浅谈隧道施工中的塌方预防技术.doc

浅谈隧道施工中的塌方预防技术 摘要 由于地质条件复杂，隧道在施工时初期支护很容易出现局部开裂、甚至坍塌等情况，严重影响工程进度。本文通过对隧道塌方分析，以便大家更好地了解在隧道施工时一些值得注意的地方,尽早采取改进措施，防范于未然。简要分析了隧道施工中，发生塌方事故的各种原因，并介绍了几种预防塌方的常用方法和手段。关键词 隧道 塌方 原因分析 预防1工程概况、工程地质、水文地质及不良地质概况1.1 工程概况西（宁）久（治）公路作为青海省路网的重要组成部分，是贯穿青海省东部的纵向通道，是联结省会西宁、海东地区和海南、黄南、果洛藏族自治州的重要经济干线。我公司承建的青海省西久公路拉脊山隧道A合同段工程，位于青海省东部的湟中县境内，隧址区属于高山剥蚀地貌，海拔3224-3846m，最大高差622m。山脊走向北西-南东向，与隧道方向近直交，进口处山坡较陡，坡度45-50。我合同段主要工程内容包括路基工程、桥涵工程、防护排水工程和隧道工程，其中隧道工程占据着相当重要的地位，其中拉脊山隧道控制着全线的竣工工期。1.2工程地质概况1.2.1砂岩夹泥岩：紫红色，粒状结构，中厚层状构造，节理裂隙发育。主要分布于隧道出口段。1.2.2千枚岩：灰黑色，泥质结构，千枚状构造，主要矿物成分为泥质物，少量碳质物等，节理裂隙发育。为软质岩，物理力学性能差，褶皱发育。主要分布于隧道进口段。1.2.3石英闪长岩：灰白色，粒状结构，块状、片麻状构造，节理裂隙发育，主要矿物成分为石英、长石、角闪石，少量云母等。分布于进口、隧道洞身，厚度大，岩体局部破碎。1.2.4中基性火山岩：浅灰绿色，暗紫红色，隐晶-细晶结构，节理裂隙发育。分布于进口与千枚岩、石英闪长岩不整和接触。1.2.5红山嘴-电杆沟-大山梁大断裂断裂（F6）:区内断裂构造发育，以北西向-北西西向，北东向断裂为主，呈直线状展布。大断裂与线路呈近正交关系，区内走向96-110，倾向北，倾角60-85。1.3水文地质概况1.3.1地表水:隧道穿越山体表面无洼地积水，局部地段发育小冲沟，平时无地表径流。1.3.2地下水1.3.1.1松散岩类空隙水：在隧道区段普通分布，主要赋存于强风化至弱风化带浅部，其含水量除与风化裂隙有关外，还与风化带地层岩性有关。泥晶灰岩，岩质较坚硬，裂隙张开保持程度较高，隙间充填物较少，裂隙富水和导水性较好，岩层含水量较丰富；泥岩岩质软，裂隙易受压力作用而闭合，隙间多为泥质成分充填，裂隙富水和导水性差，岩层含水量贫乏；泥灰岩岩质较软，其含水量介于前两者之间，因此松散岩类裂隙水的富集存在不均一性。1.3.1.2基岩裂隙水：断层F6位于电杆沟，电杆沟中有长年流水，为冰雪融水、泉水，沟中水与断层相连，水量较大，易进入断层破碎带及裂隙中，隧道在该段易有较大涌水。施工时易发生突涌及坍塌事故，施工时应及时支护及加强防排水工作。1.4不良地质1.4.1隧道横穿断层及次级断层，断层富含地下水，在施工时做好防排水措施，施工时注意断层破碎待易造成大规模坍塌。1.4.2隧道进口段为千枚岩，其物理力学性能差易造成坍塌，建议施工时及时支护。1.4.3隧道洞身段石英闪长岩具有差异风化性，隧道开挖后应及时对洞室进行防风化处理。经断层F6段时易发生坍塌现象。 2隧道塌方的成因隧道塌方，是制约隧道施工进度的主要因素之一。塌方处理，耗时费力，施工单位深受其害。在施工中，甚至存在着这样一个普遍的观念，那就是：“隧道施工，塌方是不可避免的”。但是通过对以往隧道施工的总结和隧道塌方原因的分析来看，塌方是有可能从根本上杜绝的。塌方原因分析隧道施工发生塌方的原因主要分为主观和客观两大类。其中主观原因就是指施工方法不当，而客观原因则是指山体本身存在着不良地质情况。2.1主观原因：正确的施工方法是隧道安全施工的基本保障，而施工单位往往因为片面地追求施工进度或者只顾眼前利益而忽略了对围岩的支护，或人为地降低了对围岩支护的等级，施工中不认真，存在侥幸心理，这是造成塌方的主要根由。施工方法不当，主要有以下几种表现形式： 2.1.1 隧道开挖时，没有很好地进行控制爆破，加剧了对围岩的破坏和扰动。由于拉脊山隧道右线原设计为左线的平行导洞，现改扩建为主洞。施工中需要拆除736m的原平行导洞，在扩洞过程中对围岩形成二次扰动，进一步导致了围岩自稳能力的降低。 2.1.2隧道开挖后，未能及时喷射首层混凝土，围岩得不到及时封闭，或锚杆、钢筋网、格栅钢架、喷混凝土等支护措施未能及时实施，致使围岩暴露时间过长，造成围岩进一步风化，围岩收敛变形加剧，极有可能出现围岩局部失稳，进而造成塌方。 图3隧道开挖后发生塌方将拱架砸坏2.1.3混凝土喷射厚度达不到设计要求，喷混凝土的强度低于设计强度，喷射前未对岩面进行清除、清洗、排水等准备工作，混凝土渗入不到围岩裂隙当中，不能很好地封闭节理、加固结构面，从而起不到提高围岩强度、整体性和自承能力的作用。 2.1.4由于锚杆安装方向没有适应节理或裂隙的走向，锚杆安装工艺不正确，砂浆或锚固剂充填不实，锚杆间距不合理等原因，造成锚杆的抗拔力达不到设计要求，悬吊能力降低，大大减弱了其对层状岩体的连接作用和对有节理、裂隙软弱岩体的加固能力。 2.1.5格栅钢架加工质量不合格，尤其在安装时，钢架支撑构件的连接不牢固、未安装底板、钢架周边与围岩没有贴紧，只有局部接触，使得钢架局部受力超强，这些原因造成格栅钢架受力后发生严重变形或下沉，甚至发生倾倒、扭曲等现象，从而起不到应有的加固预防作用。2.1.6在施工过程中，遇到软弱围岩、不良地质地段，随着爆破震动次数增多、地下水侵蚀加剧，当围岩变形达到一定限度时，即使不应塌方地段，也会因岩体失稳而坍塌。图4围岩失稳拱顶发生塌方2.2客观原因：工程地质本身就具备着多样性，有的地质构造满足围岩稳定，而有的地质构造存在着严重的塌方隐患。 2.2.1由于岩体构造组合不利，如当隧道通过褶皱构造、断层和节理裂隙发育地带，或通过两种物理力学性质不同的岩层交界处时，由于围岩本身不稳定或已切割成碎块而强度降低，很容易引起塌方。 图5、6 隧道内围岩2.2.2当隧道通过较大的断层带，或断层虽不大但有较宽断层破碎带处，或数条断层的交汇处时，由于断层附近的岩石一般比较破碎，且风化严重，断层又多夹有断层泥、糜棱岩、角砾岩等充填物，围岩整体性极差，因此也容易产生塌方。 图7围岩发生塌方2.2.3地下水是隧道施工过程中经常遇到的地质特征，也是影响围岩稳定的主要因素之一。围岩“遇水降级”，是一条已经形成共识的具体原则。而当在较大的断层中存在较大水压时，当隧道打穿或接近断层带时，地下水会向山体外集中泄出，其中的破碎岩体和充填物被地下水冲刷淘空，从而使隧道上部岩体失去依托，造成塌方。同时，地下水对岩体的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用，常常会加剧岩体的失稳和坍落。还有很多其它的不良地质地段，象松散地层、溶洞、膨胀性岩层等，如果在施工中处理不当或不够及时，都会产生塌方。而这些可能造成塌方的因素，往往不是独立的，而是多种并存，如在电杆沟段时，经常出现有断层、破碎带、节理裂隙等，而断层一般又是地下水和地表水渗透活动场所。地质条件越复杂，塌方的可能性就越大。 图8、9隧道内地下水涌出 3塌方的预防塌方预防在隧道施工过程中发生塌方，往往是主观原因与客观原因并存的。通过以上对塌方原因的分析，不难看出，要想从根本上杜绝塌方，首先要从施工人员的思想认识和工作作风入手，切勿急躁冒进，盲目乐观，要严格按照施工规范和图纸设计施工，否则就会产生“欲速则不达”的后果；其次还要采取一些先进的、科学的方法和手段，对围岩进行超前探测和超前支护，其主要方法有以下几项：3.1超前地质预报由于方法和精度所限，隧道设计中提供的地质情况只能是个大概情况，而要想准确地了解隧道的详细地质情况，可以通过隧道施工地质技术，采取仪器探测法、地面地质调查法和断层参数预测法等科学手段，对围岩进行长期、短期或临近地质预报，为隧道采取正确的施工方法提供可靠的依据。同时，上述这些方法还可以对不良地质地段进行监测、判断，主要包括对隧道内断层破碎带、不稳定滑塌体和岩体、岩溶陷落柱的识别，影响塌方地质因素分析和塌方可能性判断，包括塌方前兆及时准确辩认。3.2光面爆破 光面爆破是隧道施工中为避免塌方而实施的至关重要的一环。施工中应根据围岩的具体情况和特点，合理的选择爆破参数，科学地确定周边眼间距、钻眼深度及最小抵抗线，严格控制炮眼的装药量，特别是周边眼，要通过试验来最终确定，软岩隧道采用半断面或台阶法开挖，孔深为1.03.0m的浅孔爆破时，单位体积岩石的炸药消耗量一般为0.40.8/m3。周边眼采用小直径药卷和低爆速炸药，借助传爆线实现空气间隔装药结构。采用毫秒雷管微差爆破，使周边爆破拥有最好的临空面，用于周边眼的同段起爆雷管的时间误差越小越好。为了使光面爆破达到最好的效果，施工中应认真观察围岩的变化情况，对爆破设计不断的进行改进和优化，及时调整炮眼间距、数量、长度、装药量和每循环进尺，真正做到石变我变，以减弱爆破对围岩的扰动，同时避免因欠挖而带来的二次扰动，为下一步的支护创造良好的条件。图11隧道光面爆破效果3.3超前支护当围岩处于软弱高水地带或断层带时，在开挖前，先行沿隧道拱部开挖轮廓线外侧，打入超前锚杆或小钢管，使锚杆或钢管前端处于掘进前方稳定的岩层内，末端支承在拱部围岩内专为超前锚杆提供支点的径向悬吊锚杆，或支承在作为支护的结构锚杆上，使其起到支护掘进进尺范围内拱部上方，有效地约束围岩在爆破后的一定时间内不发生松弛坍塌，为大断面开挖与喷锚支护创造条件。超前锚杆长度一般为38m，超前锚杆宜采用早强型砂浆锚杆。超前小导管外插角偏差应5，孔位钻设偏差应100mm，孔眼长应大于小钢管长度，小钢管应平直，尾部焊箍，顶部成尖锥状，打入长度不应小于总长的95%。 图12、13施工的超前支护3.4管棚在结构松散、稳定性差的围岩地段，将外径80mm、108mm或其他直径的无缝或普通焊接钢管沿开挖轮廓线外侧插入围岩，一般在十分松软的岩层中可直接将管顶入，或借助凿岩机将钢管顶入末段开挖的地层中去，钢管尾部以格栅钢架支撑，开挖后，形成一段短距离的稳定地带，以便及时进一步支护或进行衬砌。管棚长度应根据地质情况选用，但应保证开挖后管棚有足够的超前长度,一般每节长46m，纵向以丝扣连接，丝扣长度应15cm,管棚间距合理设置。为增加管棚刚度，可在钢管内灌入混凝土或设置钢筋笼，以更好地预防塌方。管棚施工时，在开挖工作面处应先安设受力拱架，并在其上正确标明管棚位置。架立钻机时，应精确核定孔位，保证钻机钻杆与管棚设计轴线吻合，以及钻机在钻进时不产生偏移和倾斜。钻孔顺序一般由高孔位向低孔位进行。钻孔直径一般比设计管棚直径大2030mm。管棚在顶进过程中，必须用倾斜仪严格控制上仰角，一般为12。接长管棚钢管时，接头应采用厚壁钢箍，上满丝扣，确保连接可靠。管棚钢管内水泥砂浆应用牛角泵灌注，封堵塞要有进料孔和出气孔，出气孔流浆后应停止压注。 洞口预加固管棚图3.5注浆在裂隙密集的破碎岩体中，特别在大断面地下洞室开挖中，为了加固支护，可利用管棚进行注浆，使浆液渗入围岩裂隙中，将破碎的岩块固结为整体，以改善和增强围岩的承载能力。无论是小导管注浆，还是大管棚深孔高压注浆，其最终目的都是为了对围岩进行预加固，提高围岩抗渗性能，加固岩体，改善围岩性质，以避免开挖后，围岩产生较大变形和塌方。小导管注浆时，应首先对工作面及5m范围内的坑道进行喷射混凝土或模筑混凝土封闭。选择注浆材料时要根据实际地质情况具体进行选择，在断层破碎带和砂卵石地层，当裂隙宽度（或粒径）1mm时,加固或堵水注浆宜优先选用料源广、价格便宜的单液水泥浆和水泥水玻璃浆；在断层泥地带，当裂隙宽度（或粒径）1mm时,加固注浆宜优先选用水玻璃类和木胺类浆液；在中、细、粉砂层及细小裂隙岩层、断层泥段堵水注浆，宜选用渗透性好，低毒及遇水膨胀的化学浆液。注浆结束后必须对注浆效果进行检查。通过分析注浆记录，看每个孔注浆压力、注浆量是否达到设计要求，在注浆过程中，漏浆 、跑浆是否严重，以浆液注入量估算浆液扩散半径，分析是否与设计相符；另外用地质钻机按设计孔位和角度钻检查孔，取岩心进行鉴定，同时测定检查孔的吸水量（漏水量）应0.20.4m3/min；最终用超声波探测仪测量岩体声速,判断注浆效果。注浆后，应视浆液种类，等待48h方可开挖,一般单液水泥浆开挖时间为注浆后8h左右,水泥水玻璃浆为4h左右。每开挖循环长度应根据注浆段（导管）长度而定，但必须留37m（导管注浆时35m）止浆墙。在地质特别差时，如粒径0.05mm以下的粉砂及粘性软弱地层,进行加固围岩和封堵出水时，可用周边劈裂注浆及周边短孔预注浆和平行导坑向正洞预注浆等方法，同样也是为了达到加固地层、稳固岩体、确保开挖安全的目的。3.6分部开挖当遇到松散破碎地层时，隧道施工采用分部开挖的施工方法。单线隧道宜采用上导坑先拱后墙进行开挖，起拱线以上用上导坑及分部扩大、环形开挖预留核心土等方法进行开挖支护，起拱线以下用拉中槽、跳槽开挖马口的方法开挖支护边墙；双线隧道采用双侧壁导坑先墙后拱法进行施工。在分部开挖过程中，应严格贯彻“短进尺、弱爆破、强支护”的原则。采用爆破法掘进时，应严格控制炮眼数量、深度及装药量，尽量减小爆破时对围岩的扰动；采用分部开挖法时，其下部开挖宜左右两侧交替进行。衬砌应紧跟开挖面，衬砌断面应尽早封闭。上下台阶法开挖支护意图： 图16、17上台阶施工与下台阶施工3.7勤观察、勤量测在施工过程中，随时观察和量测现场工程地质变化情况及围岩收敛变形情况，及时预报围岩稳定状况，当围岩收敛出现异常，或出现其他塌方征兆时，应立即采取有效措施进行加强支护或衬砌。观察和描述开挖工作面附近的支护状况和裂缝情况，有利于直接判断围岩的稳定性，而对开挖支护后围岩的位移量测，是对隧道各项动态变化指标的综合直接的反映，这些量测数据可以明确的提供用来判断围岩是否安全稳定的依据。围岩位移量测一般采用五点量测法，即拱顶、两侧拱脚、两侧边墙中部，量测频率一定要按照规范要求进行，安排专人进行操作，对量测数据要抓紧进行处理，确保其准确、及时、可靠，为下一步施工采取何种措施提供确切的数字化依据。YK17+186收敛量测原始记录表：a3220.98653220.9873220.9873220.9873220.9873220.987b-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724u3216.042043217.8673218.5143218.8573219.0743219.225t123456a3220.98653220.9873220.9873220.9873220.9873220.987b-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724u3219.338353219.4273219.4983219.5573219.6073219.65t789101112a3220.9873220.9873220.9873220.9873220.9873220.987b-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724-3.42724u3219.6883219.7213219.753219.7773219.8013219.823t13141516