不良地质隧道设计与施工的常用处治措施

2014-09-25李国林

湖南交通科技 2014年2期

李国林

(湖南省交通科学研究院湖南长沙 410015)

随着国民经济的快速发展，基础建设力度不断加大，山区高速公路的建设也在不断的加快，长、深隧道也越来越多。隧道施工伴随的是越来越多的复杂地质条件，如软弱地层中的承载力小，使支撑、衬砌发生不均匀的下沉;断层破碎带涌出大量的水，造成坑道被流砂、流泥、流石淹没;胀性地压、浅埋地段的偏压等，使支撑、衬砌变形破坏;围岩失稳导致突发性坍塌、崩塌等。这些问题给隧道施工带来了严重的困难，因此，不良地质隧道的施工设计，力求做到合理、得当。如依山傍水路线坚持宁里勿外，早进晚出;绕避偏压体、断层带等。施工应遵循多打眼、浅打眼、弱爆破、短进尺的原则，减少对周边岩石的扰动等。下面将讨论有关不良地质隧道设计与施工的处治措施。

1 不良地质类型

不良地质类型包括很多种，下面简单介绍在隧道设计与施工中常见的几种:断层破碎带、松散地层、膨胀性围岩、地下水涌水、岩溶等。

1.1 断层破碎带

断层破碎带是隧道施工时常见的不良地质之一，断层隧道施工遇到的问题主要有抗滑稳定性问题、沉陷(降)及不均匀沉陷(降)和变形问题、渗透变形问题、渗透稳定性问题、渗水作用下的演化问题等，其中对隧道衬砌受力影响最大的是地层滑移、沉陷及不均匀沉陷的变形问题。

1.2 松散地层

松散地层是指粘结性差、强度低、自稳能力差的岩土层，它具有破碎，软弱，松散，膨胀，流变，蚀变等特点。松散地层是一种典型的软弱围岩之一，对隧道施工的影响主要表现在不能承受拉应力，整体抗压强度低，支护力度不够，极易失稳破坏。

1.3 膨胀性围岩

膨胀性围岩具吸水膨胀的特性，相邻岩土之间相互作用，吸水后对支护和衬砌产生向外的膨胀压力，即膨胀性地压。其主要特征是，基脚下沉、断面缩小、拱腰开裂、拱顶上抬、基底鼓起等。

1.4 地下水涌水

地下水通常赋存于松散岩土层、岩溶、构造和风化裂隙中。在岩溶地区、断层破裂带、密集裂隙带、压扭性裂隙带等地区通过的隧道，施工时，都有可能遇到大量的隧道涌水。地下水作用可软化泥化岩石，增大围岩的变形;降低结构面的内聚力，造成不利组合岩块的塌落甚至引起大的坍方;加剧构造岩、风化岩、破碎岩及泥砂类岩溶填充物的活动性，引发隧道内坍方、泥石流、岩溶涌突泥等灾害。

1.5 岩溶地质

岩溶给隧道建设造成的工程地质问题有很多，主要为:岩溶水大量涌向隧道或浸泡路基;岩溶洞穴造成路基沉陷，影响隧道围岩的成洞;松散洞穴充填物造成隧道洞身围岩的坍塌等。

2 应对措施

2.1 断层破碎带

2.1.1 断层破碎带隧道施工的设计

1)收集基础资料，包括岩体破碎程度、断层倾角、走向、断层破碎带的长度及宽度、地下水活动等，以方便选择合理的施工方案。

2)超前地质钻探和超前导坑可用来调查断层破碎带。钻透断层破碎带后，观察破碎带宽度、破碎程度以及裂隙填充物状况，若破碎带情况复杂，应考虑在隧道中线一侧或者两侧开挖导坑进行调查。隧道中线距离调查导坑穿过断层破碎带的中线不小于20 m，调查导坑穿过破碎带后，继续掘进一段距离，然后转入正洞。另外，在前方开辟新工作面，与处理断层破碎带同时进行，以加快施工进度。

3)断层破碎带施工，应综合考虑破碎带的宽度、围岩破碎程度以及地下水状况等，具体问题具体分析。

2.1.2 断层破碎带隧道施工治理举措(如图1)

1)沿隧道纵向断层宽度小于5 m的小断层带，应采用前后一致的施工方式，拱部设置一般为Φ22 mm，长3.5 m，环向间距40 cm，外插角约为10°的超前锚杆，每2 m处就要设置一环，以保证环与环之间的搭接水平长度长于1 m。超前锚杆杆体与岩层孔壁间的胶结物用早强砂浆为宜，如此可尽早发挥超前支护作用，并在该支护下掘进工作。施工后应在径向锚杆上拉钢筋网、喷射砼以便做好初期支护。

2)沿隧道纵向断层宽度为5～10 m的中等破碎断层带，遇到岩体破碎时需加强初期支护，宜选用超前小导管、格栅钢架、钢筋网、喷砼等。同时采用超前小导管周壁预注浆，在拱部上方做好预加固和超前支护。超前支护下进行开挖需留上下台阶核心土，或者采用上下台阶法进行开挖。台阶上部需做好初期支护后才能对台阶下部进行开挖，台阶上部的初期支护宜采用拱部初喷砼，径向锚杆，挂钢筋网，格栅钢架等方式，以确保后续工作的进行。另外，钻孔直径决定超前小导管管径的选择，一般选用直热轧钢管，其直径为Φ42～50 mm，外插角10°～20°，长度为 3.5 ～5.0 m，长管壁交错钻眼，间隔 10～20 cm，眼孔直径6～8 mm，距离孔口150 cm段不宜钻孔，孔口灌注用水泥砂浆或水泥水玻璃浆液，导管环与环间距为30～50 mm，导管之间纵向水平搭接长度应在1 m以外。

3)沿隧道纵向断层宽度大于10 m的大断层破碎带，岩体破碎需利用钢架和超前管棚联合支护。根据地质情况选用钢架，如型钢或格栅钢架，其间距应处于0.5～1.0 m。管棚长度在10～40 m，穿过断层破碎带的管棚越少越好，但是由于地质和施工条件限制，加上断层宽度较大，此时一组管棚就不够，需分组设置，并且保证纵向的两组管棚之间的搭接长度要在3 m以上。管棚所采用的钢管多为热轧无缝钢管，壁厚108 mm，径Φ80～150 mm，钢管环向间距30～40 cm，通常为管径的2～3倍。在做好以上初期的联合支护后，才能进行下台阶的开挖。

图1 断层破碎带处治措施示意图

2.2 松散地层

2.2.1 超前支护

超前支护主要包括两种支护方式，分别为超前锚杆法和小钢管以及超前管棚法。超前锚杆法一般在爆破前使用，坑道掘进的过程中，遇到稳定的岩层，先将超前锚板或小钢管打入该岩层，而末端支撑在围岩内的悬吊锚杆或格栅拱支撑上，如此可使掘进坑道尺寸范围内部的坑道上方得到支护作用，从而可以确保围岩在爆破后的一段时间内的稳定性。另外，超前锚板宜采用早强型砂浆锚杆，这样可以使超前锚板超前支护作用尽早的发挥。对于那些含有围岩为砂粘土、粘砂土、粘性土、砂类土等地层，钻孔后极易塌孔，须采用超前管棚法，为了增加管棚的刚度，还可以往管棚内灌入混凝土或者设置钢筋笼以及注入水泥砂浆。利用管棚法时，管棚的长度应按照地质的情况而定，确保开挖后管棚的超前长度必须得到满足。如图2所示。

图2 隧道超前管棚支护法

2.2.2 超前小导管预注浆法

超前小导管注浆法既能加固围岩，还能起到超前预支护作用，它是沿开挖外轮廓线，将管壁带孔的小导管，以一定的角度打入，小导管内的水泥或化学浆以一定的压力打入。该方法一般适用于自稳时间很短的砂层、砂砾等松散地层施工。

2.2.3 水害治理

水在松散地层中，会对隧道施工造成较大的危害。故首先想方设法排除隧道中的地下水，如此才能保证隧道施工的顺利进行。主要采用井点或深井泵降水。

2.2.4 采用台阶法、CD法及侧壁导坑法开挖

施工中必须短进尺、弱爆破、强支护。开挖循环进尺应在50～100 cm。图3和图4为CD法及侧壁导坑法开挖方式。

2.3 膨胀性围岩

膨胀性围岩的整治原则一般为:加固围岩、改善变形、先柔后刚、先放后抗、变形留够、底部加强。

图3CD法

图4 侧壁导坑法

2.3.1 膨胀性围岩隧道工程设计

1)载荷确定。

膨胀型围岩很难通过适当的经验公式来确定其膨胀力所引起的荷载变化。设计时，对不同程度的膨胀岩，应考虑其膨胀特性，采用工程类比法确定支护与衬砌的设计参数，施工中再通过不断测量加以修改。表1和表2分别是膨胀岩型围岩的指标和划分。

根据膨胀性，膨胀岩分为:弱膨胀、中等膨胀和强膨胀岩三等，其等级是以膨胀岩实验数据为基础，只要满足其中两项，就可划为该级别的膨胀岩。

表1 膨胀岩的指标

表2 膨胀岩的划分

2)膨胀岩隧道断面形式。

膨胀性围岩隧道断面形式一般采用圆形、椭圆形或马蹄形，仰拱应与支护衬砌厚度一致。

3)膨胀性隧道支护形式与参数。

膨胀性围岩隧道的支护应适应其特性:①确保围岩不失稳的情况下，允许膨胀岩有一定的变形;②支护形式的特征要满足围岩膨胀速度的变化;③支护变形时间尽可能与围岩膨胀收敛持续时间相一致。为此，膨胀性围岩隧道支护形式可采用压缩支护、可拆换支护与增补支护。

4)预留变形量。

考虑围岩对衬砌变形的影响，隧道净空应根据其膨胀特性预留5～20 cm的变形量。

5)防排水。

如果没有水，围岩就不会产生膨胀和收缩，自然形不成膨胀性地压以及后续不良地质条件，因此，隧道设计时应加强围岩防水和结构防水。

2.3.2 膨胀岩隧道工程施工举措

1)勤量测，关注围岩压力与流变。

施工过程中，首先对围岩压力与流变情况进行测量，分析其变化规律，根据围岩动态采取相应的施工措施。

2)合理选择开挖方式。

施工时，尽量减少对围岩的扰动，同时防止隧道中的水侵蚀围岩，尽量缩短围岩暴露时间，并及时衬砌。开挖方法宜采用不分部或者少分部开挖的方式，多采用正台阶法、侧壁导坑法和“眼镜法”。

3)衬砌结构，防止围岩湿度变化。

隧道开挖后，及时喷射混凝土，封闭和支护围岩，或者采用钢骨架进行封闭式衬砌。为了防止衬砌浸蚀，拱脚一般提高10cm，起拱线处放宽10～20 cm。

2.4 地下水涌水

为了消除水害，应因地制宜，观察水源，若为裂隙水，则多采用机械排水、平导及迂回导坑，理应坚持排截为主，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，此时不宜采取堵截的方式，应首先查明水源流向以及所处隧道的位置，然后采用暗道、涵洞、小桥等实施开凿泄水洞或宣泄水流排水(如图5所示)，或开凿泄水洞引水出洞(如图6所示)。

图5 桥涵渲泄水流排水

图6 开凿泄水洞排水

如果水流的位置处在隧道顶部或者比隧道顶部高，应在离水流适当的距离外，开凿斜洞引水，将水引至隧道底部后再想方设法排除洞外(图7所示)。

图7 引水槽引水

2.5 岩溶地质

2.5.1 设计方案

隧道岩溶存在“溶洞空腔”、“溶洞充填”、“岩溶水或管道”等三种形态，根据三种形态制定适宜的设计方案。

1)溶洞空腔。首先观察溶洞洞穴的发育规模，及其与隧道的相互位置关系，然后采取相应的支护措施，例如，小型溶洞只需封闭、换填、护拱和回填，而大型溶洞却需要跨越方式，并且需加固支顶。

2)溶洞充填。由岩溶洞穴的发育规模，以及与隧道的相互位置关系，同时考虑围岩和溶蚀充填物的地质条件采取相应措施，一般可采用超前支护和注浆的方式，或者周边径向注浆等方案。

3)岩溶水或管道。根据最大涌水量以及水流向等信息，制定堵水、引排的实施方案，包括依靠隧道自身排水系统、顶部注浆堵水和后部注浆堵水，或者采用泄水洞排水。

2.5.2 溶洞隧道工程处治方案

1)半充填以及无充填型岩溶洞穴，必须先清除位于溶洞表面的浮土以及洞穴内的充填，进而进行回填处理岩溶洞穴。小型溶洞与隧道的相互位置关系有3种，分别是小型溶洞位于隧道顶部，或者位于隧道边墙侧部，或者位于隧道底部。①位于隧道顶部的小型溶洞，首先清除洞内填充物，清除完毕最好对洞穴腔壁进行适当的喷锚防护，然后将锚杆嵌入基岩1 m处。隧道衬砌完毕浇筑混凝土进行护拱，护拱需加设锁脚锚杆，最后回填堆砂。②位于隧道边墙侧部的小型溶洞，衬砌前，利用干砌片石回填后墙背，C15片石混凝土或M7.5浆砌片石浇筑护墙。③位于隧道底部的小型溶洞，在隧道底板浇筑前，先清除溶蚀充填物，然后从下而上换填C15片石混凝土和干砌片石。

2)充填型小溶洞，位于隧道拱部和边墙位置时，首先清除已经发生脱落的充填物，清除完成后再用喷射C25混凝土或水泥砂浆进行回填，如果洞穴充填物未发生滑落，应采用喷锚网进行防护。岩溶洞穴位于隧道基底位置时，首先清除岩溶洞穴内的充填物，然后利用混凝土回填密实。图8所示。