高地应力下硬岩岩爆与软岩大变形专项方案---方案.doc

八台山隧道高地应力下硬岩岩爆与软岩大变形专项方案一、工程概况1、概况城口至万源快速公路通道工程采用二级公路标准，设计速度为60公里/小时；路基宽度为12米。城口至万源快速公路通道CW10合同段位于四川万源堰塘乡布袋溪村，里程为K46+000K48+640，全长2.640km。本合同段主要工程内容为八台山隧道主洞2480m/0.5座，避难通道2450m/0.5座，1-4*3m钢筋砼盖板涵一座，路基土石方5115m3。八台山隧道主洞起止里程K43+205K48+480，全长5275m,避难通道起止里程YK43+206YK48+450，全长5244m。属特长隧道。其中主洞K46+000K46+480段、避难通道起止里程YK46+000YK48+450，位于CW10合同段内，是本合同段的控制性工程。2、地形地貌八台山隧道进口位于重庆市城口县双河乡干坝子河村、出口位于四川万源堰塘乡布袋溪村。隧道穿越的八台山，受地质构造控制，山脊由东向西横亘，山脊两侧为面积较小的山湾。形成山丘、山脊与沟谷相间形态，以山丘为中心形成向四周发育的“爪”状山沟；隧道轴线地面最高点位于洞身段K44+610的山脊顶部，标高为1797.74m,一般地面标高740.01596.2m，最低点位于隧道进口的溪沟底部，标高731.50m左右，相对高差856.2m.隧道区地貌形态为构造剥蚀、溶蚀中山地貌单元区。3、工程地质八台山隧道地质复杂，裂隙倾角大，多为陡倾裂隙，节理面较平直，呈微张张开状，宽1-50不等，裂隙面附褐色铁质膜，局部为泥质充填。由洞口向洞身地质条件依次为:（1）出口段位于一斜坡上，地表覆盖有第四系崩坡积块石土，基岩为三叠系下统嘉陵江组的盐溶角砾岩。角砾状结构、岩溶发育。 （2）本隧道洞身段主要为IIIV级围岩，构成III级围岩的地层岩性以灰岩为主，呈中厚层状。跨度5米，跨度510米，可稳定数月，可发生局部块状位移及小中塌方；构成IV级围岩的地层岩性以大冶组、栖霞组灰岩为主，呈薄中厚层状。一般无自稳能力，数日数月内可发生松动变形及小塌方，进而发展为中大塌方，有明显的塑性流动变形和挤压破坏；构成V级围岩的地层岩性以页岩、炭质页岩、泥质粉砂岩为主，呈薄中厚层状。岩体受地质构造及风化作用影响较重，裂隙较发育，呈碎、裂状，松散结构，易坍塌，围岩无自稳能力，跨度5米或更小时，可稳定数日。（3）不良地质：岩溶八台山隧道主洞K46+560K47+990段、避难通道K46+560K47+990段为富水地段且岩溶特别发育，极易发生突水、突泥情况。煤层、煤线与瓦斯隧道穿越二叠系上统吴家坪组含煤地层，该区域煤层厚0.30.6m,但煤层变化大,不稳定,没有工业储量。八台山隧道主洞K43+840K43+882、K44+354K44+400 、K45+300K45+349 、K45+752K45+797段属于瓦斯隧道，避难通道YK43+851YK43+892、YK44+365YK44+411 、YK45+319YK45+369 、YK45+770YK45+812段属于瓦斯隧道，瓦斯防护等级二级。破碎地段隧道在洞身深埋K47+150K47+857段级围岩中考虑部分破碎带，避免塌方，确保施工安全。局部破碎地段采用动态设计、动态施工，应严格按照局部破碎带动态设计程序执行。高地应力下硬岩岩爆与软岩大变形深埋隧道高地应力下的硬岩岩爆与软岩大变形：八台山隧道最大深埋约为856m，隧道深埋段主要岩性为三叠系下统大冶组、二叠系上统吴家坪组、下统茅口组、二迭系上统长兴组灰岩、页岩、煤层。其中灰岩为较坚硬岩，炭质页岩、煤层为极软岩软岩。本次勘察施工的所有钻孔，孔底岩心仍主要呈柱状、长柱状，未见高初始应力释放的饼状化岩芯，故证明隧道区地应力较低，但从隧址区周边在建和已建的隧道情况来看，软质岩大变形和高应力的情况可能存在，但不会很严重。因此可能存在岩爆与软质大变形情况的可能，施工时需加强监测。重点注意：主洞K43+950K45+830段可能会发生岩爆，主洞K43+840K43+882、K44+354K44+400、K45+300K45+349、K45+752K45+797段可能会发生大变形，避难通道与之对应段落也可能发生岩爆或者大变形。膏盐膏盐（石膏）：八台山隧道在里程K46+563K46+589、K46+954K47+148段分布三叠系嘉陵江二段的膏盐（石膏）矿；K48+287K46+480段分布三叠系嘉陵江二段的少量膏盐（石膏）矿。隧道走廊区分布的膏盐（石膏）矿主要为三叠系嘉陵江四段地层，在隧道里程K46+785处地面有揭露。膏盐（石膏）段地下水对砼具有弱腐蚀性。施工时对三叠系嘉陵江组各段的地下水的腐蚀性进行化验和判定，对具有腐蚀性地段的砼需采取防腐蚀措施。4、气象本标段属北亚热带温和、多雨、多雾湿润气候区。具四季分明，冬冷有雪、夏热、秋凉的季节特征。年平均气温15.7度，极端最高气温39.2度，极端最低气温-9.42度。多年平均降雨量1246mm，最大年降雨量1546.9mm，最小年降雨量771.2mm，降雨主要集中在510月份，其降雨量占全年的80%以上。5、隧址区水文地质条件 隧址区属北亚热带温和、多雨、多雾湿润气候区，区内立体气候显著，具有四季分明，冬冷有寒雪、夏热、秋凉的季节特征。多年平均降雨量1246 mm，最大雨量1546.9 mm，降雨主要集中在5-9月，其降雨量占全年的80%以上。（1）、 地表水隧址区内无常年性河流，隧道岩体主要接受大气降水的补给，地表水流主要由地表坡向两侧低洼溪沟处排泄，部分沿地表发育的层间面、构造裂隙向地下渗透。新庄石峡沟和东水泉沟十多年前在雨期常暴发洪水，近年来未发生过。（2）、 地下水隧址区内无膏盐段地下水对砼无结晶级、分解级、结晶分解复合级腐蚀，但膏盐段地下水对砼具有弱腐蚀性。采用径流模数法和水动力法分段计算隧道涌水量，主线隧道涌水量总计为44081m3/d，右线隧道涌水量总计为44081m3/d。6、隧址区地应力场隧址区地质构造形迹反映了由东西向的地应力的主动作用，据区域资料，本区的地应力并不高，仅局部可能存在构造应力集中带。八台山大宁厂向斜构造运动年代较早，两侧均有沟谷切割，构造应力得以释放，隧址区属于自重应力为主的应力场，对洞顶围岩的稳定不利，隧道在深埋段施工中可能产生局部洞顶掉块、剥离、洞壁片帮现象。本次初勘施工的所有钻孔，孔底岩心仍主要呈柱状，长柱状，未见高初始应力释放的饼状化软岩芯，故证明隧道区地应力是低的，但也不排除由构造应力集中产生的岩爆及软岩大变形的可能性，施工时应加强监测量测。7、地震烈度根据中国地震烈度区划图(1990 年)资料，抗震设防烈度为6度，地震动反应谱特征周期为0.35S8、交通、运输条件及服务设施 本合同段接八台山至堰塘乡公路，交通条件相对方便。但施工现场要跨越小河，需做便桥，以便施工机械进入。本合同段堰塘乡可通过移动电话网络和固定电话直接进行国际、国内的电话服务。本合同段地处山区，筑路材料虽较为丰富，但线路附近的无生产料场不能满足工程需要；沿线水量较小不能满足工程用水要求，需远距离抽水。二、本隧道高地应力下硬岩岩爆与软岩大变形分布情况深埋隧道高地应力下的硬岩岩爆与软岩大变形：八台山隧道最大深埋约为856m，隧道深埋段主要岩性为三叠系下统大冶组、二叠系上统吴家坪组、下统茅口组、二迭系上统长兴组灰岩、页岩、煤层。其中灰岩为较坚硬岩，炭质页岩、煤层为极软岩软岩。本次勘察施工的所有钻孔，孔底岩心仍主要呈柱状、长柱状，未见高初始应力释放的饼状化岩芯，故证明隧道区地应力较低，但从隧址区周边在建和已建的隧道情况来看，软质岩大变形和高应力的情况可能存在，但不会很严重。因此可能存在岩爆与软质大变形情况的可能，施工时需加强监测。重点注意：主洞K43+950K45+830段可能会发生岩爆，主洞K43+840K43+882、K44+354K44+400、K45+300K45+349、K45+752K45+797段可能会发生大变形，避难通道与之对应段落也可能发生岩爆或者大变形。1、硬岩岩爆段施工方案岩爆的特征从爆落的岩体看，有体积较大的块体和体积较小的薄片，体积较小俱多，形状呈中间厚四周薄的贝壳状，其长与宽方向尺寸相差不悬殊，但周边厚度方向参差不齐。块体的形状多为有一至两组的平行裂面，其余的一组破裂面呈刀刃状。岩块几何尺寸均较小，一般在40cm50cm(520)cm范围内，弹射程度不等。防治岩爆的施工方案及措施根据本隧洞实际情况，所采用的防治岩爆的方法是在施工阶段中进行的，立足于减轻或避免岩爆伤人、毁机及导致围岩大面积失控的目标，按照“安全第一，稳扎稳打，不盲目冒进”的指导思想，遵循“预防为主，防治结合，多种手段，综合治理” 的原则进行施工和防治岩爆，具体方法如下：a、岩爆地段的防护措施在岩爆段开挖前，注意收集开挖过程中的岩爆地质资料，包括岩爆类型、规模、分布里程与岩爆具体位置，作到事先预报，提前做好岩爆防治的技术准备和施工准备工作。给施工人员配戴钢盔、穿防弹背心，主要防止弹射型岩爆伤人。在支护区设专职安全员，随时观察围岩状态。如发现险情，及时向带班干部汇报，作到及时支护或组织人、机暂时躲避。在岩爆地段，开挖后及时向掌子面及洞壁进行喷洒高压水，降温除尘，润湿岩面，提高围岩的塑性，这在一定程度可以减轻岩爆的强烈程度。对施工打眼台车进行改造，在台车上方及侧面设立钢筋防护网。在进行钻眼施工时必要在掌子面处也设立钢筋防护网，以确保施工人员的安全。b、开挖措施加强光面爆破，保证开挖洞室轮廓圆顺，避免造成局部应力集中而加剧岩爆。在中等岩爆、强烈岩爆地段采取短进尺、多循环、弱爆破措施。针对岩爆类型及大小，提前打应力释放孔或超前缝管式锚杆（壁厚3 mm）支护。，安设的位置主要在拱顶及左右边墙的上部，间距2.0 m。并在岩爆地段的洞壁上打应力释放孔以达到减弱岩爆的强度。改变开挖方式，预留岩爆层。施工中采用短进尺循环，预留2m厚的岩爆处理层，岩爆过后再进行二次扩挖爆破、支护，较好地通过强烈了岩爆段。c、支护措施为减轻岩爆的危害，很重要一条就是在洞内开挖前和开挖后对围岩进行支护措施，这样做不仅可以改善应力的大小和分布，而且还能使洞室周边的岩体从平面应力状态变为空间三向应力状态，从而达到减轻岩爆危害的目的，并且还能起到防护作用，防止岩石弹射和剥落造成事故。发生轻微岩爆时，仔细对洞壁及掌子面进行危岩清撬后，及时喷3cm厚混凝土进行封闭围岩。初喷完后进行锚杆挂网支护，锚杆为22，长度2.03.0m，间距0.81.2m。在拱部挂钢筋网（6.5钢筋，间距20 20cm），后进行二次喷射混凝土，厚度1015cm。钢格栅拱作为强烈岩爆（级）初期支护的加劲措施。发生中等岩爆时，支护与发生轻微岩爆时处理措施类似，不同点是挂网后在锚杆外露端头进行横焊22的钢筋加固后再进行二次喷射混凝土施工。岩爆处治图如下：强烈岩爆对施工人员及施工设备的威胁最大，必要时进行避让，等岩爆强度基本平静下来再进行支护。对强烈岩爆区域必须进行钢格栅拱架支撑、锚喷挂钢筋网进行支护，钢拱架0.8榀/m，与喷锚网形成联合支护体系。2、软岩大变形段施工方案1946年首次提出了挤出性岩石和膨胀性岩石的概念，即挤出性岩石是指侵入隧道(开挖轮廓面)后没有明显体积变化的岩石；膨胀性岩石则是指，主要由于膨胀作用而侵入隧道(开挖轮廓面)的岩石。人们一般按形成机制将围岩大变形分为两类：一是，开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生塑性化。如果介质变形缓慢，就属于挤出(如果变形是立刻发生的，就是岩爆)；二是，岩石中的某些矿物和水反应而发生膨胀。水及某些(膨胀性)矿物的存在，对于膨胀变形是必须的。可以发生膨胀变形的围岩在开挖时都具有较高的强度，变形主要发生于隧道运营若干年以后，变形一般表现为底鼓，而拱顶和边墙一般保持完好状态。围岩收敛变形机理应包括塑性楔体、流动变形、围岩膨胀、扩容、挠曲五个方面。根据围岩变形破坏特征、特征性矿物、力学作用和特点，将软岩变形破坏机制分为与深部软岩本身分子结构的化学性质有关，与力源有关，与洞室结构与岩体结构面的组合特性有关的三个方面，将深部软岩（深度大于500m）按变形力学机制归为类：即物化膨胀类（I）、应力扩容型类（II）和结构变形类（III），13个亚类。隧道及地下工程围岩的变形破坏主要有岩爆、坍塌和大变形。岩爆是一种硬岩在高地应力下的脆性破坏；坍塌和掉块是围岩受一定结构控制下的局部变形破坏现象；而围岩大变形可以界定为除了岩爆运动脆性破坏和围岩松动圈中受限于一定结构面控制的坍塌、滑动等破坏以外的围岩变形破坏，其特点是具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏。治理地下水(1) 利用设计采取的超前锚杆进行注浆，堵塞岩石裂隙，减少地下水的渗流。(2) 在开挖后立即喷混凝土，封闭洞壁和掌子面，封闭透水层通向膨胀围岩的通路，隔绝膨胀岩与空气中水分接触。(3) 防止透水层中的地下水向膨胀围岩中流动，在透水层和膨胀围岩的交界处进行注浆，以形成止水帷幕，隔绝地层，使其不产生水压的变化。必要时在邻近交接处的透水层中设置排水孔。严格控制施工用水(1) 由于采取钻爆施工，钻孔时需要使用大量的水，而水是膨胀围岩发生膨胀的外因，因此，膨胀围岩尽量减少钻爆而改用机械开挖。如必须钻爆施工，则对用水量进行控制。(2) 加强排水工作：在掌子面附近设置集水井，挖排水沟将掌子面施工用水和渗流水引至集水井，用抽水机排出洞外。开挖支护开挖与支护施工：遵循“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”的原则。加强围岩监控量测，根据量测结果调整支护参数，进行动态施工。本隧道洞身深埋段高地应力条件下软弱围岩大变形段、膨胀性围岩膨胀变形段砌，初期支护为锚杆、钢筋网、喷砼，可缩式140mm，壁厚10mm钢管钢架作为初期支护的加劲措施，其纵向间距为0.8m,初期支护和钢架沿隧道开挖外轮廓全周布置,喷射混凝土主洞和避难通道增加至20cm，主洞和避难通道锚杆调整为R25N锚杆，锚杆间距调整为8080cm，长4.0m，仰拱增设锚杆,仰拱间距为16080cm,6.5钢筋网间距调整为2020cm，二次衬砌主洞厚度调整为50cm，避难通道为40cm的混凝土二次衬砌为模筑砼,二次衬砌应在变形稳定后施作。预留变形量为20cm,锚杆为中空注浆锚杆。处治图如下：由于软岩的松散土压力很大，钢管钢架拱脚基础的稳定关系到整个结构的稳定。因此，在侧初期支护完成后，在仰拱与墙脚的结合部位增加注浆锚杆，并且在断面推进510m 后及时地进行仰拱衬砌，以增强基础的承载力。第 24 页 共 24 页