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岩土研究院

岩土施工中地质不良有哪些常见防治措施

389 2020-11-30 14:24:52

隧道在施工过程中多会碰见各种不利于隧道工程的不良地质环境,今天大家一起来学习一下在遇到富水断层破碎围岩、膨胀性和挤压性围岩以及黄土地质这三个不良地质段时候的各种防治措施。



一、不良特殊地址地段概述

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。

(二)特殊地质地段:

特殊地质地段是指膨胀岩地层、断层破碎带、软弱黄土地层、含水未固结围岩、溶洞、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:

1、土石坍塌 


2、隧道支撑严重变形


3、衬砌结构断裂

三、不良和特殊地质地段隧道工程的一般规定:

1、制定完整预案,做好技术、物资、机械储备

2、制定地质预测、预报方案

3、根据预报结果及时调整施工方案

4、必须加强量测工作,并及时反馈量测结果

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:

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。

施工以“先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤量测、稳步前进”为指导原则。

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够的支护能力时,应及早装设钢拱架支撑加强支护。

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。

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。

7.遇有松散、自稳差的围岩掘进时注意事项

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。

8.衬砌出现开裂或下沉时注意事项

当拱脚、墙基松软时,灌筑混凝土前应采取措施加固基底。


二、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、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。

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 :

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。


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,地下水活动情况等。 

3.预报方式

①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。

②中期预报

岩石微观构造研究

工程地质类比

地震反射波法(TSP原理、TSP现场)

地质雷达法

瞬变电磁法

长距离地质超前钻孔

③短期预报

利用超前炮孔预报

掌子面超前地质钻孔预报

(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

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挖轮廓线以外进行环形注浆,形成止水帐幕,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 

马鹿箐隧道突水


齐岳山隧道高压水

(三) 开挖及支护

开挖施工要求:

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0.5~1.0m

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。

支护施工要求:

根据量测结果及时调整支护参数 

衬砌施工要求:

根据量测结果确定施作时机

仰拱必须及早施作,形成封闭结构 

三、工程实例——京九线岐岭隧道 

1、工程概况

进口280m主要通过中粗粒黑云母花岗岩体。由于侵入体古老,受历次构造运动影响,岩体破碎;岩石中石英较少,长石含量居多,风化年代久远,深度达30~50m,为极严重风化花岗岩,属特软岩。遇地下水,易产生潜蚀而破坏原岩结构,呈流塑状,自稳能力极低,开挖扰动后极易液化,呈泥浆状涌出。


2、初期施工情况 

岐岭隧道自1993年4月至1994年1月,9个月完成42m(其中含明洞33m),平均月成洞4.7m,按总体施工计划安排和当时的施工进度估算,工期将被迫延长一年左右。

因此,问题非常突出,引起了部领导和各部门极大重视与关注,被喻为京九线“天字第一号工点。

3、地质原因分析:

围岩自稳及自承能力极差、富水

4、施工方案

桩柱法

双侧壁导坑法:


5、具体施工方法

(1)综合排水技术

封堵疏排地表水,杜绝地表水和降水的补给:截水沟、地表混凝土封闭

平导与泄水洞截、排水

深井点降水

洞内降排水:负压抽水、开挖中的疏排水


(二)支护体系设计与施工

超前预加固:侧壁导坑、泄水洞及平导、上弧导

初期支护

二次衬砌:第一次60cm、第二次30cm

深孔长套管劈裂注浆

注浆方法:分段长套管前进式注浆、挤压注浆、渗透注浆

注浆材料:水泥—水玻璃双浆液

注浆施工:拱部大管棚注浆施工、突水涌泥段注浆施工、极软致密原状地层中的注浆施工

6、施工效果

提前1.5个月贯通


三、膨胀性和挤压性围岩

一、基本概念

膨胀岩

矿物成分:亲水性矿物,蒙托石、伊利石

特性:吸水膨胀软化,失水收缩硬裂

挤压性围岩

强度低,在高地应力作用下产生“剪胀”

二、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

(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

三、膨胀性围岩对隧道施工的危害

围岩普遍开裂

坑道下沉

围岩膨胀突出和坍塌

隧道底部隆起

衬砌严重变形和破坏

四、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。

2.高地应力挤压性围岩的变形特点  

变形量大 

最大变形可达数10cm至100cm以上。家竹箐隧道初期支护周边位移曾达210cm,一般80~100cm,拱顶下沉60~80cm,隧道隆起80cm。堡子梁隧道排架下沉120cm,边墙向下挤进30~40cm。关角隧道底鼓约100cm,边墙向内挤很大。乌鞘岭隧道岭脊段最大水平收敛达1209mm,最大拱顶下沉367mm。平均累计变形按F4、志留系板岩夹千枚岩、F7几区段分别为90~120mm、200~400mm、150~550mm。

变形速度高 

家竹箐隧道初期支护变形速度达3~4cm/d。奥地利的陶恩隧道最大变形速度高达20cm/d,一般也达5~10cm/d。乌鞘岭隧道岭脊段变形量测开始阶段变形速率最高达167mm/d,最大变形速率按F4、F5、志留系板岩夹千枚岩、F7几区段分别可达73mm/d、143 mm/d、165mm/d、167mm/d。

变形持续时间长 

由于软弱围岩具有较高的流变性质和低强度,开挖后应力重分布的持续时间长。变形的收敛持续时间也较长。短者数十天,长者数百天,一般也需百多天。家竹箐隧道收敛时间在百天以上。日本惠那山隧道时间大于300天,阿尔贝格隧道收敛时间为100~150d。乌鞘岭隧道大变形区段变形持续时间达120d,一般要40~50d。

支护破坏形式多样

喷层开裂、剥落;型钢拱架或格栅发生扭曲;底部隆起;支护侵限;衬砌严重开裂等。

围岩破坏范围大

高地应力使坑道周边围岩的塑性区增加,破坏范围增大。特别是支护不及时或结构刚度、强度不当时围岩破坏范围可达5倍洞径。

五、挤压性围岩的隧道设计理念  

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.柔性结构设计

(1)先行导坑法 

(2)多重支护方法  

(3)可缩式支护方法  

(4)分阶段综合控制法  

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   

六、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   

(1)喷锚支护,稳定围岩    

(2)衬砌结构及早闭合    

5.适时衬砌控制变形    

典型的大变形隧道 

奥地利的陶恩隧道

阿尔贝格隧道

日本的惠那山隧道

我国的家竹箐隧道

七、工程实例——乌鞘岭隧道 :

(1)工程概况

兰州至武威段。该线东起兰州站,经河口南、永登至打柴沟,翻越乌鞘岭至武威南站,全长二百九十八公里,随着西部大开发客货运输量的急剧增加,目前的单线能力远远不能满足需求,只能靠增建二线铁路来解决。 


设计为两座单线隧道,隧道长20050m,隧道出口段线路位于半径为1200m的曲线上,右、左缓和曲线伸入隧道分别为68.84m及127.29m,隧道其余地段均位于直线上,线间距40m,两隧道线路纵坡相同,主要为11‰的单面下坡,右线隧道较 左线隧道高0.56~0.73m,洞身最大埋深1100m左右。隧道左、右线均采用钻爆法施工,右线隧道先期开通。隧道辅助坑道共计15座,其中斜井13 座,竖井1座,横洞1座。

(2)工程特点

地质构造发育

地应力高、分布复杂

围岩软弱,开挖变形量显著

围岩流变性能显著

隧道规模大,工期紧,任务重

施工环境复杂,工程质量要求高 

(3)施工变形情况

左线隧道最大拱顶下沉1053mm(DK177+495),一般在500~600mm左右,平均下沉30~35mm/d;

右线隧道最大拱顶下沉227mm(YDK177+610),一般在100~200mm左右。

左线隧道内轨上1.5m收敛值最大1034mm(DK177+590),一般为700mm左右,拱脚最大978mm,一般为300~700mm

右线隧道内轨上4m收敛值最大548mm(YDK177+590),一般为300~400mm左右。

(4)设计情况:

  

(5)施工方案:

适合大型设备快速施工要求的台阶法开挖技术:


超前注浆小导管围岩加固技术

系统中长锚杆(管)围岩加固技术

拱脚小直径锚索加固技术

多重支护、分次施作技术

提高二次衬砌刚度、适时施作二次衬砌技术

活动性断层带隧道结构处理技术   


四、黄土地质

一、黄土分类及对隧道工程的影响

(一)黄土分类

按形成年代分为:

老黄土

新黄土

按塑性指数(Ip)的大小可分为:

黄土质粘砂土(1<I p≤7)

黄土质砂粘土(7<Ip≤17)

黄土质粘土(17<Ip)


(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,而覆盖较薄或偏压很大的情况下,容易发生较大的坍塌或滑坡现象。

(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。

(4)水对黄土隧道施工的影响

湿陷性

运输困难

二、黄土隧道施工的注意事顶

(1)黄土隧道的施工应采用机械挖掘,不宜采用钻爆法施工。

(2)开挖方法宜采用短台阶法或分部开挖法(留核心法),初期支护应紧跟开挖面施作。

(3)施工时特别注意拱脚与墙脚处断面,如超挖过大,应用浆砌片石回填。如发现该处土体承载力不够,应立即采取喷混凝土或采取其它措施进行加固。

黄土隧道软弱地基处理的方法比较多,施工中根据实际情况选择。

(4)避免黄土围岩开挖后暴露时间过长,围岩周壁风化至内部,围岩体松弛加快,进而发生坍方。

(5)做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程,并妥善处理好陷穴、裂缝,以免地面积水浸蚀洞体周围,造成土体坍塌。

(6)喷射混凝土时喷射机的压力一般不宜超过0.2MPa。

(7)锚杆施工宜采用煤矿干钻成孔。