不良地質(zhì)隧道設(shè)計(jì)與施工的常用處治措施

李國(guó)林

(湖南省交通科學(xué)研究院湖南長(zhǎng)沙 410015)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)力度不斷加大，山區(qū)高速公路的建設(shè)也在不斷的加快，長(zhǎng)、深隧道也越來(lái)越多。隧道施工伴隨的是越來(lái)越多的復(fù)雜地質(zhì)條件，如軟弱地層中的承載力小，使支撐、襯砌發(fā)生不均勻的下沉;斷層破碎帶涌出大量的水，造成坑道被流砂、流泥、流石淹沒(méi);脹性地壓、淺埋地段的偏壓等，使支撐、襯砌變形破壞;圍巖失穩(wěn)導(dǎo)致突發(fā)性坍塌、崩塌等。這些問(wèn)題給隧道施工帶來(lái)了嚴(yán)重的困難，因此，不良地質(zhì)隧道的施工設(shè)計(jì)，力求做到合理、得當(dāng)。如依山傍水路線(xiàn)堅(jiān)持寧里勿外，早進(jìn)晚出;繞避偏壓體、斷層帶等。施工應(yīng)遵循多打眼、淺打眼、弱爆破、短進(jìn)尺的原則，減少對(duì)周邊巖石的擾動(dòng)等。下面將討論有關(guān)不良地質(zhì)隧道設(shè)計(jì)與施工的處治措施。

1 不良地質(zhì)類(lèi)型

不良地質(zhì)類(lèi)型包括很多種，下面簡(jiǎn)單介紹在隧道設(shè)計(jì)與施工中常見(jiàn)的幾種:斷層破碎帶、松散地層、膨脹性圍巖、地下水涌水、巖溶等。

1.1 斷層破碎帶

斷層破碎帶是隧道施工時(shí)常見(jiàn)的不良地質(zhì)之一，斷層隧道施工遇到的問(wèn)題主要有抗滑穩(wěn)定性問(wèn)題、沉陷(降)及不均勻沉陷(降)和變形問(wèn)題、滲透變形問(wèn)題、滲透穩(wěn)定性問(wèn)題、滲水作用下的演化問(wèn)題等，其中對(duì)隧道襯砌受力影響最大的是地層滑移、沉陷及不均勻沉陷的變形問(wèn)題。

1.2 松散地層

松散地層是指粘結(jié)性差、強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差的巖土層，它具有破碎，軟弱，松散，膨脹，流變，蝕變等特點(diǎn)。松散地層是一種典型的軟弱圍巖之一，對(duì)隧道施工的影響主要表現(xiàn)在不能承受拉應(yīng)力，整體抗壓強(qiáng)度低，支護(hù)力度不夠，極易失穩(wěn)破壞。

1.3 膨脹性圍巖

膨脹性圍巖具吸水膨脹的特性，相鄰巖土之間相互作用，吸水后對(duì)支護(hù)和襯砌產(chǎn)生向外的膨脹壓力，即膨脹性地壓。其主要特征是，基腳下沉、斷面縮小、拱腰開(kāi)裂、拱頂上抬、基底鼓起等。

1.4 地下水涌水

地下水通常賦存于松散巖土層、巖溶、構(gòu)造和風(fēng)化裂隙中。在巖溶地區(qū)、斷層破裂帶、密集裂隙帶、壓扭性裂隙帶等地區(qū)通過(guò)的隧道，施工時(shí)，都有可能遇到大量的隧道涌水。地下水作用可軟化泥化巖石，增大圍巖的變形;降低結(jié)構(gòu)面的內(nèi)聚力，造成不利組合巖塊的塌落甚至引起大的坍方;加劇構(gòu)造巖、風(fēng)化巖、破碎巖及泥砂類(lèi)巖溶填充物的活動(dòng)性，引發(fā)隧道內(nèi)坍方、泥石流、巖溶涌突泥等災(zāi)害。

1.5 巖溶地質(zhì)

巖溶給隧道建設(shè)造成的工程地質(zhì)問(wèn)題有很多，主要為:巖溶水大量涌向隧道或浸泡路基;巖溶洞穴造成路基沉陷，影響隧道圍巖的成洞;松散洞穴充填物造成隧道洞身圍巖的坍塌等。

2 應(yīng)對(duì)措施

2.1 斷層破碎帶

2.1.1 斷層破碎帶隧道施工的設(shè)計(jì)

1)收集基礎(chǔ)資料，包括巖體破碎程度、斷層傾角、走向、斷層破碎帶的長(zhǎng)度及寬度、地下水活動(dòng)等，以方便選擇合理的施工方案。

2)超前地質(zhì)鉆探和超前導(dǎo)坑可用來(lái)調(diào)查斷層破碎帶。鉆透斷層破碎帶后，觀(guān)察破碎帶寬度、破碎程度以及裂隙填充物狀況，若破碎帶情況復(fù)雜，應(yīng)考慮在隧道中線(xiàn)一側(cè)或者兩側(cè)開(kāi)挖導(dǎo)坑進(jìn)行調(diào)查。隧道中線(xiàn)距離調(diào)查導(dǎo)坑穿過(guò)斷層破碎帶的中線(xiàn)不小于20 m，調(diào)查導(dǎo)坑穿過(guò)破碎帶后，繼續(xù)掘進(jìn)一段距離，然后轉(zhuǎn)入正洞。另外，在前方開(kāi)辟新工作面，與處理斷層破碎帶同時(shí)進(jìn)行，以加快施工進(jìn)度。

3)斷層破碎帶施工，應(yīng)綜合考慮破碎帶的寬度、圍巖破碎程度以及地下水狀況等，具體問(wèn)題具體分析。

2.1.2 斷層破碎帶隧道施工治理舉措(如圖1)

1)沿隧道縱向斷層寬度小于5 m的小斷層帶，應(yīng)采用前后一致的施工方式，拱部設(shè)置一般為Φ22 mm，長(zhǎng)3.5 m，環(huán)向間距40 cm，外插角約為10°的超前錨桿，每2 m處就要設(shè)置一環(huán)，以保證環(huán)與環(huán)之間的搭接水平長(zhǎng)度長(zhǎng)于1 m。超前錨桿桿體與巖層孔壁間的膠結(jié)物用早強(qiáng)砂漿為宜，如此可盡早發(fā)揮超前支護(hù)作用，并在該支護(hù)下掘進(jìn)工作。施工后應(yīng)在徑向錨桿上拉鋼筋網(wǎng)、噴射砼以便做好初期支護(hù)。

2)沿隧道縱向斷層寬度為5～10 m的中等破碎斷層帶，遇到巖體破碎時(shí)需加強(qiáng)初期支護(hù)，宜選用超前小導(dǎo)管、格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)、噴砼等。同時(shí)采用超前小導(dǎo)管周壁預(yù)注漿，在拱部上方做好預(yù)加固和超前支護(hù)。超前支護(hù)下進(jìn)行開(kāi)挖需留上下臺(tái)階核心土，或者采用上下臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖。臺(tái)階上部需做好初期支護(hù)后才能對(duì)臺(tái)階下部進(jìn)行開(kāi)挖，臺(tái)階上部的初期支護(hù)宜采用拱部初噴砼，徑向錨桿，掛鋼筋網(wǎng)，格柵鋼架等方式，以確保后續(xù)工作的進(jìn)行。另外，鉆孔直徑?jīng)Q定超前小導(dǎo)管管徑的選擇，一般選用直熱軋鋼管，其直徑為Φ42～50 mm，外插角10°～20°，長(zhǎng)度為 3.5 ～5.0 m，長(zhǎng)管壁交錯(cuò)鉆眼，間隔 10～20 cm，眼孔直徑6～8 mm，距離孔口150 cm段不宜鉆孔，孔口灌注用水泥砂漿或水泥水玻璃漿液，導(dǎo)管環(huán)與環(huán)間距為30～50 mm，導(dǎo)管之間縱向水平搭接長(zhǎng)度應(yīng)在1 m以外。

3)沿隧道縱向斷層寬度大于10 m的大斷層破碎帶，巖體破碎需利用鋼架和超前管棚聯(lián)合支護(hù)。根據(jù)地質(zhì)情況選用鋼架，如型鋼或格柵鋼架，其間距應(yīng)處于0.5～1.0 m。管棚長(zhǎng)度在10～40 m，穿過(guò)斷層破碎帶的管棚越少越好，但是由于地質(zhì)和施工條件限制，加上斷層寬度較大，此時(shí)一組管棚就不夠，需分組設(shè)置，并且保證縱向的兩組管棚之間的搭接長(zhǎng)度要在3 m以上。管棚所采用的鋼管多為熱軋無(wú)縫鋼管，壁厚108 mm，徑Φ80～150 mm，鋼管環(huán)向間距30～40 cm，通常為管徑的2～3倍。在做好以上初期的聯(lián)合支護(hù)后，才能進(jìn)行下臺(tái)階的開(kāi)挖。

圖1 斷層破碎帶處治措施示意圖

2.2 松散地層

2.2.1 超前支護(hù)

超前支護(hù)主要包括兩種支護(hù)方式，分別為超前錨桿法和小鋼管以及超前管棚法。超前錨桿法一般在爆破前使用，坑道掘進(jìn)的過(guò)程中，遇到穩(wěn)定的巖層，先將超前錨板或小鋼管打入該巖層，而末端支撐在圍巖內(nèi)的懸吊錨桿或格柵拱支撐上，如此可使掘進(jìn)坑道尺寸范圍內(nèi)部的坑道上方得到支護(hù)作用，從而可以確保圍巖在爆破后的一段時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性。另外，超前錨板宜采用早強(qiáng)型砂漿錨桿，這樣可以使超前錨板超前支護(hù)作用盡早的發(fā)揮。對(duì)于那些含有圍巖為砂粘土、粘砂土、粘性土、砂類(lèi)土等地層，鉆孔后極易塌孔，須采用超前管棚法，為了增加管棚的剛度，還可以往管棚內(nèi)灌入混凝土或者設(shè)置鋼筋籠以及注入水泥砂漿。利用管棚法時(shí)，管棚的長(zhǎng)度應(yīng)按照地質(zhì)的情況而定，確保開(kāi)挖后管棚的超前長(zhǎng)度必須得到滿(mǎn)足。如圖2所示。

圖2 隧道超前管棚支護(hù)法

2.2.2 超前小導(dǎo)管預(yù)注漿法

超前小導(dǎo)管注漿法既能加固圍巖，還能起到超前預(yù)支護(hù)作用，它是沿開(kāi)挖外輪廓線(xiàn)，將管壁帶孔的小導(dǎo)管，以一定的角度打入，小導(dǎo)管內(nèi)的水泥或化學(xué)漿以一定的壓力打入。該方法一般適用于自穩(wěn)時(shí)間很短的砂層、砂礫等松散地層施工。

2.2.3 水害治理

水在松散地層中，會(huì)對(duì)隧道施工造成較大的危害。故首先想方設(shè)法排除隧道中的地下水，如此才能保證隧道施工的順利進(jìn)行。主要采用井點(diǎn)或深井泵降水。

2.2.4 采用臺(tái)階法、CD法及側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖

施工中必須短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)。開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)在50～100 cm。圖3和圖4為CD法及側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖方式。

2.3 膨脹性圍巖

膨脹性圍巖的整治原則一般為:加固圍巖、改善變形、先柔后剛、先放后抗、變形留夠、底部加強(qiáng)。

圖3CD法

圖4 側(cè)壁導(dǎo)坑法

2.3.1 膨脹性圍巖隧道工程設(shè)計(jì)

1)載荷確定。

膨脹型圍巖很難通過(guò)適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定其膨脹力所引起的荷載變化。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)不同程度的膨脹巖，應(yīng)考慮其膨脹特性，采用工程類(lèi)比法確定支護(hù)與襯砌的設(shè)計(jì)參數(shù)，施工中再通過(guò)不斷測(cè)量加以修改。表1和表2分別是膨脹巖型圍巖的指標(biāo)和劃分。

根據(jù)膨脹性，膨脹巖分為:弱膨脹、中等膨脹和強(qiáng)膨脹巖三等，其等級(jí)是以膨脹巖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，只要滿(mǎn)足其中兩項(xiàng)，就可劃為該級(jí)別的膨脹巖。

表1 膨脹巖的指標(biāo)

表2 膨脹巖的劃分

2)膨脹巖隧道斷面形式。

膨脹性圍巖隧道斷面形式一般采用圓形、橢圓形或馬蹄形，仰拱應(yīng)與支護(hù)襯砌厚度一致。

3)膨脹性隧道支護(hù)形式與參數(shù)。

膨脹性圍巖隧道的支護(hù)應(yīng)適應(yīng)其特性:①確保圍巖不失穩(wěn)的情況下，允許膨脹巖有一定的變形;②支護(hù)形式的特征要滿(mǎn)足圍巖膨脹速度的變化;③支護(hù)變形時(shí)間盡可能與圍巖膨脹收斂持續(xù)時(shí)間相一致。為此，膨脹性圍巖隧道支護(hù)形式可采用壓縮支護(hù)、可拆換支護(hù)與增補(bǔ)支護(hù)。

4)預(yù)留變形量。

考慮圍巖對(duì)襯砌變形的影響，隧道凈空應(yīng)根據(jù)其膨脹特性預(yù)留5～20 cm的變形量。

5)防排水。

如果沒(méi)有水，圍巖就不會(huì)產(chǎn)生膨脹和收縮，自然形不成膨脹性地壓以及后續(xù)不良地質(zhì)條件，因此，隧道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)圍巖防水和結(jié)構(gòu)防水。

2.3.2 膨脹巖隧道工程施工舉措

1)勤量測(cè)，關(guān)注圍巖壓力與流變。

施工過(guò)程中，首先對(duì)圍巖壓力與流變情況進(jìn)行測(cè)量，分析其變化規(guī)律，根據(jù)圍巖動(dòng)態(tài)采取相應(yīng)的施工措施。

2)合理選擇開(kāi)挖方式。

施工時(shí)，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)防止隧道中的水侵蝕圍巖，盡量縮短圍巖暴露時(shí)間，并及時(shí)襯砌。開(kāi)挖方法宜采用不分部或者少分部開(kāi)挖的方式，多采用正臺(tái)階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法和“眼鏡法”。

3)襯砌結(jié)構(gòu)，防止圍巖濕度變化。

隧道開(kāi)挖后，及時(shí)噴射混凝土，封閉和支護(hù)圍巖，或者采用鋼骨架進(jìn)行封閉式襯砌。為了防止襯砌浸蝕，拱腳一般提高10cm，起拱線(xiàn)處放寬10～20 cm。

2.4 地下水涌水

為了消除水害，應(yīng)因地制宜，觀(guān)察水源，若為裂隙水，則多采用機(jī)械排水、平導(dǎo)及迂回導(dǎo)坑，理應(yīng)堅(jiān)持排截為主，采取行之有效的方式截排地下水。如果遇到有水流的暗河或者溶洞，此時(shí)不宜采取堵截的方式，應(yīng)首先查明水源流向以及所處隧道的位置，然后采用暗道、涵洞、小橋等實(shí)施開(kāi)鑿泄水洞或宣泄水流排水(如圖5所示)，或開(kāi)鑿泄水洞引水出洞(如圖6所示)。

圖5 橋涵渲泄水流排水

圖6 開(kāi)鑿泄水洞排水

如果水流的位置處在隧道頂部或者比隧道頂部高，應(yīng)在離水流適當(dāng)?shù)木嚯x外，開(kāi)鑿斜洞引水，將水引至隧道底部后再想方設(shè)法排除洞外(圖7所示)。

圖7 引水槽引水

2.5 巖溶地質(zhì)

2.5.1 設(shè)計(jì)方案

隧道巖溶存在“溶洞空腔”、“溶洞充填”、“巖溶水或管道”等三種形態(tài)，根據(jù)三種形態(tài)制定適宜的設(shè)計(jì)方案。

1)溶洞空腔。首先觀(guān)察溶洞洞穴的發(fā)育規(guī)模，及其與隧道的相互位置關(guān)系，然后采取相應(yīng)的支護(hù)措施，例如，小型溶洞只需封閉、換填、護(hù)拱和回填，而大型溶洞卻需要跨越方式，并且需加固支頂。

2)溶洞充填。由巖溶洞穴的發(fā)育規(guī)模，以及與隧道的相互位置關(guān)系，同時(shí)考慮圍巖和溶蝕充填物的地質(zhì)條件采取相應(yīng)措施，一般可采用超前支護(hù)和注漿的方式，或者周邊徑向注漿等方案。

3)巖溶水或管道。根據(jù)最大涌水量以及水流向等信息，制定堵水、引排的實(shí)施方案，包括依靠隧道自身排水系統(tǒng)、頂部注漿堵水和后部注漿堵水，或者采用泄水洞排水。

2.5.2 溶洞隧道工程處治方案

1)半充填以及無(wú)充填型巖溶洞穴，必須先清除位于溶洞表面的浮土以及洞穴內(nèi)的充填，進(jìn)而進(jìn)行回填處理巖溶洞穴。小型溶洞與隧道的相互位置關(guān)系有3種，分別是小型溶洞位于隧道頂部，或者位于隧道邊墻側(cè)部，或者位于隧道底部。①位于隧道頂部的小型溶洞，首先清除洞內(nèi)填充物，清除完畢最好對(duì)洞穴腔壁進(jìn)行適當(dāng)?shù)膰婂^防護(hù)，然后將錨桿嵌入基巖1 m處。隧道襯砌完畢澆筑混凝土進(jìn)行護(hù)拱，護(hù)拱需加設(shè)鎖腳錨桿，最后回填堆砂。②位于隧道邊墻側(cè)部的小型溶洞，襯砌前，利用干砌片石回填后墻背，C15片石混凝土或M7.5漿砌片石澆筑護(hù)墻。③位于隧道底部的小型溶洞，在隧道底板澆筑前，先清除溶蝕充填物，然后從下而上換填C15片石混凝土和干砌片石。

2)充填型小溶洞，位于隧道拱部和邊墻位置時(shí)，首先清除已經(jīng)發(fā)生脫落的充填物，清除完成后再用噴射C25混凝土或水泥砂漿進(jìn)行回填，如果洞穴充填物未發(fā)生滑落，應(yīng)采用噴錨網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。巖溶洞穴位于隧道基底位置時(shí)，首先清除巖溶洞穴內(nèi)的充填物，然后利用混凝土回填密實(shí)。圖8所示。

圖8 小型溶洞處治措施示意圖

3 設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)

1)分析水文地質(zhì)、工程地質(zhì)是施工前的首要任務(wù)。只有獲取盡可能詳細(xì)的地質(zhì)資料，才能有效制定相應(yīng)的施工方案，進(jìn)而準(zhǔn)備充足的施工材料和有關(guān)機(jī)械設(shè)備，確保施工安全和質(zhì)量保障。

2)隧道工程遇到不良的地質(zhì)條件，應(yīng)先治水患，再開(kāi)挖。開(kāi)挖盡可能采用弱爆破，防止對(duì)圍巖的擾動(dòng)，對(duì)于自穩(wěn)性差的圍巖，要預(yù)前支護(hù)，超前襯砌。遇到變動(dòng)的地質(zhì)條件，要勤量測(cè)，確保工程的穩(wěn)步前進(jìn)。

3)隧道開(kāi)挖遇到破碎巖體、斷層破碎帶和淺埋軟巖等自穩(wěn)性差的巖體，需利用超前小鋼管、管棚、超前錨桿等對(duì)地面預(yù)加固和圍巖預(yù)注漿，以確保洞體穩(wěn)定。

4)勤量測(cè)，盡可能多的獲得圍巖和支護(hù)的力學(xué)動(dòng)態(tài)等數(shù)據(jù)指導(dǎo)工作，以及確定施工工序，保證施工安全。

5)對(duì)于松散圍巖和自穩(wěn)性差的圍巖，應(yīng)首先設(shè)法固結(jié)圍巖提高其自穩(wěn)性，固結(jié)圍巖可采用壓注水泥砂漿或化學(xué)漿液的方式。

6)不良地質(zhì)地段，隧道襯砌會(huì)由于地壓力作用而開(kāi)裂、下沉，導(dǎo)致圍巖松動(dòng)。因此隧道襯砌施工，除了遵守隧道施工技術(shù)有關(guān)規(guī)定外，還要考慮加固基底措施的實(shí)施。

4 結(jié)束語(yǔ)

隧道施工遇到的不良地質(zhì)問(wèn)題不盡相同，有時(shí)，幾種不良地質(zhì)條件疊加在一起，給隧道施工帶來(lái)說(shuō)不清的的隱患和障礙。對(duì)于多種不同的不良地質(zhì)狀況，要具體問(wèn)題具體分析，區(qū)別各種情況，有針對(duì)性的實(shí)施措施，盡可能將不良地質(zhì)對(duì)隧道工程施工造成的威脅和障礙降至最低點(diǎn)。

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