隧道施工中围岩稳定性与隧道施工安全的关系预防隧道塌方

隧道施工中围岩稳定性与隧道施工安全的关系张涿高速公路保定段XXXX合同项目经理部2010年11月27号序言随着国民经济迅速发展，尤其近几年随着平原高速公路网已经完成，山区高速公路建设成为近年来的施工重点，公路隧道在公路建设中的地位愈来愈显示重要作用，随着国内西汉线（西安到汉中）的秦岭隧道、兰武铁路二期乌鞘岭隧道等超长隧道的贯通，隧道施工工艺日趋成熟。在我国当前的生产力水平条件下，隧道其核心就是“基本维持围岩原始状态”，达到“充分发挥围岩自承能力”的目的，在“保持平衡稳定性”这一点上，各种设计理论和工法是一致的。其中预支护原理的正确运用是确保隧道围岩稳定的前提，“能量最小原理”与“基本维持围岩原始状态”的提法是相辅相成的，“能量最小原理”是直接判断施工方法优劣的原则，是实现“基本维持围岩原始状态”目标的应遵循的技术原则，“保持平衡稳定性”是工程质量的保证。因此，隧道施工不管采用什么设计原理和施工工法，关键是施工过程中要遵循“能量最小原理”。按此原理选择合适的工法，达到“基本维持围岩原始状态”，因此，“预支护原理的正确运用”、“能量最小原理”和“基本维持围岩原始状态”是隧道施工合理方法的判别原则。作为我个人上学虽然系统的学习了隧道设计和施工的原理和方法，但是，参加工作以来没有在隧道施工的工作经历，加上近年来隧道施工中新工艺和新型原材料的运用，使得抽象的理论概念与实践更加难易结合，不过，本人很有幸来到xxxxxx有限公司这个大家庭。在今年5月份来到张涿高速公路XXXX标以来，我参加了西马各庄隧道的建设，在这将近6个月的施工中我学习到了很多的施工的有效办法和工艺，西马各庄隧道位于溶洞群区域中，在施工中遇到了溶洞、填充溶洞、破碎带、断层等复杂的不良地质灾害。在施工中遇到了塌方、沉降、溶洞处理等多项问题。同时，也是对隧道施工全面系统的学习、了解。现在我借助公司培训这次机会把我在这半年来对隧道的认知和了解和大家共同分享一下，一起进步，共同成长。为我们公司在隧道方面快速发展，尽自己绵薄之力。希望公司领导和项目同仁多提宝贵意见。同时，感谢公司领导、项目领导和项目同仁在这半年中对我的关心、帮助和支持，谨致以我最衷心谢意！张涿高速公路XXXX项目经理部xxx2010年11月27日目录1、岩体工程分类……………………12、岩体稳定与不稳定………………33、围岩稳定的概念…………………44、隧道预支护原理…………………55、深埋隧道围岩自稳性差几种常见问题…………56、小间距隧道施工安全……………67、超前地质预报和中短期地质预报的作用和必要性……………68、监控量测的目的和必要性………79、处理方案的合理性………………8第一章、隧道围岩岩体第一节、隧道围岩分类1、公路隧道围岩分级：隧道围岩是指隧道周围一定范围内，对隧道稳定性能产生影响的岩、土体。隧道周围的地层，不管是岩体还是土层，统称为隧道围岩。《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）按围岩的主要工程地质条件和围岩开挖后的稳定状态，将隧道围岩分成六级，具体见下表位移级别围岩或土主要定定性特征围岩基本质量指指标BQ或修正的的围岩基本本质量指标标「BQ」Ⅰ坚硬岩，岩体完完整，巨整整体或巨厚厚层状结构构＞550Ⅱ坚硬岩，岩体完完整，巨整整体或巨厚厚层状结构构较坚硬岩岩，岩体完完整，块状状整体结构构550﹏4511Ⅲ坚硬岩，岩体较较破碎，巨巨块（石）碎碎（石）状状镶嵌结构构较坚硬岩岩或较软硬硬岩层，岩岩体较完整，块块状体或中中厚层结构构451﹏3511Ⅳ坚硬岩，岩体破破碎，破碎结构构较坚硬岩岩，岩体破碎-破碎，镶嵌破碎碎结构较软软或较硬层层互层，且且以较软岩岩为主，岩岩体较完整整-较破碎，中中薄层状结结构。350-2511土体：⑴压密或或成岩作用用的黏性土土及砂性土土⑵黄土（Q1、QQ2）⑶一般钙质质、铁质胶胶结的碎石石土、卵石石土、大块块石土Ⅴ较软岩，岩体破破碎软岩，岩岩体较破碎碎-破碎及破破碎各类岩岩体，碎、裂裂状，松散散结构≤250一般第四系的半半干硬至硬硬塑的黏性性土及稍湿湿的碎石土土，卵石土土、圆砾、角角砾土及黄黄土（Q3、Q4）。非非黏性土呈呈松散结构构，黏性土土及黄土呈呈松软结构构。Ⅵ软塑状黏性土及及潮湿、饱饱和粉细砂砂层、软土土等见附表1西马各庄隧道围岩等级划分及支护类型2、岩体稳定与不稳定：影响隧道围岩稳定的因素包括两大类：一类是客观地质环境，另一类是设计与施工因素。客观地质环境包括围岩初始应力状态、围岩的结构状态、岩石的基本性质和地下水等。设计与施工因素包括施工工法、支护措施、隧道的形状和尺寸等。Ⅰ、内在因素：1、围岩的初始应力状态;岩体的初始应力状态一般是指两方面，一个是自重应力，一个是结构应力。岩体内某一截面的自重力是指上方覆盖岩体的自重产生的应力；构造应力是指地质运动过程中所积储的应力。因此，由于隧道开挖，破坏了岩体原有的应力平衡状态，在回弹应力作用下，围岩内个质点均将沿最短距离向消除了阻力的自由表面移动，直到达到新的平衡。2、围岩的岩性及结构从围岩的岩性上分为塑性围岩和脆性围岩两大类，塑性围岩主要包括各类黏性土质岩石、破碎松散岩石岩石及某些易吸水膨胀的岩石，通常具有风化速度快、力学性能低以及遇水易软化、膨胀或崩解等不良性质，故对隧道围岩的稳定性最为不利。脆性围岩主要包括各类坚硬或半坚硬岩体，故对隧道围岩的稳定性最为有利。围岩的结构状态通过其破碎程度或完整状态来表示。故围岩越完整对隧道围岩的稳定性越有利，反之，就越不稳定。3、地下水的作用地下水严重影响围岩稳定性。Ⅱ、外在因素：1、隧道形状和埋深隧道断面截面面积越大越不稳定，埋深越深越不稳定。2、施工方法施工对围岩的扰动有大有小，不同的施工方法对围岩稳定性的影响不同。其中，隧道稳定的围岩中施工的例子有北京张房的宋辽时代的地道、保定清苑的地道战、龙门石窟、黄土高原的窑洞等。隧道不稳定的例子西马各庄隧道左线进口K86+192-K86+212段隧道塌方段。总之，洞室的开挖引起围岩的卸载回弹、应力重新分布和地下水重分布，这种变化可能导致围岩发生变形和破坏。围岩变形破坏通常是从洞室周围开始的，而后逐步向围岩内部发展。围岩破坏形式和特点，除与岩体内部的初应力状态和洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构。后附西马各庄隧道围岩情况照片及塌方照片。3、围岩稳定的概念：围岩是隧道结构的主要承载部分，隧道围岩支护过程中应尽量减少围岩卸载位移。一方面允许围岩有一定的位移，从而产生受力环；另一方面，又必须限制围岩位移的程度以避免围岩变形过大而产生严重松弛卸载，关键是基本维持围岩的原始状态。在岩体工程中，围岩的稳定平衡状态一般理解为：在岩体工程活动过程中，应力调整达到新的平衡状态，变形不再发展。岩体结构、强度的不均一性及各向异性导致了岩体内应力分布不均；岩体中某些部位应力集中程度高而结构强度又相对较低，这往往是累进性破坏的突破口，在大范围岩体尚保持整体稳定稳定的情况下，某些应力-强度关系中的最薄弱部位就可能发生局部破坏，并促使了应力重新分布和新的应力集中，引起薄弱环节的破坏，逐渐发展，连锁反应，最终导致大范围的岩体失稳破坏。但由于稳定平衡状态在施工中很难界定，不稳定平衡具有隐蔽性和偶然性，工程上一般很难发现，施工当中的支护就愈发重要了。4、隧道预支护原理：隧道设计与施工有多种技术方法体系，如新奥法、浅埋暗挖法、矿山法等。它们的指导思想都是一致的，就是要求修建隧道过程中尽可能保持围岩的原始状态，有效发挥围岩的自承作用。在技术方法的实施上，采用喷射砼和锚杆为主的初期支护技术，并采用量测技术保障围岩支护效果，把隧道围岩和各支护结构作为一个共同作用的承载体系。新奥法施工应严格遵循“十八字原则”，即“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早闭合、勤量测”。“十八字原则”是隧道施工中施工原则和要点精辟总结。同时，加强初期支护使预支护力大于使围岩处于稳定平衡时所需要的力，隧道围岩处于稳定状态。选择合理、适宜的辅助施工工法。常用的有环形施工预留核心土、喷射砼封闭掌子面、超前锚杆、超前小导管支护、超前小导管周边注浆、设置上台阶临时仰拱、地面高压注浆等。从隧道开挖至二次衬砌完成，在此期间初次支护的承载力是预支护的重要组成部分。因此隧道初期支护对保证隧道施工核心“基本维持围岩原始状态”，达到“能量最小原理”的目的。以保证施工安全。后附西马各庄隧道各级支护及几种处理方法。5、深埋隧道围岩自稳性差几种常见问题深埋破碎围岩自稳性差，特别是拱部围岩，围岩自稳时间很短或基本没有自稳时间，在隧道施工失去支承后极易发生塌落，形成工程事故。深埋隧道中不良地质灾害破碎带、溶洞、断层、松散地层处理原则，“基本维持围岩原始状态”，保证“能量最小原理”和“基本维持围岩原始状态”是围岩较差深埋隧道的基本处理原则，后附西马各庄隧道在围岩较差段落处理方案。6、小间距隧道施施工安全小间间距隧道随随着两个洞洞体间距的的减小，洞洞体间的相相互影响不不断增强，左左右洞二次次应力场在在中壁岩柱柱处相互叠叠加，中壁壁岩柱应力力明显增大大，处于不不利的受力力状态，发发生楔形变变形。所以以在小间距距隧道施工工时，应注注意隧道的的洞身之间间的相互影影响问题，尽尽量使受力力保持一定定的独立性性。因此小小间距隧道道施工中保保证围岩稳稳定性就越越趋于重要要，现目前前处理方法法比较单一一，就是拉拉大洞身开开挖间的距离。后后附西马各各庄隧道小小间距开挖挖方案和处处理案例。7、长期超前地质预预报和中短短期地质预预报的目的的和必要性性隧道道施工中超超前地质预预报不论长长期的TST地震波、中中期地质雷雷达、短期期超前探孔孔其目的都都是为了补补充设计图图画纸中的的勘察报告告、提高勘勘探程度、防防灾减灾、指指导施工为为目的的。在隧道道施工中围围岩发育又又不可预见见性，在施施工中过程程中围岩存存在大量的的不稳定因因素，如溶溶洞、裂隙隙、富水较较发育裂隙隙的岩层、断断层、松散散层等，甚甚至是掌子子面围岩左左右侧未发发生交汇，而而交汇点可可能在掌子子面后面使使围岩在开开挖过程中中发生突发发性失稳。因因此在施工工中超前地地质预报就就有防灾减减灾的作用用，使施工工中必不可可少的辅助助手段。后后附西马各各庄隧道围围岩超前地地质预报和和过不良地地质的施工工预案。8、监控量测的目目的和必要要性量测测的目的现现场监控量量测是现代代化管理喷喷锚施工的的重要组成成部分，它它不仅能知知道施工，预预报险情，确确保安全，而而且通过现现场监测获获得围岩动动态和支护护工作状态态的信息，为为修正和确确定初期支支护参数，砼砼衬砌支护护时间提供供信息依据据。隧道道在开挖和和支护过程程中破坏了了原有的围围岩平衡，使使围岩中的的应力发生生重新分布布，这个过过程具有一一定的持续续时间，在在这个过程程中围岩存存在着巨大大的失稳风风险，随时时可能发生生拱顶沉降降、环向开开裂、边墙墙变形、地地表下沉等等情况，因因此隧道的的监控量测测在隧道施施工中具有有重大的指指导意义。后后附西马各各庄隧道中中一段环向向开裂处理理的照片。9、处理方方案的合理理性在隧隧道施工中中“充分发挥挥围岩自承承能力”是工程建建设所期望望的。为了了充分发挥挥围岩的自自承能力，“基本维持持围岩的原原始状态”是基础，如如何确定合合理的隧道道施工方案案才能达到到维持围岩岩的原始状状态成为隧隧道施工中中关注的重重点问题。隧道道施工中每每一种施工工工法都不不是万能的的，都有其其各自的使使用条件，必必须根据围围岩类别选选用不同的的工法。即即使同一级级别围岩，由由于所处的的工程地质质环境的差差异，岩体体完整程度度也不是完完全相同的的，选用的的工法也是是有差别的的，无论选选用怎样的的工法，一一个共同的的目标就是是要选用最最经济的、最最合理的手手段维持围围岩的稳定定，保持隧隧道洞身的的安全施工工。隧道开开挖中围岩岩受力情况况，隧道在在开挖前围围岩处于三三维受力状状态，处于