特殊地质地段隧道施工

第8章特殊地质地段隧道施工特殊地质地段：膨胀土、软弱黄土、溶洞、断层、流沙、岩爆，瓦斯地层等。施工注意:制订针对性强的施工方案。施工总原则：“先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤检查、稳前进”充分考虑采用预支护、预加固措施。1.膨胀土围岩的特性膨胀土：土中粘土成分主要由蒙脱石等亲水性矿物组成。特点：⑴明显的塑性流变特性，开挖后塑性变形大。⑵初期围岩变形大，且变形发展速度快。⑶膨胀压力将使得围岩压力显著增加。6.7.1膨胀土围岩2.膨胀土围岩对隧道施工的危害⑴围岩裂缝⑵隧道下沉⑶围岩鼓出(包括底鼓)、坍塌⑷衬砌变形和破坏3.隧道在膨胀土围岩中的施工要点⑴加强观查与量测⑵合理选择施工方法：短台阶或超短台阶法单侧壁导坑法环形开挖留核心土法眼镜工法等4.隧道在膨胀土围岩中的基本施工原则•应尽量减少对围岩的扰动和防止水的浸湿。•注意两点：①尽量不用爆破，而是采用风镐、液压镐等开挖机械。②尽可能缩短围岩暴露时间，及时支护。5.膨胀土隧道的支护结构有较大的侧压力，边墙应设计为曲边墙防止出现底鼓，应设仰拱，且应先做仰拱。6.7.2黄土1.黄土分类及其对隧道施工的影响⑴黄土节理◆在隧道开挖时，土体顺着节理张松或剪断。◆隧道顶部极易产生“塌顶”；◆侧壁普遍出现掉土。⑵黄土冲沟地段•隧道沿黄土冲沟或塬边(四边陡、顶上平的黄土高地)地段穿过，且覆盖较薄或偏压较大时，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。⑶黄土溶洞与陷穴这是黄土地区经常见到的现象。◆隧道若在其上方，则有基础下沉的危害；◆隧道若在其下方，常有发生冒顶的危险；◆隧道若在其邻侧，则有可能承受偏压。⑷水对黄土隧道施工的影响◆黄土在干燥时很坚固，承压力也较高，施工可顺利进行。◆当土受水浸湿后则呈不同程度的湿陷性，会突然发生下沉现象，极容易造成隧道坍塌。2.黄土隧道的施工方法◆施工原则：“短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤量测”。◆开挖方法：短、超短台阶法、环形开挖留核心土法。6.7.3溶洞•岩溶：可溶性岩层，如石灰岩、白云岩等，在水的作用下产生沟槽、空洞以及地表陷穴等现象。•溶洞：溶洞是岩溶现象的一种。1.溶洞的类型及其对隧道施工的影响◆溶洞类型：死、干、小型溶洞：较容易处理活、湿、大型溶洞：较难处理。◆对隧道施工影响：溶洞岩质破碎，容易发生坍塌；溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，使隧道基底难于处理；溶洞涌泥、涌水危及施工。2.隧道遇到溶洞时的工程对策处理溶洞的方法：“引、堵、越、绕”四种。⑴引注意：遇到暗河或溶洞有水流时，宜排不宜堵。方法：暗管、涵管或小桥等，见图6-19。⑵堵对象：已停止发育、跨径较小，无水的溶洞。方法：混凝土、浆砌或干砌片石回填封闭，见图6-20；隧顶溶洞，锚喷加固，必要时注浆加固与堵水，并加设隧道护拱及拱顶回填，见图6-21。⑶越◆现象1：隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞。方法：加深该侧的边墙基础(图6-22)。◆现象2：隧道底部遇有较大溶洞并有流水。方法：在隧底以下砌筑圬工承重墙，跨越而过，承重墙内套设涵管引排溶洞水(图6-23)。◆现象3：隧道过墙部位遇到较大、较深的溶洞，加深边墙基础困难。●方法：在边墙下或隧底以下筑拱跨过(图6-24)。⑷绕•若溶洞处理耗时，可采用迂回导坑绕过溶洞，继续隧道前方的施工,同时处理溶洞。3.溶洞地段施工的注意事项⑴多做物探超前预报，如地质雷达。⑵穿过溶洞时，细查溶洞顶部，及时处理危石。⑶严格控制爆破药量，减少对围岩的扰动。6.7.4岩爆◆岩爆：岩体中聚集的高弹性应变能因隧道开挖而发生的一种应力突发现象。◆岩爆形成的两个条件：(1)地层的岩性条件。结构基本完整的脆硬岩地层。多见于石英岩、花岗岩、正长岩、闪长岩、花岗闪长岩、大理岩、片麻岩等。(2)地应力条件。埋深大的隧道，因只有埋深大才足以形成高地应力，埋深超过700m的隧道发生岩爆的情况居多。1.隧道内岩爆的特点⑴岩爆在发生前并无明显预兆，总是突然发生。⑵岩爆时，岩块自洞壁迸射而出，块度从几厘米到几十厘米不等，甚至上吨重岩石从拱部弹落。⑶岩爆多发生在新开挖工作面及其附近。危险性：伤害人员、损坏机械！2.岩爆的防治措施⑴强化围岩出发点：给围岩一定的径向约束，使围岩的应力状态从平面转向三维。◆方法：锚喷加固、网锚喷联合、钢支撑网喷联合、注浆等。⑵弱化围岩◆方法：往岩层中注水：可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。解除围岩中的高地应力：预裂爆破、排孔法、切缝法等。可消减围岩中的能量。3.施工注意事项⑴超前地质预报：平导超前、地质雷达等。⑵爆破方法：尽量采用能预先释放地应力的方法，如预裂爆破、切缝法等。⑶缩短爆破进尺：要尽快闭合支护。6.7.5高地温1.高地温的热源火山热的热源放射性元素裂变热的热源2.隧道施工注意事项及措施事项1：洞内温度应满足相关规定，不要超过30℃。措施：主要措施为通风和洒水。事项2：防止高温地段的二衬开裂。措施：(1)宜采用高炉矿碴水泥(分离粉碎型水泥)。(2)用防水板和无纺布，将二衬与喷层隔离，可使二衬的收缩不受约束。(3)在防水板和二衬之间设置隔热材料，有助于隔断围岩热量。(4)适当缩短衬砌混凝土的浇筑长度。事项3：注意工人的劳动强度。措施：根据隧道内的高温程度，合理确定劳动工时。6.7.6瓦斯地层1.瓦斯的基本性质◆无色、无臭、无味的气体，极易使人窒息死亡。◆比重仅为空气的一半，扩散速度比空气大1.6倍，很容易透过围岩裂隙渗入隧道◆不能自燃，但极易燃烧。2.瓦斯的燃烧和爆炸性◆浓度小于5%遇火源时，瓦斯只在火源附近燃烧而不爆炸；◆浓度在5%～6%到14%～16%时，遇到火源具有爆炸性；◆浓度大于14%～16%时，遇火能平静地燃烧,一般不爆炸；◆瓦斯燃烧时，一旦遇到障碍而受压缩，就会形成爆炸。3.瓦斯释放的方式1)施工阶段(1)瓦斯的渗出：缓慢地、均匀地、不停地从煤系岩层的暴露面或裂隙中渗出。(2)瓦斯的喷出：比渗出强烈，通常有较大的响声和压力。(3)瓦斯的突出：在短时间内，突然喷出大量瓦斯，有巨大轰响，并夹有煤块或岩石。以第(1)种放出的瓦斯量为最大，因其最不易被人发觉。2)运营阶段地层中的瓦斯主要通过衬砌本体的细微裂隙和施工缝等通道渗入隧道内。4.隧道防止瓦斯事故的措施1)制订瓦斯稀释、防爆、紧急救援措施。2)应尽快闭合衬砌，故以全断面法或台阶法为优。3)加强通风是防止瓦斯爆炸最有效的措施。4)洞内瓦斯浓度必须控制在允许值。5)当通风难以稀释到安全标准时，可使用超前周边全封闭预注浆。6)必须采用防爆设备施工，如防爆电器设备、防瓦斯爆破器材等。7)专人监测瓦斯含量、严禁明火、制度严明。地下工程安全事故案例岩爆弹射下来的岩块大变形导致初期支护严重变形大埋深高地应力地质条件，硬岩岩爆、软岩大变形问题突出特殊地质★地应力高，硬岩岩爆、软岩大变形显著阿尔卑斯山穿越隧道中等岩爆•2005-12-22董家山隧道发生特大瓦斯爆炸事故•造成44人死亡事故瓦斯爆炸事故北京东三环京广桥污水管道破裂与地铁十号线暗挖区间隧道施工事故事故原因:掌子面前上方土体受污水管线长期渗漏形成水囊或饱和水淤泥层，开挖之后地层的稳定性极差，这时没有严格制定先加固后开挖的原则，致使包含水囊或淤泥的地层大范围失稳，污水管悬露范围过大而造成断裂，进而引发大面积的地面坍塌。北京地铁10号线工程苏州街车站东南出入口发生塌方事故路面塌陷情况事故处理北京西单路口路面塌陷盾构施工引起地表塌陷隧道推进引起地表发生塌陷破坏法国某地铁施工事故广州地铁三号线滑坡事故(2004年4月)某地下通道施工挖断消防栓水柱喷出成都水管爆裂直径1000毫米的主水管爆管，巨大的水流冲破柏油路面喷涌而出，将整个路面抬高半米。从二号桥到红星路整条三槐树路变成河流。爆管处是20多年前的老管线，原因为管道热胀冷缩而引发的自然爆管，可见水管爆裂的后果是非常严重的。上海地铁4号线严重流沙涌水事故(2003年7月1日)检测房屋拆除房屋音像市场文庙泵站临江花苑大厦土产公司土产裙房地方税务局民居材料公司防汛墙南浦大桥引桥风井检测房屋拆除房屋检测房屋拆除房屋检测房屋拆除房屋音像市场音像市场文庙泵站文庙泵站临江花苑大厦临江花苑大厦土产公司土产公司土产裙房土产裙房地方税务局地方税务局民居民居材料公司材料公司防汛墙南浦大桥引桥风井抢险措施(1)封堵隧道，向隧道内灌水，隧道内外水压力平衡风井黄浦江浦东南路站南浦大桥站隧道进水轨道交通1、2号线风井黄浦江浦东南路站南浦大桥站隧道进水轨道交通1、2号线浦东南路站南浦大桥站上行线长2001米下行线长1987米黄浦江钢筋混凝土封堵墙钢筋混凝土封堵墙水泥封水泥封堵墙堵墙水泥封水泥封堵墙堵墙浦东南路站南浦大桥站上行线长2001米下行线长1987米黄浦江钢筋混凝土封堵墙钢筋混凝土封堵墙水泥封水泥封堵墙堵墙水泥封水泥封堵墙堵墙保障1、2号线安全。3墙1塞+灌水抢险措施(2)减轻地面荷载，防止对地面的冲击振动；抢险措施(3)防止黄浦江水和地表水进入事故区段第三、防止黄浦江水和地表水进入事故区段地面地面风井垂直通道隧道水塌方塌方塌方塌方风井进水对土体结构破坏示意图抢筑防汛围堰；加厚、加高、加固防汛围岩；封闭风井；对渗水处紧急封堵；全面加固防汛主堤；对防汛墙和围堰监测。抢险措施(4)稳定土体，减少土体扰动范围，补充地层损失钢板桩加固围堰；分区灌浆；分区段同步回填塌陷地面抢险措施(4)全面管控，保障安全顺利抢险7月1日险情发生阶段7月2日-3日险情发展阶段7月4日险情趋缓阶段7月5日险情基本控制阶段7月9日以后险情基本排除阶段7月1日7月2日7月3日7月4日7月5日7月9日7月6日7月7日7月8日7月1日险情发生阶段7月2日-3日险情发展阶段7月4日险情趋缓阶段7月5日险情基本控制阶段7月9日以后险情基本排除阶段7月1日7月2日7月3日7月4日7月5日7月9日7月6日7月7日7月8日工程修复2004.8开始，原址修复；2007.9完工，2007年底运营。主体3基坑，深65地连墙，降水34m，开挖深度39.m。两段损坏隧道与完好隧道连接部用反复冻结法施工。完好隧道进行清理，浦东侧1000m，浦西侧700m。事故原因和思考•(1)冻结法施工方案调整存在缺陷降低了对冻土平均温度要求，从-10度降到-8度；制冷量不足，未考虑夏季施工冷气损失；冻结管量减少，从24根减到22根，长度从25m减到16m；•(2)冻结不充分即开挖，要求冻结50天，实际43天•(3)土温上升，水压力达到承压水压力时，未采取紧急止水措施，未上报•施工管理不当酿成大祸，直接损失1.5亿元，6人移交司法机关处理，2人撤职，总包、施工和监理公司的3个上级单位主要负责人承担领导责任（记大过）•地下水的危害：管涌、流土新加坡地铁环线尼浩大道站事故2004.4.20CollapsedAreaNICOLLKALLANGHIGHWAYSTATIONRIVERW/L/D150m100m30m塌陷Car,pipe,fire南端破碎的钢筋混凝土连续墙(内)南端破碎的钢筋混凝土连续墙(外)中铁四局立刻成立了事故调查专家组，对事故原因展开调查。初步得出的原因有三点，一是杭州的土质特殊，经勘测，发生事故的这段路属于淤泥质粘土，含水的流失性强。第二个原因是事故坍塌所在地点风情大道一直作为一条交通主干道来使用，来往车流量大，包括不少负载量很大的大型客车、货车都来往于这条路上，这给基坑西面的承重墙带来太大冲击。另外一个原因是十月份杭州出现的一次罕见的持续性降雨过程，使得地底沙土地流动性进一步加大。梅小峰表示，“责任在我们施工方”。他说，这属于突变情况，之前真的是没有预料到。•本章学习指导：•地质条件是确定施工方法的最重要条件；•在众多的施工方法中尤以新奥法最为重要，这是当今隧道施工的主打方法；•新奥法的辅助施工措施必不可少；•要真正理解新奥法为什么有那么多种施工方案，目的是在保证围岩安全的前提下争取大的进度。思考题1.新奥法的施工方法有哪些？它们各自的特点及适用条件？2.与传统矿山法相比，新奥法有什么优势？3.什么是辅助施工措施？具体有哪些？哪些属于预加固