ⅵ级围岩检算结果，计算的各断面最不利截面配筋仅需按构造配筋1000mm2，实际设计配筋量为1900mm2；最不利截面的安全系数为4.16，满足规范要求(规范安全系数为2.0)。（2）按位移反分析成果检算结果分别按照“典型类比分析法－围岩稳定性分析软件包BMP2000”、“有限元位移正反分析法”和“位移联图反分析法”三种方法，进行了位移反分析。并根据各自反分析的围岩弹性模量和地应力成果进行了结构分析，表明初期支护与二次衬砌提供的支护抗力大于保持围岩稳定所需要提供的支护抗力，二次衬砌最不利截面安全系数大于规范规定要求，结构安全。（3）按实测围岩压力、接触压力荷载检算结果检算结果如下：初期支护各断面最不利截面安全系数大于1.71，满足施工安全度要求。二次衬砌各断面最不利截面在计算配筋仅需按构造配筋1000mm2，小于设计配筋1900mm2；各断面最不利截面安全系数为6.46，满足规范要求(规范安全系数为2.0)。（4）安全性评价通过规范荷载(考虑高地应力影响)、位移反分析成果和实测荷载的结构安全性分析，初期支护和二次衬砌结构安全系数满足规范要求。4、结论（1）在板岩为主的区段中，支护收敛变形可在200mm以内，支护与二次衬砌结构完整，未观察到裂缝及破损；在千枚岩为主的区段，支护收敛变形在500～700mm，采用试验段参数后未发现二次衬砌开裂及异常变形。目前变形呈收敛趋势。（2）锚杆轴力测试和松动圈测试表明，围岩松动圈厚2.1～3.4m，设计锚杆长度和间距可以满足要求。（3）根据测试，最大初支混凝土应力为10.57MPa，最大钢架应力为171.6MPa，未超过材料的极限强度，各应力渐趋稳定。岭脊志留系千枚岩地层区段实测围岩压力为0.18~0.37MPa，介于Ⅴ~Ⅵ级围岩规范荷载之间，实测平均侧压力系数0.640，二衬接触压力占围岩压力比例为26.7%。（4）通过规范荷载、反分析成果和实测荷载的结构安全性分析，各设计试验段结构安全度满足规范要求。（5）通过试验研究，在千枚岩为主的地层中，变形控制的原则为：弱爆破、强支护、早封闭、勤量测，及时衬砌。施工方法上采用短台阶法开挖，台阶长度控制在5m以内，仰拱与下部掌子面的距离控制在15m以内。（7）通过试验研究，在志留系地层，应根据千枚岩含量确定初支参数；由于地应力情况复杂，二次衬砌施作前的变形呈收敛趋势，但仍有数毫米的量值，因此应对二次衬砌适当加强，建议推荐支护参数如表3-6。推荐支护参数表表3-6地质情况初期支护钢架预留变形量cm二次衬砌附注湿喷砼cm锚杆(管)钢筋网长度m间距m位置千枚岩为主、板岩千枚岩互层25φ32mm锚管拱4m墙6m0.8拱墙H1751榀/0.8m3550cm钢砼埋深600m以下地段采用φ22mm锚杆板岩为主25φ22mm锚杆拱4m墙6m1．0拱墙H175或I201榀/m2550cm钢砼（三）F7断层区段试验研究1、科研情况概述乌鞘岭隧道F7断层带宽820m左右，左右线设计起讫里程为：左线DK177+050～+867；右线YDK177+025～+852。其中两端340m左右为断层影响带，中间480m为断层主带。（1）地质情况简述F7断层产状为N70°～80°E/70°S，前期为逆断层，后期表现为左旋逆走滑断层，与线路交角约53°。F7断层属压性断层，破碎带由泥砾及碎裂岩组成，破碎带物质挤压紧密，地应力条件十分复杂。2004年4月18日，铁道部工程管理中心邀请有关专家论证意见指出，“F7断层属于压性断层，破碎带物质以白垩系、三叠系的泥(页)岩、砂岩和志留系的板岩、千枚岩为主，挤压紧密、岩质软弱、破碎，在无水条件下有一定的自稳性，再加上断层带以泥砾为主，属高地应力地段，因此，从力学性质看，F7断层破碎带的大变形应属于深埋(约450m)条件下的挤压性变形。也就是说，深埋、挤入、松弛产生了大变形。故应采取控制隧道周边围岩的变形和释放深埋条件下的围岩挤入的技术措施予以解决”。（2）设计施工情况断层地段的隧道断面设计为原形，初期支护厚度20cm，R32N自进式锚杆，长4m,3榀/2m的I16型钢钢架，二次衬砌结构为50cm厚的钢筋混凝土结构。由于2004年4月发生较严重变形，初期支护破坏范围段落较长，为此对结构重新进行加强，采用双层初期支护，并加大预留变形量，达到对围岩高地应力边支边让，先让后抗的目的。二次衬砌采用80cm厚的钢筋混凝土结构。两管隧道均采用台阶法施工，2004年4月中旬以前施工，左线隧道台阶长61m，掌子面与衬砌间的距离为171m；右线隧道台阶长34m，掌子面与衬砌间的距离为164m。两管隧道台阶太长，衬砌滞后过长。(3)隧道变形情况左线隧道在2004年3月初发现初期支护变形速率有加剧趋势，初期支护出现掉块、开裂，破坏。2004年4月5日，由10号斜井承担施工的左线隧道F7断层DK177+571～DK177+581段发生塌方，DK177+409～DK177+571段162m出现较大变形；11号斜井施工的右线隧道在2004年3月下旬开挖下半断面和仰拱时发现变形速率加快，变形加大，YDK177+440～YDK177+690段已不同程度的侵入二次衬砌