1、不良地质条件隧道施工,主讲人仇文革 教授2010年7月,不良地质种类及施工一般原则 富水断层破碎围岩、膨胀性和挤压性围岩、岩溶地质、高地应力硬岩地质（岩爆） 隧道施工坍方的处理措施,主要内容,不良地质中隧道施工的一般原则： 充分利用各种手段和方法，尽可能准确掌握不良地质的情况； 根据掌握的不良地质情况，制定相应的施工方案和处理措施 ； 随着施工揭露地质，并根据施工安全性和支护措施的效果，及时修正设计，保证施工安全和隧道质量。,不良地质条件施工一般原则,在隧道施工中，往往会遇到断层破碎带、富水软岩及大量涌水地段，这些地段往往不是单独出现，不少情况是同时存在的。因此三者之间既有联系，又各有特点，其
2、施工措施也是既有共性，又各有侧重。,富水断层破碎围岩概况,断层破碎带是常见的不良地质段，断层带内岩体破碎，呈块石、破碎或角砾状，甚至呈断层泥，岩体强度低，围岩自稳能力差，施工困难。其施工难度取决于断层的性质、断层破碎带的宽度、填充物、含水性和断层本身的活动性以及隧道轴线和断层构造线方向的组合关系等因素。,富水断层破碎围岩概况,（一）断层破碎带,隧道轴线接近于垂直构造线方向时，断层规模较小，破碎带不宽，且含水量较小时，条件比较有利可随挖随撑。当隧道轴线斜交或者平行于构造方向时，则隧道穿过破碎带的长度增大，施工难度大。见下页图。,富水断层破碎围岩概况,（一）断层破碎带,富水断层破碎围岩概况,（一）
3、断层破碎带,隧道中线与断层带的位置,富水软岩是指各类土质、软岩、极严重的风化的各种岩层、极软弱破碎的断层带以及堆积、坡积层，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。施工难度极大，俗称“烂洞子”。,富水断层破碎围岩概况,（二）富水软岩,大量涌水也是常见的不良地质现象。在雨量充沛和地下水丰富的地区，隧道穿过断层破碎带、裂隙密集带、不同岩层接触带或岩溶发育地段时，施工中往往会发生地下水和承压水大量涌出的现象。典型隧道：渝怀线圆梁山隧道、兰武线乌鞘岭隧道。,富水断层破碎围岩概况,（三）大量涌水,富水断层破碎围岩概况,（三）大量涌水,乌鞘岭隧道7号斜井洞内涌水,对于富水软弱破碎围岩隧道，
4、设计一般根据地表探测和少量的地质钻孔，来推断地下深处的隧道地质条件，往往与实际地质条件存在差异。因此，准确预报施工掌子面前方的地质条件就非常必要，应把地质超前预报作为一个工序纳入生产过程。,富水断层破碎围岩施工,（一）超前地质预报,地质预报方法主要有：钻孔超前探测；超前地质导坑；地震波、声波、地质雷达等物理探测。,富水断层破碎围岩施工,（一）超前地质预报,重点预报内容：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。,富水断层破碎围岩施工,（一）超前地质预报,地下水处理原则：以堵截为主，排引为辅。 堵截地下水方法：一类是整个富水段注浆止水，加固围
5、岩，相当于提高围岩等级；如深孔劈裂、挤压注浆。一类沿隧道开挖轮廓线以外进行环形注浆，形成止水帷幕，防止或减少地下水进入开挖面；如浅孔注浆、管棚注浆、小导管注浆等。 排水辅助措施：导坑、钻孔；目的是排水降压。,富水断层破碎围岩施工,（二）注浆堵水并加固围岩,虽地层经注浆加固，为确保施工安全，一般在开挖前采用超前支护，如超前锚杆、超前小导管等； 地下水较大的隧道，开挖前采取排水降压措施，排水主要采用钻孔，钻孔深度应超出注浆范围。,富水断层破碎围岩施工,（三）开挖及支护,开挖方法视围岩稳定情况，有：台阶法、正台阶预留核心土开挖法、双侧壁导坑法。 开挖手段有两种：一是非爆破开挖，如十字镐、风镐或小型挖
6、装机开挖；二是控制爆破，如松动爆破、微振动爆破。目的是尽可能减少开挖对围岩的扰动。,富水断层破碎围岩施工,（三）开挖及支护,概 念：膨胀岩是指土中粘土矿物成分主要由亲水性矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性且具有湿胀干缩往复变形的高塑性粘性土。决定膨胀性的亲水矿物质主要是蒙脱石粘土矿物。,膨胀岩及其对隧道施工的影响,（一）膨胀岩概念,膨胀岩判别标准：一是间接反应岩石膨胀指标；二是定量反应岩石膨胀力学指标。,膨胀岩和挤压性围岩,（一）膨胀岩概念,膨胀岩分级：按膨胀性的大小进行分级。,膨胀岩和挤压性围岩,（一）膨胀岩概念,由于膨胀性岩层所具有的特征，在隧道开挖后不久即产生膨胀性
7、压力，往往发生如下一些现象：风化迅速，挖出的土石块很快酥散；坑道顶部及两侧常被挤压，底部隆起；随着时间的增长，支撑、衬砌往往发生严重的变形或破坏。,膨胀岩和挤压性围岩,（二）膨胀岩对隧道施工的危害,围岩普遍开裂 洞室下沉 围岩膨胀突出和坍塌 隧道底部隆起 衬砌变形和破坏,膨胀岩和挤压性围岩,（二）膨胀岩对隧道施工的危害,挤压性围岩是高地应力作用下的软岩。挤压性软弱围岩在高地应力作用下发生挤压大变形及破坏的特征不仅受围岩本身力学性质的影响，还与初始应力场状况及工程因素有关 。,挤压性围岩,（一）概念,变形量大 变形速率快 变形持续时间长,挤压性围岩,（二）挤压性围岩隧道变形特征,认真实施设计文件
8、提出的技术要求 对围岩压力及变形情况认真量测，分析其规律 探明地下水分布规律，确定水对施工的影响 根据现场情况，采取相应的施工措施，实施动态管理。,膨胀岩和挤压性围岩隧道施工,（一）加强调查，量测围岩的压力和流变特性,尽量减少对围岩扰动和防止水的浸湿为原则 宜采用非爆破开挖，如风镐、小型挖装机 尽可能缩短围岩暴露时间，及时支护 开挖方法宜不分部或少分部,膨胀岩和挤压性围岩隧道施工,（二）合理选择施工方法,开挖后及时喷射混凝土，封闭和支护围岩 有地下水渗流隧道，采取切断水源并加强洞壁与坑道防、排水措施，防止施工积水对围岩浸湿 局部渗流，可采用注浆堵水阻止地下水,膨胀岩和挤压性围岩隧道施工,（三）
9、防止围岩湿度变化,喷锚支护，稳定围岩。 衬砌结构及早封闭。,膨胀岩和挤压性围岩隧道施工,（四）合理进行围岩支护,我国是碳酸盐分布极广泛的国家，覆盖及出露的碳酸盐总面积约占我国领土面积的1/5。在岩溶地质地区形成的各种溶蚀形式中，对隧道工程影响严重的主要是溶洞和暗河。介绍岩溶地质最常见的溶蚀形式和对隧道工程影响最严重的溶洞问题。,岩溶地质,溶洞（karst cave ）是以岩溶水的溶蚀作用为主，间有潜蚀和机械塌陷作用而造成的基本沿水平方向延伸的通道。 溶洞一般有死、活、干、湿、大、小几种。死、干、小的溶洞比较容易处理，而活、湿、大的溶洞处理方法则较为复杂。,溶洞的类型及对隧道施工的影响,（一）溶
10、洞的类型,当隧道穿过可溶性岩层时，有的溶洞岩质破碎，容易发生坍塌； 有的溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，隧道基底难于处理； 有时遇到大的水囊或暗河，岩溶水或泥沙夹水大量涌入隧道。,溶洞的类型及对隧道施工的影响,（二）溶洞对隧道施工的影响,有时遇到填满饱含水分的充填物溶槽，坑道掘进至边缘时，充填物不断涌入坑道，难以遏止，甚至地表开裂下沉，山体压力剧增；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。,溶洞的类型及对隧道施工的影响,（二）溶洞对隧道施工的影响,渝怀铁路板桃隧道,岩溶对隧道工程的影响主要有四个方面： 洞害 水害 洞顶地表沉陷 洞穴充填物及坍塌,溶洞的类型及对隧道施工的
11、影响,（二）溶洞对隧道施工的影响,隧道在溶洞地段施工时，应根据设计文件有关资料及现场实际情况，查明溶洞分布范围、类型情况（如大小、有无水，溶洞是否在发育中，以及其充填物）、岩层的稳定程度和地下水流情况（有无长期不计来源、雨季水量有无增长）等，分别以引、堵、越、绕等措施进行处理。,隧道遇到岩溶的处理措施,当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的关系后，用暗管、涵洞、小桥等设施，宣泄水流或开凿泄水洞，将水排出洞外 。,隧道遇到岩溶的处理措施,（一）引排水,当水流的位置在隧道上部或高于隧道时，应在适当的距离外，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引排 。,隧
12、道遇到岩溶的处理措施,（一）引排水,对已停止发育、跨径较小、无水的溶洞，可根据其与隧道的相交位置及其填充情况，采用混凝土、浆砌片石、或干砌片石予以回填封闭，根据地质情况决定是否需要加深边墙基础。,隧道遇到岩溶的处理措施,（二）堵填,隧道遇到岩溶的处理措施,（二）堵填,溶洞位于隧道底部,隧道遇到岩溶的处理措施,（二）堵填,溶洞位于隧道侧面,隧道遇到岩溶的处理措施,（二）堵填,溶洞贯穿整个隧道,当隧道拱部有空溶洞时，可视溶洞的岩石破碎程度在溶洞顶部采用锚杆或喷锚网加固，必要时可考虑注浆加固并加设隧道护拱及对拱顶进行回填处理。,隧道遇到岩溶的处理措施,（二）堵填,隧道遇到岩溶的处理措施,（二）堵填,
13、喷锚加固与浆砌（混凝土）护拱,当溶洞较大、较深，可采用梁、拱跨越。但梁端或拱座应置于稳固可靠的基石上，必要时用圬工加固。隧道在不同部位遇到溶洞采取不同的跨越措施。,隧道遇到岩溶的处理措施,（三）跨越,当隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞，可加深该侧的边墙基础通过。,隧道遇到岩溶的处理措施,（三）跨越,加深边墙基础,当隧道底部遇有较大溶洞并无流水时，可在隧道底下砌筑浆砌片石支墙，支承隧道结构，并在支墙内套设涵管引排溶洞水。,隧道遇到岩溶的处理措施,（三）跨越,支墙内套设涵管,当隧道边墙部位遇到较大、较深的溶洞，不宜加深边墙基础时，可在边墙部位或在隧道底以下筑拱通过。,隧道遇到岩溶的处理措施,（三）跨越
14、,筑拱跨过,当隧道中部及底部遇有深狭的溶洞时，可加强两边墙基础，并根据情况设置桥台架梁通过。,隧道遇到岩溶的处理措施,（三）跨越,架梁跨过,溶洞上大下小，且有部分填充物时，可将隧道顶部的充填物清除，然后在隧道底部标高以下设置钢筋混凝土横梁及纵梁，横梁两端嵌入岩层。,隧道遇到岩溶的处理措施,（三）跨越,钢筋混凝土横梁及纵梁,在岩溶区施工，个别溶洞处理耗时且困难时，可采取迂回导坑绕过溶洞，继续进行隧道施工，并同时处理溶洞，以节省时间，加快施工进度。绕行开挖时，应防止洞壁失稳。,隧道遇到岩溶的处理措施,（四）绕行施工,隧道遇到岩溶的处理措施,（四）绕行施工,武广客专海棠隧道,埋深较深的隧道工程，在高
15、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，这种现象称之为岩爆。,岩爆及其防治措施,（一）岩爆的概念,常见的岩爆以顶部或拱腰部位为多。图中阴影部分表示即将暴落的岩片，断续线条代表岩片在脱落之前岩体产生的裂缝。 “A”“B”，表示即将暴落的岩块。,岩爆及其防治措施,（一）岩爆的概念,岩爆在未发生前并无明显的预兆。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。岩爆发生的地点，多在新开挖工作面及其附近，个别的也有距新开挖面较远处。,岩爆及其防治措施,（二）岩爆的特
16、点,地层的岩性条件和地应力大小是产生岩爆与否的两个决定性因素。能量的观点：岩爆的形成过程是岩体中的能量从储存在释放直到最终使岩体破坏而脱离母岩的过程。岩爆是否发生的条件：岩体中是否储存足够能量、是否具有释放能量的条件、及能量释放的方式。,岩爆及其防治措施,（三）岩爆产生的条件,防止岩爆的措施： 一、强化围岩。如喷射混凝土、锚杆加固、喷锚支护、钢支撑网喷联合、紧跟衬砌混凝土。 二、弱化围岩。如注水、超前预裂爆破、排孔法、切缝法。,岩爆及其防治措施,（四）岩爆防治的措施,地质因素，如不良地质及水文条件等； 设计、施工方法和措施不当。,坍方产生的原因及征兆,（一）发生坍方的原因,量测信息反映的围岩变
17、形量及变形速度超过允许值 喷射混凝土产生纵横向的裂纹或龟裂 在坑顶或坑壁发现不断掉块、或支撑构件间隙不断漏出砂、石屑,坍方产生的原因及征兆,（二）坍方前的征兆,岩层的层理、节理缝或裂隙变大张开 支撑梁、柱变形或折断，楔子压扁压劈，填塞木压弯折断,坍方产生的原因及征兆,（二）坍方前的征兆,选择安全合理的施工方法和措施。在掘进到地质不良地段，应采用“先排水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤量测” 的施工方法； 加强初期支护，控制坍方。,预防坍方的施工措施,加强对坍方的预测。预测坍方的方法: 观察法 一般量测法 微地震学测量法和声学测量法,预防坍方的施工措施,隧道坍方的处理措施,（一）一般处理坍方的步骤,隧道坍方的处理措施,（二）处理坍方常用的支护方式,喷锚处理 构件支撑处理,隧道坍方的处理措施,（三）衬砌措施与回填方法,随着坍渣的逐渐清除，衬砌施工逐段推进，快速成环。 在处理坍方中有继续坍塌的可能时，可在坍方范围内选择适当的位置做坍体护拱，掩护施工。 坍体回填应密实，稳固。,
