隧道工程施工案例教程 课件 第26讲 高地应力(岩爆)硬岩地质

第八章不良和特殊地质地段隧道施工不良地质施工概述

富水断层破碎围岩

膨胀性和挤压性围岩

黄土地质

岩溶地质

煤系地层

高地应力硬岩(岩爆)地质

隧道施工坍方处理措施

第六节高地应力(岩爆)硬岩地质埋深较深的隧道工程，在高应力、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，这种现象称之岩爆。一、岩爆的概念二、隧道内岩爆的特点

(1)岩爆在未发生前并无明显的预兆(虽然经过仔细找顶并无空响声)。

(2)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。

(3)岩爆发生的地点，多在新开挖工作面及其附近。三、岩爆产生的机理岩石的全应力——应变曲线

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S2

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S1f1f2三、岩爆产生的机理应力重新分布必然会使围岩中产生应力集中围岩产生拉——剪破坏岩爆产生机理内因——决定因素地层的岩性条件地应力外因——诱导因素爆破震动岩爆产生条件四、岩爆预测岩爆预测的主要判据Russenes判据无岩爆弱岩爆中岩爆强岩爆四、岩爆预测岩爆预测的主要判据能量判据无岩爆中、低烈度岩爆严重岩爆

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Φstf1f2Φsp(0.7~0.8)Rb0.05Rb四、岩爆预测岩爆预测的主要判据岩性判据临界深度判据四、岩爆预测岩爆的现场预测微震法(A-E法)

Acoustic—Emission方法，又称为亚声频探测法或声发射法。当岩石临近破坏之际，A—E(微震)噪音读数迅速增加，如果地音探测器平均噪音读数大于预定的目标，就意味着有岩爆来临。四、岩爆预测岩爆的现场预测电磁辐射监测预报法依据完整煤(岩)压缩变形破坏过程中，弹性范围内不产生电磁辐射，峰值强度附近的电磁辐射最强烈，软化后无电磁辐射的原理，采用特制的仪器，现场监测煤(岩)体变形破裂过程中发出的电磁辐射。脉冲信号，通过数据处理和分析研究，来预报煤(岩)爆。四、岩爆预测岩爆的现场预测钻屑法钻屑法是通过向岩体钻小直径钻孔，根据钻孔过程中单位孔深排粉量的变化规律和打钻过程中各种动力现象，了解岩体应力集中状态，达到预报岩爆的目的。强度较低的岩体在岩爆危险地段打钻时，钻孔排粉量剧增，最多可达正常值10倍以上，一般认为排粉量为正常值的2倍以上时，即有发生岩爆的危险。强度较高的岩体通过岩心柄化现象判断。五、岩爆发生的判据岩爆发生的基本条件：(1)岩石单轴抗压强度>60~80MPa；(2)岩质与岩性：坚硬、脆性；(3)岩体结构：完整或基本完整；(4)地应力场应力值；(5)岩爆发生与坑道轮廓平整度有关。六、岩爆的防治措施强化围岩，出发点是给围岩一定的径向约束，使围岩的应力状态较快地从平面转向三维应力状态，以达到延缓或抑制岩爆发生的目的。弱化围岩的主要措施是注水、超前预裂爆破、排孔法、切缝法等。弱化围岩，目的是改变岩石的物理力学性质，降低岩石的脆性和储存能量的能力。或是解除能量，使能量向有利的方向转化和释放。基本方法六、岩爆的防治措施防治措施强化围岩，出发点是给围岩一定的径向约束，使围岩的应力状态较快地从平面转向三维应力状态，以达到延缓或抑制岩爆发生的目的。如喷混凝土或喷钢纤维混凝土、锚杆加固、锚喷支护、锚喷网联合、钢支撑网喷联合或紧跟混凝土衬砌等。如注水、超前预裂爆破、排孔法、切缝法等。弱化围岩，目的是改变岩石的物理力学性质，降低岩石的脆性和储存能量的能力。或是解除能量，使能量向有利的方向转化和释放。中等型岩爆迹象：距掌子面约1～3倍洞径范围内，爆破后10min~20min，将听到岩体外露面岩体爆裂的声音，声音与前者相比偏大且频率偏高。紧接着垂直于岩体节理面的方向将发生弹射的岩片。伴随着可听到类似打枪“啪、啪、啪”的响声，随后在1min～2min以内将发生岩块爆裂坠落现象，这时爆下来的岩块相对来说较厚较大，厚度一般达10cm以上，长×宽达40×10cm2以上，一般为长条片状型，这种现象有时持续几分钟，有时持续1h~2h。防治措施：可停止施工作业，退后100m待避，可设法远距离向岩爆区岩面喷射水，待岩爆缓解，基本无岩爆迹象后进行找顶，撬除已松裂的岩片、岩块，进行喷混凝土。随后在岩爆区钻孔安装锚杆、挂网喷混凝土。较强型岩爆迹象：一般发生在距工作面8m～50m的范围内。除有中等强度的岩爆迹象外，主要特征：从岩爆开始，约lh-2h后，岩爆变剧，声音也较响，可听到岩体内部岩石因断裂而发出的“嘣、嘣、嘣”类似闷炮声响，爆裂下来的岩片也比较大，厚约10cm～15cm以上，长×宽约为60cm×25cm以上，最大的岩块将近1m，爆下来岩石量也较多。一般达到5~6m3以上，最大时达到10m3以上。个别片状岩块由于受挤压破坏掉下后呈微拱形状；有时岩块在脱离母岩的瞬间发生爆裂，呈粉碎状弹射下来；有时拌有“嘣嘣”的巨晌，表面上看起来岩体较完整，其实内部已爆裂，敲击岩面可听到空响声；在现场还可以看至4在两节理面交接处岩石受挤压破坏成粉碎现象。较强型岩爆防治措施：停止施工作业，退后200m待避待岩爆自然缓解后，用机械手找顶，撬除松裂岩石．及时喷钢纤维混凝土。在边墙及拱部成放射状倾斜向岩体内部钻孔．并向孔内灌高压水，使岩体有一定程度软化，加快围岩内部的应力释放随后安装锚杆、挂钢筋网，喷钢纤维混凝土。强烈型岩爆迹象：除较强型岩爆所述现象之外，岩爆发生将更频繁，岩爆下来的岩石量更多，施工开挖极不安全。防治措施：(1)必须配合钻孔爆破卸载法，尽可能使围岩内部的应力得以释放。(2)预钻孔法，在工作面周围(设计断面以外)成放射状倾斜向岩体内部钻孔，以2排为好，主动给岩体提供变形空间，使其内部的高应力得到有效的释放。必要时可配合向孔内灌注高压水，此时释放应力的效果更好。(3)采用分部开挖的方案：先开挖导坑，待周围围岩应力释放岩爆自然缓解后再出碴，而后扩大开挖，循环渐进。施工不受工期控制时可采用此方法。七、岩爆地段隧道施工的注意事项

(1)如设有平行导坑，则平导应掘进超前正洞一定距离，以了解地质，分析可能发生岩爆的地段，为正洞施工达到相应地段时加强防治，采取必要措施。

(2)爆破应选用预先释放部分能量的方法，如超前预裂爆破法、切缝法和排孔法等，先期将岩层的原始应力释放一些，以减少岩爆的发生。

(3)根据岩爆发生的频率和规模情况，必要时应考虑缩短爆破循环进尺。

(4)岩爆引起坍方时，应迅速将人员和机械撤到安全地段。八、工程实例——关村坝隧道成昆铁路关村坝隧道位于中国四川省峨边县境内，单线铁路隧道。隧道全长6107m，最大埋深1650m。是发生强烈岩爆较早的铁路隧道之一。该隧道于1961年7月开工，1963年2月停工，完成工程12％。后于1964年11月复工，1966年5月竣工。1973年又在昆明端洞口外建明洞80米。隧道穿过的地层为震旦系石灰岩，石质坚硬，层厚而完整，层理接近水平。Rb＝120~140MPa，σmax＝35.0MPa，σmin=26.2MPa，昆明端于1965年1~3月岩爆严重，当时由于缺乏经验，曾多次发生人身事故，威胁施工安全，影响施工进度。隧道采用漏斗棚架先墙后拱法施工。岩爆情况一：岩石爆破时，有烟状粉末散出，声响较大，爆落的石块较小，一般为几厘米长宽的碎屑薄片，常与开挖断面成明显角度弹射出来，几乎与岩石的开裂同时发生。多发生在导坑顶部和扩大牛角弯处。岩爆情况二：岩石的爆裂声响较小，爆裂的石块需经一段时间后才从母岩弹射或自由下落，块度较大，常见于导坑的顶部，也有在两侧壁发生的。岩爆大多发生在钻爆后2~3h内的开挖面及附近顶板与牛角弯处，但也有距工作面较远的。已衬砌地段未发生因岩爆而开裂现象。经反复实践，对岩爆的防护除加强安全技术教育外，改进扩大开挖的办法，勤检查、勤找顶及浇水，并采用金属锚杆挂网的支护办法，效果较好，保证了施工安全。九、工程实例——二滩电站的左导流洞二滩电站左导流洞全长1087.5m，最大开挖高度35.2m，开挖宽度18.7m，开挖面积628m2，最大埋深170~200m，最小51.5m，主要岩体为坚硬致密的玄武岩和灰色正长岩，I、II级。Rb＝170~220MPa，σmax＝52.5MPa，σmin=31.6MPa，钻爆法施工。先开挖50m2小导坑，再顺次进行拱部扩挖，然后是I部台阶、II部台阶。该导流洞处于偏压状态，因而

岩爆具有一定特征：岩爆发生部位多集中在靠江侧(AB

、BC)，起拱点附近最为强烈；在接近断层涌水带之前，较频繁发生；距开挖掌子面距离一般在2~10m范围内；时间短者2~3d，长者达两个月；在工作面上有某种程度的节理和龟裂现象发生；爆破以后最强烈，随时间推移而减小，断续山鸣

声持续2~3d。最大岩爆掉块达5.0m3；脆裂与片裂两种形式均存在。施工中针对岩爆采取的主要措施：超前钻孔、灌注高压水；短进尺，强支护；松动爆破和震动爆破；开挖面洒水；喷素混凝土和钢纤维混凝土；挂设钢筋网、复喷；施设短锚杆或加密锚杆。构造锚杆：普通砂浆锚杆，φ22，长5、6.5m两种，间距2m，布置于拱部。局部锚杆，普通砂浆锚杆，φ22，长3、4m两种，用于靠江侧边墙和拱部。第八章不良和特殊地质地段隧道施工十、工程实例——秦岭隧道Ⅱ线

43段共1900m发生岩爆。轻微岩爆28段(1124m)，以破裂剥落型为主；中等岩爆11段(650m)，弹射型和破裂剥落型为主；强烈岩爆4段(120m)，强烈弹射型，并造成围岩大面积开裂失稳。主要措施第八章不良和特殊地质地段隧道施工第七节煤系地层碳质页岩存贮瓦斯《铁路瓦斯隧道技术规范》TB10120-2002第八章不良和特殊地质地段隧道施工第七节煤系地层一、瓦斯的性质

(1)瓦斯(沼气)为无色、无臭、无味的气体，易使人窒息或发生死亡事故。

(2)瓦斯比重为0.554仅占空气一半，扩散速度快。

(3)瓦斯不能自燃，但极易燃烧。瓦斯是坑道内有害气体的总称，其成分以沼气(甲烷CH4)为主，还有少量氢气(H2)、硫化氢(H2S)等。可能出现的地层：煤层、油页岩或含沥青等岩层。二、瓦斯的燃烧和爆炸性三、瓦斯放出的类型

(1)瓦斯的渗出

(2)瓦斯的喷出

(3)瓦斯的突出四、瓦斯隧道的分类根据瓦斯涌出量分为低瓦斯隧道高瓦斯隧道瓦斯突出隧道根据瓦斯涌出量分为非瓦斯工区低瓦斯工区<0.5m3/min高瓦斯工区≥0.5m3/min瓦斯突出工区按绝对瓦斯涌出量隧道工区可分为瓦斯突出工区的判定瓦斯压力P≥0.74MPa瓦斯放散初速度△P≥10煤的坚固性系数f≤0.5煤的破坏类型为Ⅲ类及以上五、防止瓦斯事故的措施

(1)隧道穿过瓦斯溢出地段，应预先确定瓦斯探测方法，并制订瓦斯稀释措施、防爆措施和紧急救援措施等。

(2)隧道通过瓦斯地区的施工方法，宜采用全断面开挖，因其工序简单、面积大、通风好。

(3)施工前必须进行培训，爆破、电工、瓦斯检测等作业人员必须持证上岗。

(4)钻爆作业符合下列规定湿式凿岩炮眼深度不小于0.6m，必须堵塞采用煤矿许用炸药采用煤矿许用电雷管，最后一段延期时间小于130ms.严禁使用秒或半秒级电雷管严禁反向装药采用串联连接方式使用防爆型起爆器

(5)瓦斯突出隧道采用以下防突措施必须单独编制实施性施工组织设计必须进行超前探测必须对突出性进行预测瓦斯压力法综合指标法钻屑指标法钻孔瓦斯涌出初速度法“R”指标法

(5)瓦斯突出隧道采用以下防突措施钻孔排放效果检验

(6)石门揭煤施工注意事项必须留岩墙煤层压力大于1MPa时，先排放后爆破煤层压力小于1MPa时，采用震动放炮洞外起爆，洞内停电、停止一切作业，人员撤出隧道

(7)支护、衬砌施工注意事项

(7)支护、衬砌施工注意事项使用超前周边全封闭预注浆。及时施做初期支护和二次衬砌仰拱超前施工二次衬砌预留注浆孔全包防水层气密性混凝土加强监测通风方式

(8)通风要求非瓦斯工区采用压入式和混合式低瓦斯工区采用压入式或巷道式高瓦斯工区或瓦斯突出工区采用巷道式各工作面独立通风通风计算需考虑瓦斯绝对涌出量

(8)通风要求洞内空气中允许的瓦斯浓度及处理措施采用防爆设施设两路电源，连续通风采用抗静电、阻燃的风管第八章不良和特殊地质地段隧道施工第八节隧道施工坍方处理措施导致坍方的原因有多种，概括起来可归结为：一是自然因素，即地质状态、受力状态、地下水变化等；二是人为因素，即不适当的设计，或不适当的施工作业方法等。第八章不良和特殊地质地段隧道施工

(1)不良地质及水文地质条件一、发生坍方的主要原因①隧道穿过断层及其破碎带，或在薄层岩体的小曲褶、错动发育地段②隧道穿越地层覆盖过薄地段③水是造成坍方的重要原因之一第八章不良和特殊地质地段隧道施工

(2)隧道设计考虑不周①隧道选定位置时，地质调查不细，未能作详细的分析，或未能查明可能坍方的因素，没有绕开可以绕避的不良地质地段。

②缺乏详细的的地质及水文地质资料，引起施工指导或施工方案的失误。第八章不良和特殊地质地段隧道施工

(3)施工方法和措施不当①施工方法与地质条件不相适应②喷锚支护不及时，喷射混凝土的质量、厚度不符合要求。③新奥法施工的隧道，没有按规定进行量测，或信息反馈不及时，决策失误、措施不力。④围岩爆破用药量过多，因震动引起坍塌。⑤对危石检查不重视、不及时，处理危石措施不当，引起岩层坍塌。第八章不良和特殊地质地段隧道施工二、预防坍方的施工措施

(1)采取“先排水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤量测”的施工方法。

(2)加强坍方的预测①观察法②一般量测法③微地震学测量法和声学测量法

(3)加强初期支护，控制坍方第八章不良和特殊地质地段隧道施工三、隧道坍方的处理措施

(1)隧道发生坍方，应及时迅速处理。

(2)处理坍方应先加固未坍塌地段，防止继续发展。①小坍方，纵向延伸不长、坍穴不高②大坍方坍穴高、坍渣数量大，坍渣体完全堵住洞身时，宜采取先护后挖的方法。第八章不良和特殊地质地段隧道施工③坍方冒顶，在清渣前应支护陷穴口④洞口坍方，一般易坍至地表，可采取暗洞明作的办法。(3)处理坍方的同时，应加强防排水工作。四、隧道坍方实例－成渝高速公路缙云山隧道缙云山隧道是成渝高速公路东段的两大隧道之一，分为左、右两线，长度为2478m和2528m。地质主要为灰岩和砂岩，其中灰岩占40%左右，有少量的泥岩和页岩，隧道通过4个断层、5个煤矿采空区，在此段落存在一定浓度的瓦斯，有较大的涌水，最大涌水2~3万m3/d。(1)坍方情况施工过程中，因地质构造复杂，节理发育，地下水丰富以及断层破碎带影响，先后发生了5次较大规模的坍方，其中4号坍方最大，长达22m，宽10~14m，坍塌高度18~25m，坍方数量达4000~5000m3。(2)坍方原因分析由于岩破碎、节理发育，致使岩层的层间结合力较低，加上地下水的作用，引起上部失稳、坍塌；坍方段属于IV级围岩，离掌子面的距离太大，已达到85.0m，再加上初期支护强度可能偏低(因地下水的影响，使喷射混凝土的厚度无法保证)，施工时没有安设格栅；在坍方范围内，发现了一条宽度约1.8~2.4m的断层，致使出现大规模坍方。(3)坍方的处理措施和步骤先加固坍方附近的未坍塌部分，采用喷锚支护和小管棚(直径60~80mm的钢花管)对未坍塌的边墙及拱部进行加固，以防止坍方的进一步发展。利用坍方发生后围岩处于相对暂时稳定状态，抓紧时间沿坍塌面设外层初期支护，其支护参数如下：锚杆：长3.5~4.5m，φ22mm，间距1.0m×1.0m~1.5m×1.5m；钢筋网：采用φ8mm或φ12mm钢筋，网格间距20cm×20cm；喷射混凝土：分两层，第一层5.0~8.0cm，然后施作锚杆和挂网，再复喷第二层10~15cm。因坍腔的横断面矢跨比H/B=1.8~2.8＞0.7，故不设(也难以设置)内层初期支护，但在坍腔内需设置横向和竖向的支撑杆件，本例中采用7.5号角钢横向和竖向支撑两侧及顶部的坍塌面，竖向间距8.0~10.0m，纵向间距2.0~2.5m，角钢的两端与锚杆头进行焊接；清碴，从洞口向里逐步清碴，同时逐步进行二次衬砌；待二次衬砌完成后设置防水层，预埋注浆孔；施作1.0m厚的混凝土护拱；设土石缓冲层，厚度1.2~1.5m；衬砌前后注浆(即填充注浆)。整个坍方处理历时5个月，从处理效果来看，保证了工程质量和施工安全，但投入的费用和耗费的时间相对大了一些。五、隧道坍方实例－飞鸾岭隧道南段洞口坍方飞鸾岭隧道位于福建省104国道线上，公路双线隧道，开挖断面积82.4m2，全长3155m。坍方断面情况以及与掘进情况如图所示。(1)坍方发生情况坍方发生在洞口附近，长约10m，洞口围岩为V级，全风化花岗岩，地下水丰富。在洞口右侧距隧道中线1.8m处，拱部有一降水管，拱部地下水沿降水管周边大量渗下，左侧拱部有较大裂隙水渗出，初步分析是地质钻孔所致。

1996年2月28日19时25分，围岩出现声响，在喷层上出现裂纹，在距开挖面5~6m的拱部首先发生掉块，当时正在复喷，随后裂纹逐渐扩大，其中最大的一条裂纹长达6~7m，宽达1~2cm，斜穿拱顶至起拱点。在19时49分，工人们正在对出现裂纹的地方进行喷射混凝土加强时，于K7+455处的降水管附近突然发生坍塌，估计数量有2.0m3左右，工人们立即撤出，大约2min后，“哗啦”一声巨响，整个靠近开挖面10m长度的初期支护全部垮塌下来，并一直坍塌至地表，形成冒顶坍方，地表形成9.0m×15.0m的凹形漏斗，在坍口周围35m范围内出现大量裂缝，已作好的排水沟出现多处拉裂，坍方高度达32.0m，坍方数量为3760m3。(2)坍方原因该段地质为强风化花岗岩，从洞内的坍体表面观察来看，大约80%已完全风化成砂粘土，其粒径为0~3mm，其余为孤石，最大直径为80cm左右，这样的松散结构，其结合力主要领先砂粒间的摩擦力，整体稳定性极差。地下水丰富，在开挖过程中，就经常出现大量的渗漏水，特别是风化共岗岩这样的松散结构遇水后，其自稳时间几乎为零，特别是降水管把垂直上方的地下水都引入洞中，致使发生冒顶的大型坍方。支护措施存在一定问题，针对这样的地质条件，应采取适当超前支护措施，