《隧道塌方的预防》word版.doc

隧道塌方的预防1引言隧道属于地下工程，是典型的地质工程，地质条件存在不确定性。在施工过程中岩石既是成洞开挖的对象，开挖后又是支护对象，岩石在开挖后，原有的岩体结构和受力平衡被破坏，岩体在自重的作用下，应力重新分布，构成新的受力平衡体系，因此准确掌握地质情况，充分了解围岩的性质和围岩的自稳能力，以采取合理有效的开挖方法和支护措施，不仅能有效预防隧道塌方的发生，还能保障工程施工安全、工期和节省工程投入，本文就塌方产生的原因和一些基本的预防作简要的阐述。2塌方产生的原因2.1设计的失误隧道在设计时，由于业主担心勘察费用过高或勘察设备方法的简陋，对隧道所在区的地质情况了解不清，地质资料不详细，对可能遭遇断层、富水、岩爆、瓦斯情况估计不足，对可能遭遇塌方以及产生塌方后的处理缺乏思想准备和相应的技术措施，以及工期安排不合理，盲目追求进度，对不稳定围岩没有进行有效合理的支护；另可能为减少工程投入，安全支护参数过小，未能取到支护稳定围岩的作用，而最终导致较大塌方的发生。2.2客观地质原因由于地质条件的复杂多变，地下工程难免会通过褶皱构造、断层、节理裂隙发育地带，或由于围岩本身不稳定和已切割成碎块而强度低，结构松散，节理面有泥质物及岩屑充填，并且支护的不及时而暴露时间过长，导致围岩风化严重，或因通过断层，突然遇到较高水压富水洞段，地下水向洞室内漏出，淘空了断层构造带中破碎岩体和充填物时，以及由于岩层产状不利或因岩爆等诸多地质原因而产生不同程度的塌方。几种常见地质条件引起塌方示意图如下：2.3人为因素在施工过程中由于施工人员对地下工程所通过的地质情况不了解，忽视围岩细微变形，对围岩自稳能力作过高的估计，造成思想上的麻痹大意，抱着盲目乐观和侥幸心理，对不良地质洞段没有采取合理的开挖方法，支护不及时，在开挖时，爆破对围岩的扰动过大，开挖后围岩暴露时间过长，风化程度加剧，或由于设计不当，中途进行二次扩挖和更换支撑，造成应力再次重分布，使得原来不应塌方洞段，因岩体的失稳而产生较大塌方。3塌方的预防3.1设计过程中塌方预防3.1.1准确地质勘察能有效的预防施工过程塌方的发生由于塌方是发生在施工阶段，似乎与设计关系不是很密切，因而人们往往忽视设计过程对塌方的预防，导致在施工过程中塌方的发生。设计过程对塌方的预防主要有以下两个方面：隧道是典型的地质工程，大量的理论研究和实践表明，地质条件是制约地下工程安全、质量、工程投资的关键因素，塌方的产生与地质条件的好坏有着密不可分的关系，不良的地质条件，如断层、涌水、岩爆等都会直接导致塌方，地质勘察的科学性、准确性对预防隧道的塌方起着至关重要的作用。在国内许多工程中，特别是埋深大的特大隧道，由于业主担心勘察费用过高，或因勘察设备、方法简陋，地质勘察都相当粗糙，不能提供较为详尽的地质资料，给隧道施工带来很大的盲目性，造成不同程度的塌方。因此在施工前，进行详尽合理的地质勘察是非常有必要的，首先使设计时能够采取最优的选线，在施工时能引起施工单位的重视，对通过不良地质洞段，有很好的思想、技术方案和物资准备，从而选择合理开挖方法，及时采取有效的支护，预防塌方的产生。3.1.2合理的设计能有效避免和预防塌方的产生选择设计在掌握隧洞区的宏观地质背景、构造特征、地质地貌特点和较为详细的其它地质资料花圃，分析隧道区的断层、富水带、高应力分布情况，合理进行隧道的线型设计，尽量避免通过大断层、富水和高应力集中地段，既为保证了施工时的安全，又能避免因地质条件不好，过多的支护造成工程投入的增加，能很好预防塌方的发生。支护参数设计岩石在开挖成洞后，由于受力结构平衡体系的破坏和应力的重分布，应及时采取支护，在隧道的设计过程中都要进行支护参数设计，如何选定既安全有效又节省的支护参数，对隧道塌方的预防起着不可忽视的作用。由于地质围岩的分类只是一个定性的概念，不是定量的，同一类围岩，其结构产状不尽相同，其自稳能力就不一致，此时支护参数的设计尤为重要，支护参数过大，增加工程的投入，支护参数过小，相同类别围岩自稳能力较差可能因支护强度不够，或要求更换支撑造成地应力再一次重分布，而引起塌方。特别是在临时支护方面，为减少工程投入，支护参数一般都较小，达不到国家标准要求。3.2施工过程中塌方的预防3.2.1施工过程中的地质预测隧道是一个线状的隐蔽工程，一些长大隧道往往穿越崇山峻岭，穿过多种岩类，多个构造，跨越几个地质单元，因而隧道本身就十分复杂，施工前设计阶段的地质勘察只能从宏观上分析整个隧道区的基本地质情况，对可能出现的大断层、富水洞段和高应力段没有标识，或由于设备、方法的简陋，对垂直和水平埋深较大的洞段无法进行勘察，造成局部地质资料不足，因此施工过程中的地质预测预报必不可少，由于及时跟进掌子面的地质预测预报，对可能出现的局部地段围岩破碎引起失稳、塌方和可能遭遇的断层、涌沙、涌水都能及时预测清楚，有明确的位置、桩号、规模及发展趋势标识，能及时提醒施工人员采取合理的开挖和支护方法，预防塌方的发生。3.2.2不良洞段塌方预防、类围岩等不良地质洞段塌方的预防方法A、开挖时预防的方法，当地下工程通过断层、断层影响带，或岩石比较破碎，风化严重时；或岩层产状、结构不利组合地段时，合理的开挖方法，能很好预防塌方的发生。一般常用主要方法有：a.超前导洞法，可以探明前方地质条件，确定本段开挖和支护方法，还可以增加二次开挖的临空面，有利于光爆效果，减小光爆对围岩的扰动。b.先拱后墙法，此方法在拱部开挖好以后，对拱部采取安全有效的支护，然后在拱部的保护下开挖下部边墙或仰拱，防止因开挖面过大引起的塌方，保障顺利安全通过地质不良洞段。常见的分块顺序如下图所示：B、强支护是预防塌方的主要措施。洞室开挖后，围岩一般有一定的自稳时间（对特别差地段可以采取超前支护），由于不支护的自稳时间与岩石条件和洞室的跨度等多种因素有关，围岩不支护究竟能稳定多长时间，起今为止国内外都没有满意的解决办法，下图是比耶涅夫斯基根据南非资料绘成的曲线图，供参考。该图把岩体的工程分类用来预估隧洞的稳定条件，上下两条曲线间包括了预估不支护跨度的范围，在这个范围内又按岩体评分线划分出几个区域，在已知岩体评分和跨度时，可用该图来预估破坏时间：b：网喷支护：在岩石破碎、裂隙密集发育、块体较小的洞段，采取网喷支护更为安全合理。在开挖后，清除浮石，先喷一层混凝土，厚度一般为5cm，目的是在围岩变形前及时封闭围岩，预防支护过程中小块体塌落而影响施工安全，还可以作为钢筋网的保护层，防止钢筋网的锈蚀，后打系统锚杆，规格为22，长度为2.53.0m，间距为1.01.2m，梅花型布置，然后挂68间距为20cm20cm至70cm70cm的钢筋网，喷第二层混凝土作为承载结构，厚度为1015cm。c.喷混凝土与钢支撑或格栅钢架的组合支护适用于围岩破碎或不稳定的类围岩。此种支护方法与网喷支护基本相同，只是在每循环开挖前，距掌子面20cm于起拱线上2米处打超前锚杆，4060cm的间距沿拱周梅花型布置，外插角度为约为30度，锚杆长为3.05.0米，外露长度不大于20cm，直径采用22或25，其布置示意图如下图所示，在挂网前支立钢支撑（I16）或格栅钢架（422）,间距为50100cm，打深锚杆固定钢支撑，并打锁脚锚杆固定，喷第二层混凝土的厚度增加至2530cm。在特别破碎和松散的软弱岩层或断层带中，预防塌方可以采用超前管棚或固结灌浆与钢支撑和格栅钢架支护相结合的方法预防塌方，在开挖前打入超前管棚形成棚架，或将浆液注入围岩裂隙，使破碎的岩石固结为整体增强围岩的承载力，开挖后采取钢支撑，格栅钢架或衬砌混凝土的支护，能很好防止塌方。C加强围岩变形观测是预防塌方的有效方法之一。变形现象是指隧道在巨大地压作用下，围岩屈服变形，墙壁向内移动，隧道变窄的一种地压现象。变形是一种塌方前兆。洞室开挖后，岩体的重新稳定过程中，围岩都存在变形，当变形超过允许范围时，就发生塌方。在隧道新奥法施工中，通过量测仪器对围岩的变形量和变形速率的观测分析，推测其最大变形量，估算是否会发生塌方，提前作出预告，以决定采取合理的支护。目前采取的观测方法有位移观测、收敛位移观测、压力量测等，最常用是收敛位移量测，即量测隧洞周边或结构物内部净空尺寸的变化，各国隧道洞室允许变形量标准不尽相同，前苏联学者通过对大量观测数据的整理，得出了用于计算洞室周边容许变形值的近似公式：拱顶：1=12b0/f1.5（mm）边墙：2=4.5H1.5/f2(mm)式中：f普氏系数b洞室跨度边墙自拱脚至底板的高度（m）值一般从拱脚起算（1/32/3H）段内测定。我国国家标准锚杆喷射混凝土支护技术规范（GBJ8685）关于洞周容许相对收敛量的规定是：洞周容许相对收敛量（）（GBJ8685）(2)岩爆引起塌方的预防方法A.岩爆产生机理：岩爆是高应力区，地下洞室开挖中围岩脆性破坏时应变能突然释放所造成的一种动力失稳现象，由于岩体中储藏的能量通常以弹性变形的形式储聚，高应力集中区内，弹性变形越大，储备的能量越多，开挖后围岩表面应力被解除，具有高度弹性的脆性岩层由于爆破冲击波的作用，动应力和应变静应力瞬量叠加和释放产生了脆性断裂，形成了岩爆，对岩爆的及时支护，既保障施工安全，还可以减少因岩爆所引起塌方的产生。当洞室埋深较大、开挖岩体完整性较好，且干燥无水时，应预防岩爆的发生。B开挖时的预防：隧洞爆破开挖，既可以使围岩应力得到部分释放，也可以产生新的应力集中，发生岩爆，在可能发生岩爆区段内采取二次开挖，先开挖上半断面，减少光面爆破的周边眼间距，且尽量分布均匀，以使开挖轮廓线相对圆顺，减少新的应力集中，周边眼采用小药卷或间隔装药，爆破时导爆管段位增加，降低同段起爆药量，以尽量减少爆破对围岩的扰动，诱发岩爆的产生。C开挖后，岩爆洞段的处理方法：a.爆破后立即向工作面、爆破面喷水，充分湿润围岩，可以很好缓释围岩应力；b清除松动围岩后，素喷混凝土支护，厚度为5cm左右，目的是将表部破裂岩块连固在一起，进一步圆顺开挖轮廓线，缓解应力集中，有很好的削减岩爆的作用，对轻微岩爆还可以取到一次防护成功，避免诱发中强岩爆，实验表明，含钢纤维混凝土，其抗拉强度明显强，能取得很好的支护效果。C对中强岩爆洞段，在初期喷护后，应尽快采用浅孔密锚网喷混凝土的补强支护，锚杆可用22，长度为2.03.0m，间距1.02.0m梅花型交错布置，尾部加垫紧贴岩面，挂20cm20cm，6或8钢筋网，喷混凝土1015cm支护。（3）富水洞段塌方的预防在地下水丰富的断层破碎带，大量的渗水、淋水甚至于涌水的部位，不仅影响施工的进度和质量，还容易造成塌方。在此种地段施工时，及时排水是预防塌方的关键，在了解岩石节理裂隙破碎带的走向、倾向和倾角后，对于少量集中渗水、淋水地段，在将要通过的透水层部位布置一定数量的排水孔或埋设排水管，将渗、淋水集中到排水孔内导出，称为排水孔法或排水管法；也可以通过在钢筋网背后铺过滤层或隔水层，将其固定在围岩上，通过软管边排水、边喷射混凝土，称为金属网法；如遇较大涌水，在支护时对主要涌水出水口暂不进行封堵支护，待涌水减小或没有时，再进行支护或进行固结封堵，迫使水流改变流向，一般涌水处理方法如下图所示；（4）瓦斯洞段塌方的预防瓦斯是从煤层中突出的一种可燃可爆气体。当隧道穿过含有煤层的洞段时，不仅要注意煤层的稳定问题，更应防范瓦斯爆炸所引起的塌方，因此引起塌方的预防方法主要是及时向洞内通风，将洞内瓦斯气体稀释和排出，在施工时减少金属间的互相撞击，以减少引发气体爆炸的火花、火星产生。3.2.3尽量消除人为因素的影响能很好预防塌方的发生由于施工人员为了抢施工进度，对围岩的自稳能力过于乐观，或由于地质条件一直较好，思想上过于麻痹，对突然出现的断层等估计不足，准备不充分，很容易造成塌方。为此在隧道的施工过程中，要对工期作合理的安排，在思想上要有对可能出现的各种不良地质情况有打持久战的准备，在技术上对可能遭遇的塌方有详细对应的技术措施，当出现断层或其它不良地质现象时，一定要对地质情况作详细的分析，充分了解围岩和其稳定性，按照就低不就高的原则进行开挖和支护，并且加强围岩的变形观测和分析，对超过允许范围的较严重变形洞段应及时采取相应的支护，抑制围岩的进一步变形，能很好预防塌方的发生。4结论通过以上的分析总结，隧道塌方不是不可避免的，预防隧道塌方的方法很多，只要全面详尽了解隧道区的基本地质情况，充分认识围岩特性、各种不