山岭隧道施工技术.ppt

1 山岭隧道施工技术 二 八年九月 洛阳 二 七年七月 济南 2 隧道工程是与人类生活息息相关的古老工程 古人类为穴居而开挖的洞穴 应是最原始的隧道工程 由于人类社会的发展进步 各种用途的隧道不断修建 隧道工程技术水平也不断提高与发展 从科技进步角度看 隧道工程技术发展是与社会进步和相关学科领域的技术进步密切相关的 特别是与隧道机械设备的更新密不可分 由于施工机械的不断革新 促进了隧道工程技术的不断发展 许多现代化应用技术注入隧道工程技术后 使隧道工程技术发生了质的飞跃 21世纪 是人类向地下空间发展的世纪 世界地下工程必将有大的发展 隧道施工技术也将有大的提高 不断发展更新 以服务于人类的需要 前言 二 七年七月 济南 3 介绍以下六个方面的内容 一 当前隧道技术发展概况二 山岭隧道的施工方法三 辅助工法的应用四 特殊地质条件下的隧道施工要点五 生产组织和技术管理应注意事项六 山岭隧道安全 质量控制要求 二 七年七月 济南 4 一 当前隧道技术发展概况 隧道建筑在上世纪以前 大都是交通道路隧道和水工隧道 而道路隧道又占大多数 上世纪初以后 很多国家相继发展地下铁道 现在有的大城市 已拥有数百公里地下铁道 以后 发展了军事用途的地下工程 同时也出现了大型民用地下仓库建筑 随后服务于不同科学实验的地下建筑相继修建 特别是核物理的实验隧道 上世纪五十年代以来 随着市政建设需要 不少城市开始发展地下大型停车场及商业街 还发展和修建了不少海底储气库 1 隧道技术发展的综合趋势 二 七年七月 济南 5 我国开始主要修建道路 特别是铁路隧道 我国铁路隧道到上世纪末为止已投入运营的6877座总延3667km 已列世界前茅 我国公路隧道的修建起步较晚 但二十年来得到很大发展 许多高速公路上相继修建长度超过5km的特长隧道 最长的终南山隧道达19km多 我国地铁也处于发展阶段 北京 天津 上海 广州 南京 深圳等10座城市已有六百三十多公里地铁投入运营 新的线路正在修建 其他城市进行规划的地铁多达30多条 长650公里 我国大型水电站的建设 使许多大型输水隧洞不断进行修建 如引大入秦工程 修建了上百公里的隧洞 其中盘道岭隧洞长15 7km 万家寨引黄入晋工程 有200多公里隧道 南水北调工程引水隧洞就更多了 我国正在修建不少地下停车场 总之 随着人们生活 生产需要 今后多用途 多功能的隧道与地下工程 将会越来越多地修建 二 七年七月 济南 6 由于修建技术的不断提高 过去认为无法修建的隧道 已经变成事实 隧道越来越长 通车距离却大为缩短 技术条件却越来越好 从而改善了运输条件 已成为当前发展的趁势 国际隧协把大于10Km的隧道划为特长隧道 目前世界各国铁路上已建成的特长隧道50多座 我国占六座即大瑶山双隧道 14 295km 长梁山双线隧道 12 782km 秦岭两座单线隧道 18 46km 兰武铁路乌鞘岭单线铁路隧道 左右线隧道各长20 05km 渝怀铁路圆梁山单线隧道 全长11 07km 世界上最长的为日本青函海底隧道 53 85km 和第二长的英 法海底隧道 50 5km 2 隧道的单座长度 向长隧道发展 二 七年七月 济南 7 近几年 由于客运专线开始建设 超过10Km的单双线铁路隧道就更多了 如石太客运专线太行山隧道 左右线隧道各长27 84km 武广客运专线大瑶山隧道群 大瑶山1号隧道10 08km 大瑶山2号隧道6 03km 大瑶山3号隧道8 39km 同时我国还在 世界屋脊 上建成了青藏铁路 并建成了世界海拔最高的铁路隧道 风火山隧道 全长1338m 海拔4905m 隧道单座长度不断向长隧道发展 首先在技术上要解决一系列重大问题 因此 单座隧道长度的增加 是衡量隧道工程技术发展水平的重要标志之一 二 七年七月 济南 8 3 勘察设计向综合化 现代化发展 隧道工程建设 与地质条件紧密相关 从隧道工程技术发展伊始 就与地质勘察技术不可分离 地质学的科学技术进步 为隧道工程技术发展起到了重要作用 当前地质勘察综合化 隧道设计现代化 野外测量数据处理自动化 勘察设计一体化 智能化 已经成为隧道工程技术发展的趋势 表现在以下几个方面 二 七年七月 济南 9 对长大隧道 越来越注意进行大面积地质调查和测绘 进行大面积地质选线 由于陆地卫星照片分辨率的不断提高和普及使用 已能够在室内对隧道所在位置的区域进行大面积选线并做到充分优化比选 遥感地质的发展已能在遥感图片上对诸多工程地质因素加以正确判释 从而使隧道选在地质条件较好的位置 GPS全球定位系统在隧道工程中的应用 确保了测量工作在极端困难条件下定位的准确和正确性 二 七年七月 济南 10 地质勘察多手段 综合化 除了传统的 必要的地质现场测绘及钻探外 物理勘探发展迅速 多种物探方法相互补充印证 再有针对性地用钻探验证 大大提高了地质勘察资料的准确性 地质资料数据处理技术广泛采用了计算机 大大加速了对地质数据的分析 判别 处理速度 为隧道设计提供了可靠条件 野外测量数据采集 处理 成图用计算机完成 加快了设计进程 二 七年七月 济南 11 隧道设计广泛采用CAD技术 可以迅速进行多方案比选 专家系统的建立和使用 使设计更加完善准确 特殊情况下的理论分析 用大型软件在计算机上进行 很快就能完成分析 提出成果 使过去用人工计算无法办到的事变为事实 岩石力学的发展 逐步使理论和工程有机结合 形成岩土工程科学 由于岩石力学理论上的成就 近代对隧道及地下建筑物的围岩变形 结构受力状态 围岩内部应力分布等有了区别于普氏理论的全新概念 从而使设计出现了新的突破 新奥法原理应用于设计 使设计更加科学合理 二 七年七月 济南 12 对隧道设计 逐步注重了功能要求 铁路长隧道的安全防灾设计 铁路长隧道的环保和维修作业特殊要求设计 公路隧道的通风自动控制 防灾报警抢险及监视系统设计 地铁及地下停车场的通风 照明 安全设计 已普遍进行详尽的施工图设计 在主体建筑设计中一次考虑 提出完善配套的设计 在一些地质复杂的长大隧道中 推行掌子面地质超前预报技术 采用地震波法 声波法等预报掌子面前方50 150m范围内的地质条件 一方面使施工有所准备 另一方面可以据以提前考虑做出修正设计 实现设计 施工 修正设计 修正施工的轨道 二 七年七月 济南 13 4 钻爆施工开挖不断向大断面分部开挖转变 与之相适应的支护技术正飞速发展 上世纪初 隧道钻爆法开挖绝大多数采用小断面多分部的矿山法施工 由于分部多 断面小 对围岩多次扰动 支护工程量巨大 安全无保障 施工工序干扰很大 上世纪中叶开始 由于岩石力学在理论上的成果 由于施工机械的不断现代化 由于支护技术的巨大进步 在钻爆法施工的开挖方法上有了根本性的变化 二 七年七月 济南 14 其总的趋势是趋向大断面少分部开挖 辅以简单易行且安全可靠的强有力的支护结构 诸如全断面开挖 台阶法开挖 中隔墙法 CD CRD法 开挖 都是当前的主要开挖方法 矿山法导坑 扩大 拉槽 落底等传统旧方法 已经较少使用了 开挖方法的转变 关键因素是要解决大能力施工机械和高效易行的支护技术 我国隧道工程在上世纪八十年代前 几乎全部多用分部的矿山法施工 原因是受上述关键因素未能解决所致 八十年代 随着大瑶山双线铁路隧道的修建和发展 在交通道路隧道中实现了开挖方法的转变 二 七年七月 济南 15 5 隧道施工设备向大型机械化发展 其总趋势 一是能力越来越大 效率越来越高 无论钻爆法的钻孔机械 装碴机械 运输机械 都朝向大能力 高效率 用现代技术注入工程机械方向发展 二是上世纪从三 四十年代起 出现了隧道掘进机 改变了利用化学 物理能破碎岩石的传统方法 利用机械能挤压破碎岩石完成开挖 三是隧道施工的辅助作业机械 特别是通风机械 朝着大容量 高效率 节能 自动调速 可逆运转等方向发展 大大改善了施工作业环境 二 七年七月 济南 16 6 施工方法的多样化 也是当前发展的趋势 铁路 公路隧道 遇山开洞时 目前除钻爆法施工外 掘进机法正在蓬勃发展 欧美国家用掘进机施工的隧道 已占总数的三分之一以上 瑞士圣哥达铁路隧道 57km 使用8台掘进机 当遇到江河海峡需要穿越时 除钻爆法 掘进机法外 如地质条件许可 沉埋管段施工技术正在兴起 我国也已在甬江 黄浦江 珠江修建了三座沉埋管段公路隧道 二 七年七月 济南 17 在地铁施工方面 除传统的明挖及暗挖外 已出现了盖挖法 辅以强有力的边坡加固结构 如连续墙结构 悬喷桩 搅拌桩 SMW桩 钻孔咬合桩等 北京地铁天安门东 西站采用梁 板 柱法施工 形成了一种新的工法 我国海底隧道采用钻爆法施工的也正在进行 厦门东通道翔安海底隧道正在施工 还有青岛至黄岛的海底隧道也已经开始施工 二 七年七月 济南 18 7 建立风险评估机制 加强风险管理 有效对风险进行控制 规避 保证施工安全是当前隧道工程的发展方向 由于地下工程周边环境的复杂性和不确定因素太多 使地下工程建设成为高风险的行业 使大家普遍认识到实行风险管理的必要性和紧迫性 于是开展了在隧道工程中进行了风险管理的探索 目前建设部 铁道部已组织有关单位编制了风险评估的规范与指南 用以指导和规范隧道施工 提高隧道和地下工程的安全管理水平 二 七年七月 济南 19 8 以人为本 创造和谐社会 已成为我国的基本国策 在山岭隧道施工中 注重环境保护 水土保持 尽量减少对环境的污染也已成为必然选择和发展趋势 二 七年七月 济南 20 二 山岭隧道的施工方法 施工方法的选择 主要是开挖与运输方法的选择 从大的方面分类可分为钻爆法 旧矿山法 新奥法 掘进机 TBM 掘进机辅以钻爆法 沉埋管段 水底隧道 今天主要讲钻爆法施工 二 七年七月 济南 21 1 选择隧道施工方法的指导思想与应遵循的原则 隧道施工符合安全环保 工艺先进 质量优良 进度均衡 节能降耗的要求 隧道施工应本着 安全 有序 优质 高效 的指导思想 按照 保护围岩 内实外美 重视环境 动态施工 的原则组织施工 其施工方法的选择应遵循以下原则 1 确保施工安全 改善施工环境 2 应根据设计文件 施工调研情况 地质围岩级别 二 七年七月 济南 22 结合隧道长度 断面大小 纵坡情况 衬砌方法 工期要求 装备水平 队伍素质等综合因素决定 3 地质变换频繁隧道应考虑其适应性 便于工序调整转换 4 应尽量采用新技术 新工艺 新设备 新材料 5 认真按照新奥法原理 掌握应用好光爆 喷锚 量测施工三要素 二 七年七月 济南 23 2 选择隧道施工方法的基本要素 1 施工条件它包括一个施工队伍所具备的施工能力 素质以及管理水平 目前我集团隧道施工队伍的素质和施工装备水平 有高有低 参差不齐 因此 在选择施工方法时 不能不考虑这个因素的影响 2 围岩条件围岩条件也就是地质条件 其中包括围岩级别 地下水及不良地质现象等 围岩级别是对围岩工程性质的综合判定 对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用 二 七年七月 济南 24 3 隧道断面积隧道尺寸和形状 对施工方法选择也有一定的影响 目前隧道断面有向大断面方向发展的趋势 如公路隧道已开始修建3车道甚至4车道的大断面 水电工程中的大断面洞室 更是屡见不鲜 在这种情况下 施工方法必须适应其发展 在单线和双线的铁路隧道中 越来越多地采用了全断面法及台阶法 而在更大断面的隧道工程中 先采用各种方法修小断面的导坑 再扩大形成全断面的施工方法极为盛行 4 埋深隧道埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关 通常将埋深分为浅埋和深埋两类 有时将浅埋又分为超浅埋和浅埋两类 在同样地质条件下 埋深的不同 施工方法也将有很大差异 二 七年七月 济南 25 5 工期作为设计条件之一的施工工期 在一定程度上会影响基本施工方法的选择 因为工期决定了在均衡生产的条件下 对开挖 运输等综合生产能力的基本要求 即对施工均衡速度 机械化水平和管理模式的要求 6 环境条件当隧道施工对周围环境产生如爆破振动 地表下沉 噪声 地下水条件的变化等不良影响时 环境条件也应成为选择隧道施工方法的重要因素之一 在城市市区条件下 甚至会成为选择施工方法的决定性因素 完善施工方法标准化 模式化的重要条件是建立适应各种条件下的隧道施工机械化配套技术的标准模式 二 七年七月 济南 26 3 山岭隧道开挖方法的选择 山岭隧道施工的过程和方法是多种多样的 但钻爆法仍然是我国目前应用最广 最成熟的隧道修建方法 山岭隧道开挖常用的方法为全断面法 台阶法 中隔壁法 CD法 交叉中隔壁法 CRD法 单侧壁导坑法 双侧壁导坑法等 二 七年七月 济南 27 二 七年七月 济南 28 4 各种施工方法在不同围岩和隧道中适用情况 1 全断面法全断面开挖法是按设计断面将整个隧道开挖断面一次钻孔 一次爆破成型 一次初期支护到位的隧道开挖方法 主要适用于非浅埋 级硬岩地层 浅埋段 偏压段和洞口段不宜采用 如确实地质条件较好 也可采取先开挖小导坑 然后再扩大的施工方法 这对保持围岩稳定是有利的 该法有较大的作业空间 有利于采用大型配套机械化作业 钻爆施工效率较高 可采用深眼爆破 提高施工速度 且工序少 便于施工组织和管理 较分部开挖法减少了对围岩的振动次数 二 七年七月 济南 29 但由于开挖面积较大 围岩相对稳定性降低 且每循环工作量相对较大 深孔爆破用药量大 引起震动大 因此要求进行精心的钻爆设计和严格控制爆破作业 2 台阶法台阶法施工是将隧道结构断面分成两个或几个部分 即分成上下两个断面或几个断面分部进行开挖的隧道开挖方法 该法适用于铁路双线隧道 级围岩 单线隧道 级围岩亦可采用 但支护条件应予以加强 该法具体可分为正台阶法 三台阶临时仰拱法 环形开挖预留核心土开挖法等 二 七年七月 济南 30 该施工方法的优点是对地质变化的适应性较强 工序转换较容易 并能较早地使初期支护闭合 有利于控制沉降 台阶长度一般应控制在1 1 5倍洞径 为及早使初期支护封闭成环 也可适当缩短台阶长度 当围岩较稳定 短台阶能保持时 台阶长度亦可适当缩短至3 5m 上下台阶同时钻眼爆破 以起到加快施工进度 减少设备配置的目的 二 七年七月 济南 31 下部断面 中 下层台阶 是开挖作业的重要环节 近年来 在下部开挖中 因方法欠妥 作业不慎引起初期支护失稳造成的重大坍方事故已有多起 必须引起高度重视 在开挖顺序上 宜采用先挖侧槽 左右错开向前推进的做法 不宜采用拉中槽挖马口的方法 侧槽一次开挖长度不宜太长 靠近边墙范围应采用风钻 风镐手工开挖 人工清壁扒碴 严禁使用重型机械开挖和装碴 以免对围岩过大扰动 破坏围岩和初期支护系统的整体稳定性 二 七年七月 济南 32 3 中隔壁法 CD法 中隔壁法 CD法 是将隧道断面左右一分为二 先挖一侧 并在隧道中部设立利用钢支撑及喷混凝土的临时支撑隔墙 当先开挖一侧超前一定距离后 再开挖另一侧的隧道开挖方法 二 七年七月 济南 33 该法变大跨为小跨 使断面受力更合理 对减少沉降 保证隧道开挖安全 可靠具有良好效果 该法适用于较差地层 如采用人工或人工配合机械开挖的 级围岩和浅埋 偏压及洞口段 施工过程中 为保证初支稳定 除喷锚支护外 须增加型钢或钢格栅支撑 并采用超前大管棚 超前锚杆 超前注浆小导管 超前预注浆等一种或多种辅助措施进行超前加固 由于地层软弱 断面较小 只能采用小型机械或人工开挖及运输作业 工序多 施工进度较慢 必要爆破时 应控制药量 避免损坏中隔墙 临时中隔墙型钢支撑规格应与初期支护所采用的一致 每步台阶长度可控制在3 5m 二 七年七月 济南 34 4 交叉中隔壁法 CRD法 当采用中隔壁法 CD法 仍然无法保持围岩稳定和隧道施工安全时 可采用交叉中隔壁法 CRD法 开挖 该法的特点是各分部增设临时仰拱和两侧交叉开挖 每步封闭成环 且封闭时间短 以抑制围岩变形 达到围岩沉降可控 初期支护安全稳定的目的 二 七年七月 济南 35 该法除喷锚支护及增设足够强度和刚度的型钢或钢格栅支撑外 还应采用多种辅助措施进行超前加固 交叉中隔壁法 CRD法 适用于断层破碎带 碎石土 卵石土 圆砾土 湿陷性黄土 全风化的花岗岩地层的 级围岩及较差围岩中的浅埋 偏压及洞口段等 5 单侧壁导坑法单侧壁导坑法施工与中隔壁法 CD法 类似 但其导坑开挖断面相对较小 二 七年七月 济南 36 6 双侧壁导坑法双侧壁导坑法是采用先开挖隧道两侧导坑 及时施作导坑四周初期支护及临时支护 必要时施做边墙衬砌 然后再根据地质条件 断面大小 对剩余部分采用二台阶或三台阶开挖的方法 其实质是将大跨度的隧道变为三个小跨度的隧道进行开挖 二 七年七月 济南 37 该法施工进度较慢 成本较高 但其在施工安全尤其在控制地表下沉方面 优于其它施工方法 此外 由于两侧导坑先行 能提前排放隧道拱部和中部土体中的部分地下水 为后续施工创造条件 因此城市浅埋 软弱 大跨隧道和山岭软弱破碎 地下水发育的大跨隧道可优先选用双侧壁导坑法 在 级围岩的浅埋 偏压及洞口段 也可采用此法施工 总之 对于硬岩隧道宜采用全断面法与台阶法 分部开挖法适用于软岩隧道 采用台阶法施工时 不宜采用长台阶 因其不利于初期支护及早封闭成环 在采用分部开挖法的硬岩隧道中爆破作业将会严重破坏已成形的中隔壁 应采取一定的保护措施 二 七年七月 济南 38 三 辅助工法的应用 考虑到山岭隧道工程地质 水文地质 和环境条件的复杂性 要保证隧道安全顺利的实施 除认真做好初期支护结构外 还应根据隧道围岩特性 采取适当的辅助工法 以达到围岩迅速稳定的目的 常用辅助工法见下表所示 二 七年七月 济南 39 二 七年七月 济南 二 七年七月 济南 40 二 七年七月 济南 41 42 1 对浅埋 偏压地形 地质条件较差的隧道洞口 洞身段应先预加固后再开挖 视地质条件可采用地表砂浆锚杆 地面预注浆 地表旋喷桩等加固围岩方法 网喷混凝土或砂浆锚杆等加固边仰坡 如为滑坡体 则应设置抗滑桩 并根据围岩情况设置长管棚 10 40m 超前注浆小导管等超前支护措施 2 软岩段隧道的基底应予以加强 可采用基底注浆 钢管桩 旋喷桩或其他加固措施 确保衬砌有足够的强度 刚度和抗裂性 3 岩溶发育的长大隧道 根据隧道环境要求 具体围岩状况 水压 水量等采用恰当的注浆堵水措施 二 七年七月 济南 43 四 特殊地质条件下的隧道施工要点 一 自稳能力差的岩体对于自稳时间短 喷锚初期支护强度不足以稳定洞体的软弱破碎 浅埋软岩 严重偏压 岩溶 流泥 砂层 砂卵 砾层 破碎以及大面积淋水或涌水地层隧道施工 可采用辅助措施和锚喷支护相结合的加固办法进行施工 辅助措施一般可采用以下几种 超前锚杆 超前小导管 大管棚 格栅钢架 型钢支撑 钢钎维砼 迈式锚杆 超前小导管周边予注浆 旋喷桩 冻结法等加固措施 对涌水量大的隧道 可开挖超前平导以排水降压并能起到地质超前预报作用 也可采取帷幕注浆堵死涌水 二 七年七月 济南 44 施工中为确保开挖面的稳定 可采用环形开挖留核心土 或单 双侧壁蛋形导坑法 中隔墙法 交叉中隔墙法等 喷射砼封闭掌子面 设临时仰拱使及时封闭成环 辅以其他加固措施 运用新奥法原理 从认识围岩 保护围岩 支护围岩 监测围岩出发 通过多年实践总结出了三十字施工方法 即 先深探 管超前 预注浆 小断面 留核心 短进尺 弱爆破 强支护 紧封闭 常量测 二 七年七月 济南 45 施工中为确保开挖面的稳定 可采用环形开挖留核心土 或单 双侧壁蛋形导坑法 中隔墙法 交叉中隔墙法等 喷射砼封闭掌子面 设临时仰拱使及时封闭成环 辅以其他加固措施 运用新奥法原理 从认识围岩 保护围岩 支护围岩 监测围岩出发 通过多年实践总结出了三十字施工方法 即 先深探 管超前 预注浆 小断面 留核心 短进尺 弱爆破 强支护 紧封闭 常量测 二 七年七月 济南 46 二 膨胀岩隧道施工膨胀岩指那些与水有关的随时间而发生体积增大的围岩 它对环境温度 湿度 压力 地下水等因素变化极为敏感 软弱围岩是指单轴抗压强度在30MPa以下的围岩 而膨胀岩则是一种吸水膨胀失水收缩和往复膨胀变形的围岩 其力学性能除一般围岩所具有的物理 化学性质外 最重要的是具有兼水性 多裂隙性 强膨胀性与收缩性 强度衰减性 以及快速崩解性和抗风化弱的性质等 膨胀岩若其含水量 15 视为有危险性的膨胀岩 高于30 则视为膨胀已完成进一步膨胀不可能 二 七年七月 济南 47 膨胀岩之矿物成分几乎都含有蒙脱石 其蒙脱石含量在12 以上的围岩就具有强膨胀性 沉积岩中居多 这些岩层中含有蒙脱石 含有Mgo Cao 伊利石如板岩 页岩 砂页岩 石膏 炭质页岩 泥岩等 偶而也是遇到变质岩如千枚岩 凝灰岩 片岩等 当自由膨胀率 30 缩性指数 s 20 干饱和吸水率 25 体积膨胀性 2 就视为膨胀岩 在此类围岩中修建隧道 引起坍塌 坑道挤压 支撑与衬砌开裂 变形 整体道床开裂与破坏的事例不少 因此必须认真对待 其主要措施为 二 七年七月 济南 1 隧道通过膨胀性岩层时 应对照设计文件和流变情况进行调查和量测 据以确定施工对策 对工程地质和水文地质应心中有数 并作好人 机 物 财计划 科技手段与工程措施准备 2 认真做好防排水工作 首先要防止出现因工程用水漏水与排放污水不畅 及时进行仰拱及基底封闭 防止泥水及满洞泥泞 墙脚浸泡造成滑坍 认真做好隧道及地表范围内积水引排 严禁施工高压水池设在洞顶上方 防止漏水渗入洞内 二 七年七月 济南 48 49 3 开挖尽量采取措施 使其一次成型 以便初期支护及早封闭成环 可采用全断面或台阶法施工 以免分部过多 由于爆破造成对围岩多次扰动 爆破中要多打眼 少装药 强支护 速封闭 紧衬砌 合理控制膨胀岩流 塑变形 4 施工支护宜用锚喷支护 并紧跟开挖面进行 当压力很大时 可用喷锚及钢架联合支护 并须加强施工量测 以便及时改变施工顺序 钻爆参数和支护衬砌刚度 控制围岩变形 大变形地段可采取长锚杆 预应力锚索等支护措施 并与型钢支撑结合 形成联合支护体系 预留变形量应适当加大 二 七年七月 济南 50 5 仰拱超前 拱墙同时施工 使形成封闭环 衬砌断面宜采用曲墙式 应使用钢模板台车整体衬砌 先墙后拱一次成型 并保证施工质量 漏水地段应在衬砌前作止漏处理 不宜采用传统分部开挖法及木支撑支护 以免多次扰动围岩及暴露时间长 变形过大 造成松动掉块和坍方 三 岩爆的产生及防治措施1 概述随着铁路 公路建设事业的不断发展 长隧道 深埋隧道逐渐增多 伴随而来的在强烈的构造高应力地区修建隧道中遇到岩爆问题亦相应增多 因此 对岩爆问题必须引起施工人员的充分注意并妥善加以解决 二 七年七月 济南 51 岩爆是隧道开挖中 由于围岩应力超过围岩强度而使围岩发生突然破坏 并把破坏的岩块 片 弹射出来 岩爆发生三要素 地层岩性条件 坚硬 完整 脆性 地应力条件 施工触发因素 三者缺一不可 岩爆与埋深有密切关系 埋藏越深岩爆越烈 实践中也有例外 有时隧道埋深仅110M左右 也有发生 说明岩爆与构造应力有很大关系 特别是水平应力与垂直应力比值与差值愈大 岩爆即可能在浅埋洞室中发生 从工程实践中发现 岩爆一般发生在岩体干燥 坚硬 二 七年七月 济南 52 完整无裂隙部位 岩爆在开挖后两个月内均可发生 两个月后基本稳定 但再次开挖 仍会发生 岩爆有时声音巨响 有时声音微弱 有时有 闷雷 声 岩爆部位大多数产生在靠山一侧拱部 岩爆的本质是弹性变形能的大量释放 它威胁施工人员的生命安全 损坏机具设备 破坏地下建筑物 最严重时可以毁坏整个地下工程 世界上从1738年英国锡矿发生岩爆以来 共有23个国家和地区记录有岩爆 我国1933年发生抚顺胜利矿 深200M 发生岩爆 铁路成昆线关村坝隧道 贵昆线梅花山隧道 西康线秦岭隧道进 出口均有岩爆发生 四川太平驿引水隧洞岩爆较为强烈 二 七年七月 济南 53 2 岩爆类型 1 破裂松弛型 围岩成块 板 鳞片状爆裂 爆裂声微弱 偶而可以听到劈劈啪啪的响声 弹射距离小 主要是坠落 2 爆裂弹射型 岩爆特征是岩片弹射及岩粉弹射 爆裂响声如枪声 弹落岩片最大不超过0 3m3 直径一般为5 10cm 有拳头大小者 也有粉末烟雾者 铁路隧道关村坝 莲地 沙木拉打 百家岭等 时间多在1小时内发生 部位在工作面及附近拱部牛角湾处 发生前发生劈啪响声 岩块成片状弹射或剥落 弹射距离一般2 3m 岩块呈中间厚周边薄的菱片 开始拳头大小 速度很快 后渐为蚕豆般碎石 二 七年七月 济南 54 四散弹射 最大体积0 5 0 4 0 07m 剥离岩块体积可达2 1 3 0 2m 岩爆发生后 有岩粉尾随出现如烟雾状 发生岩爆后的洞壁表面一般光滑平整 3 爆炸抛射型 巨石抛射 声响如炮弹 抛石体积有数方到几十方 抛射距离数米至20米 3 产生岩爆的条件及影响因素 1 产生岩爆需要一定的应力条件及岩体结构和性质条件 通常多为完事的整体岩块结构及厚状结构 岩石硬脆 单轴抗压强度在150MPa以上 声波速度大于6000m S 且只有岩体及初始应力场的最大主应力与岩块单轴抗压强度之比值大于0 15 0 2的高应力条件下才可能产生 二 七年七月 济南 55 2 用钻爆法施工 洞壁凹凸不平 超欠挖比较普遍 增加了应力集中 超欠挖处根据经验 壁面的应力集中系数要增加80 4 产生岩爆的经验判据上世纪50年代至今逐步形成的近代强度理论认为岩爆是围岩应力达到或超过围岩强度而产生的围岩破坏现象 从围岩的静力极限平衡条件出发 将各种强度准则作为岩爆的判据 其中有拉伸机理 剪切机理和经验判据 现只介绍二种经验判据 1 我国工程实践提出的判据 1 0 15 0 2 Rc发生岩爆式中 1 岩体初始应力 Rc 岩块单轴抗压强度 二 七年七月 济南 56 2 伊 阿 多尔恰尼诺夫判据 g 0 3 c 无岩射 剥落 g 0 5 0 8 c岩射 剥落 g 0 8 c岩爆 强烈 岩射 式中 g 围岩表面最大压应力 c 岩体单轴抗压强度 5 岩爆的防治措施 1 工程设计方面a 在布置地下工程时 应尽量使长轴方向与最大主应力方向平行 或夹角 30 这样可以减少洞壁围岩的切向应力 减少岩爆的发生 b 选择合理的洞形 以改善围岩应力状态 如主应力垂直于洞室断面 应避免高边墙 最大主应力方向斜交洞室断面 可采用曲边墙 二 七年七月 济南 57 2 施工措施方面 a 步步为营 稳扎稳打 全面设防 b 超前释放应力 可深打周边眼4 5米 爆2米 再打几个中孔 浅眼爆破 c 勤检查 找顶 洒水 孔中灌水 d 加强监测 一是监测围岩应力状态 预测岩爆发生的可能性 二是找出合理的开挖方法 支护形式和支护参数 测定支护效果 e 掌握岩爆规律 施工作业避开集中岩爆时间 一般开挖后2 3小时 两头交替工作 二 七年七月 济南 58 f 喷锚支护应作为防治岩爆的主要手段 a 超前锚杆 径向锚杆 以防岩爆发生 减轻岩爆规模 b 径向锚杆 喷砼支护 防止岩爆滞后重复性 c b 挂网 用于较大规模滞后型岩爆区段 喷锚网喷时 一要及时 喷足厚度 网要封口 宜用 6 8mm盘条作方格网 锚杆要加垫钣 g 综合防治特别重要 目前对岩爆尚无特效防治办法 因此须采取综合防治措施 如对设备加设防护 加强岩爆观察 发现异常及时躲避等 四 瓦斯隧道施工1 概述瓦斯是从煤 岩体内涌出有害气体的总称 其中有俗称沼气的甲烷 CH4 二氧化碳 二氧化硫等 二 七年七月 济南 59 但当开采到一定深度后 其主要成份就剩沼气了 因此煤矿俗语中瓦斯往往是指沼气 沼气有以下六个特性 1 无色 无味 无臭 比重为0 544 故易聚集在隧道洞室顶部及高处 2 难溶于水 但渗透与扩散性很强 能从邻近层渗透到采空层 能迅速扩散到全部巷道 3 虽无毒 但当空气中含量过多 则能使氧气含量下降使人窒息 当其浓度达43 时 能使氧气含量下降到12 使人开始窒息 当浓度达到57 时 氧气含量就会降到9 短期内使人窒息死亡 4 有燃烧性 浓度小于5 遇火能燃烧 当浓度大于16 时不能直接燃烧 但遇到新鲜空气能缓慢燃烧 二 七年七月 济南 60 5 有爆炸性 当浓度在5 16 时遇火便会爆炸 6 高浓度区具有地层 掘进面出现瓦斯突出 2 通过煤系地层地段的防爆措施防止瓦斯的危害主要在于防爆 为此应始终抓住三个环节 严禁火种 瓦斯浓度监测和加强通风 主要措施是 1 为查明煤层位置及突出性所采取的技术措施 利用弹性波 物探 判断煤层位置 利用钻机水平超前钻孔两次 一是距煤层30 50m远打2 3个孔 决定煤层位置 并测瓦斯压力及浓度 二是距煤层10 15m钻2 3个孔 穿透煤层测定瓦斯浓度 瓦斯压力P1 采集钻孔煤样 测定煤层坚固系数f 瓦斯释放初速度 P 最终判断煤层突出性 二 七年七月 济南 61 2 进行预防瓦斯的安全教育 使职工人人了解预防瓦斯的知识与要求 以利互相监督 洞口设专人值班 检查各项制度是否执行 特别是火种严禁携带入洞 3 合理选择通风方式 加强通风管理通风方式采用混合式 主扇可采用两台 一台备用 155kw轴流风机3900m3 min设在平导通风洞作吸出 局扇15 45kw吹入掌子面进行巷道通风 平导吸出污浊空气 正洞进新鲜空气 风量要足够 以稀释瓦斯含量及加速排出 组织通风管理小组 固定专人管理通风 保证通风效果良好 洞内风机 局扇 采用防爆型的 4 设备 供电 照明防爆以杜绝电火花 设备选用防爆矿用电气设备 如防爆立爪 防爆梭矿 二 七年七月 济南 62 防爆电瓶车 防爆喷浆机等 供电防爆 洞内采用隔爆型移动变压器 矿用橡套软电缆 防爆电缆 隔爆型自动馈电开关 隔爆型磁力起动器 隔爆接线盒等 照明采用低压隔爆萤光灯 防爆探照灯 通讯采用防爆电话 5 要有可靠供电 为了防止施工中因停电 停风 造成瓦斯积聚 导致瓦斯燃烧和爆炸 要有双回路供电 除使用电网供电外 要设立备用电站 6 建立完善的瓦斯监测制度 一般对巷道和掌子面要执行定时检查制 高沼隧道每班至少检查监测瓦斯三次 低沼隧道每班至少两次 每次检查 均应在靠近掌子面20M处的空间断面监测六个点 并建立巡回监测制度 二 七年七月 济南 63 在掘进工作面附近安装一台数字显示的沼气自动报警仪 作为环境的沼气浓度监测装置 每洞口均设瓦斯浓度报告牌 及时填写 7 爆破作业 首先作好爆破设计 只允许采用电雷管起爆 毫秒雷管总延期不得超过130毫秒 使用煤矿安全炸药 电缆线作导线 放炮时要三员到场 领工员与工班长 瓦检员 放炮员 并实行 一炮三检制 装药前 放炮前 放炮后 炮眼堵塞用水炮泥 必须用水风钻钻眼 不得打浅眼 60CM 8 采用复合式曲墙仰拱全封闭结构 初期支护以喷锚 局部加网 支护为主 二次模注采用P10防水砼 防水板由1mm改为厚2mm聚乙稀板 以增加抗瓦斯渗透性能 二 七年七月 济南 64 五 岩溶地区隧道施工1 岩溶概述岩溶是可溶性岩层 如石灰岩 白云岩 白云质灰岩 石膏等 受具有溶解能力 含CO2 的水长期作用而产生的 由于溶蚀的形成 位置 塌陷作用等的不同 岩溶在隧道施工中常遇见的有岩溶裂隙 溶洞 暗河 当覆盖较浅时 也会遇到溶沟 溶槽 落水洞 漏斗等 2 岩溶对隧道施工的影响当隧道穿越可溶性岩层时 常遇到大小不等 部位不同 充填物及充填程度不同和含水量不等的溶洞 它们都给施工带来一定困难 有的甚至是灾难性的 如隧道底部充填深而充填很松软 隧道基底难于处理 有的溶洞岩质破碎 易坍 二 七年七月 济南 65 有时遇到大水囊或暗河 岩溶水或泥沙水大量涌入隧道 形成突水突泥 造成重大伤亡事故 有时遇到填满饱含水分的充填物的溶槽 掘进至边缘时 含水充填物不断涌入隧道 难以遏止 以至地表下沉 山体压力聚增 如大瑶山隧道竖井涌水 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 甚至被迫改线等 3 隧道遇到岩溶的各种处置措施 1 首先应根据设计文件及施工情况查明溶洞分布情况 影响建筑物的各种因素 类型情况 大小 有无水 溶洞是否在发育中及其充填 岩层的稳定程度和地下水流情况 有无长期补给来源 雨季有无增长特点 等 分别情况采取引 堵 越 绕等措施进行处理和施工 二 七年七月 济南 66 a 引排水遇到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关系后 用暗管 涵洞 小桥等设施 渲泄水流 或开凿泄水洞将水排出洞外 当水流位置在隧道上部或高于隧道时应在适当距离外 开凿引水斜洞 或引水槽 将水位降低到隧道底部位置以下 再行引排 当有平导时 可引入平导排出 b 堵填对已停止发育 径跨较小 无水的溶洞 可根据其与隧道相交位置及其填充情况 采用混凝土 浆砌片石或干砌片回填封闭 或加深边墙基础 加强隧道底部 拱以上如系空溶洞 可视溶洞的岩石破碎程度采用锚杆加固 二 七年七月 济南 67 加设护拱及拱顶回填办法处理 c 跨越当溶洞较大较深 不宜用堵填封闭的办法或充填物松软不能承载建筑结构时 可采用梁 拱跨越 但梁端或拱座应置于稳固可靠岩层 必要时用圬工加固 d 绕行施工中遇到一时难以处理的溶洞时 如需钻探作特殊设计等 可先以迂回导坑绕行 继续进行隧道施工 一面处理溶洞 4 施工注意事项 1 隧道施工前 应对地表进行详细勘查 注意研究岩溶状态 估计可能遇到溶洞的地段 二 七年七月 济南 68 2 对地表水 出水点的情况要详细了解 地表应进行必要处理 防止地表水下渗 3 施工中要加强超前预测预报工作 通过采取地质素描 物探手段 如地震波法 直流电法 红外探水 及超前钻孔等综合手段来判断岩溶发育及地下水情况 在掘进时 根据钻孔速度加快 可能已达溶洞边缘 应注意水情变化及裂隙溶蚀程度 当有所剧增时 应对掘进 排水 支护等工作加以妥善安排 如出现混水 则应采取堵水措施 小水不堵 大水叫苦 如把水放出来 再要堵回去 是非常困难的 4 接近溶洞边缘时 应跟紧后部工序 施作物探及超前钻孔探水 同时设法探明溶洞的形状 大小范围 充填物等情况 据以制定施工处理方案及安全措施 二 七年七月 济南 69 5 反坡施工隧道应备足排水设备 6 溶洞顶部须及时加固 及时处理危石 溶洞较高时要喷射混凝土及挂网 7 在溶蚀地段爆破作业 应做到多打眼 打浅眼 少装药 8 在溶洞填体中通过 充填物松软时 可采用管棚法 大 小 予注浆 初期支护加强 基底加固等措施 浅埋地可段也可予先进行地表注浆 9 溶洞未作处理方案前 不要弃碴于其中 10 在处理复杂的溶洞时 要依据现场具体情况 制定安全措施 以确保施工安全 二 七年七月 济南 70 一 注重调查研究 优化施工组织设计是干好一项工程的前提 生产指挥者和技术负责人首先要认真审阅图纸 设计文件 明确了解设计意图 明白技术重 难点 还要在施工前亲自勘察施工现场 进行深入施工调查 掌握地形特征 熟悉周围环境 将施工图纸与现场进行核对 动脑筋 细琢磨 做到心中有数 然后着手编制实施性施组 注意解决好三个方面问题 五 生产组织和技术管理应注意事项 二 七年七月 济南 71 1 选择合理的施工方案和确定恰当的施工方法 一个隧道工程可能有多个施工方案 每种施工方案都可能有优势与不足 但要筛选一个较合理的施工方案 则是一个完整的决策过程 决定施工方案的取舍 应本着 效率 的原则 其内涵是工期和效益 确定施工方法的 自由度 很大 光隧道施工方法就有十多种 机具设备也多种多样 如何选才是合理有效的 确定首要原则是 可靠性 即必须安全质量是要有保证的 其次是 一致性 原则 即人和机具与作业空间 作业时间的互相匹配的一致性 实践出真知 好的施工方法都是从实践中来到实践中的去的往复过程 二 七年七月 济南 72 2 精心做好施工场地布置和充分开发利用有效资源 隧道施工特点是各种生产要素都只能在洞口附近布置 人 机 物 运 风 水 电 气 还有生产加工 修理设备 生活 办公 临通等 要把这些内容周全安排 做到各得其所 互不干扰 增加吞吐能力 实在是个复杂的系统工程 布置得好会得心应手 否则干扰丛生 平面布置 其实是立体的 要根据要素的充分利用 高站台低贷位 投料孔等都是合理利用地形的结果 而且还可改造地形使之为我所用 做到长计划短安排 3 重视隧道施工通风和排水方案通风好坏直接影响效率和工人身体健康 隧道施工进度与 二 七年七月 济南 73 通风效果密切相关 长大隧道排水问题也非常突出 排水不良泥泞满洞 道路及轨道状态就难以保持良好 直接影响运输安全和效率 二 坚持科技进步 增强施工综合实力 是做好工程的根本1 它们集中体现了隧道施工或各项先进技术和工艺 光爆