铁路隧道施工不良地质灾害对策研究

铁路隧道施工不良地质灾害对策研究

张亚海

（中铁十六局集团第五工程有限公司，河北，唐山，064000）

【摘要】连接中国东、中、西部的重要交通纽带——宜万铁路被誉为世界地质博物馆，特别是大支坪隧道地质复杂性尤为突出，岩爆、断层、岩溶、涌水等地质难题在施工过和中层出不穷。不良地质对隧道施工进度、质量及安全影响重大，处理方案不当将造成重大的安全事故及经济损失，故采取恰当的施工对策尤为重要。本文结合宜万铁路大支坪隧道施工，对不良地质灾害对策进行了研究。

【关键词】隧道施工；不良地质；地质灾害；对策分析

1．工程概况

大支坪隧道位于巴东县大支坪镇，东起支井河，中间经大支坪镇，西至野三河。左线隧道进口里程DK130＋137，右线隧道进口里程ⅡDK130＋106。隧道内纵坡为人字坡，从进口至出口线路纵坡分别为－4‰、4‰、－8‰、12‰及平坡段。隧道洞身通过广泛分布的可溶岩地层，岩溶发育强烈，水文地质条件复杂，地质构造复杂，为宜万铁路主要控制性工程之一。大支坪隧道在施工中实行动态设计管理。隧道涌水量：正常涌水量Q=137040m3/d，强降雨强度下隧道涌水量Q=512422m3/d。主要工程地质问题有：岩爆、断层、岩溶、涌水等问题。

2．工程特点

（1）动态设计、动态施工和施工全过程预测、预探、预防的特点。

（2）本隧道的不良地质具有趋于集中分布的特点。大支坪隧道穿过7条断层；发育3条地下暗河及岩溶管道流，有可能造成隧道突水、突泥。

（3）雨季时隧道渗水量大，降雨转化迅速，按设计资料，最大涌水量为512422m3/d，是正常涌水量的37.3倍，降雨转化为泉水约7～12h。由于雨季增大流量和压力，对开挖和支护带来极大困难。

（4）不良地质种类齐全，出现不可预见的地质灾害机率高。本隧道具有岩溶、岩溶水、断层破碎带、岩爆等不良地质，在施工中洞内既要防突泥、突水、地下水流失、暗河改道等对施工带来的安全隐患；在洞外既要防止洞顶地下水枯竭，地表塌陷引起水环境变化。

3．不良地质灾害对策研究

3.1岩爆的防治措施

3.1.1勘察设计阶段

在勘察设计阶段,对隧道工程所处区域的地质背景(主要是应力、应变场)、山体及岩体的构造等情况进行综合分析,在选择隧道位置时,应尽量避开易发生岩爆的高地应力集中的区域;如果实在难以避开,也应该尽量使隧道的轴线与最大主应力方向平行布置,这样可以减少洞室周边围岩的切向应力;另外,设计隧道断面时要选择合理的开挖断面形状,改善围岩的应力状态,从而防治岩爆的发生或降低岩爆烈度级别。

3.1.2隧道施工阶段

（1）围岩加固措施

围岩加固措施主要是针对已经开挖洞室周边的加固以及掌子面前方的超前加固。这些措施可以改变掌子面本身以及1一2倍洞室直径范围内围岩的应力状态,它使得围岩的应力状态很快地从平面转向为三位应力状态,以达到延缓和抑制岩爆发生的目的。

（2）改变围岩物理性质

a.岩石表面喷水。进入到岩石孔隙中的水能与岩石矿物中的一些离子发生作用,从而造成岩石软化、膨胀以及溶蚀作用,使得岩石的强度降低。在采用高压喷水时,水的劈裂作用可以在岩石内部产生新裂缝并使岩石内原有的裂缝进一步扩展,从而降低岩体储备弹性应变能的能力。给工作面及附近洞壁喷水和可以起到降温和除尘的作用。该方法适合于微弱岩爆且岩体软化性能较好的情况,对于软化性能较差的完整坚硬的岩石往往不起什么作用,而且处理费用较大。

b.围岩深层高压注水。岩层注水后,水对岩石会引起两种变化:一是软化深层的岩石,降低岩石的破裂强度;另一方面,水的深入使得岩石的层理、裂隙、节理发育更好,数量更多,同时也提高了岩石的孔隙率。从力学变化的角度来看,这样导致岩石强度降低,弹性模量减小,泊松比增大,内部粘结力减小,从而导致岩石力学性质发生变化;从能量角度看,这样导致岩石储存的弹性能大大降低,减弱了岩爆的发生。

3.2断层地质的处治措施

3.2.1爆破开挖方法

传统的分部开挖法施工速度慢且多次爆破开挖对围岩扰动较大,不便发挥凿岩台车等高效率施工机械的作用,为进一步提高隧道的施工速度,在软弱围岩及断层破碎带施工时,通常也尽可能采用大断面方法施工。在不宜采用全断面开挖的地段,结合实际断层情况,尽量采用半断面微台阶或上下断面顺序开挖法及微震爆破技术。

3.2.2半断面微台阶法

当断层局部或大部分贯穿隧道拱部时,采用新奥法施工,具有足够的作业空间和较快的施工速度。开挖后及时进行锚喷支护,有利于断层破碎带的稳定和下部的施工安全。微台阶法的上台阶超前3—5米,以满足新奥法施工工作平台的需要,而后拱部与洞身的下半部可同时爆破开挖,断面闭合较快。该方法的特点是生产效率高、施工扰动小、作业条件好,并可实现及时支护,为围岩的稳定创造了较好的条件

3.2.3上下断面顺序开挖法

断层破碎带的施工方法通常采用半断面微台阶法,但在破碎带岩石风化破碎程度严重以致几乎没有自稳能力的情况下,建议采用中留核心,周边先行环形爆破的方法,环形开挖后,进行临时支护,然后爆破开挖核心部分。下断面施工采用分部开挖法,先行开挖中槽,再左右交错开挖马口,接下部钢架。分部多少视断层破碎稳定程度而定,可分两层进行施工。

3.3岩溶地质的处治措施

岩溶处理应遵循“以疏为主、堵排结合”的原则。以疏为主,就是尽量不改变岩溶水的径流和渗流路径,保持地下水的原始循环和贮存状态,从而减少地下水的流失,保证施工、结构和环境安全。堵排结合,就是根据隧道内涌水量大小、所含泥砂程度,并考虑对隧道运营安全和环境的影响,将堵水和排水结合起来,决定治理方案。

3.3.1无充填型或半充填型溶洞

当溶洞位于隧道拱部和边墙位置时,可采用C25喷射混凝土回填或在处期支护完成后采用水泥砂浆回填密实的处治方案;当溶洞位于隧道基底位置时,可采用C25混凝土回填密实的处治方案。

3.3.2充填型岩溶洞

当岩溶洞穴位于隧道拱部和边墙位置时,施工过程中若填充物已发生滑落,'应在填充物清除后,采用C25喷射混凝土或水泥砂浆回填:若填充物未发生滑落,则应采用锚喷防护;当位于隧道基底时,应在清除填充物后,采用混凝土回填密实。

3.4涌水灾害的处治措施

在对涌水灾害处理前,必须对其进行详细的调查,掌握地下水的动态和水量大小及方向,同时要考虑围岩条件、涌水量、埋深等因素,综合考虑各种因素,选择合适的处治方案。否则,后患无穷。当前,国内外处理涌水的方法主要分为排水法和止水法两类,但在实际的涌水灾害处治过程中,排水法和止水法是相互结合、相辅相成。涌水治理方法如下图1.1所示：

图1.1涌水治理方法

3.4.1排水法

排水法的目的是降低地下水位及工作面的涌水压力,使岩土层脱水压实,改善岩体结构。其主要优点是费用很低、工期短。一般施工中的排水方法有利用重力自然排出的导坑排水、钻孔排水以及利用井点的强制排水方法。

3.4.2注浆止水法

注浆止水可通过浆液使原来处于松散软弱状态的围岩得到胶结硬化,变得相对密实;使裂隙、空洞封闭,截断了围岩渗水的通路。注浆止水主要作用是封堵裂隙,隔离水源,堵塞水点,以减少洞内涌水量、改善施工条件,同时也起到强化地层的作用。该方法特别适用于水下隧洞、高水压地区及含水的断层破碎带。

3.4.3冻结法止水

冻结法适用于各种复杂的含水地层，尤其适用于深厚的冲积层中。它是采用冷冻机和循环泵将氟利昂或低温液化气通过冷冻管注入隧道前方地层中使地层孔隙水冻结而得到强化,一般按30m一段进行土木工程施工,但要考虑解冻后的地面下沉5cm左右。因为冻结法需要庞大的制冷设备与管理系统,花费较大,施工期较长,混凝土衬砌在低温下作业。故一般只有当遇到特别不良地层时,才考虑采用这种方法。

3.5塌方灾害处治措施

隧道发生塌方时,应及时迅速处理,处理时必须详细观测塌方的范围、形状、塌穴的地质构造,并且要查明塌方发生的原因和地下水活动情况,经分析后制定出一个切实可行的处理方案。

3.5.1护拱法

在清除塌渣的地段,用钢拱架进行支撑,每榻钢拱架布置四个锁脚锚杆,并沿钢拱架在局部范围内布置系统锚杆。在钢拱架外侧用布置钢筋网,并用架立筋固定,形成护工的骨架筋,在拱顶处布设泵送混凝土管,然后从钢支撑底脚向上分段在钢筋网外侧摆放片石,最后喷射早强混凝土形成护拱。

3.5.2地表钻孔注浆技术

当塌陷与洞外的滑坡面贯通时,单纯在洞内采取措施,很难稳定坑内的塌方体,反而会继续下塌,极不安全;同时滑坡体失稳,继续下滑,其后果将更为严重。在此情况下,对塌方的治理则采用地表钻孔注浆加固,注浆可以充填、挤密、加固松散软弱的塌方体,提高土体强度,增加其抗剪能力。

4．结语

隧道施工过程中遇到地质难题，应认真研究对策，采用适于现场实际处理方案才能确保施工安全和质量。本文结合大支坪隧道的施工，对隧道施工中的不良地质对策进行了研究总结，益于用于其它隧道类似不良地质处理施工。

参考文献：

[1]丁磊.浅谈隧道施工中的主要地质灾害[J].黑龙江交通科技.2009(01).

[2]张勇.复杂岩溶隧道充填型溶洞综合处理技术[J].铁道建筑技术.2007(05).

[3]王培义.隧道塌方原因分析及预防[J].山西建筑.2007(20).